腦紅蛋白的神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)機(jī)制研究概況

1、    腦紅蛋白的神經(jīng)細(xì)胞保護(hù)機(jī)制研究概況    黃瑞勇關(guān)鍵詞 腦紅蛋白;缺血缺氧;神經(jīng)保護(hù):1003-1383(2009)04-0492-03:r 338:adoi:10.3969/j.issn.1003-1383.2009.04.069氧是機(jī)體新陳代謝和維持生存的必要因素,人們很早就知道血紅蛋白(hb)和肌紅蛋白(mb)是機(jī)體氧的轉(zhuǎn)運(yùn)與儲(chǔ)存、線(xiàn)粒體耗氧產(chǎn)能及清除多余氧等過(guò)程中的關(guān)鍵物質(zhì)。而對(duì)高耗氧的腦組織,人們一直都未能發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)氧利用的關(guān)鍵分子。腦紅蛋白(ngb)是德國(guó)科學(xué)家burmester t等1在2000年首次發(fā)現(xiàn)的存在于人和小鼠腦

2、組織內(nèi),功能上類(lèi)似于肌紅蛋白的攜氧球蛋白。含量雖低,僅占腦組織蛋白的0.01%左右1,但與腦的氧供應(yīng)密切相關(guān),在分子水平上調(diào)節(jié)腦組織氧的供應(yīng)狀態(tài),近年來(lái)逐漸成了神經(jīng)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了較為深入的研究,現(xiàn)就腦紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)、在機(jī)體中的分布及功能和相關(guān)研究進(jìn)展作一簡(jiǎn)要介紹。一、腦紅蛋白的結(jié)構(gòu)腦紅蛋白主要以單體形式存在,由151個(gè)氨基酸組成,相對(duì)分子量為17kd,有少量腦紅蛋白為多聚體,主要為二聚體,極少為四聚體,二聚體以二硫鍵相連。在生理狀態(tài)下ngb以還原狀態(tài)即脫氧形式(f8his2+-e7his)存在,其結(jié)構(gòu)為6配體,人和小鼠 ngb是球蛋白當(dāng)中第一個(gè)具有6個(gè)配體的單體蛋白2。n

3、gb與hb、mb均為含鐵卟啉的蛋白,但在基因組成和蛋白結(jié)構(gòu)等方面與hb、mb有較大差異。ngb基因在高級(jí)脊椎動(dòng)物中是一種高度保守的基因,序列同源性分析表明,大鼠和小鼠ngb基因序列同源性為96%,與人類(lèi)ngb同源性為88%,但與脊椎動(dòng)物其他球蛋白則有很低的同源性,與mb序列一致性<21%,與hb一致性二、腦紅蛋白的分布腦紅蛋白廣泛存在于動(dòng)物器官組織中。在哺乳動(dòng)物中,目前已經(jīng)在小鼠、大鼠和人中發(fā)現(xiàn)了ngb,burmester等1用northern雜交和原位雜交技術(shù)證實(shí)腦紅蛋白在小鼠和人腦組織中腦前葉、下丘腦和丘腦等處表達(dá)最強(qiáng)。鄧美玉等56用原位雜交及免疫組化技術(shù)分析發(fā)現(xiàn),ngb mrna陽(yáng)

4、性細(xì)胞廣泛存在于大鼠腦內(nèi)各個(gè)區(qū)域,定位于神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。ngb免疫反應(yīng)物質(zhì)在腦中不同區(qū)域表達(dá)水平不同,大腦皮質(zhì)表達(dá)水平較高,海馬區(qū)、丘腦、下丘腦均有散在分布。小腦中陽(yáng)性細(xì)胞較強(qiáng),主要分布于浦肯野細(xì)胞。在腦干、腦橋中也觀(guān)察到陽(yáng)性細(xì)胞分布,但較少。schmidt等7還觀(guān)察到ngb在小鼠的視網(wǎng)膜中大量表達(dá),其密度大概是大腦中的100倍,主要分布在視網(wǎng)膜中耗氧最多的視細(xì)胞外網(wǎng)層、內(nèi)網(wǎng)層及節(jié)細(xì)胞層中,提示ngb參與了高耗氧的視覺(jué)感受和視覺(jué)形成過(guò)程。王航雁等8研究發(fā)現(xiàn),人體不同組織中除腦組織中表達(dá)相對(duì)較高外,在多種組織中都有表達(dá),胎腎、人肝等組織ngb mrna表達(dá)甚至大于大腦皮質(zhì)、全腦和小腦,說(shuō)明ngb

5、基因并不是神經(jīng)系統(tǒng)特異性的,可能在機(jī)體許多組織、臟器中廣泛區(qū)域發(fā)揮作用,這很可能與多種組織氧利用有密切關(guān)系。此外,內(nèi)分泌系統(tǒng)如垂體、胰島的langerhans細(xì)胞、腎上腺中也有表達(dá)。三、腦紅蛋白的生物學(xué)功能腦紅蛋白的生物學(xué)功能目前尚不完全清楚,可能與下面幾方面有關(guān):在氧代謝方面有類(lèi)似mb的功能。儲(chǔ)存氧氣和促進(jìn)氧氣向線(xiàn)粒體擴(kuò)散或直接介導(dǎo)氧氣向線(xiàn)粒體的傳遞,促進(jìn)atp的產(chǎn)生,從而維持正常神經(jīng)元的功能。ngb 能夠可逆性地結(jié)合氧,與氧氣有很高的親和力,半飽和壓力(p50)約為2托(torr),高于哺乳動(dòng)物hb(約為26托),低于mb(約為1托),該特性使得即使血氧濃度較低,也十分有利于轉(zhuǎn)運(yùn)氧氣通過(guò)血

6、腦屏障,提高高耗氧的腦組織中氧的利用率。實(shí)驗(yàn)表明ngb在缺血缺氧狀態(tài)下表達(dá)增加,且高度表達(dá)的ngb能夠使培養(yǎng)的神經(jīng)元在缺氧情況下存活率升高和急性缺血狀態(tài)下大鼠腦梗死體積縮小9,提示ngb在腦缺血缺氧性損傷中對(duì)神經(jīng)元有保護(hù)作用。目前缺氧誘導(dǎo)ngb表達(dá)上調(diào)的機(jī)制仍未闡明,可能與缺氧誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子hif1有關(guān)10。氧氣感受功能。結(jié)合配體時(shí)6配位珠蛋白血紅素袋的構(gòu)象變化較大,提示ngb可能作為氧氣感受器,根據(jù)氧氣濃度的變化參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路調(diào)節(jié)11。nadh氧化酶作用。在半缺氧條件下促進(jìn)糖酵解,產(chǎn)生atp供給能量,有助于維持神經(jīng)元的正常功能。作為活性氧和no基團(tuán)的清道夫,參與no的代謝過(guò)程,從而減輕

7、其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。四、腦紅蛋白與缺血缺氧性疾病目前較多研究表明ngb對(duì)腦缺血缺氧有保護(hù)作用,這方面研究可以分為兩大類(lèi),一類(lèi)是在缺血缺氧條件下觀(guān)察到在體或離體神經(jīng)細(xì)胞腦紅蛋白的表達(dá)升高,因此推測(cè)它起到腦保護(hù)作用。另一類(lèi)是在缺血缺氧條件下人為增強(qiáng)或降低腦紅蛋白的表達(dá),觀(guān)察到在體或離體神經(jīng)細(xì)胞損傷減輕或增加,這類(lèi)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為具有較強(qiáng)的說(shuō)服力。sun等9通過(guò)向大鼠腦室注入脫氧核苷酸,中動(dòng)脈閉塞后腦梗死面積增加,再給予表達(dá)ngb的腺病毒載體后與對(duì)照組比較梗死灶體積減少50%,而利用反義寡核苷酸技術(shù)減少其ngb的表達(dá)時(shí),腦梗死體積較對(duì)照組增加了60%。另外,用ngb睺at治療培養(yǎng)的大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞可以降

8、低細(xì)胞對(duì)氧的敏感性12,說(shuō)明其可能在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞損傷中起保護(hù)作用。過(guò)分表達(dá)ngb的轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)可以降低腦梗死體積13。還有實(shí)驗(yàn)將小鼠大腦中動(dòng)脈結(jié)扎90 min后再灌注424 h,發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元胞質(zhì)內(nèi)ngb的表達(dá)量也增加。以上實(shí)驗(yàn)表明ngb在缺血缺氧情況下對(duì)腦組織具有保護(hù)作用。張成崗14等采用rt睵cr技術(shù)對(duì)大鼠缺血缺氧損傷時(shí)腦組織中 ngb mrna水平的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究,發(fā)現(xiàn)該基因表達(dá)顯著升高,并呈時(shí)相變化,雙側(cè)總動(dòng)脈夾閉1 min后腦組織中ngb mrna迅速增至高峰,5 min時(shí)仍然保持高水平,15 min時(shí)迅速降低,此后又緩慢升高,提示ngb可能在腦缺氧適應(yīng)性調(diào)節(jié)中起到重要作用

9、。以往ngb的研究主要集中在模型和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方面,在臨床應(yīng)用研究方面目前還處于探索階段。最近國(guó)內(nèi)王航雁等1516用elisa方法檢測(cè)新生兒血清ngb,觀(guān)察新生兒和早產(chǎn)兒動(dòng)脈血清中ngb表達(dá)的變化,并探討其臨床意義,發(fā)現(xiàn)ngb表達(dá)無(wú)性別差異,并初步確定了足月健康新生兒血清ngb的參考范圍。研究還發(fā)現(xiàn)宮內(nèi)窘迫新生兒血清ngb表達(dá)水平顯著高于健康對(duì)照組,認(rèn)為新生兒臍動(dòng)脈血清 ngb水平作為hie的早期檢測(cè)指標(biāo)具有臨床應(yīng)用價(jià)值,該實(shí)驗(yàn)為ngb在臨床應(yīng)用方面的研究提供了新的思路。ngb在成人神經(jīng)系統(tǒng)性疾病的臨床應(yīng)用研究尚未見(jiàn)報(bào)道。五、腦紅蛋白與創(chuàng)傷性腦損傷目前多個(gè)研究顯示在腦缺血缺氧時(shí)ngb的表達(dá)升高,表

10、明了ngb對(duì)缺血缺氧性腦損傷有保護(hù)作用,是否對(duì)創(chuàng)傷性腦損傷也有保護(hù)作用呢?近年來(lái)也有學(xué)者在這方面做了一些研究。國(guó)內(nèi)周定標(biāo)等17通過(guò)體外培養(yǎng)原代神經(jīng)元損傷模型的建立,采用免疫組化和圖像分析技術(shù)觀(guān)測(cè)損傷前、后不同時(shí)間點(diǎn)神經(jīng)元ngb免疫組化反應(yīng)物和陽(yáng)性信號(hào)值,結(jié)果發(fā)現(xiàn),12 h后ngb陽(yáng)性信號(hào)開(kāi)始增加,16 h達(dá)到高峰,隨后逐漸下降,128 h后恢復(fù)正常水平,表明機(jī)械損傷可以誘導(dǎo)神經(jīng)元ngb在一定時(shí)間段內(nèi)表達(dá)上調(diào),ngb可能參與了機(jī)械損傷后神經(jīng)元的修復(fù)過(guò)程。研究還表明,大鼠彌漫性顱腦損傷后ngb mrna的表達(dá)呈雙峰型,提示其可能參與神經(jīng)元損傷后應(yīng)激及繼發(fā)性腦缺血缺氧性腦損傷的應(yīng)答機(jī)制18。同樣,大

11、鼠腦外傷后在傷灶周?chē)べ|(zhì)神經(jīng)元內(nèi)也觀(guān)察到ngb表達(dá)明顯升高19。以上研究表明,ngb可能參與了腦外傷后神經(jīng)元的保護(hù)作用。眾所周知,繼發(fā)性腦損傷的實(shí)質(zhì)是腦組織的缺血缺氧,尸檢發(fā)現(xiàn),腦外傷死亡的病人90%都存在腦缺血,改善腦外傷病人預(yù)后的關(guān)鍵在于抑制原發(fā)性腦損傷后的繼發(fā)性腦缺血缺氧損傷,腦紅蛋白的發(fā)現(xiàn),為繼發(fā)性腦損傷的研究與防治提供了新的思路。六、腦紅蛋白與其他疾病作為一種新發(fā)現(xiàn)的攜氧球蛋白,因?yàn)槟X紅蛋白的特殊分子結(jié)構(gòu)和其對(duì)氧有很高的親和力,以及ngb的神經(jīng)元定位和可能的內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)因子的功能,為神經(jīng)系統(tǒng)氧的利用及神經(jīng)元保護(hù)等方面的研究提供了一條新的途徑,目前成為神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)外科以及機(jī)體組織氧

12、利用方面研究的熱點(diǎn),并取得了一定的成果。對(duì)其他疾病也具有保護(hù)的作用,有研究認(rèn)為,腦紅蛋白在視網(wǎng)膜、生殖系統(tǒng)中的高濃度表達(dá),為視神經(jīng)缺氧性病變?nèi)绺咴鄣撞?、男性不育的治療方面指出了新的方?具有重要的臨床意義20。近來(lái)研究還發(fā)現(xiàn)腦紅蛋白在神經(jīng)系統(tǒng)退行性變中具有保護(hù)作用,與某些老年神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展有著某種聯(lián)系21,這些發(fā)現(xiàn)為帕金森氏綜合征、阿爾茨海默病等的治療帶來(lái)了新的希望。fordel等22研究發(fā)現(xiàn)ngb還可以保護(hù)細(xì)胞免受非缺氧性損傷,提示它可能還有更為廣泛的內(nèi)源性作用。雖然ngb已成為目前神經(jīng)科學(xué)研究的熱點(diǎn),并在基因序列、定位、蛋白結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了較為深入的研究,但當(dāng)前仍然存在幾個(gè)問(wèn)題

13、:ngb的生理功能目前還存在爭(zhēng)議;ngb到底是通過(guò)何種方式、如何對(duì)神經(jīng)元實(shí)施保護(hù);ngb受缺氧誘導(dǎo)所涉及的信號(hào)傳導(dǎo)途徑仍然不明了;ngb的相關(guān)臨床應(yīng)用研究少見(jiàn)有報(bào)道。綜上所述,ngb是一種新的內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)因子,在神經(jīng)系統(tǒng)疾病及組織氧利用等方面的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值,對(duì)于ngb保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞機(jī)制的研究及在臨床上如何加以利用是未來(lái)ngb研究方向。參考文獻(xiàn)1burmester t,weich b,reinhardt s,et al.a vertebrate globin expressed in the brainj.nature,2000,407:520-523.2tren jt 3rd,wat

14、ts ra hargrove ms.human neuroglobin,ahexacoordinate hemoglobin that revevsiby binds oxygenj.biol chen,2001,276:30106-30110.3zhang c, wang c, deng m,et al. full-length cdna cloning of human neuroglobin and tissue expression of rat neuroglobinj.biochem biophys res commun.2002,290:1411-1419.4pesce a, d

15、ewilde s,nardini m,et al.human brain neuroglobin structure reveals a distinct mode of controlling oxygen affinityj.structur,2003,11(9):1087-1095.5鄧美玉,張成崗,王航雁,等.腦紅蛋白mrna在大鼠腦內(nèi)的定位j.解剖學(xué)報(bào),2003,34(1):85-89.6鄧美玉,張成崗,李 林,等.用免疫組化方法檢測(cè)腦紅蛋白在大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分布j.中國(guó)組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志,2003,11(3):271-274.7schmidt m,giessl a,laufs

16、 t,et al.how does the eye breathe?evidence for the neuroglobin-mediated oxygen supply in the manmalin retinaj.j biol chem,2003,278(3):1932-1935.8王航雁,鄧美玉,王 靜,等.腦紅蛋白基因在人體不同組織中的表達(dá)j.實(shí)用兒科臨床雜志,2004,19(4):278-280.9sun y,jin k,peel a,et al.neuroglobin protects the brain from experimental stroke in vivoj.pro

17、c natl acad sci usa,2003,100(6):3497-3500.10sun y,jin k,nao xo,et al.neuroglobin is up-reglulated by and protects neurons from hypoxic-ischemic injuryj.proc natl acad sci usa,2001,98(26):15306-15311.11kriegl jm,bhattacharyya aj,nienhaus k,et al.ligand binding and protein dynamics in neuroglobinj.pro

18、c natl acad sci usa,2002,99(12):7992-7997.12zhou g y,zhou s n,loi z y,et al.translocation and neuroprotective properties of transactivator-of-transcription protein-transduction domain-neuroglobin fusion protein in primary cultured cortical neuronsj.biotehonl appl biochen,2008,49(pt1):25-33.13khan aa

19、,wang y,sunn y,et al.neuroglobin-overexpressing transgenic mice are resistant to cerebral and myocardial ischemiaj.proc natl acad sic usa,2006,103(47):17944-17948.14鄧美玉,張成崗,王春麗,等.大鼠缺氧缺血性腦損傷腦組織中腦紅蛋白基因表達(dá)的變化j.中華病理學(xué)雜志,2002,31:261-262.15王航雁,王 靜,王 萍,等.腦紅蛋白在新生兒血清的表達(dá)及臨床意義j.中華圍產(chǎn)醫(yī)學(xué)雜志,2007,10(2):121-122.16王 靜,王航雁,王 萍,等.宮內(nèi)窘迫新生兒血清腦紅蛋白的變化j.實(shí)用兒科臨床雜志,