脑红蛋白神经保护作用及其机制研究进展

刘腾飞，杨丽婷，吴承龙

脑红蛋白神经保护作用及其机制研究进展

刘腾飞1，杨丽婷1，吴承龙2

脑红蛋白(Ngb)是一种新近发现的存在于脊椎动物体内的球蛋白，与氧具有较高的亲和力，特异性地高表达于神经组织内。许多实验表明Ngb在脑组织缺血缺氧、氧化应激以及创伤相关的损伤中表达都发生相应地增加，并且具有一定的保护作用。然而关于Ngb神经保护作用的机制还不完全清楚，可能涉及的机制包括抗氧化清除自由基、维持线粒体功能、抗凋亡以及调节信号转导通路等。

脑红蛋白；神经保护；作用机制

过去的20多年间，关于神经组织在缺血缺氧、创伤后所产生的神经保护作用，以及这些保护作用的机制一直受到学者们的关注，然而大多实验的结果都不太令人满意。但这些研究的结果都表明神经组织在损伤后触发的内源性神经保护机制可以减轻损伤程度，提高神经组织的存活。因此，如何能有效地激活这些内源性保护机制，或者加强内源性保护机制的作用，可能为今后防治脑血管疾病以及神经退行性病变发挥重要的指导作用。

脑红蛋白(neuroglobin，Ngb)是2000年Burmester等[1]在对小鼠和人表达序列标签(expressed sequence tag，EST)进行序列同源性分析过程中发现的一段类似于球蛋白样的表达序列，这个序列所编码的蛋白由151个氨基酸组成，分子量大约为17 kDa，这种蛋白在人和小鼠之间具有94%的同源性，然而与肌红蛋白(Mb)氨基酸序列的同源性则小于21%，而与血红蛋白(Hb)的同源性小于25%。Ngb主要特异性地高表达于脑组织内，在外周神经系统以及某些内分泌组织和视网膜中也有分布[2，3]，除了在正常组织中的分布，Ngb在某些肿瘤组织中也有一定的分布[4]，提示Ngb可能与肿瘤细胞的生存有一定的关系。类似于其他球蛋白Hb和Mb，Ngb也可以和多种气态配体如氧气(O2)、二氧化碳(CO2)和一氧化氮(NO)等结合。由于Ngb在脑组织中的高表达以及其对O2的高亲和力，使得其在神经系统疾病中的作用受到广泛关注，近年来有大量关于Ngb神经保护作用的研究，然而对其潜在的作用机制还不完全清楚。

1 Ngb的神经保护作用

1.1 Ngb对缺血缺氧性脑损伤的保护 与O2的高亲和力以及在神经系统内的特异性高表达，表明Ngb可能对缺血缺氧性脑损伤具有保护作用，Sun等[5]第一次发现缺血缺氧能诱导神经细胞Ngb的表达，并且抑制Ngb表达后神经细胞的存活能力下降，相反则神经细胞的存活能力增加，还发现抑制Ngb的表达后脑组织梗死面积增加，神经功能缺损表现加重，增加Ngb的表达能降低脑组织梗死面积，并且能改善神经功能缺损的表现。除了对脑缺血缺氧性损伤的保护，在心肌梗死动物模型中也发现，Ngb的过表达同样能减少心肌梗死的面积，Ngb对心肌的保护作用可能是通过上调内源性NO合酶的表达而实现[6]。在对正常人和卒中患者脑组织切片的研究[7]中发现，Ngb在正常人体脑组织中也有一定程度的表达，而在卒中患者脑组织缺血半暗带内Ngb的表达较正常人明显增加，更进一步证明Ngb在缺血缺氧性脑损伤中的保护作用。然而有些研究的结果却表明Ngb无神经保护作用，同样是在脑缺血动物模型中，Raida等[8]却发现，Ngb在梗死周围缺血半暗带或其邻近的脑组织内表达并未增加，而与野生型小鼠相比，Ngb缺陷小鼠脑组织的梗死面积要小于野生型小鼠。在自发性高血压大鼠模型中同样也发现Ngb对缺血性脑损伤没有保护机制[9]。关于Ngb对缺血缺氧性脑损伤是否具有保护作用还有待进一步的研究。

1.2 Ngb对神经退行性疾病的保护作用 Ngb在脑中表达存在年龄相关性的表达下降[10]，提示Ngb表达的下降可能会增加年龄相关性神经系统疾病的发生率。β-淀粉样蛋白(Aβ)的过度沉积被认为是阿尔茨海默病(AD)发病中的关键因素。Khan等[11]发现Ngb通过抑制死亡信号膜复合物的形成，进而保护NMDA和Aβ对神经细胞的毒性作用，提示Ngb可能对AD具有保护作用。在Aβ培养的嗜铬细胞瘤细胞中[12]发现，Ngb的过表达能显著降低Aβ诱导的活性氧(ROS)形成以及脂质过氧化程度，进而促进嗜铬细胞瘤细胞的存活。在AD的发病机制中，微管相关蛋白Tau蛋白的过度磷酸化是另一个特征性的病理改变，国内的一项研究显示Ngb通过激活Akt信号传导通路，进而降低微管Tau蛋白的过度磷酸化，发挥预防AD发生的作用[13]。以上这些研究的结果都提示Ngb可能对AD具有一定的保护作用，然而相关的作用机制还有待进一步的探索。

1.3 Ngb对创伤性脑损伤以及其他神经系统疾病的保护作用 Ngb对创伤性脑损伤的保护作用是近些年的一个新热点，Taylor等[14]发现脑损伤后Ngb的表达会发生内源性的增加，过表达的Ngb可以降低脑损伤后感觉运动功能的缺损。在脊髓损伤动物实验中[15]同样发现Ngb对损伤后运动功能的恢复具有一定的促进作用，Ngb的这种保护作用可能是通过增加bcl-2基因，降低bax基因的表达，增加抗氧化物质超氧化物歧化酶(SOD)的水平，减少细胞色素C(CytC)的释放，降低caspase-3活性进而抑制凋亡来实现的。作为一种脑内特异性高表达的氧结合蛋白，Ngb对其他神经系统疾病具有一定的保护作用也不足为奇，其中的一个例子就是，母体癫痫发作后幼崽小脑组织内Ngb的表达增加，提示Ngb可能对癫痫诱发的缺血缺氧性脑损伤具有保护作用[16]。其次Wei等[17]发现Ngb 的过表达可以保护升高的眼压以及青光眼对视网膜神经节细胞的损伤，国内的研究还发现[18]，NaAsO2能使大鼠小脑颗粒细胞内Ngb的表达增加，而增加Ngb的表达可能通过抗氧化应激作用，进而保护NaAsO2对大鼠小脑颗粒神经元的毒性作用。Ngb如此广泛的神经保护作用表明它是一种重要的内源性神经保护分子。因此，如何能借助药物治疗手段诱导内源性Ngb的表达可能会成为神经系统疾病治疗的一种新方法。

2 Ngb神经保护作用的分子机制

关于Ngb神经保护作用的研究已有很多，然而潜在的作用机制还不完全清楚，最初的实验表明Ngb可能是作为一种氧储存蛋白进而发挥其神经保护作用[1]，然而在脑内相对较低的含量，可能与这种储存氧的作用机制不相符，而更被大家认可的是作为一种O2的感应器。此外，Ngb的神经保护作用机制可能涉及对细胞信号转导通路的调节，对线粒体功能的维持等。

2.1 抗氧化/硝化作用，清除自由基 中风后产生的氧化应激在神经损伤中起着重要的作用，氧化应激过程产生的各种自由基通过氧化细胞成分，例如脂质、蛋白质以及DNA进而使细胞受到损伤而死亡。在氧化应激条件下培养的嗜铬细胞瘤细胞实验中发现[12]，过表达的Ngb能显著降低H2O2诱导的ROS产生以及脂质过氧化程度，进而抑制H2O2引起的线粒体功能紊乱以及相应的细胞凋亡，且Ngb这种保护作用与内源性抗氧化剂如SOD、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、过氧化氢酶的活性无关。除了能与O2结合外，Ngb同样能和NO结合，表明Ngb可能同样具有一定的抗硝化作用，Greenberg等发现，Ngb的过表达能降低NO对NH33细胞的损伤，表明Ngb具有中和NO神经毒性的作用[19]，具有抗NO细胞毒性作用。Singh 等[20]发现Ngb过表达的神经元能削减NO诱导的线粒体氧消耗率改变包括基本氧消耗率，质子渗透能力，以及呼吸储备能力，进而抵抗NO介导的神经损伤作用。具有一定的抗硝化作用。

2.2 调节信号转导通路 Ngb对神经组织损伤后激发的信号转导通路具有重要的调节作用，通过抑制损伤相关信号的转导，进而发挥其神经保护作用。早在2003年Wkasugi等[21]就发现，三价型Ngb通过与GDP结合状态的G蛋白α亚单位结合，产生鸟苷酸分离抑制剂(guanine-nucleotide dissociation inhibitor，GDI)的活性，降低GDP转化为GTP的速率，阻止G蛋白α亚单位与βγ复合体的结合，进而调节氧化应激相关信号通路的转导而发挥神经保护作用；在另一项研究[22]中发现Ngb对嗜铬细胞瘤细胞氧化应激损伤的保护作用与其GDI活性密切相关，更进一步的证实了上述假设；还发现Ngb分子中的第60个谷氨酸残基对它的GDI活性具有重要作用[23]。

除了在上述信号转导通路中的作用外，在AD动物实验中发现[13]，Ngb通过激活Akt信号通路，进而降低Tau的磷酸化，对痴呆动物具有一定的保护作用。Zhang等[24]在脑缺血动物模型中也发现，过表达的Ngb使PI3-K/Akt信号通路激活，使磷酸化的Akt水平升高进而可以减少实验动物脑梗死面积，对神经功能缺损症状也有一定改善。

另外一项关于Ngb对信号转导通路的调节作用是通过基因芯片筛选技术研究Ngb过表达对大鼠缺氧反应基因表达作用的实验中发现的，Ngb的过表达通过对多种生存信号转导通路的调节进而抑制缺氧反应基因的表达，抑制缺氧对大鼠皮质神经元的损伤，促进大鼠皮质神经元的存活[25]。

2.3 维持线粒体功能的稳定 线粒体对正常细胞功能的维持具有重要的作用，参与能量代谢，维持超氧化物的稳定等，病理情况下介导细胞死亡信号的转导，Burmester等[3]发现Ngb的分布主要局限在代谢活性较强，耗氧较多的细胞类型中，而在细胞内的分布，与线粒体的分布具有较高的相关性，表明Ngb可能与氧代谢有一定的联系。Li等[12]的研究发现Ngb能降低β-淀粉样蛋白对嗜铬细胞瘤细胞的毒性作用，降低β-淀粉样蛋白诱导的线粒体功能紊乱，进而抑制嗜铬细胞瘤细胞的死亡。Liu 等[26]的实验也表明Ngb的过表达可以改善线粒体的功能，而且还能降低缺氧后氧化应激对大鼠皮质神经元的损伤，Ngb过表达的神经元在缺氧/再氧化损伤后，许多线粒体功能信号标志物例如ATP，3-(4，5-二甲基-2-噻唑基)-2，5-二苯基-2H-溴化四氮，以及线粒体膜动作电位的下降速率都发生了明显的改善，而过表达的Ngb还能进一步降低神经毒性的损伤作用。

线粒体通透性转换孔(mPTP)是线粒体膜上的一种蛋白孔道，缺氧缺血损伤后，mPTP开放进而引起 Cyt c从线粒体释放进入细胞质，进一步激活caspase依赖或非依赖的凋亡程序。Yu等[27]研究发现Ngb的过表达与mPTP的开放有关，Ngb能降低氧糖掠夺(oxygen glucose deprivation，OGD)损伤诱导的mPTP开放，进而降低Cyt c的释放而抑制死亡信号的转导，发挥Ngb的神经保护作用。

3 小 结

尽管目前关于Ngb神经保护作用的机制还未完全明确，但作为神经系统内一种特异性高表达的氧结合蛋白，Ngb在神经系统缺血缺氧、氧化应激、神经创伤等损伤后表达都发生明显的增加，而且都具有一定的保护作用，但这些研究结果都是通过动物实验所得，如何将这些动物实验结果应用于临床治疗中，以及如何在神经系统疾病发生后通过一些药物或治疗手段使Ngb表达发生上移进而发挥其保护作用，应该是今后研究工作中重点关注的问题。

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(本文编辑 郭怀印)

1.浙江中医药大学第二临床医学院(杭州 310051)；2.浙江省绍兴市人民医院

吴承龙，E-mail：wuchlo7666@126.com

R742 R259

A

10．3969/j．issn．1672-1349．2015．14．018

1672-1349(2015)14-1636-04

2015-01-19)