中性粒细胞呼吸爆发的产生机制及其炎症效应

中性粒细胞呼吸爆发的产生机制及其炎症效应 2004.24 1) ( 基础医学与临床 Basic MedicaI Sciences and CIinics 1 炎症 ( 专综述: ( Inflammation)2) 人类对炎症早就有所认识。很久以前，人们就开始用红肿热痛来描述炎症现象。近年来 随着分子生物学、细胞生物学、免疫学诸领域的进展，人们对炎症的现象和本质有了进一步 的了解。本专题旨在向读者介绍 昀丛谘字?煊虻囊恍?芯拷 埂,酒诩绦 赜泄刈?述。 ( 文章编号:1 001-6325 2004 )01-0001-06 中性粒细胞呼吸爆发的产生机制及其炎症效应 邢宇坤，张 伟 (中国医学科学院 中国协和医科大学 基础医学研究所，北京 100005) 摘要:中性粒细胞的呼吸爆发功能在宿主防御及炎症反应中起着重要的作用。该反应起始于吞噬小体面的 NADPH 氧化酶的活化，它将 02 还原成 02- ，随后 02- 经歧化作用转变成 H2 02 。在有 CI - 的情况下，髓过氧化物酶可 以催化 H2 02 生成 H0CI。H0CI 是高效的杀菌剂，通过与邻近的巯基、氨基反应发挥其杀伤毒性。呼吸爆发在清除微 生物的同时也会对机体正常组织造成损伤，许多疾病的发生均与活性氧的代谢有关。 关键词:中性粒细胞;呼吸爆发;炎症 中图分类号:R364.5 文献标识码:A 中性粒细胞是人体抵御外来微生物入侵的第一 1 NADPH 氧化酶的活化及功能 道防线，是固有性免疫系统中重要的效应细胞。它 可藉助 Fc 受体及补体受体通过吞噬、脱颗粒、ADCC 许多疾病和中性粒细胞的呼吸爆发功能缺陷相(抗体介导的细胞依赖的细胞毒作用)发挥其杀伤功 人们对呼吸爆发机理的研究与认识也是从这些 关， 能。在激活状态下，中性粒细胞还能产生大量的超 比 疾病 开 始 中， 较 著 名 的 是 慢 性 肉 芽 肿 氧阴离子和活性氧 reactive Oxygen 的。 其 species，R0S) 这 ( ， (chrOnicgranuIOmatOus disease，CGD) 。患此疾病的病 些分子具有很高的反应性， 可以与细菌的细胞膜、 核 但 人中性 粒 细 胞 吞 噬 功 能 正 常， 不 能 产 生 活 性 氧 酸分子及蛋白质发生氧化还原反应，造成微生物的 (R0S)无法杀伤吞噬小体内的病原体， ， 因而易受细 〔1〕 损伤和死亡 。此外，R0S 还可上调一些细胞因子 菌和真菌的感染，并在炎症部位产生肉芽肿。通过 及粘附分子如 TNF- 、 、 IL-1 ICAM-1 的表达水平，放 对该疾病研究发现， 这主要是由于 NADPH 氧化酶 大炎症效应。由于该过程中性粒细胞的耗氧量激 (NADPH Oxidase)的某些亚基基因缺陷造成的，该酶 〔2〕 增，可达正常消耗量的 2 20 倍，因此又称该反应为 在呼吸爆发中的重要作用也因此得以证实 。 呼吸爆发。根据活性氧生成次序及途径的不同，本 NADPH 氧化酶主要催化 02 从 NADPH 得到一个 篇将呼吸爆发分为三部分加以阐述。 电子生成超氧阴离子 02- 。 202 NADPHquot202- NADP H 收稿日期: 2003 - 12 - 01 基金项目: ( 国家自然科学基金 30170878) 2 基础医学与临床 Basic Medicai Sciences and Ciinics ( 2OO4.24 l) NADPH 氧 化 酶 主 要 包 括 五 个 组 分: PHOX ， p4O 测:NADPH 氧化酶的活化需要 RaplA 在 GTP 及 GDPp47 PHOX ，p67 PHOX ，p22 PHOX 以 及 gp9l PHOX 。 p22 PHOX 两种状态中不断转换，它主要介导细胞内膜系统各和 gp9l PHOX 为膜蛋白，在中性粒细胞分泌小泡或特 种蛋白之间的交通，促进细胞色素 D558 与其它组分异的颗粒膜表面形成异源二聚体， 即细胞色素 D558 。 〔3， 的结合 6〕 。NADPH 的电子就是通过它的两种辅基由黄素蛋白 NADPH 氧化酶的组装是一个多步骤有秩序的FAD 经血红素转移到 02 上的。 p4O PHOX ，p47 PHOX 和 连续过程。当中性粒细胞受外界刺激活化后，胞质p67 PHOX 通常以复合物的形式存在于中性粒细胞的 中的 p47 PHOX 被大量磷酸化， 磷酸化的 p47 PHOX 负责 这 此胞质内， 三 种 蛋 白 均 含 有 SH3 结 构 域， 外，在 将 p4O PHOX 和 p67 PHOX 连同 Rac2-GTP 转运至膜， 与细p67 PHOX 的 N 末端及 p47 PHOX 的 C 末端还含有富含脯氨酸的 SH3 结合结构域。当中性粒细胞处于静息状态时， PHOX 的这两个结构域相互结合使其无法 p47转 移 至 膜 与 细 胞 色 素 D558 作 用。 细 胞 激 活 后，p47 PHOX 的 C 末端 SH3 结合结构域与 p67 PHOX 的 C 末端 SH3 结构域结合从而将其自身的 SH3 结构域释放出 来。释 放 出 的 SH3 结 构 域 既 可 在 胞 质 内 和p67 PHOX 的 N 末端 SH3 结合结构域作用， 又可转移到膜上和 p22 PHOX 结合(图 l)。进而推测，NADPH 氧化酶的活化很可能伴随着胞质复合物的重新排列 。 〔3〕 图2 中性粒细胞 NADPH 氧化酶的组装过程 Fig 2 The assembly of NADPH oxidsae in human neutrophils 〔7〕 胞色素 b558 和 RaplA 形成氧化酶复合物 (图 2) 。 细胞色素 D558 和 RaplA 多存在于分泌小泡及富含碱 性磷酸酶的颗粒膜表面， 2- 最初也在这类小泡中产 0 生。随即，这些小泡之 - 继续释放。 间或与胞饮小泡相互融合，形 成更大的二级小泡，在二级小泡内， 20 一些二级小泡还可与中性粒细胞的质膜融合，从而 〔8〕 使得一 部 分 02- 释 放 到 胞 外 。转 移 到 质 膜 上 的 图1 p47 quot 与 p67 quot 、 quot 之间的相互作用 p22 NADPH 氧化酶功能及活性是否发生改变目前还不 Fig 1 The interaction among p47 quot ，p67 quot ，p22 quot 清楚，Dahigren 等人发现，当细胞色素 D558 由细胞颗 粒内膜转移到质膜后， 尽管颗粒组分的 NADPH 氧化 除以上五种蛋白外， ( 两种鸟苷酸结合蛋白 G 蛋 酶活性降低，却并不伴随质膜组分中该酶活性的升白) 也参与了 NADPH 氧化酶的活化。一种是 Rac2， 〔9〕 高 。抑制 NADPH 氧化酶在细胞质膜上的功能有属于 G 蛋白 Rho 家族， 存在于静息状态的中性粒细 助于减少 02- 在胞外的释放， 防止活性氧对周围正胞胞浆内， 当其与 GTP 结合后随 p4O PHOX 、 PHOX 、 p47 常组织造成损害。通过包围外来微生物， 质膜内陷p67 PHOX 一同转移到膜上， 促进 p67 PHOX 与细胞色素 形成吞噬小体， 这些 NADPH 氧化酶又可重新返回至 〔4〕D558 之间的相互作用 ; 一种是 RaplA， 属于 Ras 家 胞质内。除了从质膜上获得 NADPH 氧化酶外， 吞噬族，定位于中性粒细胞膜表面， 与细胞色素 D558 结 小体还可直接与二级小泡融合， 已经证实该酶在这合。在体外实验中，RaplA 可以被蛋白激酶 A 磷酸 些颗粒小泡膜表面是具有活性的， 2- 藉此得以在 0 〔3， 降低其与细胞色素 D558 的结合能力 5〕 Maiy 等化， 。 吞噬小体内释放 〔3， 9〕 8， 。将 RaplA 的两种突变体 RaplA Sl7N 、 RaplAO63E 转染 2 活性氧的杀菌机制 使到 EB 病 毒 转 化 的 B 细 胞 内， 其 分 别 只 能 结 合GDP 或 GTP，发现 02- 的产生均受到抑制。进而推 02- 是所有活性氧分子的前身，它不能自由穿 2004.24 1) ( 基础医学与临床 Basic MedicaI Sciences and CIinics 3 越细胞膜。 O2- 可以灭活微生物体内的铁硫蛋白; ( 和 NO 反应生成过氧亚硝基阴离子 ONOO - ) 还可 ; (? 通过还原某些含铁复合物释放氢氧自由基 OH)。 这些分子均具有很强的氧化性，能够有效地杀伤入 侵的病原体及肿瘤细胞。除了以上两个通路，绝大 部分的 O2- 经过超氧化物歧化酶 superoxide dismu- ( tase，SOD)的作用转变为过氧化氢 H2 O2 ) H2 O2 也 ( 。 是弱氧化剂，虽然可以通过膜系统，但只有当其浓度 较高时才具有杀菌效应。在非吞噬细胞内，多余的 图3 髓过氧化物酶的反应链 ( H2 O2 被过氧化氢酶 cataIase，又称触媒)或谷胱甘肽 Fig 3 The reaction chain of myeloperoxidase ( 过氧化物酶 gIutathione peroxidase)分解成 H2 O 和 O2 得以清除，但在中性粒细胞内， 大量的 H2 O2 则被一 生成氯胺。它是 HOCI 氧化作用的主要产物，性质 ( 种含 有 血 红 素 的 髓 过 氧 化 物 酶 myeIoperoxidase， 较 HOCI 稳定，属于反应选择性较高的温和氧化剂。 MPO)消耗掉，这些髓过氧化物酶一般储存在嗜天青 有证据表明，吞噬小体内病原体蛋白的氯化程度与 颗粒中，细胞激活后通过脱颗粒作用释放到胞外或 〔12〕 中性粒细胞的杀伤效力直接成正比 。氯胺的作 吞噬小体内，进而在炎症部位催化 H2 O2 生成一系列 用底物主要是半胱氨酸的巯基和甲硫氨酸的硫醚基 〔1， 具有广泛生物学效应的活性氧分子 10〕 。 团，通过氧化蛋白质分子上的这两种氨基酸残基，可 根据髓过氧化物酶结合铁离子的不同可将其分 以使许多酶、蛋白酶抑制剂及载体蛋白失活。其中， 为 MPO Fe3 ) MPO Fe2 ) 种。 其 中 MPO ( 和 ( 两 蛋白酶—蛋白酶抑制剂平衡体系便是一个很好的例( Fe ) 3 与 是该酶的天然状态， 后生成一种 子。在正常组织中，分泌到胞外的蛋白酶会立即和 处于氧H2 O2 反应 化还原中间态的复合物 ，这种复合物反应 蛋白酶抑制剂 -PI) -巨球蛋白这类分子结 1- ( 1 或 2 性很强， ( 可以被有机化合物 RH)还原成复合物 quot 同 合，此时，蛋白酶的活性处于抑制状态。当微生物侵 ( ?， 时生成一个自由基 R ) 随后，复合物 quot 继续和其 入机体在局部组织诱发炎症反应后，激活的中性粒 它 ( 重新恢复到天然状 细胞开始不断地合成 HOCI 有机物反应使得 MPO Fe3 ) 及其代谢产物氯胺，氯 态。另外， ( Fe ) MPO 3 还可以和 O2- 直接作用变成 胺具有较好的膜通透性，可以扩散到胞外并在炎症 MPO Fe2 ) 其 机 制 目 前 尚 不 清 楚。实 际 上， ( ， MPO 部位积累，这些积累的氯胺随即作用于 -PI 和 - 1 2(Fe3 ) ( —复合物—复合物 quot—MPO Fe3 ) 这个系 巨球蛋白的甲硫氨酸残基，使其丧失与蛋白酶的结 统只是髓过氧化物酶循环利用的一个替代途径，它 合能力，各种蛋白酶包括弹性蛋白酶、胶原酶、胰蛋 的经典途径是通过复合物 氧化卤素离子( - )生 〔10， 白酶等因此被激活，它们不但可以降解可溶性蛋白， ( 成次卤酸 HO ) 11〕 (图 3)。其中，CI - 的反应产 分解胶原，还可以清除受损细胞及病原体的残骸。 ( 物次氯酸 HOCI)对于宿主防御以及炎症的发生、 发 除了和胞外蛋白酶结合外，1 -PI 和 -巨球蛋白还 2 展非常重要，因合成 HOCI 而摄入的氧约占到中性 与淋巴细胞膜表面的蛋白酶结合，抑制细胞毒效应， 粒细胞在呼吸爆发中总耗氧量的三分之二。其效应 氯 下调免 疫 反 应， 胺 的 生 成 恰 好 解 除 了 这 种 负 调 主要包括以下几个方面: 〔13〕 控 。在生理条件下，大部分氯胺并不稳定，它们 (1)与邻近的巯基、硫醚、Fe-S 中心反应生成二 〔14〕 会进一步分解成醛基衍生物 (方程式如下)。 硫化物、 亚砜类衍生物或亚硫酸， 灭活微生物体内铁 ( RCH COOH)NHCI H2 O RCHO HCI CO2 硫蛋白及某些巯基依赖的酶。 (2) 与蛋白质、多肽、氨基酸上的氨基基团反应 NH3 (3)与天然蛋白相比，这些氯化、醛基化的蛋白 质对蛋白酶更为敏感，易于被抗原递呈细胞识别，具 有更强的免疫原性。有报道称，丝氨酸氯胺的代谢 产物乙二醇醛可以与蛋白质的氨基反应生成 Schiff 4 基础医学与临床 Basic MedicaI Sciences and CIinics ( 2004.24 1) 碱中间产物，随后经过分子重排转变成醛亚胺。这 防御系统中起着重要的作用。 NF- B 通常以同源二 quot 种乙 二醇醛修饰的蛋白质能够在小鼠体内诱导高出 聚体或与 ReI 组成异源二聚体存在 于胞内，通过与 天然蛋白数.