氧化自由基清除剂超氧化物歧化酶与疾病_张笑天

*基金项目：国家重点基础研究发展规划973项目（2007CB5119001）；国家社科基金重大项目（09＆ZD072）；长江学者奖励计划；北京大学985和211项目（20020903）；中国博士后科学基金（2012M510233）作者单位：北京大学人口研究所世界卫生组织生殖健康合作中心，北京100871作者简介：张笑天（1979－），女，陕西西安人，讲师，博士，研究方向：出生缺陷的基础研究。

通讯作者：郑晓瑛，E-mail ：xzheng@pku．edu．cn 数字出版日期：2014－4－815：03数字出版网址：http ：//www．cnki．net /kcms /detail /21．1234．Ｒ．20140408．1503．072．html·综述·氧化自由基清除剂超氧化物歧化酶与疾病*张笑天，郑晓瑛关键词：超氧化物歧化酶（SOD ）；铜/锌超氧化物歧化酶（CuZnSOD ）；锰超氧化物歧化酶（MnSOD ）；细胞内超氧化物歧化酶（ECSOD ）；疾病中图分类号：Ｒ181.2文献标志码：A 文章编号：1001-0580（2014）10-1349-04DOI ：10．11847/zgggws2014-30-10-38超氧化物歧化酶（superoxide dismutases ，SOD ）是一类能够将超氧阴离子催化为过氧化氢和氧气的金属结合酶，是体内重要的氧化自由基清除剂，广泛存在于各类动物、植物及微生物中，起到重要的抗氧化作用。

SOD 参与众多疾病的发生发展过程，如中枢神经系统疾病、心血管疾病、自身免疫性疾病、癌症、辐射病等。

人体内超氧化物歧化酶家族有3种亚型：胞浆铜/锌超氧化物歧化酶（Cu 、Zn superoxide dismutase ，CuZnSOD ），线粒体锰超氧化物歧化酶（Mn superoxide dismutase ，MnSOD ）和细胞外超氧化物歧化酶（extracellular superoxide dismutase ，EC-SOD ）。

根据其组织定位和亚细胞定位，每一种SOD 蛋白都具有独特的生理功能。

本文针对不同亚型SOD 与人类疾病关系综述如下。

1超氧化物歧化酶来源分布及分子结构1.1CuZnSODCuZnSOD 是人体细胞抵御自由基损伤的最重要酶之一，广泛存在于各类细胞的细胞质和细胞核中，在溶酶体、过氧化物酶体等细胞器中也有少量存在。

CuZnSOD 相对分子量约为32000U ，由2个亚基组成，每个亚基含有1个铜原子和1个锌原子。

人CuZnSOD 基因定位于21号染色体（21q22），基因组序列中含有5个外显子和4个内含子，在其5'端含有TATA 盒及CCAAT 盒，并且富含GC 保守序列，3'端拥有多个polyA 信号序列。

研究表明多个转录因子均能与人CuZnSOD 基因启动子区相结合而促进或抑制该基因表达［1］。

1.2MnSOD MnSOD 首先发现于大肠杆菌，主要分布在线粒体基质内，相对分子量约为40000U ，由4个亚基组成，每个亚基含有2个锰原子。

人Mn-SOD 基因定位于6号染色体（6q25），基因组序列中含有5个外显子和4个内含子，在其5'端启动子区含有较多GC 盒，而TATA 盒和CAAT 盒缺乏［2］。

研究发现该基因启动子区存在多个Sp1和AP2结合位点，其中Sp1结合区是MnSOD 基因高效启动所必需［3］。

其蛋白结构中含有较多色氨酸和酪氨酸，而不含有半胱氨酸，对乙醇－氯仿溶液敏感，对过氧化氢和氰化物不敏感。

1.3ECSODECSOD 是一种弱亲水性的分泌型糖蛋白，相对分子量约为120000U ，由4个相同亚基组成，每个亚基含有1个铜原子和1个锌原子，2亚基间通过二硫键相连。

组织中的ECSOD 主要分布于细胞外液、结缔组织细胞外基质及细胞表面，占体内全部ECSOD 的90% 99%。

人ECSOD 位于4q21染色体上，含有3个外显子和2个内含子。

该酶主要由3个功能结构域组成：N －端序列（Trp1－Ile95），在Asn89处有一糖基化位点，主要有助于酶的溶解；活性中心区域（His96－Gly193），与CuZn-SOD 后2/3部分有高度同源性；C －端结构域（Val194－Ala222），其中包含9个氨基酸残基组成的带正电荷区域，尤其是其中210ArgLysLysArgArgArg215这6个氨基酸构成了与肝素结合的结构域［4］。

当其N 端24位的缬氨酸突变为天冬氨酸时，ECSOD 则由原来的四聚体变为二聚体，与肝素结合能力下降，这可能与蛋白裂解酶结构域的部分裂解作用或结构域中的赖氨酸残基的非酶性糖基化作用有关［5］。

2超氧化物歧化酶与疾病2.1SOD 与肌萎性脊髓侧索硬化症（amyotrophiclateral sclerosis ，ALS ）ALS 是一种致死的神经退行性病变，发病初期影响上下肢运动神经元，进而引起皮质、脑干和脊索中运动神经元变性、退化，最后导致进行性瘫痪和死亡。

ALS 绝大部分为散发型，只有5% 10%为家族遗传型（fALS ），而fALS 中约20%由CuZnSOD发生氨基酸突变引起，但作用机制尚不明确。

1993年，Ｒosen等［6］首次发现11个CuZnSOD的错义突变位点与fALS发病密切相关。

目前为止，已有超过150个CuZnSOD基因的编码区突变位点被报道［7］，这些突变大多集中在CuZnSOD 基因5个外显子中的错义突变，主要有以下几种类型：Asn86Ser、Ala4Val、Asp76Tyr、Asp90Ala、Gly93Ala，其中Ala4Val最为常见，且病情进展快，存活时间短。

一个位于CuZnSOD基因启动子区TATA 盒内的突变位点被发现，但遗传分析显示该突变位点并不是fALS的易感因子［8］。

CuZnSOD基因突变导致神经元死亡机制至今仍不明确，主要存在2种理论：（1）突变的CuZnSOD 基因导致蛋白质错误折叠，尤其是活性部位空间结构发生改变，一些异常物质如过氧化硝基阴离子和过氧化氢与CuZnSOD中的铜离子发生反应，从而直接或间接产生氧化应激损伤；或者由于CuZnSOD基因突变后，锌离子与CuZnSOD的结合不稳定，缺乏锌离子的CuZnSOD在一氧化氮存在情况下催化产生大量过氧化硝基阴离子，从而导致氧化应激损伤［9］。

（2）突变CuZnSOD蛋白在细胞内异常聚集，进而影响微管依赖的轴突运输或干扰了细胞内正常蛋白质的代谢［10］。

SECSOD与ALS的研究相对较少。

目前发现ECSOD突变体与fALS存在相关性，推测异常的ECSOD活性引发了ALS发生过程，因为其不能有效的去除氧自由基［11］。

突变的ECSOD可以和过硝酸反应形成硝酸蛋白，最终导致ALS中运动神经元的选择性变性。

对ALS的治疗可采用免疫抑制剂、神经营养因子等，但抗氧化剂ECSOD应该是一种最有潜力的药物［12］。

2.2SOD与唐氏综合征（Down syndrome DS）DS 又称21三体综合征，是小儿最为常见的常染色体畸变所导致的出生缺陷类疾病。

患儿主要临床特征为智能障碍、体格发育落后和特殊面容，并可伴有多发畸形。

DS表型特征的基因关键部位与CuZnSOD基因均位于22q22.1。

Brugge等［13］报道17例成人DS 患者的红细胞CuZnSOD和谷胱甘肽过氧化物酶－1的活性与对照组比较，明显升高，过氧化氢酶活性与对照组无明显差异。

Muchova等［14］发现DS患者中性粒细胞、红细胞CuZnSOD活性明显增加。

提示DS患者体内存在慢性氧化应激，CuZnSOD过度表达是引起氧化应激的关键酶。

由于CuZnSOD过度表达导致细胞中CuZnSOD活性增高，可达正常人的150%，谷胱甘肽过氧化物酶－1活性也继发性增高，而过氧化氢酶浓度并不增高，导致体内抗氧化酶系统失衡，细胞内过氧化氢累积，从而引起体内反应性氧族活性增高、氧化应激增高、脂质过氧化反应增强、细胞退行性变及凋亡。

2.3SOD与动脉粥样硬化（atherosclerosis）CuZn-SOD是血管内皮细胞中主要的抗氧化剂，能够调节血管壁中超氧阴离子水平和一氧化氮生物利用度，从而增强机体抗氧化能力，保护内皮细胞免受氧化损伤。

Didion等［15］发现CuZnSOD敲除的转基因小鼠体内过氧化物水平升高，内皮细胞功能受损，但在Apo－/－小鼠体内过表达CuZnSOD，其脂质过氧化和动脉粥样硬化症的发展并没有得到缓解。

动物实验发现在正常的小鼠血管壁中MnSOD的表达量远比ECSOD和CuZnSOD少，没有明显抗氧化应激作用［16］。

在ApoE－/－小鼠体内，MnSOD表达一过性增加，提示MnSOD可能是通过线粒体的氧化损伤抑制动脉粥样硬化的发展［17］。

因此尽管在血管壁中MnSOD的表达及活性相对比较低，可能通过在线粒体中的抗氧化应激作用参与抑制AS的形成。

ECSOD是内源性一氧化氮的重要调节因子之一，它可以清除体内多余的氧离子，保护一氧化氮的生物活性，维持氧离子和一氧化氮的平衡。

ECSOD 的表达水平不仅受到肝素结合区域蛋白水解作用的调节，还受到过氧化氢、免疫因子等物质的调节。

实验表明，动脉粥样硬化过程中，ECSOD和一氧化氮合酶在病变的巨噬细胞中高表达，动脉壁中ECSOD 的高表达不仅防止超氧阴离子的损失作用，也维持一氧化氮的活性，防止超氧化物的形成［18］，提示调节ECSOD和一氧化氮合酶的活性可能是治疗动脉粥样硬化症发生的新策略。

2.4MnSOD与癌症研究表明肺癌、前列腺癌、结肠癌、卵巢癌、膀胱癌的发生与MnSOD基因Val16Ala多态性有显著性关联［19－20］。

动物模型研究显示，乙醇诱导的肝硬化小鼠中，MnSOD mＲNA 稳定性和蛋白表达水平明显降低，MnSOD基因Val16Ala多态性显著增加肝细胞癌的发生风险［21］。

但在乳腺癌患者中，未发现MnSOD基因Val16Ala 突变与乳腺癌的发生相关［22］。

与正常细胞比较，癌细胞中MnSOD蛋白表达水平明显升高［23］，但其活性却普遍降低［24］。

在MnSOD水平降低的细胞中过表达MnSOD，结果显示细胞的生长模式将恢复至正常细胞［25］。

Dhar等［26］利用7，1－二甲基苯并芘（DMBA）和12－0－十四烷酰佛波醇－13－醋酸酯（TPA）多阶段致癌模型研究MnSOD参与癌症发生发展的机制，结果显示，在外形正常的皮肤及良性皮肤乳头状瘤中，接触DMBA和TPA将激活p53，并通过p53介导抑制Sp1结合到MnSOD启动子上降低MnSOD表达。

在鳞状细胞癌中，由于p53缺失，Sp1与MnSOD结合增加，使得MnSOD表达增加，提示抗氧化酶MnSOD与癌症演变之间存在重要联系。