title: 胃腸道內(nèi)的NADPH氧化酶類和活性氧信號通路
date: 2019-01-11 12:52:02
tags: [NADPH, ROS, GIT]
categoires: 胃腸道系統(tǒng)
導讀
活性氧類(Reactive oxygen species, ROS)，起初被分類為是一種有氧代謝產(chǎn)生的毒性副產(chǎn)物，被稱為是一把雙刃劍。當考慮到宿主防御和氧化還原信號以及受到炎癥和退行性疾病的威脅時，ROS被認為是必不可少的。NOX/DUOX NADPH氧化酶類是產(chǎn)生ROS的唯一來源，因為其表達的廣泛性和調(diào)控的復雜性使得ROS可以在細胞內(nèi)和細胞間進行交流。這篇文章主要討論了NADPH是如何通過ROS來調(diào)控腸道屏障穩(wěn)態(tài)，疾病感染和腸道炎癥的。進一步研究單基因VEOIBD(very early onset of IBD，及早發(fā)炎癥性腸病)和共生菌作為ROS來源支持了H2O2(過氧化氫)作為屏障生態(tài)系統(tǒng)中關鍵有益信使的觀點。
文章介紹
- Title:NADPH oxidases and ROS signaling in the gastrointestinal tract
- 譯名：胃腸道內(nèi)的NADPH氧化酶類和活性氧信號通路
- 期刊：Mucosal Immunology
- IF: 7.360
- 作者：Gabriella Aviello and Ulla G. Knaus
- DOI: 10.1038/s41385-018-0021-8
概念梳理
- ROS:什么叫ROS，這個術語現(xiàn)在用的比較泛濫，反正就是不分青紅皂白就被拿來做文章了。那么它究竟指的是什么呢？概括地說,是指機體內(nèi)或者自然環(huán)境中由氧組成,含氧并且性質(zhì)活潑的物質(zhì)的總稱。它們是體內(nèi)一類氧的單電子還原產(chǎn)物，是電子在未能傳遞到末端氧化酶之前漏出呼吸鏈并消耗大約2%的氧生成的，包括氧的一電子還原產(chǎn)物超氧陰離子基團、二電子還原產(chǎn)物過氧化氫、三電子還原產(chǎn)物羥基自由基以及一氧化氮等[1]。
Fig.1 宿主體內(nèi)活性氧/氮類的產(chǎn)生和清除：氧氣得到一個電子還原為超氧化物，可以進一步通過超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)形成過氧化氫，或者轉(zhuǎn)為羥基自由基。H2O2可發(fā)生芬頓反應，經(jīng)過氧化氫酶(CAT)或谷胱甘肽(GSH)/谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為HO?或還原為水(H2O)。在氯離子的存在下(Cl?)，過氧化氫可以通過中性粒細胞髓過氧化酶(MPO)轉(zhuǎn)化成次氯酸(HOCl),可進一步生成HO?。一氧化氮合酶(NOS)催化l-精氨酸氧化成l-瓜氨酸，釋放一氧化氮自由基
(NO?),與O2??反應后形成了強大的氧化劑過氧亞硝基(ONOO?)。
NADPH氧化酶類
NADPH氧化酶形成多聚體復合物，通過將電子從NADPH通過FAD和兩個非等價的血紅素轉(zhuǎn)移到分子氧（電子受體），以嚴格控制的方式產(chǎn)生超氧化物或H2O2。
Fig.2 存在于腸中的NADPH氧化酶的示意圖。 NOX1是一種多亞基復合物，其催化核心由兩種跨膜蛋白組成：p22phox和NOX1。為了將分子氧轉(zhuǎn)化為超氧化物，NOX1與p22phox，稱為NOXA1和NOXO1的兩個胞質(zhì)亞基以及活化的RAC1 GTP酶異二聚體化。 NOX2異二聚體由p22phox和gp91phox（也稱為NOX2）組成。 NOX2復合物通常在靜息細胞中無活性，但當刺激細胞溶質(zhì)亞基p40phox，p47phox和p67phox以及活化的RAC與NOX2-p22phox組裝以通過電子穿梭將氧還原為超氧化物。 DUOX2（也稱為甲狀腺氧化酶）是含有蛋白質(zhì)的EF手基序，其與成熟因子DUOXA2形成膜結(jié)合的異二聚體，并以Ca2 +依賴性方式產(chǎn)生H2O2。
炎癥性腸病中的NADPH氧化酶
急性炎癥與ROS（氧化應激）的豐度增加之間的相關性已用于設計針對ROS來源來改善疾病的抗氧化方法或抑制劑策略的基礎。雖然ROS與疾病的發(fā)展/進展有關，或被認為是某些疾病的嚴重程度的標志物，但抗氧化方法在IBD中的應用并不十分成功。
氧化應激-IBD相關性也受到NADPH氧化酶罕見失活的發(fā)現(xiàn)，遺傳或從頭突變的IBD患者的挑戰(zhàn)。由于NOX2復合物成分中的功能喪失變異而導致先天免疫細胞中超氧化物產(chǎn)生的消除與CD樣疾病有因果關系，并且CGD患者有時被錯誤地歸類為CD直至肝膿腫或肺部感染的發(fā)生
總之，與VEOIBD(very early onset IBD)相關的~70個基因中的7個屬于NADPH氧化酶家族及其必需的伴侶蛋白。所有NOX1，DUOX2和NOX2復合物相關變體均顯示ROS產(chǎn)生缺陷，而尚未發(fā)現(xiàn)功能獲得性突變。因此，某些嚴重的VEOIBD表型與腸屏障缺乏ROS有關，而與ROS過量產(chǎn)生無關。
小鼠結(jié)腸炎模型中NADPH氧化酶缺失
IBD的實驗模型對于提高我們對腸道病理生理學和宿主-微生物群相互作用的理解是必不可少的。通常使用幾種可以產(chǎn)生各種腸道炎癥的小鼠模型?；瘜W誘變（例如，DSS，TNBS）或傳染性（例如，檸檬酸桿菌，沙門氏菌）結(jié)腸炎是近交小鼠品系的主要方法，但其實要清楚不管是在腸解剖學，免疫學和微生物群落方面，小鼠和人之間都是存在差異的。
小鼠與人類腸上皮細胞亞群中Nox1 / Duox2表達譜的差異及其對屏障功能的影響可能改變疾病結(jié)果。在不久的將來，開發(fā)可模擬上皮NADPH氧化酶缺乏的小鼠模型將是一項重大挑戰(zhàn)
上皮氧化酶在腸道屏障中的作用
Fig.3 腸粘膜中的多方面的H2O2信號傳導。在腸道中，ROS可以通過免疫系統(tǒng)，上皮細胞和微生物的刺激而得到釋放。由免疫系統(tǒng)中的吞噬細胞產(chǎn)生的ROS具有抵抗入侵病原體的抗微生物和促炎功能。上皮產(chǎn)生的ROS有助于炎癥反應后的宿主 - 微生物相互作用和組織修復機制。乳酸桿菌等共生物有助于屏障中的H2O2環(huán)境，支持保護和恢復過程。
腸上皮屏障與寄居在上面的微生物群落一起被認為是一個相互連接的生態(tài)系統(tǒng)。雖然在空間會有分離，宿主和微生物群之間的交流一直在進行著。這種交流主要通過一些化學信號（例如，氧氣，H 2 O 2，pH，ATP，乳酸鹽），免疫效應物（例如，防御素，抗微生物肽（AMP），溶菌酶，IgA，RegIIIγ，細胞因子，TLR / NLR激動劑）的梯度以及營養(yǎng)衍生化合物（如SCFA，低聚糖，纖維）來介導。由于其具有一定的穩(wěn)定性和擴散性，H2O2特別適合作為通信員。感染細菌會導致NOX1 / DUOX2介導的H2O2釋放，H2O2可以擴散穿過細菌膜并干擾細菌磷酸酪氨酸信號傳導和毒力決定因素，或者可以通過水通道蛋白通道重新進入結(jié)腸上皮細胞，改變細胞內(nèi)信號。
`細菌來源的H2O2``可以修飾生態(tài)位群落結(jié)構(gòu)，減少病原體的毒力和存活，但與此同時也會改變宿主上皮細胞的信號
宿主和微生物群之間的相互作用可以維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)，一旦平衡被破壞，補償或恢復機制就會開始。當將生物功能歸因于NOX / DUOX酶時，需要考慮由H2O2信號傳導提供的這種互連性。
維持腸屏障功能
腸屏障是一種復雜的
多層系統(tǒng)，可分為物理和化學屏障。物理屏障由單層上皮細胞形成，由緊密連接，粘附連接和橋粒密封，并包括粘液層，而化學/免疫屏障的組分是分泌性免疫球蛋白A，促炎介質(zhì)，抗菌肽，細胞因子和H2O2。在IBD患者中觀察到上皮細胞屏障功能障礙，細胞通透性增加，緊密連接相關蛋白（claudins，occludin，JAM-A）重新分布和細胞骨架失調(diào)（肌球蛋白輕鏈（MLC）激酶表達增加和MLC磷酸化），并可能導致持續(xù)的低度炎癥。
通過將Caco-2細胞單層暴露于高濃度的H2O2（36μM-5mM H2O2 / 1-2h）或通過將細胞暴露于TNFα，IL-1β或毒素間接地將H2O2與連接復合物的破壞聯(lián)系起來。將上調(diào)NADPH氧化酶表達并誘導ROS產(chǎn)生
腸上皮單層細胞通過額外的雙層（注：結(jié)腸部位是雙層，內(nèi)層為致密層粘液層，外層為較疏松的粘液層）或單層（小腸部位是單層）的粘液得到保護，粘液由杯狀細胞分泌并持續(xù)更新。結(jié)腸和小腸中的粘液主要由MUC2粘蛋白聚合物組成。在結(jié)腸中，內(nèi)部致密的粘液層將微生物群與宿主上皮細胞分離，從而使頂端上皮表面不含細菌。外部松散的粘液層為各種共生細菌提供了獨特的生態(tài)位，這些細菌利用O-聚糖作為碳源（比如溶解粘液的 B.thetaiotaomicron，A.muciniphila，R.torques）或更喜歡在這個生態(tài)位中附著和增殖的（大腸桿菌，Lactobacillus，丁酸鹽產(chǎn)生菌如 Clostridium）
粘液層的缺失（Muc2的缺失）或者粘液滲透性增加，細菌會侵入隱窩并與上皮細胞相互作用，導致炎癥，緊密連接被破壞及細菌傳播等。IBD患者中出現(xiàn)較薄的粘液（UC），杯狀細胞增生，改變的MUC同種型表達或O-糖基化譜的變化
調(diào)控微生物
NADPH氧化酶與微生物群的互作密切相關，反之亦然。當NADPH氧化酶部分或完全失活時，H2O2梯度的變化到達松散粘液層中的共生細菌將通過改變基因轉(zhuǎn)錄和細菌間信號來改變細菌群落結(jié)構(gòu)，這也將影響細菌間的交流。
在上皮細胞中，超氧化物（Nox1）和/或H2O2（Nox1，Duox2）的減少將破壞細胞內(nèi)途徑，導致細胞因子或其他免疫介質(zhì)分泌的變化，這將進一步改變ROS源附近的微生物群組成。因此，可以預期，NADPH氧化酶功能受損導致ROS生成減少的小鼠(和VEOIBD患者)的微生物群組成將發(fā)生變化，但微生物的比較分析仍然缺乏。需要做更多的工作來了解ROS的減少或者ROS增加是如何改變細菌群落結(jié)構(gòu)和伴隨疾病發(fā)作/結(jié)果，研究表明，當暴露于具有較高彈性的微生物群落或其他微生物群修飾物時，所產(chǎn)生的保護性或病原性微生物群將受到動態(tài)調(diào)整。
宿主防御
中性粒細胞和其他吞噬細胞響應于微生物的感知，粘附或吞噬作用而產(chǎn)生相當大量的超氧化物。在先天免疫細胞吞噬體的封閉隔室中高濃度的超氧化物（~10 nmol O2? - / min / 106細胞）和次級ROS提供了理想的殺菌環(huán)境
恢復和粘膜愈合
上皮細胞損傷后的恢復涉及腸上皮細胞的誘導和協(xié)調(diào)增殖和遷移，ROS為有效的傷口愈合提供了關鍵的信號傳導媒介。通過暴露于低濃度的H2O2（0.15μmole至1.25μmoleH2O2/傷口）或NADPH氧化酶介導的氧化還原信號傳導來刺激細胞外側(cè)從而加速愈合。水通道蛋白促進H2O2的外向內(nèi)信號傳導，并且不總是觸發(fā)與NOX介導的信號傳導相同的細胞內(nèi)途徑。大多數(shù)NOX酶最初產(chǎn)生超氧化物（O2? - ）并且通常是信號平臺的一部分，例如細胞膜穴樣內(nèi)陷或脂筏。
盡管如此，對文獻的綜合分析表明，氧化還原介導的作用通常針對某些關鍵的信號轉(zhuǎn)導介質(zhì)，這些介質(zhì)與肌動蛋白細胞骨架和整合素結(jié)合有關，這兩者對細胞運動都很重要。
總結(jié)
一般認為ROS是作為氧化還原失衡，破壞性氧化修飾，細胞死亡和慢性炎癥的罪魁禍首，但是這樣的觀點正在被修正。原始ROS認為是一種重要的信號分子，而且還認為是通過可擴散的H2O2的來發(fā)揮保護和恢復細胞損傷的能力。傷口閉合研究提供了一種可獲得且可重復的工具來確定H2O2的功效和安全性，這在內(nèi)部粘膜表皮尚不匹配。
乳酸菌用于各種腸道疾病的治療，但定性和定量地評估其在特定疾病階段的作用模式(H2O2、細菌素、有機化合物)只有在極少數(shù)情況下才能實現(xiàn)。
ROS的產(chǎn)生依賴于腸道內(nèi)的氧濃度(pO2 3-20mm)Hg)，在喂養(yǎng)/禁食狀態(tài)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)/炎癥狀態(tài)下差異是非常大的。
最近一項針對5名VEOIBD患者的研究顯示，通過使用不可吸收的抗生素靶向革蘭氏陽性菌，獲得了很好的結(jié)果，認為通過用抗生素調(diào)控微生物群落組成或其他方法來恢復有益物種的多樣性和恢復力來恢復肥胖癥的觀點可能成為一種有前景的治療選擇。
參考
[1] 簡書活性氧（reactive oxygen species , ROS）
[2] 原文：NADPH oxidases and ROS signaling in the gastrointestinal
tract
