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1、医学论文眼科学术论文线粒体与眼科疾病关系的研究进展医学论文眼科学术论文：线粒体与眼科疾病关系的研究进展关键词:眼科疾病;线粒体;自由基;氧化损伤线粒体是真核细胞氧化磷酸化及能量提供的场所,为双层膜结构,外膜平滑,内膜向内折叠形成嵴,其上具有呼吸链酶系及ATP酶复合体,因而内膜是三羧酸循环时进行电子传递的重要部位,将氧化还原反应中的能量以ATP的形式提供给细胞。基质内含有与三羧酸循环所需的全部酶类以及具有一套完整的转录和翻译体系,但线粒体基因组的基因数量有限,因此线粒体只是一种半自主性的细胞器。有机化合物在参与化学反应时,往往伴随着原来的共价键断裂而形成新的键。在新的键形成前,参与新键组成的含有

2、不成对电子的原子或原子团,此时的性质非常的活泼。为维持稳定,这个带电子的原子或原子团必然需从别处夺取一个电子,这就是化学中称的“氧化”,而这个带电子的不稳定的原子或原子团则称之为自由基。机体代谢过程中产生的不稳定自由基在细胞内堆积,引起不饱和脂肪酸氧化成过氧化物,形成脂褐素(Lipofuscin,LF),并使细胞及其重要成分如DNA、蛋白质和酶类等改变或破坏,导致机体衰老。1线粒体中自由基的产生自由基中最重要的一类是含氧自由基,即活性氧(ROS),包括:超氧阴离子(O2-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(HO)、一氧化氮(NO)等。细胞内不断地通过非酶反应与酶反应产生ROS,但在抗氧化酶及外

3、源性和内源性抗氧化剂的协同作用下又不断地被清除,因而在生理情况下活性氧维持在一个非常低且稳定的水平。自由基的来源有两类:一类是来自于紫外线、可见光、电离辐射及光量子的吸收等均可以导致组织产生氧自由基,并与组织中的脂质反应,产生过氧化醛类。此脂质衍生的醛类(1ipid derived aldehyde,LDA)对人类和动物的组织细胞都有毒性作用,如4-羟基壬烯醛(4-hydroxynonenal,HNE)为组织细胞中最具毒性和含量丰富的一种醛类1。另一类则是1979年由Chance等证明在线粒体呼吸链中随着电子的传递所产生的自由基,并与呼吸链中的酶复合(NADH-泛醌还原酶)、酶复合体(泛醌-细

4、胞色素C还原酶)密切相关。另外,酶催化O2接受一个电子还原为O2-,通过四价还原,线粒体电子转运把绝大多数O2还原H2O,这其中无自由基产物生成。余下的氧通过接受一个电子,一价还原超氧阴离子(O2)2,O2接受一个质子HO2,接着在超氧化物歧化酶(SOD)的作用下生成H2O2。在这个过程中,不同的自由氧作为中间产物相继产生,这其中大约占总氧含量2%左右3。2自由基与线粒体疾病的关系目前认为,自由基与大部分疾病的发生有着重要的关系,例如癌症、2型糖尿病、缺血-再灌注损伤等4。活性氧以及氧化损伤亦被认为是年龄相关的疾病及衰老的主要原因5。衰老的线粒体理论认为,自由基产生,导致线粒体DNA(mtDN

5、A)突变,从而致线粒体功能障碍,随之而来的是更多的自由基的产生,细胞的死亡,衰老相关疾病的发生。随着年龄的增加,自由基的含量亦随着细胞内抗氧化剂的减少而提高。Fayet G.等6针对没有肌肉疾病的老年个体的mtDNA在肌纤维突变中研究发现,肌纤维中mtDNA突变总体水平较低,但集中积累的mtDNA突变引起了线粒体功能的严重损失。另外,阿尔茨海默氏症、帕金森氏病、亨廷顿氏病、肌萎缩性侧索硬化症、遗传性痉挛性截瘫和小脑变性均已被证实是由于ROS的作用,而使细胞中的蛋白质及脂质发生了氧化损伤的结果6。3线粒体与眼科疾病的关系3.1线粒体与白内障的关系有研究表明,非先天性白内障的发生与晶状体皮细胞的凋

6、亡有关7。晶状体上皮细胞是位于前囊膜下并延续到赤道后约1 mm的单层立方上皮,是晶状体中代谢最为活跃的部分。晶状体上皮细胞通过细胞膜上的酶进行主动转运作用,维持着晶状体囊膜内外的正常渗透压,任何影响晶状体正常功能的刺激均可能导致白内障的发生。Li W.C.等8在对各年龄段的非先天性白内障的患者晶状体上皮细胞的检测中发现,所有患者的晶状体上皮细胞出现了不同程度的凋亡,而正常晶状体上皮细胞则未出现此现象。并且在使用紫外线诱发晶状体混浊的实验中发现有不同程度的晶状体上皮细胞凋亡出现于混浊发生之前。郑广瑛等9在对年龄相关性白内障患者晶状体上皮的超微结构的研究中发现,白内障患者晶状体上皮细胞大小不均,均

7、可见肿胀的坏死细胞,并且可见质膜及线粒体膜溶解消失,线粒体明显空泡化。目前已知凋亡通路包括:膜受体通路和由于细胞色素C释放诱发的Caspase凋亡通路;而细胞色素C则是线粒体引发细胞凋亡的关键步骤。刘戈飞等10以H2O2为实验对象,研究不同浓度的H2O2对晶体细胞凋亡时发现:H2O2浓度越高晶体细胞的抑制程度越大,且在H2O2的诱导下线粒体的跨膜电位出现了去极化,线粒体膜损伤出现了透过性转运孔(permeability transition pore,PTP),同时存在于线粒体腔内的能够诱导细胞发生凋亡的因子借助PTP释放了出来,如细胞色素C可以活化激发Caspase-3。细胞色素C位于线粒体

8、膜的内侧,是线粒体呼吸链中的重要组成部分,但其释放到胞质中时是重要的凋亡因子11,伴随着细胞色素C的升高,Caspase-3发生了明显的活化,启动了Caspase级联反应,晶体细胞进入了不可逆转的凋亡程序。已有研究表明,对于晶状体来说,谷胱甘肽是主要的保护剂12。Spector A.13证实白内障晶体中谷胱甘肽的水平下降了60%,特别是在核性白内障中谷胱甘肽的含量是随着年龄的增加而下降。蛋白质上的半胱氨酸残基和谷胱甘肽形成混合型二硫键,蛋白质的这种修饰方式称作谷胱甘肽化。Tay-lor H.R.等14发现发生谷胱甘肽化修饰与线粒体ROS的增加相关。因此,谷胱甘肽化可能参与细胞内氧化还原状态的调

9、节。并且线粒体中维持GSH的浓度被证明对细胞的成活是至关重要的。ReedD.J.15发现GSH的减少将会影响线粒体的状态。另外有研究表明,过氧化氢酶似乎仅仅存在于心肌细胞线粒体中,假如在人晶状体中有针对性的增加过氧化氢酶的表达,可能延缓白内障的发生、发展16。Schriner S.E.等16已经指出消除晶体细胞中过氧化氢的重要性。Lee W.等17已经发现在人晶体细胞线粒体中存在对氧化应激敏感的过氧化物酶。线粒体中产生的蛋白酶体起到去除难以修复的蛋白质的作用,其可以将氧化损伤后的蛋白质在细胞质或细胞核中分解。Zetterberg M.等18研究提示,可能是由于被氧化的蛋白超出了蛋白酶的清理能力

10、,从而致晶体核的浑浊,且在人晶状体细胞中过氧化氢诱导的氧化应激能够抑制蛋白酶体。蛋白酶体的表达及活性亦是随着年龄而下降,因此与年龄相关的蛋白酶活动变化可能有助于揭示白内障的发病机制。3.2线粒体与青光眼的关系不同于原发性闭角型青光眼病,原发性开角型青光眼(primary open-angle glaucoma,POAG)病变部位是由于房角的机械性和(或)病理性粘连;开角型青光眼被认为是由于小梁途径防水排出系统发生了病变,小梁内间隙细胞外基质异常蓄积,小梁束胶原变性是其发病的基础12。研究发现,ROS对小梁网局部的氧化损伤在POAG的疾病发展中起着重要作用19-21。Izzotti A.等19证

11、实了POAG患者小梁组织中的DNA氧化损伤标志物8-OHdG明显高于对照组。提示POAG患者小梁网处于氧化应激状态。何媛等20用线粒体呼吸链复合物、抑制剂鱼藤酮(Rotenone,ROT)、抗氧化剂维生素E等处理正常小梁网后检测细胞内ROS的变化以及不同浓度ROT对小梁网细胞ROS产生影响的实验中也再次证明原代POAG患者小梁网中的ROS水平高于正常人,并且首次提出这是由于小梁网细胞线粒体复合物的活性下降所致,并进一步致胞内ATP生成减少,线粒体膜电位下降,线粒体内细胞色素C释放,诱发了Caspase凋亡途径的启动。何媛等20还在实验中证实到胞质内Ca2+可能是ROT诱导线粒体膜电位下降和PT

12、P开放所必需的。此外,ROT诱导PTP开放呈时间-浓度依赖性的,说明线粒体Comlex活性的水平与PTP开放有着密切的关系。Zhou L.等21于体外研究早已发现ROS可引起小梁细胞骨架结构及细胞外基质的改变或者黏附分子的表达增加,从而影响房水外流进一步引起眼内压的增加。3.3线粒体与视网膜病变的关系视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)是位于神经视网膜和脉络膜之间含有黑素素的单层立方上皮层,与富含多聚不饱脂肪酸的感光细胞相邻,由脉络膜及视网膜上的血管为其提供充足的氧气。在眼部,视网膜具有吸收散射光线,将光感转化为神经冲动,维持电稳态,生成视色素、胞饮和

13、消化光感受器的代谢废物等12,这都需要较多的ATP提供能量,因而在视网膜细胞中也富含线粒体。另外,RPE最主要的生理功能之一就是吞噬消化光感细胞脱落的外段膜盘12。早在1989年Do-rey C.K.等22在研究牛REP时即发现REP在吞噬乳胶颗粒时释放自由基。有研究表明,RPE线粒体是氧化损伤的主要部位,且线粒体DNA对自由基非常敏感,进一步损伤使得自由基的产生增加23。唐敏等23在研究体外RPE体外氧化应激模型中观察到mtDNA的损伤是与H2O2的浓度及时间是呈正相关的。在针对年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration,AMD)的研究上,已有较多证

14、明AMD可能是各种因素造成RPE功能代偿失调和细胞死亡导致的黄斑变性退变有关24。Jin G.F.等25体外H2O2氧化应激模型中发现Caspase-3活性明显增加抗凋亡基因Bcl-2的表达降低,而促凋亡基因表达增加,说明氧化损伤时ROS导致了线粒体的损伤,促进了细胞凋亡。此外,定位于线粒体的小热休克蛋白由两个多肽(A和B)组装聚合-晶体蛋白,在敲除-晶体蛋白基因后的小鼠实验中,除了该小鼠较同年龄小鼠普遍较早出现晶状体核混浊,亦发现缺乏一个-晶体蛋白后RPE变得更容易受到氧化损伤。这可能是黄斑变性的发病机制26。4小结氧化损伤在眼科疾病的发病机制上起着重要的作用,正是在线粒体的抗氧化以及修复系

15、统的共同作用下维持着眼组织细胞内环境的平衡和晶状体的透明及小梁网、视网膜细胞的正常功能。一旦这个平衡被打破,将会导致晶体细胞中蛋白质的聚合、小梁网及视网膜细胞质膜、细胞器膜结构等发生改变,使细胞功能下降,细胞凋亡、坏死。因此,从线粒体功能上来防止或修复氧化应激损伤,可从病因上更好的获取治疗方法。参考文献:1肖天林,Naseem A H.人眼晶状体醛脱氢酶l的克隆表达和酶特性研究J.国际眼科杂志,2009,9(4):676-679.2Takeishi Y,Jalili T,Ball N A,et al.Responses of cardiac pro-tein kinase C isoforms

16、 to distinct pathological stimuli are dif-ferentially regulatedJ.Circ Res,1999,85(3):264-271.3Chance B,Sies H, Boveris A.Hydroperoxide metabolism inmammalian organsJ.Physiol Rev,1979,59(3):527-605.4Droge W.Free radicals in the physiological control of cell func-tionJ.Physiol Rev,2002,82:47-95.5陈瑗,周玫

17、.自由基与衰老M.北京:人民卫生出版社,2004:256.6Fayet G,Jansson M,Sternberg D,et al.Ageing muscle: clonalexpansions of mitochondrial DNA point mutations and dele-tions cause focal impairment of mitochondrial function J.Neuromuscul Disord,2002,12(5):484-493.7Beal M F.Mitochondria take center stage in aging and neurode

18、-generationJ.Ann Neurol,2005,58(4):495-505.8Li W C,Kuszak J R,Dunn K,et al.Lens epithelial cells apopto-sis appears to be a common cellular basis for non-congenitalcataract development in humans and animalsJ.J Cell Biol,1995,130(1):169-181.9郑广瑛,刘玥,张楠.年龄相关性白内障患者晶状体上皮细胞的死亡方式及超微结构改变J.郑州大学学报:医学版,2006,41

19、(3):497-499.10刘戈飞,李立梅.活性氧诱导线粒体损伤导致晶体上皮细胞凋亡J.中国组织化学与细胞化学杂志,2006,15(3):292-296.11Green D R,Reed J C.Mitochondria and apoptosisJ.Sci-ence,1998,281(5381):1309-1312.12李凤鸣.眼科全书M.北京:人民卫生出版社,1997:1216.13Spector A.Oxidative stress-induced cataract:mechanism ofactionJ.FASEB J,1995,9 (12):1173-1182.14Taylor H

20、R,West S K,Rosenthal F S,et al.Effect of ultravi-olet radiation on cataract formationJ.N Engl J Med,1988,319(22):1429-1433.15Reed D J.Mitochondrial glutathione and chemically inducedstress including ethanolJ.Drug Metab Rev,2004,36(3/4):569-582.16Schriner S E,Linford N J,Martin G M,et al.Extension of

21、murine life span by overexpression of catalase targeted to mi-tochondriaJ.Science,2005,308 (5730):1909-1911.17Lee W,Wells T,Kantorow M.Localization and H2O2-specificinduction of PRDX3 in the eye lensJ.Mol Vis,2007,13:1469-1474.18Zetterberg M,Petersen A,Sj strand J,et al.Proteasome ac-tivity in human

22、 lens nuclei and correlation with age,genderand severity of cataractJ.Curr Eye Res,2003,27(1): 45-53.19Izzotti A,SaccaS C,Cartiglia C,et al.Oxidative deoxyribonu-cleic acid damage in the eyes of glaucoma patientsJ.Am JMed,2003,114(8):638-646.20何媛,葛坚. POAG的线粒体发病机理研究D.广州:中山大学,2009:68.21Zhou L,Li Y, Yu

23、e B Y.Oxidative stress affects cytoskeletalstructure and cell-matrix interactions in cells from an oculartissue:the trabecular meshworkJ.J Cell Physiol,1999,180(2):182-189.22Dorey C K,Khouri G G,Syniuta L A,et al.Superoxide pro-duction by porcine retinal pigment epithelium in vitroJ.In-vest Ophthalm

24、ol Vis Sci,1989,30(6):1047-1054.23唐敏,樊莹,傅扬,等.视网膜色素上皮细胞线粒体DNA的氧化损伤研究J.眼科研究,2007,25(11):861-864. 24Brennan L A,Kantorow M.Mitochondrial function and redoxcontrol in the aging eye:role of MsrA and other repair systemsin cataract and macular degenerationsJ.Exp Eye Res,2009,88(2):195-203.25Jin G F,Hurst J S,Godley B F.Hydrogen peroxide stimulatesapoptosis in cultured human retinal pigment epithelial cellsJ.Curr Eye Res,2001,22(3):165-173.26Cai J,Wu M,Nelson K C,et al.Oxidant-induced apoptosis incultured human retinal pigment epithelial cellsJ.Invest Oph-thalmol Vis Sci,1999,40(5):959-966.