酸性鞘磷脂酶对急性肺损伤的调节作用分析

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1、文章转载自：http:/ acid sphingomyelinase，ASM) 是鞘脂类物质代谢的关键酶，能够催化鞘 磷脂产生神经酰胺。鞘磷脂是细胞膜和脂蛋白中一种重要的脂质成分，其体内平衡能够维 持细胞的正常结构和功能。鞘磷脂是由神经酰胺和磷酰胆碱在鞘磷脂合成酶的作用下生成， 也能够在几种鞘磷脂酶的催化作用下水解为神经酰胺和磷酰胆碱。神经酰胺通常可以通过以下方式生成: ( 1) 通过鞘磷脂酶活性对鞘磷脂进行水解; ( 2) 通过抑制神经酰胺酶，这种酶可以水解神经酰胺产生鞘氨醇和脂肪酸; ( 3) 通过激活从头合 成路径。鞘脂类神经酰胺是一种重要的第二信号分子，可以调节多种信号通路。神经酰胺及

2、其 代谢物影响多种细胞过程，包括凋亡、衰 老、分 化、迁移等。鞘磷脂酶可根据它们的最 适 pH 值分为酸性、中性和碱性鞘磷脂酶。ASM 是酶家族中重要一员。目前，这种酶被发现存在于几乎所有的细胞类型和人类组织中。中性鞘磷脂酶( NSM) 存在多种亚型，这些亚型由 3 种不同的基因( NSM 1、NSM 2、NSM 3) 来编码，并且需 要 Mg2 +和 Mn2 +来保持活性。ASM 与 NSM 1、NSM 2 被认为是应激性细胞凋亡的关 键调节者。碱性鞘磷脂酶在肠道里分泌，并且以一种特殊的胆汁盐依赖的方式吸收食物中 的鞘磷脂。碱性鞘磷脂酶在结肠里可以调节神经酰胺的形成，具有抗增殖和抗炎的功能。

3、1 酸性鞘磷脂酶的分子生物学特性ASM 执行其代谢功能之前需要进行多个水平的细胞调节，需要一系列的转录、翻译、 转录后修饰、以及适当的运输才能形成成熟且具有功能性的酶。ASM 的活性受多种因素 的影响，包括脂质、阳离子、pH、氧化还原反应、和其他蛋白的影响。尼曼-匹克病( Niemaoh-Pick disease) 是由德国儿科医生 Albert Niemann 在 1914 年首 次提出，随后研究发现尼曼-匹克病患者体内鞘磷脂堆积，之后又有研究指出尼曼-匹克病 是由 ASM 缺陷引起的，这些研究成果促使人们对 ASM 及其编码基因进行更广泛深入的 研究。1 1 编码基因编码 ASM 的基因是

4、 SMPD1。SMPD1 基因位于 11 号染色体短臂( 11p15 1 11p15 4) 上，其 cDNA 全长约 2 5 kb，包括 1890 bp 的开放阅读框，能够编码 629 个氨基酸。鼠和人的 SMPD1 基因在 cD-NA 和蛋白水平上具有 82% 的序列一致性，这 表明 SMPD1 基因在哺乳类动物中是高度保守的。有趣的是，秀丽线虫有两种独立的基因，文章转载自：http:/ ASM( ASM-1 和 ASM-2) ，这两种基因表现出截然不同的时间表 达特征，这与它们独特的生长发育阶段相一致。人类 SMPD1 基因能够编码两种 ASM， 分别为溶酶体型 ASM( L-ASM) 和

5、分泌型 ASM( S-ASM)。1 2 转录后修饰和细胞内转运最初翻译的 ASM 蛋白含有一个信号肽和 4 个功能结构域( 鞘脂类激活蛋白/SAP 结 构域、富含脯氨酸的结构域、金属磷酸酯酶结构域和 C-端结构域) 。转录后，ASM 在内 质网中经历蛋白水解过程。在内质网中，ASM 前体的 N-端信号序列被信号肽酶水解，形 成一种成熟的形式。1 3 N-糖基化有研究人员预测在 ASM 多肽链中有 6 个 N-糖基化位点，其中有 5 个是具有功能 性的( Asn86、Asn175、Asn335、Asn395、Asn520)。ASM 的糖基化能够使其适当的折叠 和转运，同时在溶酶体处于有害环境时其

6、糖基化能够阻止对 ASM 的破坏，起到保护作用。 这些低聚糖侧链含有甘露糖-6-磷酸残基( M6P) ，能被 M6P 受体识别，或者与分拣蛋白( 分拣蛋白是一种 I 型跨膜受体糖蛋白，含有与 M6P 受体相似的结构) 相互作用，进而将 ASM 转运至溶酶体。同时，ASM 在高尔基体中的碳水化合物处理过程能够产生不含 M6P 残基的 ASM，此时的 ASM 会进入分泌途径。1 4 磷酸化Hannun 等研究发现，PKC 可选择性地促使 ASM 上丝氨酸残基 508 的磷酸化，导致 ASM 的活化并向质膜上转移。脂多糖能够导致 ASM 的活化、神经酰胺的积累和磷酸化 以及 PKC 的活化，进而激活

7、 Toll 样受体 4( TLR4)。这些结果表明磷酸化作为 ASM 活 化的生物化学机制有助于理解 ASM 在正常发育和疾病状态下的功能。但是其磷酸化机制 仍需进一步的研究。1 5 阳离子需求ASM 在组织提取物中首次作为一种酶被识别，它能够水解鞘磷脂产生神经酰胺和脂 肪酸，最适 pH 值为: 4 5 5 0。ASM 有两种存在形式: L-ASM 和 S-ASM。S- ASM 活化需要外源性的锌离子，而 L-ASM 活化不需要外源性锌离子。S-ASM 和 L- ASM 成熟后会到达各自细胞内的靶点，但是他们要受各种调节因素的支配，这些调节因 素会影响其与底物的亲和力或催化速度。值得一提的是

8、S-ASM 也能够在中性环境中水解 鞘磷脂，这能够揭示其在溶酶体外的脂蛋白修饰功能。1 6 鞘脂酶激活蛋白样结构域鞘脂酶激活蛋白( saposins，SAPs) 是一种非酶活性的糖蛋白，主要是在酸性环境中发 现，SAPs 能够促进多种鞘脂类物质的降解。ASM 一级结构的 N 端含有鞘脂酶激活蛋白( SAP) 样结构域。ASM 中的 SAP 样结构域被认为是分子内的活化区域，起到促进鞘磷脂 水解的功能，同时与富含脯氨酸的结构域作为铰链区。人鞘脂激活蛋白原的突变可导致所文章转载自：http:/ SAPs 的缺失，但这一缺失并未导致鞘磷脂的积累，这表明 SAP 样结构域在体内是起 作用的。另有实验表

9、明，ASM 中 SAP 样结构域中各种保守氨基酸的突变能够导致 L- ASM 活性降低，加入外源性的 SAPs 能够改善这一状况。但是，在微胞系统中，并不是 所有这些突变都能导致 L-ASM 活性的降低。2 酸性鞘磷脂酶与急性肺损伤细胞脂质自体平衡中 ASM 活性起到重要作用。应激刺激时，ASM 可能通过 PKC 磷酸化或 syntaxin4 介导的信号通路迅速转移至质膜外小叶处，催化鞘磷脂水解为神经酰 胺，形成富含神经酰胺的结构域，这一结构域能够增强膜信号转导并诱导细胞凋亡。有多 种因素能够影响 ASM 的活性。ASM 的异常表达可导致多种疾病: 尼曼-匹克病、心血管 疾病、糖尿病、肺部疾病

10、、肝部疾病、神经系统疾病等。本文主要围绕急性肺损伤进行论 述。急性肺损伤是应激状况的重要并发症，最严重的形式就是急性呼吸窘迫综合征( acute respiratorydistress syndrome，ARDS) 。急性肺损伤有较高的死亡率，因此需要研究降低病 死率的治疗方法。ARDS 是一种常见的发病迅速的致命性疾病，其特征为严重缺氧、双侧 胸部浸润和呼吸衰竭。过度炎症期间增加的血管通透性能够导致 ARDS。过度炎症是指固 有免疫系统的过度活化，通过中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞的过分兴奋引起 ARDS。ARDS 的典型诱因( 败血症、肺炎、酸吸入) 能够引起固有免疫系统的过度活化。越来越

11、多的证据表明，由 ASM 催化产生的神经酰胺和鞘氨醇-1-磷酸是急性肺损伤发 病过程中宿主防御机制的重要调节者。一些能够诱导急性肺损伤的刺激因素( 例如 LPS、PAF、TNF-、大量灌洗、或硫芥毒素) 是促炎的，它们可以激活 ASM 产生大量 的神经酰胺。2 1 脂多糖诱导的急性肺损伤脂多糖( LPS) 能够导致多器官损伤，其中包括急性肺损伤。腹腔注射 LPS 是一种常 见的诱导急性肺损伤的方法。LPS 激活 Toll 样受体 4 介导的信号转导通路诱导炎性介质 的产生，从而产生急性肺损伤。脂多糖诱导的肺部炎症可导致 ASM 活性显著增强。丙咪 嗪对 LPS 诱导的急性肺损伤起保护作用，能够

12、改善肺组织损伤、降低炎性反应。在分子水平，小窝蛋白-1( Cav-1) 是多种信号通路的基本组成部分，包括 TGF- 诱 导的 Smad、Stat 和 ASM 神经酰胺信号通路。这些信号通路参与呼吸道的炎症和重塑。 Cav-1 也能够调节血红素加氧酶-1( HO-1) ，进而调节肺部的氧化和炎症防御。在 LPS 诱 导的早产羊的肺部炎症和呼吸道重塑中，早产羊肺部的炎症反应可降低 Cav-1，激活 Stat、Smad 和 ASM，增强神经酰胺和 HO-1 的表达。LPS 处理动物能够增加细胞的凋亡，这 表明 LPS 能够促进 TNF 的上调以及 ASM 依赖性神经酰胺的产生。但随后有研究指出 A

13、SM 的确与 ARDS 有关，但是作用机制独 立于内皮细胞凋亡。有文献指出神经酰胺诱导的内皮细胞高渗透性也是独立于凋亡的。同 时也有文献报道载体实验中 LPS 诱导的肺水肿与血小板激活因子( PAF) 有关。文章转载自：http:/ 2 血小板激活因子诱导的急性肺损伤PAF 是一种促炎性的脂质调节因子，可以导致肺部疾病( 哮喘或 ARDS) 的多种炎症 的形成。此外，肺部以外的病变( 例如: 肠缺血再灌注) 能够通过 PAF 导致肺部产生损伤。 PAF 的使用可导致支气管狭窄、肺高压、肺水肿、粘液分泌等。PAF 是急性肺损伤中肺 水肿的调节者，能够在数分钟内增加血管渗透性。PAF 的活化是通过

14、脂质修饰酶的介导， 这些酶包括: 1) 环氧酶和脂氧合酶，通过产生血栓素和白三烯来调节血管收缩和支气管收 缩; 2) 环氧酶和 ASM，通过形成前列腺素( PG) E2 和 33 神经酰胺来增强血管渗透性。内皮型一氧化氮合酶( eNOS) 位于小窝内，以一种非活性状态和 Cav-1 结合。eNOS 位于细胞膜上，eNOS 与鞘脂类物质的结合被认为是其信号转导和功能实施的重要方面。 PAF 处理的 SD 大鼠中能够发现 ASM 活性增强、小窝中 eNOS 含量增加等。丙咪嗪和 D609 是两种结构不同的 ASM 通路抑制剂，能够抑制 PAF 诱导的肺水肿、抑制 Cav-1 向小窝膜的移动、增强内

15、皮型一氧化氮的产生。PAF 能够通过 ASM 依赖性的方式将 Cav-1 召集到小窝中来抑制 eNOS 的活性。2 3 酸滴注诱导的肺损伤用生理盐水进行反复的持续 24 h 呼吸道灌洗后，肺组织中的 ASM 和神经酰胺含量 增加，使用表面活性剂或者表面活性剂与丙咪嗪的混合物能够抑制 ASM 和神经酰胺含量 的增加。2 4 TNF- 诱导的急性肺损伤在 A549 和 BEAS-2B 细胞中，ASM 抑制剂丙咪嗪能够增加 TNF- 诱导的 IL-8 的产量，而中性鞘磷脂酶抑制后 IL-8 却没有变化。TNF- 刺激 IL-8 水平的增加使中性 粒细胞浸润这一必需宿主反应增强，这使得 ASM 迅速活化并产生大量的神经酰胺。TNF- 处理 HT-29 人结肠细胞 12 h 后，细胞生存率下降，ASM 和神经酰胺含量均增加， 用 ASM 抑制剂丙咪嗪可阻碍 TNF- 对 ASM 的刺激，同时细胞生存率也增加。TNF- 诱导 SD 大鼠产生的急性肺损伤模型中，ASM 的活性是增强的。以上这些信息表明，ASM 参与 TNF- 诱导的急性肺损伤的致病过程。3 酸性鞘磷脂酶的靶向治疗从理论上讲，ASM 抑制剂在一些临床治疗领域可能具有较好的应用前景。ASM 抑制 剂具