色氨酸2，3-雙加氧酶在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用及其治療策略思考

傅曉鳳，洪璐威，王鈺婷，郭夢(mèng)婷，劉文鳳

(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院，南昌 330031)

抑郁癥的5-羥色胺酸假說(shuō)中首次將色氨酸代謝與神經(jīng)疾病聯(lián)系起來(lái)。隨后在抗抑郁藥作用機(jī)制的研究中，Lapin證實(shí)了色氨酸的代謝及其代謝產(chǎn)物犬尿氨酸可對(duì)大腦的功能產(chǎn)生一定的影響[1]。色氨酸的幾種代謝途徑是通過(guò)酶的調(diào)節(jié)，而色氨酸2，3-雙加氧酶(Tryptophan-2,3-dioxygenase，TDO)是體內(nèi)色氨酸分解為犬尿氨酸的一個(gè)限速酶，TDO及其它代謝酶的異?？蓪?dǎo)致色氨酸及其各種代謝產(chǎn)物含量異常，從而造成神經(jīng)元功能障礙，進(jìn)而與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。新的研究表明TDO參與大腦某些疾病的病理，以下就TDO與阿爾茨海默病、精神分裂癥和膠質(zhì)瘤等神經(jīng)疾病的關(guān)系做一總結(jié)。

1 色氨酸2，3-雙加氧酶的結(jié)構(gòu)

Kotake等人首次在大鼠的肝臟發(fā)現(xiàn)TDO[2]。隨后研究人員發(fā)現(xiàn)TDO廣泛分布于許多物種，范圍從哺乳動(dòng)物至無(wú)脊椎動(dòng)物，并且細(xì)菌與人類(lèi)TDO有明顯的序列同源性，表明編碼TDO的基因是一古老且保守的序列。

人類(lèi)TDO具有特異L-色氨酸酶活性，由位于4號(hào)染色體上的tdo2基因編碼，含406個(gè)氨基酸，主要表達(dá)于肝、腦等組織。TDO的整體結(jié)構(gòu)為一個(gè)同源四聚體，四個(gè)單體兩兩垂直，相鄰單體以N-末端殘基相互結(jié)合。單體的晶體結(jié)構(gòu)僅有15個(gè)螺旋，包含N末端區(qū)域、大結(jié)構(gòu)域及小結(jié)構(gòu)域，其中活性部位在大結(jié)構(gòu)域。人類(lèi)TDO具有高度底物特異性，其底物是左旋色氨酸(L-Trp)及其相關(guān)衍生物。而吲哚胺2，3—雙加氧酶(Indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)是一種單體蛋白，其底物范圍廣泛，包括L-色氨酸、D-色氨酸、5-羥色胺、5-羥色氨酸和色胺等。TDO與IDO結(jié)構(gòu)的不同解釋了這兩種酶催化功能的不同。對(duì)TDO晶體結(jié)構(gòu)的深入研究將有助于設(shè)計(jì)新的TDO抑制劑。

2 色氨酸2，3-雙加氧酶與色氨酸代謝

色氨酸可經(jīng)幾種路徑代謝(圖1)。色氨酸(TRP)可經(jīng)色氨酸羥化酶(TPH)催化成為一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)—5-羥色胺。而另一條作為色氨酸分解代謝的主要途徑，犬尿氨酸代謝途徑可形成具有神經(jīng)活性的產(chǎn)物犬尿氨酸(KYN)。犬尿氨酸也有兩種代謝結(jié)果，一是在犬尿氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(KAT)作用下通過(guò)轉(zhuǎn)氨基作用催化犬尿氨酸為犬尿喹啉酸(KYNA)，KYNA是一種N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDAR)和α7煙堿型乙酰膽堿受體(α7nAChR)拮抗劑。二是犬尿氨酸通過(guò)犬尿氨酸-3-單加氧酶(KMO)發(fā)生羥化反應(yīng)形成3-羥基犬尿氨酸(3-HK)，該產(chǎn)物能產(chǎn)生神經(jīng)毒性自由基。在犬尿氨酸酶(KYNU)作用下，3-HK經(jīng)歷C-C鍵的水解斷裂成為3-羥基-2-氨基苯甲酸(3-HAA)。3-HAA再通過(guò)3-HAA氧化酶(3-HAO)氧化成神經(jīng)毒性代謝物喹啉酸。

圖1 色氨酸代謝途徑

3 色氨酸2，3-雙加氧酶的生物學(xué)功能

人類(lèi)TDO主要表達(dá)于肝臟，但在其他器官、組織也有表達(dá)，如腦、附睪、睪丸、胎盤(pán)和妊娠子宮。TDO可將色氨酸轉(zhuǎn)化成犬尿氨酸，引起微環(huán)境中的色氨酸減少，從而抑制細(xì)胞增殖。同時(shí)，色氨酸通過(guò)犬尿氨酸代謝途徑所得產(chǎn)物犬尿氨酸是人芳香烴受體(AHR)的內(nèi)源性促癌配體，能夠激活A(yù)HR造成免疫抑制。因此TDO在腫瘤進(jìn)展中也起著重要的作用，這在腫瘤治療中意義重大。有趣的是，TDO經(jīng)糖皮質(zhì)激素、色氨酸、胰高血糖素、雌激素等誘導(dǎo)，這與IDO的調(diào)節(jié)機(jī)制大不相同。

TDO通過(guò)結(jié)合氧原子到色氨酸吲哚環(huán)催化L-色氨酸形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)，催化步驟具體分為三步：(1)與底物結(jié)合，(2)中間物過(guò)氧化氫的形成，(3)過(guò)氧化氫中間物的重排。其中底物結(jié)合過(guò)程包括TDO血紅素位點(diǎn)與L-色氨酸銨基、羧基結(jié)合以及與吲哚環(huán)之間的相互作用兩個(gè)過(guò)程。同時(shí)，銨基結(jié)合到血紅素的7-丙酸酯位點(diǎn)，色氨酸的吲哚環(huán)結(jié)合成疏水性的口袋，并與其他疏水殘基相互作用。色氨酸和氧氣與TDO鐵蛋白結(jié)合后，鐵蛋白和色氨酸形成三元復(fù)合物。然后三元絡(luò)合物激活氧原子，催化過(guò)氧化氫中間物形成，在這過(guò)程中三元結(jié)構(gòu)失去質(zhì)子生成吲哚。最后，過(guò)氧化氫中間物由鄰二醇裂解反應(yīng)或二氧雜環(huán)丁烷中間物形成N-甲酰犬尿氨酸(NFK)。

4 色氨酸2，3-雙加氧酶在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用

4.1 色氨酸2，3-雙加氧酶在阿爾茲海默病中的作用

AD是一種神經(jīng)退行性疾病，占癡呆癥的60%～70%。早期癥狀常為遺忘，并隨時(shí)間逐漸進(jìn)展。由于大腦病變惡化，癥狀可發(fā)展為語(yǔ)言問(wèn)題、定向障礙、情緒波動(dòng)、積極性降低等。AD患者腦組織的解剖特點(diǎn)是存在淀粉樣蛋白斑塊、膠質(zhì)細(xì)胞增生和神經(jīng)原纖維結(jié)節(jié)形成。新的相關(guān)研究聚集在神經(jīng)炎癥領(lǐng)域，Alsadany等[3]發(fā)現(xiàn)神經(jīng)炎性斑塊周?chē)嬖诨罨男∧z質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞，并且在AD患者腦組織中TNF-α、IL-2、IL-1、IL-6和IL-8水平增加。然而神經(jīng)退行性病變中炎癥反應(yīng)機(jī)制尚未闡明。

而近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明AD患者腦組織中犬尿氨酸途徑異常激活、喹啉酸含量升高。Bonda等[4]發(fā)現(xiàn)IDO1在AD患者的大腦中表達(dá)上調(diào)，并且由Aβ1-42刺激分泌的細(xì)胞因子也可誘導(dǎo)的小膠質(zhì)細(xì)胞和單核細(xì)胞表達(dá)IDO1。這方面證據(jù)表明IDO1可能參與喹啉酸水平升高過(guò)程。然而B(niǎo)reda等[5]研究表明AD果蠅模型腦組織中TDO水平增加，而TDO在果蠅中是唯一催化犬尿氨酸途徑起始步驟的酶。Wu等[6]研究也表明AD患者海馬組織中TDO的水平提高，TDO水平顯著高于IDO1水平，并且TDO和喹啉酸存在于AD患者海馬的同一位置。喹啉酸是TDO和IDO催化犬尿氨酸途徑的代謝產(chǎn)物，Guillemin等[7]在AD患者的海馬神經(jīng)元、大腦皮層小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞中檢測(cè)到喹啉酸的免疫反應(yīng)，并被證明其具有激活神經(jīng)元表達(dá)的能力。隨后對(duì)喹啉酸的毒性進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)喹啉酸可參與多種神經(jīng)炎癥疾病的病理[8]。喹啉酸還導(dǎo)致tau蛋白過(guò)度磷酸化，這可能是神經(jīng)原纖維結(jié)節(jié)形成的決定性因素。此外，Lanz等[9]通過(guò)腦組織免疫組化顯示在TDO-/-小鼠中淀粉樣前體蛋白陽(yáng)性軸突的數(shù)量減少，進(jìn)一步說(shuō)明TDO參與了AD的病理，并且較IDO1起著更重要的作用。AD患者腦內(nèi)微環(huán)境存在炎癥，而TDO正是由抗炎因子誘導(dǎo)的。另外AD大腦中催乳素和皮質(zhì)醇增加，這可能解釋了TDO在AD患者腦組織中的表達(dá)。

4.2 色氨酸2，3-雙加氧酶在精神分裂癥中的作用

精神分裂癥是一種以社會(huì)行為異常和認(rèn)知障礙為特征的精神障礙疾病，常見(jiàn)癥狀包括社會(huì)交往減少、思維情感混亂、幻聽(tīng)、缺乏積極性等，全球發(fā)病率約為1%。該病病因不明，TDO可能通過(guò)參與NMDAR和α7nAChR功能低下、產(chǎn)前感染免疫反應(yīng)等與該病相關(guān)。NMDAR和α7nAChR參與認(rèn)知過(guò)程和興奮性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成，涉及到學(xué)習(xí)、記憶和突觸可塑性等生理過(guò)程，NMDAR和α7nAChR功能低下在精神分裂癥中的作用是舉足輕重的。NMDAR功能低下假說(shuō)的潛在機(jī)制可能是NMDAR拮抗劑影響某些腦區(qū)如紋狀體、尾狀核及前額葉皮層的多巴胺能神經(jīng)元活動(dòng)的傳遞。

Linderholm等[10]研究已表明在精神分裂癥患者的前額葉皮層和腦脊液中犬尿喹啉酸水平升高。犬尿喹啉酸是機(jī)體內(nèi)一種NMDAR和α7nAChR內(nèi)源拮抗劑，可能參與精神分裂癥的發(fā)病機(jī)理。精神分裂癥患者犬尿喹啉酸濃度升高的機(jī)制尚未完全清楚，TDO和犬尿氨酸含量升高可能引起犬尿喹啉酸含量增加。楊修登等[11]分析55例精神分裂癥患者血清標(biāo)本發(fā)現(xiàn)患者犬尿氨酸含量顯著高于對(duì)照組。并且Miller等[12-13]研究表明精神分裂癥患者后扣帶皮層腦皮質(zhì)TDO水平上調(diào)，犬尿氨酸和色氨酸的比值上升，最重要的是TDO而不是IDO1選擇性地表達(dá)在精神分裂癥患者的額葉皮層。而Chiappelli[14]表明精神分裂癥患者呈中度應(yīng)激水平，而應(yīng)激激素誘導(dǎo)TDO產(chǎn)生，這解釋了精神分裂癥患者中TDO含量增加和色氨酸/犬尿氨酸比值下降的原因。此外，Réus等[15]表明在兔精神分裂癥模型中使用TDO抑制劑后癥狀有明顯改善。TDO導(dǎo)致的犬尿喹啉酸水平增加還將抑制尾狀核、紋狀體中的多巴胺、乙酰膽堿、γ-氨基丁酸、谷氨酸和去甲腎上腺素釋放，視覺(jué)空間記憶、情境學(xué)習(xí)和記憶、以及聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)電位等神經(jīng)生理嚴(yán)重依賴(lài)于這些神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞。

另外，TDO還通過(guò)產(chǎn)前感染途徑參與精神分裂癥的發(fā)病。流行病學(xué)數(shù)據(jù)顯示，35%～46%的精神分裂癥患者與產(chǎn)前感染有關(guān)聯(lián)，支持了精神分裂癥感染與免疫學(xué)說(shuō)[16]。產(chǎn)前母體感染后通過(guò)促炎細(xì)胞因子和應(yīng)激相關(guān)皮質(zhì)醇，增加了杏仁核的樹(shù)突復(fù)雜性，同時(shí)提高了星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)TDO含量[17]。由TDO催化產(chǎn)生的犬尿喹啉酸水平增高，作用于腹側(cè)被蓋區(qū)抑制γ-氨基丁酸能神經(jīng)元，并增加多巴胺釋放，繼而影響神經(jīng)元活動(dòng)和區(qū)域間細(xì)胞的溝通認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)障礙。綜上可得TDO參與精神分裂癥的發(fā)生，并可能較IDO1起更重要的作用，TDO可能作為未來(lái)精神分裂癥的治療靶點(diǎn)。

4.3 色氨酸2，3-雙加氧酶在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中的作用

膠質(zhì)瘤是一種起源于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的腫瘤，好發(fā)于大腦或脊柱，占惡性腦腫瘤的80%。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是膠質(zhì)瘤的一種，患者在最大治療情況下(放療聯(lián)合替莫唑胺)中位生存時(shí)間約為14.6個(gè)月。因此對(duì)該疾病更有效的新療法的探索十分迫切且意義重大。Bosnyák等[18]表明膠質(zhì)瘤患者的少突膠質(zhì)細(xì)胞和膠質(zhì)神經(jīng)元能夠攝取色氨酸，且腦脊液喹啉酸水平增加，表明犬尿氨酸信號(hào)通路可能參與了膠質(zhì)瘤的病理。隨后Uyttenhove[19]發(fā)現(xiàn)惡性膠質(zhì)瘤組織中IDO活性增高。而Opitz[20]表明在膠質(zhì)瘤中由底物色氨酸誘導(dǎo)TDO的表達(dá)水平也有所增加。然而Adams[21]研究發(fā)現(xiàn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中的IDO1、IDO2不參與色氨酸的代謝，而是由TDO負(fù)責(zé)犬尿氨酸的產(chǎn)生和釋放。同時(shí)，TDO催化速率遠(yuǎn)高于IDO，即TDO能更快速地影響犬尿氨酸濃度。所以TDO在膠質(zhì)瘤的發(fā)展過(guò)程中可能發(fā)揮著比IDO更重要的作用。

腫瘤細(xì)胞中TDO催化色氨酸的分解代謝而抑制過(guò)度免疫應(yīng)答，從而預(yù)防腫瘤排斥反應(yīng)，然而這反過(guò)來(lái)又促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞的存活、生長(zhǎng)、侵襲和轉(zhuǎn)移。Opitz[20]的研究還表明膠質(zhì)瘤細(xì)胞中由TDO催化產(chǎn)生的犬尿氨酸與同種異體T細(xì)胞增殖指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，膠質(zhì)瘤中CD8+T細(xì)胞浸潤(rùn)減少，白細(xì)胞共同抗原陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)也降低，而TDO被抑制之后可以恢復(fù)T細(xì)胞增殖。這是因?yàn)槟z質(zhì)瘤細(xì)胞中TDO催化色氨酸的分解代謝導(dǎo)致色氨酸減少，激活蛋白激酶GCN2，通過(guò)Fas配體介導(dǎo)導(dǎo)致G1細(xì)胞周期阻滯，并使其對(duì)凋亡刺激敏感[22]。另外，TDO在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中過(guò)度表達(dá)的代謝產(chǎn)物犬尿氨酸可激活A(yù)HR，AHR是多種重要性細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。AHR激活刺激幼稚T細(xì)胞Foxp3的激活，導(dǎo)致Treg細(xì)胞的選擇性增殖以阻止Th17細(xì)胞的成熟，而Th17細(xì)胞的減少可促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)[23-24]。此外，犬尿氨酸途徑的下游產(chǎn)物喹啉酸可通過(guò)增強(qiáng)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD)的生成從而促進(jìn)腫瘤的化療耐藥，NAD是多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶-1(PARP-1)的重要底物，促進(jìn)活性氧誘導(dǎo)的DNA損傷修復(fù)，并使腫瘤細(xì)胞在化療后恢復(fù)DNA復(fù)制[25-26]。高水平的喹啉酸還能促進(jìn)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的增殖，并與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者的腫瘤分級(jí)高低、預(yù)后不良相關(guān)。

TDO還存在于乳腺、膀胱、腎細(xì)胞、胰腺、結(jié)直腸、頭頸部的腫瘤中，并與腫瘤進(jìn)展和預(yù)后不良相關(guān)。所以TDO與IDO都具有抑制抗腫瘤免疫活性，TDO可以作為膠質(zhì)瘤等抗腫瘤治療的新靶點(diǎn)。

5 結(jié)論和展望

綜上，根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，筆者推測(cè)TDO參與阿爾茲海默病、精神分裂癥和膠質(zhì)瘤等多種疾病。此外，越來(lái)越多的研究表明TDO可能參與其他大腦疾病的病理學(xué)，如亨廷頓病、多發(fā)性硬化癥、帕金森病和癲癇等。未來(lái)應(yīng)該探索TDO是否參與其他神經(jīng)疾病，并深入研究其發(fā)病機(jī)制，為疾病治療提供基礎(chǔ)。

在動(dòng)物模型中減少犬尿氨酸作為一種神經(jīng)疾病的治療策略已有研究。在亨廷頓病倉(cāng)鼠模型中，抑制KMO可減少神經(jīng)元和突觸損失并降低其癥狀的嚴(yán)重程度[27]。同時(shí)在秀麗隱桿線蟲(chóng)中抑制TDO基因可以抑制α-突觸核蛋白(α-Syn)的毒性以及Aβ1-42和多聚谷氨酰胺蛋白的形成，而已知α-Syn是參與帕金森綜合征病理的重要分子[28]。這也表明TDO抑制劑在腦部疾病的治療潛力十分巨大。未來(lái)的發(fā)展方向可以通過(guò)構(gòu)建TDO缺陷相關(guān)神經(jīng)疾病動(dòng)物模型從而研究抑制TDO是否減輕或逆轉(zhuǎn)模型動(dòng)物疾病的進(jìn)展及具體機(jī)制，為T(mén)DO抑制療法提供臨床基礎(chǔ)。

目前TDO抑制劑有709W92、68OC91和LM10等。但由于709W92抑制5-羥色胺的再攝取、68OC91溶解度和生物利用度差等原因，應(yīng)用受到限制。LM10雖然具有良好的抑制TDO酶活性的能力、高的溶解度和生物利用度，也顯示出有效的抗腫瘤活性，但它的特異性還有待探索。未來(lái)應(yīng)該深入研究人類(lèi)TDO分子結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)高效特異的TDO抑制劑，從而更好的治療相關(guān)神經(jīng)疾病。