醛脫氫酶2 與人類疾病的關(guān)系及其小分子激動(dòng)劑研究

孫湘沛，高 興，趙鳳平，王文濤，張?zhí)煲?，?巍，鄭燦輝，陳 新 （.武漢輕工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 湖北 武漢 43003；.海軍軍醫(yī)大學(xué)藥學(xué)系, 上海 00433；3.中部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院, 湖北 武漢 430070）

1 ALDH2 的結(jié)構(gòu)功能和突變

醛脫氫酶（ALDH）是I 相反應(yīng)中非常重要的氧化酶超家族之一，由一組NAD+依賴性酶組成，主要作用是不可逆的催化內(nèi)源性和外源性醛，避免醛在人體內(nèi)蓄積中毒[1]。在哺乳動(dòng)物組織中均存在ALDH，其中肝臟表達(dá)水平最高，其次是腎臟、子宮和大腦，目前在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了19 種不同的ALDH[2]。ALDH2 是已知的19 種ALDH 中分布最廣泛和表達(dá)最高的同工酶，是一種具有相同亞基的四聚體蛋白（圖1），由位于12 號(hào)染色體長臂（12q 24.2）上的ALDH2 基因編碼而成的517 個(gè)氨基酸組成。其亞基均是由3 個(gè)結(jié)構(gòu)域組成：催化結(jié)構(gòu)域、NAD+結(jié)合結(jié)構(gòu)域和寡聚結(jié)構(gòu)域[3]（圖1）。

圖1 ALDH2 結(jié)構(gòu)示意圖

ALDH2 是對(duì)體內(nèi)外活性醛代謝的最重要的一種酶，因其對(duì)酒精代謝解毒而聞名[4]。ALDH2 代謝的活性醛主要有乙醛、丙烯醛、3,4-二羥基苯乙醛（DOPAL）、丙二醛（MDA）和4-羥基壬烯醛（4-HNE）等[5,6]。其中很重要的是4-HNE，它是由人體脂質(zhì)過氧化反應(yīng)時(shí)活性氧（ROS）攻擊雙分子層細(xì)胞膜上的多不飽和脂肪酸而生成的有毒醛類物質(zhì)，是目前研究最多的生物活性醛類物質(zhì)之一[7,8]。脂質(zhì)過氧化以及它產(chǎn)生的4-HNE 與許多疾病的發(fā)生有關(guān)，ALDH2 能有效清除這些醛，因此是人體內(nèi)重要的抗氧化應(yīng)激損傷因子之一，越來越多被關(guān)注和研究。

ALDH2 基因具有多態(tài)性,易發(fā)生基因突變，其點(diǎn)突變命名為ALDH2*2，是人類最常見的基因突變之一。全球估計(jì)有5.6 億人（約占世界人口的8%）都攜帶這種基因，尤其在東南亞人群中約有35%～45%為攜帶者。攜帶者分布中心位于我國南部地區(qū)，特別是我國長汀縣約有65%的人口攜帶這種突變基因[9]。造成這種基因突變的原因是ALDH2 基因在12 外顯子42 421 堿基上腺嘌呤取代鳥嘌呤，從而在轉(zhuǎn)錄翻譯成ALDH2 時(shí)其487 位點(diǎn)的谷氨酸被賴氨酸（Glu 487 Lys）取代（圖1），從而導(dǎo)致ALDH2 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定以至活性降低。通常，ALDH2 野生型和變異型等位基因有3 種類型：野生型純合子（ALDH2*1/*1）、雜合子（ALDH2*1/*2）和變異型純合子（ALDH2*2/*2）。由于突變對(duì)編碼ALDH2*1 等位基因的野生型單體產(chǎn)生顯性影響，所以凡是攜帶這種突變基因的人ALDH2 活性均有所下降，ALDH2*1/*2 相比于ALDH2*1/*1 活性降低約50%，而ALDH2*2/*2 活性幾乎完全喪失[10]。

2 ALDH2 和氧化應(yīng)激損傷相關(guān)疾病

ALDH2 是人體內(nèi)重要的抗氧化應(yīng)激損傷因子，突變基因攜帶者會(huì)增加與活性氧介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷相關(guān)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。氧化應(yīng)激損傷將導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，這一過程會(huì)產(chǎn)生毒性醛，引發(fā)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)受損、酶失活、DNA 損傷和細(xì)胞死亡，從而導(dǎo)致或加劇疾病的發(fā)生。研究不斷發(fā)現(xiàn)與ALDH2 密切相關(guān)的氧化應(yīng)激損傷相關(guān)疾病，如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、肝臟疾病、癌癥、糖尿病、范可尼貧血、骨質(zhì)疏松癥、疼痛等[3]，下面將重點(diǎn)介紹最常見的幾類疾病的相關(guān)研究。

2.1 心血管疾病

心血管疾病是全球發(fā)病率以及死亡率最高的疾病，這其中主要包括心肌梗死、心臟肥厚和心力衰竭。研究發(fā)現(xiàn)，這些疾病的發(fā)生均與ROS 誘導(dǎo)的應(yīng)激損傷有關(guān)，ROS 能使生物膜中的多不飽和脂肪酸過氧化，產(chǎn)生活性醛，從而影響人心肌的正常功能[11-13]。研究表明，心肌缺血再灌注損傷（IRI）與急性缺血性腦卒中（AIS）均與氧化應(yīng)激產(chǎn)生過度4-HNE 有關(guān)，而ALDH2 是醛代謝解毒主要依賴，所以ALDH2 介導(dǎo)的活性醛解毒是一種缺血再灌注損傷的內(nèi)源性保護(hù)機(jī)制[14]。

近期研究發(fā)現(xiàn)，ALDH2 還與心律失常相關(guān)。心房顫動(dòng)（AF）是最常見的心律失常，其特征是過快的心房激活，不同步的心房收縮和不規(guī)則的心室率[15]。研究發(fā)現(xiàn)，ALDH2 在 AF 相關(guān)氧化應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮心臟保護(hù)作用，同時(shí)ALDH2 活性降低將導(dǎo)致AF 的閾值水平低下，導(dǎo)致AF 易感性增加。ROS 誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生活性醛，同時(shí)活性醛反過來會(huì)觸發(fā)更高的ROS 水平，ROS 與醛類物質(zhì)均可能導(dǎo)致心律失常。過量的ROS 產(chǎn)生主要離子效應(yīng)、肌細(xì)胞電偶聯(lián)和異常分子機(jī)制的影響而與房顫相關(guān)，而活性醛會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞內(nèi)ATP 濃度嚴(yán)重下降，并引起與心律失常發(fā)展有關(guān)的電生理變化，也能顯著抑制大鼠心室肌細(xì)胞內(nèi)向整流鉀電流（IK1）從而觸發(fā)AF[16]。ALDH2 與心律失常有著緊密聯(lián)系，由于ALDH2 對(duì)ROS 與醛類物質(zhì)均有抑制作用，所以激動(dòng)ALDH2 抗心律失常治療途徑可能有較好前景。

2.2 神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病是由神經(jīng)元或其髓鞘失去正?；钚詫?dǎo)致的，往往隨年齡增長越來越嚴(yán)重，從而出現(xiàn)功能障礙，這其中最常見的是帕金森?。≒D）和阿爾茨海默?。ˋD），它們的特征均是氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的脂質(zhì)過氧化、線粒體功能障礙和醛產(chǎn)物的積累導(dǎo)致記憶喪失、認(rèn)知能力下降和神經(jīng)退行性變[3]。

PD 是由黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元缺失引起。大量研究表明，黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元與強(qiáng)活性的DOPAL蓄積有關(guān)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明DOPAL 是一種神經(jīng)毒素，注射DOPAL 可誘發(fā)帕金森病[17,18]。ALDH2是DOPAL 代謝的關(guān)鍵酶，能將DOPAL 轉(zhuǎn)化為無毒的3,4-二羥基苯乙酸，所以ALDH2 被認(rèn)為對(duì)PD 具有神經(jīng)保護(hù)作用。

AD 是另一種常見的以認(rèn)知功能障礙為特征的神經(jīng)退行性疾病。一些研究表明ALDH2 與AD 的發(fā)生有關(guān)，Ohsawa 等[19]建立了攜帶ALDH2*2 基因小鼠模型，發(fā)現(xiàn)由于ALDH2 活性下降，小鼠的tau 蛋白過度磷酸化而導(dǎo)致的4-HNE 積累，使小鼠顯示出與人類AD 相似的年齡依賴性記憶障礙和神經(jīng)病理。尸檢報(bào)告發(fā)現(xiàn)，AD 患者的顳皮層和殼核中的ALDH2 活性明顯高于健康對(duì)照組，這可能是因?yàn)锳D 患者大腦的ROS 誘導(dǎo)氧化應(yīng)激以至醛的增加，ALDH2 活性的升高是為促進(jìn)醛的代謝[20]。因此，較高的ALDH2 活性被認(rèn)為對(duì)AD 的存活具有保護(hù)作用。

2.3 肝臟疾病

肝臟疾病，包括非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、肝炎、酒精性肝病（ALD）、藥物性肝損傷（DILI）和原發(fā)性膽道膽管炎（PBC）等，每年全世界約有200 萬人死于該類疾病。有研究表明肝臟是ALDH2表達(dá)水平最高的器官，也是乙醇代謝的主要部位，而ALDH2 是乙醇代謝的主要酶。此外，過量飲酒可增加細(xì)胞色素P450 2E1（CYP2E1）的表達(dá)和活性，CYP2E1 的活化會(huì)促進(jìn)ROS 的形成進(jìn)而導(dǎo)致乙醛的產(chǎn)生[21]。ALDH2 活性對(duì)肝臟的影響是復(fù)雜的， ALD 發(fā)生是長期大量飲酒導(dǎo)致的，這在很大程度上受到ALDH2 變異的影響，ALDH2 活性降低導(dǎo)致乙醇代謝過程中乙醛在肝臟蓄積，從而導(dǎo)致ALD。其他NAFLD、肝炎、DILI 和PBC 也均與ROS 誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激有關(guān)，在這些肝臟疾病中ROS 升高導(dǎo)致肝臟細(xì)胞脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生4-HNE。一組體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，敲除ALDH2基因?qū)⒓又馗闻K疾病，而相應(yīng)提升ALDH2 的表達(dá)水平可以延緩疾病進(jìn)一步發(fā)展[22]。

2.4 癌癥

研究表明，ALDH2 與許多癌癥發(fā)生有關(guān)，如肝癌、結(jié)直腸癌、胃癌、食管癌、肺癌、膀胱癌等。乙醛、4-HNE 和MDA 等有毒物質(zhì)，在細(xì)胞中的積累會(huì)引起醛類誘導(dǎo)的DNA 鏈間交聯(lián)，從而進(jìn)一步誘導(dǎo)這些癌癥的發(fā)生和發(fā)展[23,24]。對(duì)于龐大的ALDH2*2 攜帶人群來說，ALDH2 低活性更易引起毒性醛的蓄積，患上癌癥風(fēng)險(xiǎn)更大。同時(shí)研究也證實(shí)了ALDH2 在大多數(shù)腫瘤中相對(duì)于正常組織表達(dá)水平上存在缺陷，此外，ALDH2 的缺失往往提示惡性表型和不良預(yù)后，有助于提高癌癥患者的準(zhǔn)確診斷和及時(shí)干預(yù)[25]。對(duì)于攜帶ALDH2*2 癌癥患者，可能不僅ALDH2 活性低導(dǎo)致毒性醛蓄積誘導(dǎo)癌癥的發(fā)展，還可能因患有癌癥使得患者ALDH2表達(dá)降低，這種雙重效應(yīng)使得患者癥狀加重。鑒于此，對(duì)于與ALDH2 相關(guān)的癌癥，可將ALDH2 作為新的靶點(diǎn)，激動(dòng)ALDH2 活性是一個(gè)可能的新治療方法[26]。

2.5 新型冠狀病毒感染

近些年新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）引起的新冠肺炎持續(xù)大流行，在全球范圍內(nèi)造成嚴(yán)重的公共衛(wèi)生威脅?，F(xiàn)在對(duì)其治療的方式大多還是以疫苗的預(yù)防作用為主，提前接種能夠在很大程度上避免重癥和死亡[27]。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，ALDH2 基因rs671 多態(tài)性可能與免疫系統(tǒng)存在一些聯(lián)系。隨后在最新研究中發(fā)現(xiàn)ALDH2基因突變攜帶者在接種疫苗前后4 個(gè)月，其體內(nèi)SARS-CoV-2 刺突蛋白S1 IgG 水平與rs671 變異等位基因數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。該研究結(jié)果首次表明了ALDH2 的變異等位基因rs671 與COVID-19 mRNA疫苗的免疫原性減弱有關(guān)[28]。因此，對(duì)突變基因攜帶者來說，提高ALDH2 活性可能可以輔助疫苗作用，加強(qiáng)疫苗在病毒免疫應(yīng)答流程快速產(chǎn)生抗體，這將對(duì)新冠后時(shí)代提供一個(gè)新的解決方式。

3 ALDH2 與鐵死亡

鐵死亡是近年來發(fā)現(xiàn)的一種鐵依賴的、非凋亡的新型細(xì)胞死亡模式，在其發(fā)生過程中通常伴有大量鐵積累和脂質(zhì)過氧化，其中最主要特征是累積大量ROS[29]。近期研究發(fā)現(xiàn)，在某些疾病發(fā)生時(shí)ALDH2 與鐵死亡之間存在著一些聯(lián)系，在一定程度上，鐵死亡的發(fā)生將使得細(xì)胞中ALDH2 的表達(dá)減少，提高ALDH2 活性能夠減少細(xì)胞鐵死亡。

急性肺損傷（ALI）是敗血癥的常見并發(fā)癥，在2022 年Cao 等[30]采用盲腸結(jié)扎穿刺法（CLP）建立膿毒癥所致小鼠肺損傷模型，經(jīng)過CLP 處理的小鼠肺組織形態(tài)遭到破壞，脂質(zhì)過氧化損傷，鐵含量增加，肺環(huán)加氧酶2（PTGS2）蛋白表達(dá)增加，同時(shí)谷胱甘肽過氧化酶4（GPX4）蛋白表達(dá)減少，還下調(diào)了ALDH2 的表達(dá)。而在對(duì)照組，加入ALDH2 激動(dòng)劑處理后，發(fā)現(xiàn)ALDH2 表達(dá)增加，肺損傷減輕，ROS 水平降低，組織鐵含量和PTGS2 蛋白表達(dá)降低，GPX4 蛋白表達(dá)升高，這表明了ALDH2 的激活能抑制鐵死亡。另一組加入鐵死亡抑制劑鐵抑素Fer-1 處理組，ALDH2 蛋白表達(dá)增加，鐵死亡被抑制也促進(jìn)ALDH2 的表達(dá)。這些研究表明在急性肺損傷中ALDH2 和鐵死亡存在很大聯(lián)系。

最近研究發(fā)現(xiàn)，在臨床相關(guān)心臟驟停（CA）和心肺復(fù)蘇（CPR）后的肺損傷存活豬模型中，均觀察到肺鐵死亡，其表現(xiàn)為鐵過量和醛產(chǎn)物增加，抗氧化劑減少。然而，當(dāng)使用ALDH2 激動(dòng)劑處理的CA/CPR 組，肺鐵含量和醛產(chǎn)物均降低了，同時(shí)抗氧化劑增加。ALDH2 激動(dòng)劑能夠抑制鐵死亡并有效緩解CA/CPR 后的肺損傷，其可能是ALDH2激動(dòng)劑治療緩解CA/CPR 后肺損傷的作用機(jī)制[31]。Yu 等[32]發(fā)現(xiàn)CPR 后腎和腸損傷豬模型中，腎臟和腸道細(xì)胞發(fā)生鐵死亡，其腎臟和腸道中鐵過量，MDA 和4-HNE 含量及?；o酶A 合成酶長鏈家族成員4（ACSL4）表達(dá)顯著增加，GPX4 表達(dá)顯著降低，然而用ALDH2 激動(dòng)劑處理的CPR 組，上述變化顯著逆轉(zhuǎn)，鐵死亡得到有效的抑制。由此可見，ALDH2 激動(dòng)劑處理可通過抑制細(xì)胞鐵死亡來緩解CPR 后腎臟和腸道損傷。

近期Zhu 等[33]針對(duì)阿爾茨海默病APP/PS1 小鼠模型，發(fā)現(xiàn)ALDH2 能通過抑制ACSL4 依賴的鐵死亡從而緩解由AD 引起的心血管功能障礙，結(jié)果還表明ALDH2 可通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)過氧化和鐵死亡在AD 誘導(dǎo)的心臟異常中起重要保護(hù)作用。

綜上所述，鐵死亡與ALDH2 之間的關(guān)系密切，但以上聯(lián)系的具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。目前鐵死亡相關(guān)疾病的研究還有很多，涉及神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、肺部、腎臟、胰腺疾病等[34]。如果能夠進(jìn)一步明確ALDH2 與鐵死亡在生物作用機(jī)制上有直接關(guān)系，那提高ALDH2 活性對(duì)鐵死亡相關(guān)疾病的患者將是一種新的可能治療手段。

4 ALDH2 小分子激動(dòng)劑

ALDH2 是人體氧化應(yīng)激損傷防護(hù)的重要環(huán)節(jié)，提高ALDH2 活性具有重要意義，對(duì)人數(shù)眾多的突變基因攜帶者尤其重要。提高ALDH2 活性有利于氧化應(yīng)激損傷導(dǎo)致的毒性醛的代謝，具有降低心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥、肝臟疾病等的患病率的潛在作用，同時(shí)也可能改善這些疾病預(yù)后。最近研究又表明，提高ALDH2 活性在某些疾病中能夠緩解鐵死亡。因此，ALDH2 逐漸成為相關(guān)疾病治療的潛在靶點(diǎn)。最近十多年，研究報(bào)道了多個(gè)類型的小分子激動(dòng)劑，不過總體來說仍處于研究起步階段。

2008 年Chen 等[12]首次通過高通量篩選發(fā)現(xiàn)小分子Adla-1, 它能有效的對(duì)ALDH2 野生型和ALDH2*2 突變型產(chǎn)生激活作用。在體外實(shí)驗(yàn)中，Alda-1 能將失活變體ALDH2*2 激動(dòng)活性最高提高至10 倍，同時(shí)也能最大程度的提高野生型ALDH2 的活性至2 倍。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，能使缺血性腦損傷大鼠減少60%的梗死面積。研究證明，Alda-1 與ALDH2 催化區(qū)伸向蛋白表面的入口部位結(jié)合（圖1），通過變構(gòu)效應(yīng)穩(wěn)定ALDH2 的結(jié)構(gòu)從而發(fā)揮激動(dòng)作用[35]。但是Alda-1 的水溶性較差，且生物活性也有待提高（圖2）。

圖2 已報(bào)道的ALDH2 小分子激動(dòng)劑

針對(duì)Alda-1 存在的問題，為了得到生物活性與水溶性更好的ALDH2 激動(dòng)劑，2018 年本課題組Hu 等[36]直接對(duì)Alda-1 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)修飾，以期提高它們的水溶性和生物活性。在合成所得到的三類新化合物中，化合物的水溶性均有所提高，其中兩類化合物表現(xiàn)出較好的激動(dòng)活性，其中化合物I-6 活性最好。而后2020 年Cheng 等[37]鑒于Alda-1 構(gòu)效關(guān)系不完善以及活性不佳等問題，也對(duì)Alda-1 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，設(shè)計(jì)并合成了系列Alda-1 類似物，其中部分目標(biāo)化合物的活性高于Alda-1，活性最好的化合物為3k。2021 年，Lee 等[38]研究發(fā)現(xiàn)了一種新的ALDH2 激動(dòng)劑AD-9 308（結(jié)構(gòu)未公開），它比Alda-1 活性更好，且有較好水溶性和高選擇性。研究發(fā)現(xiàn)AD-9 308 在治療由4-HNE 介導(dǎo)的糖尿病引起的心肌病時(shí)，能有效地激活A(yù)LDH2，從而降低糖尿病小鼠的血清4-HNE 水平和心臟組織中的4-HNE 蛋白加合物，同時(shí)改善心肌纖維化、炎癥和細(xì)胞凋亡。這一研究結(jié)果表明了ALDH2 激活對(duì)4-HNE 介導(dǎo)疾病的治療潛力，也表明了對(duì)新的ALDH2 激動(dòng)劑研發(fā)的重要性。

2021 年，Chen 等[39]發(fā)現(xiàn)厚樸中一種天然活性分子厚樸酚（Magnolol），能通過激動(dòng)ALDH2 活性從而抑制心臟成纖維細(xì)胞的增殖和膠原合成，進(jìn)而抑制心肌纖維化，且有助于預(yù)防心血管疾病，包括心力衰竭。雖然其精確作用機(jī)制尚不清楚，不論作用位點(diǎn)是否與Alda-1 一致，鑒于其源于天然產(chǎn)物，為ALDH2 激動(dòng)劑的發(fā)現(xiàn)提供了一個(gè)新方向。

2021 年，本課題組通過計(jì)算機(jī)模擬篩選發(fā)現(xiàn)了一類全新骨架的ALDH2 激動(dòng)劑N-芐基苯胺類化合物C6[40]，其在體外ALDH2 活性實(shí)驗(yàn)中最大激動(dòng)倍數(shù)為Alda-1 的104%，在體內(nèi)能使缺血性腦損傷大鼠模型減少約70%的梗死面積。該化合物的發(fā)現(xiàn)首先是通過兩輪模擬篩選、基于藥效團(tuán)和結(jié)構(gòu)平行篩選以及基于命中化合物的子結(jié)構(gòu)搜索，發(fā)現(xiàn)N-芐基苯胺對(duì)ALDH2 有激動(dòng)活性，然后對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終得到了具有良好體內(nèi)外活性的化合物C6。

5 結(jié)論

ALDH2 不僅與氧化應(yīng)激損傷相關(guān)疾病存在聯(lián)系，也和鐵死亡相關(guān)疾病存在間接聯(lián)系，雖然有些機(jī)制尚不明確，但毫無疑問把ALDH2 作為治愈或緩解相關(guān)疾病的靶點(diǎn)，是很有前景的。原因有兩點(diǎn)，第一是在一些體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證明了激動(dòng)ALDH2 活性確實(shí)能夠緩解相關(guān)疾病癥狀，而如果針對(duì)這些疾病以前的藥物靶點(diǎn)存在耐藥性或藥效不好的問題，ALDH2 不乏是一個(gè)全新的選擇；第二是ALDH2 基因突變的攜帶者廣泛存在，特別是東亞人，對(duì)于這類人更易因?yàn)閮?nèi)源性醛的蓄積從而加重一些疾病的癥狀，激活A(yù)LDH2 能夠輔助相應(yīng)疾病的治療。目前，ALDH2 小分子激動(dòng)劑的研究還比較有限，報(bào)道的激動(dòng)劑還存在結(jié)構(gòu)類型少、生物活性不高和成藥性有待提高等諸多問題。期望隨著研究的深入，未來會(huì)有更多、更好的ALDH2小分子激動(dòng)劑問世。