5-LOX和12/15-LOX在炎症中的功能研究进展①

黄逸馨 徐绮嫔 陶金忠 曹随忠

(四川农业大学动物医学院动物疫病与人类健康四川省重点实验室，成都 611130)

5-LOX和12/15-LOX在炎症中的功能研究进展①

黄逸馨 徐绮嫔 陶金忠②曹随忠

(四川农业大学动物医学院动物疫病与人类健康四川省重点实验室，成都 611130)

脂氧合酶(Lipoxygenase，LOX)，又名脂肪氧化酶、脂肪加氧酶或类胡萝卜素氧化酶，最早发现于高等植物中，与植物的生长密切相关，随后，在真菌、细菌与动物组织中均发现了脂氧合酶[1,2]，它们不仅能参与细胞代谢调节，调控基因的表达与细胞的增殖、分化和衰老，还能影响氧化还原平衡进而影响细胞的功能[3,4]。

目前，哺乳动物LOXs的研究多侧重于分析其与细胞功能、肿瘤及癌症的关系等[4-6]，也有学者采用基因缺失或过表达等方式研究其在炎症中的促炎与抗炎作用[7,8]。最新研究表明，炎症消退是一个由多种细胞和抗炎、促炎消退介质共同参与的主动程序性过程，促炎消退脂质介质(Specialized pro-resolving mediators，SPMs)在其中发挥关键作用，通过限制多形核中性粒细胞(Polymorphonuclear neutrophil，PMN)募集、诱导PMN凋亡以及清除组织细胞碎片等方式促进炎症机体恢复稳态[9]，而5-LOX和12/15-LOX便是合成SPMs的关键酶。因此，本文综述了5-LOX与12/15-LOX在哺乳动物炎症的发生发展与消退过程中的重要功能。

1 LOXs的分子结构

LOXs是由单一多肽链组成的可溶性蛋白酶，是一种含非血红素铁、不含硫的过氧化物酶，可以催化含有至少两个单独顺式双键的多不饱和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acid，PUFA)生成具有共轭双键的过氧化氢产物。在哺乳动物LOXs蛋白分子中，非血红素铁原子靠近酶中心位置，并以配位键与4个组氨酸侧链和羧基末端异亮氨酸结合，形成酶活力中心的主要组成部分[10]。大多数LOXs多肽链上均有两个超二级结构：较小的N端结构域和大的C末端活性中心域，前者具有较高的动态柔性，在酶氧化过程中主要调节酶分子与底物分子相互结合；后者含有非血红素铁原子簇，主要负责与底物分子相结合并实施催化作用[11,12]。

2 5-LOX与12/15-LOX的分类与分布

由于LOXs能氧化哺乳动物组织细胞中富含的多烯脂肪酸——亚油酸(Linoleic acid，LA)与花生四烯酸(Arachidonic acid，AA)，因此，科学家最初根据LOXs催化氧化AA时氧分子插入的位置以及它们各自的氧化特性，将哺乳动物LOXs基因命名为ALOX15、ALOX15B、ALOX12、ALOX12B、ALOX5和ALOXE3，分别编码6种功能各异的LOX。

大多数哺乳动物5-LOX相似，且仅表达于少数几种细胞如白细胞、巨噬细胞和树突细胞中[4]。除了ALOX15与ALOX15B，鼠ALOX12和ALOX12B与人的同源基因享有较高的保守性，并且表现出相似的酶活性。人类ALOX15基因编码15-LOX，最初发现于网织红细胞和未成熟红细胞内，高表达于嗜酸性粒细胞和支气管肺泡上皮细胞中[13]。而鼠的15-LOX因具有能将AA转化为12S-HpETE的12-脂氧化酶反应特性，且高表达于小鼠白细胞中而被称为12脂氧化15脂氧合酶，曾被称为白细胞型12-LOX(leukocyte-type 12-lipoxygenase，l12LOX)。此外，兔、鼠、牛和猕猴等哺乳动物仅有ALOX15基因，却能表达具有12脂氧化与15脂氧化双重活性的15脂氧合酶(人类ALOX15基因只能编码15-LOX)，至今还未能有确切的研究结果可以解释这个现象，只是推测与mRNA翻译后修饰有关[14，15]。

ALOX15B基因编码15-LOX2，在皮肤与前列腺中高表达[16-18]。人类15-LOX2主要能将AA转化为15S-HpETE，而鼠ALOX15B基因虽具有与其较高同源性，却表现8-脂氧化活性[19]。研究表明，小鼠该基因表达的酶具有这种反应特性是由于其氨基酸序列上具有酪氨酸-组氨酸结合体，明显区别于其他哺乳动物与人类该高度保守同源基因对应位置上一致的“人类模体”(天冬氨酸-缬氨酸或天冬氨酸-异亮氨酸)[4]。

哺乳动物12-LOX最初因分布不同被分为l12LOX和血小板型12脂氧合酶(platelet-type 12-lipoxygenase，p12LOX)。p12LOX由ALOX12基因编码，主要表达于血小板、胶质细胞和某些肿瘤细胞中，能将AA转化为12S-HpETE[20]。后来发现p12LOX也表达于皮肤中，能将AA转化为12R-HpETE[21]。此外，在某些动物中，ALOX15、ALOX15B和ALOX12基因仅表达一种酶活性，因此12-LOX与15-LOX常被并称为12/15-LOX[16，22]。

3 5-LOX和12/15-LOX在炎症中的生物活性及功能研究

炎症反应是一种机体对抗外界刺激产生的保护性免疫应答，能通过非特异性免疫或特异性免疫抵御病原入侵、修复组织细胞损伤[23]，5-LOX和12/15-LOX是反应中的关键酶。

3.15-LOX和12/15-LOX调控促炎细胞因子等介质的表达 炎症反应中促炎介质的释放有利于抵御外界刺激。研究发现，12/15-LOX通路能刺激炎性因子IL-6、IFN-γ、IL-12和TNF-α mRNA和蛋白的表达[8,24]，促进炎症反应。此外，12/15-LOX催化AA生成的代谢产物12S-HETE、15S-HETE等亦具有促炎作用[7]，能直接促进细胞因子IL-1β、MCP-1等的生成，还能增强巨噬细胞的吞噬功能[25]。MCP-1在动脉粥样硬化中能诱导单核细胞迁移，调节炎性细胞浸润，过表达和敲除小鼠巨噬细胞中12/15-LOX基因会导致MCP-1的mRNA表达水平随之升高或降低[7]，此外，Wuest等[26]发现ALOX15B基因在动脉粥样硬化中起着关键作用。胰岛素抵抗是一种炎症状态，Sears等[8]实验证实12/15-LOX参与调节脂肪组织早期炎症及高脂饮食导致的全身胰岛素抵抗。不仅如此，12/15-LOX的活性还关系着树突细胞的成熟与功能表达，进而调控特异性T细胞免疫反应[27]。可见，12/15-LOX通路不仅能直接刺激炎性细胞，促进炎性细胞因子的表达，还能通过生成相应介质来诱发炎症级联反应。

5-LOX在促炎反应中也发挥了重要作用，研究证实，子痫前期的发病机制与过度炎症反应有着密切的关系，此时患者胎盘组织中5-LOX和IL-1β的mRNA表达较高[28]。Lin等[29]发现，5-LOX抑制剂能有效控制由TNF-α诱导的人滑膜成纤维细胞中IL-6以及MCP-1的表达。此外，白三烯(Leukotriene，LTs)是源于5-LOX通路的经典促炎介质[30]，在不同白细胞与其他免疫细胞中通过5-LOX或与15-LOX共同催化游离AA(磷脂酶A2作用于细胞膜磷脂而释放)而产生[31]。LTs是重要的促炎介质，它参与了许多疾病的病理生理过程，如半胱氨酰白三烯(LTC4、LTD4、LTE4)是过敏反应中的慢反应物质成分，在支气管哮喘、鼻炎等过敏性疾病的发病机制中占有重要地位[32]，LTB4是固有免疫应答中最强的内源性刺激因子之一，不仅能直接促进炎性反应，还可激活其他炎性细胞。总之，炎症反应通路中5-LOX活性的强弱制约着途径下游LTs等促炎介质的生成，控制着促炎反应进程。因此，LOXs抑制剂己成为医学研究的新热点。

然而，5-LOX与12/15-LOX在炎症中不仅发挥促炎作用，还可以产生相关介质达到抗炎和促炎消退的目的。抑制它们表达的同时亦会损害其在反应中的积极作用，长期使用LOX抑制剂还可能导致细胞生物环境破坏，发展为慢性炎症等。因此，期望通过对它们的双重作用更深入探索发现新的治疗手段。

3.25-LOX和12/15-LOX催化PUFA生成抗炎与促炎消退介质 致炎因子长期存在并持续损伤机体，易导致急性炎症演变为慢性炎症而造成不良后果，因此抗炎与炎症的及时消退至关重要。慢性炎症反应可能是由于成纤维细胞持续激活所引起，会导致组织纤维化等，Kronke等[33]在研究炎症依赖型疾病如系统性硬化病时，采用对小鼠12/15-LOX基因敲除的方法，证实了12/15-LOX对MAPK通路的抑制以及抗纤维化的作用。PUFA是抗炎与促炎消退过程中重要的反应底物，LA与AA经15-LOX和15-LOX2氧化作用生成的产物在大量炎性模型中表现出了抗炎活性，Kumar等[34]研究表明15-LOX催化LA生成的代谢产物能通过PPAR-γ途径抑制NLRP3炎性小体的激活，控制了炎症反应。

急性炎症的消退曾一度被认为是一个由于促炎因子衰减所致的被动过程，现已证实，炎症消退不是被动的炎症反应的终止，而是一个由多种细胞和介质共同参与的主动程序化过程。炎症消退过程起始于炎症组织中细胞组分的转变(促炎的M1巨噬细胞被抗炎的M2巨噬细胞所替代)以及炎症信号的转换，在SPMs合成之后，促炎介质的表达下调，抗炎细胞因子与SPMs抵御外来刺激，从而达到抗炎及促进炎症消退的目的[35]。

AA、EPA(Eicosapentenoic acid)和DHA(Docosahexenoic acid)可经哺乳动物细胞中LOXs的协同催化生成SPMs。常见的SPMs包括脂氧素(Lipoxins，LXs)、消退素(Resolvins，Rvs)、Maresins(MaR1与MaR2)和保护素(Protectins)，以及CO等气体。这些SPMs与免疫细胞表面G蛋白偶联受体(GPCR32、ALX、BLT1)相结合发生特异性反应，能限制PMN募集、降低炎性因子的表达、诱导粒细胞凋亡、恢复血管通透性、增强巨噬细胞的吞噬作用以及清除组织细胞碎片，从而促进炎症的消退，使机体恢复稳态[36]。

LXs大多衍生于AA，其能通过调节NF-кB等转录因子水平、抑制炎性细胞因子和趋化因子的产生、促进单核/巨噬细胞发挥非炎性吞噬作用而发挥抗炎及促炎消退的作用，被称为炎症过程的“刹车信号”[37,38]。LXs主要能通过3条跨细胞途径，由多种LOXs顺序催化AA生成[39]：(1)由血管中的5-LOX和12-LOX催化合成；(2)由单核巨噬细胞、气道上皮细胞和血管内皮细胞内的15-LOX与5-LOX催化合成；(3)经由阿司匹林(Acetylsalicylic acid,ASA)诱发的乙酰化环氧合酶2(Cyclooxygenase-2，COX-2)和5-LOX催化合成，生成15-立体异构体LXs(15-epi-LXA4与15-epi-LXB4)，即ATL。

PD1、MaR1以及Rv能通过5-LOX、12/15-LOX催化DHA或EPA合成。E系Rv能改善炎症疾病的临床症状，它们的合成底物为EPA，首先经由中性粒细胞、上皮细胞中的ASA-COX-2催化，随后经中性粒细胞中的5-LOX氧化生成RvE1或RvE2，或是被12/15-LOX催化合成RvE3。DHA能被中性粒细胞和上皮细胞中的15-LOX催化，并可进一步被中性粒细胞5-LOX作用而分别转化为四种D系Rv，即RvD1、RvD2、RvD3和RvD4。Rvs在炎症消退过程中能抑制粒细胞浸润、促进对病灶中凋亡粒细胞的吞噬与组织再生从而达到炎症消退的目的[40]。保护素能降低PMN的迁移、增强巨噬细胞对凋亡PMN的吞噬作用。DHA能被15-LOX催化生成PD1，或是在巨噬细胞中被12-LOX转化为13S14S-epoxy-maresin，然后被水解酶水解成MaR1，MaR1能有效刺激细胞的胞葬作用和再生功能[41]。

SPMs不仅对非特异性免疫反应有重要调控作用，其还能调节特异性免疫反应[42]。RvD1、RvD2和MaR1可以降低Th1与Th17细胞中TNF-α与IFN-γ的表达[43]，LXA4能通过FPR2/ALX减少记忆B细胞抗体的产生[44]，它们还能通过调节T淋巴细胞、B淋巴细胞协同巨噬细胞、粒细胞来控制炎症的发生，缩短炎症消退过程的时间，促进机体恢复并减轻伤痛。SPMs作为机体内源性的促炎消退脂类介质，对机体生理功能无影响，且安全、无毒副作用，有望开发成为临床抗炎镇痛的新药。

4 结语

炎症与大多疾病的发生发展息息相关，对促炎消退过程的正确认识为我们提供了对抗疾病、恢复机体稳态的一个新思路。5-LOX和12/15-LOX不仅在促炎与抗炎反应中扮演着重要角色，更是合成促炎消退脂质介质的关键酶。因此，全面解读LOX的双重作用可为相关疾病指明更准确的治疗方向。

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[收稿2017-03-14 修回2017-04-07]

(编辑 许四平 刘格格)

①本文为四川农业大学学科建设双支计划(3572070)和国家自然科学基金项目(31660371)。

②宁夏大学农学院，银川 750021。

R364.5

A

1000-484X(2017)10-1598-04

10.3969/j.issn.1000-484X.2017.10.034

黄逸馨(1992年-)，女，在读硕士，主要从事动物临床分子诊断与治疗的研究，E-mail：huangyx213@163.com。

及指导教师：曹随忠(1971年-)，男，博士，教授，主要从事动物临床分子诊断与治疗的研究，E-mail：suizhongcao@126.com。