NAD-+在硫芥导致中毒损伤中的作用及研究进展_高一灵.pdf

DOI:10.13276/j.issn.2097-1656.2023.03.015综述NAD+在硫芥导致中毒损伤中的作用及研究进展高一灵1，于卫华2，彭洁2，刘瑞2，吴昊2，刘江正2，孔德钦2(1空军军医大学基础医学院学员大队，2空军军医大学军事预防医学系军事毒理学与防化医学教研室，陕西省自由基生物学重点实验室，特殊作业环境危害评估与防治教育部重点实验室，陕西 西安 710032)基金项目:国家自然科学基金(NSFC-32100996);陕西省自然科学基础研究计划青年项目(2021JQ-343)作者简介:高一灵，本科生，从事临床医学研究，Tel:17391285599，E-mail:1685105289 通信作者:孔德钦，Tel:13571975268，E-mail:;刘江正，Tel:13072976107，E-mail:liujiangzh 网络首发:https:/ 硫芥(SM)作为一种经典的糜烂性化学毒剂，曾造成大量人员伤亡，目前仍有潜在威胁。SM 可导致皮肤、眼睛和呼吸系统等多脏器和系统的损伤，其中毒机制不清，尚无特效救治药物。本文回顾了近年关于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)与 SM 中毒方面的研究进展，介绍了 NAD+在体内的合成及生物学作用，阐述了SM 导致细胞内 NAD+降低的现象及机制，重点从多聚 ADP 核糖聚合酶 1 的过度活化、沉默信息调节因子 1 的抑制和诱导氧化应激三个方面解析了 NAD+在 SM 导致毒性损伤中的作用，并总结了 NAD+前体药物治疗 SM 中毒的研究进展，以期为 SM 导致中毒损伤的机制及救治药物的研发提供新的思路。关键词 硫芥;烟酰胺腺嘌呤二核苷酸;多聚 ADP 核糖聚合酶 1;沉默信息调节因子 1 中图分类号 595.4 文献标志码 Aesearch progress of the role of NAD+in sulfur mustard poisoningGAO Yiling1，YU Weihua2，PENG Jie2，LIU ui2，WU Hao2，LIU Jiangzheng2，KONG Deqin21Cadet Brigade，School of Basic Medical Sciences，Air Force Medical University，2Department of Military Toxicology andChemical Medicine，Shaanxi Provincial Key Laboratory of Free adical Biology and Medicine，Ministry of Education KeyLaboratory of Hazard Assessment and Control in Special Operational Environment，School of Military Preventive Medicine，Air Force Medical University，Xian 710032，China Abstract Sulfur mustard(SM)，as a classic erosive chemical agent，has caused a large number of casualties andis still a potential threat.SM can cause damage to multiple organs and systems such as skin，eyes，and respiratory system.The mechanism of SM poisoning is unclear，and there is no specific treatment drug.This paper reviews the recent researchprogress on nicotinamide adenine dinucleotide(NAD+)and SM poisoning，introduces the synthesis and biological functionof NAD+in vivo，and elucidates the phenomenon and mechanism behind SM-induced reduction of NAD+in cells.Inparticular，the role of NAD+in SM-induced toxic injury is analyzed from three aspects:overactivation of poly(ADP-ribose)polymerase 1，inhibition of silent information regulator 1，and induction of oxidative stress.Moreover，the research progressof NAD+precursor drugs in the treatment of SM poisoning is discussed，aiming at providing new ideas for the mechanism ofSM poisoning and the development of therapeutic drugs.Key words sulfur mustard;NAD+;PAP1;SIT1硫芥(sulfur mustard，SM)是一种经典的糜烂性化学毒剂。SM 被合成后广泛使用于战场，造成大量人员中毒伤亡，被称为“毒剂之王”。SM 暴露后常导致人体皮肤和眼睛的损伤，进入人体后还可引起呼吸系统、心血管系统、免疫系统、胃肠道和骨髓等多系统和脏器的中毒性改变。SM 还会增加肿瘤的发病风险，因此，在 2017 年被世界卫生组织纳入一类致癌物。虽然 SM 的生产和使用受国际 禁止化学武器公约的限制，但 SM 仍可能在非对称战争和恐怖主义袭击中使用1。上世纪三四十年代侵华日军遗留在我962空军军医大学学报2023 年 3 月第 44 卷第 3 期http:国的化学武器中尚有大量 SM 毒剂弹仍有待发现和发掘，对我国人民的生命健康构成了较大威胁。虽然自1917 年 SM 被首次用于化学战已超过 100 年，但其导致机体中毒的机制仍然不清楚，尚无特效救治药物，积极探究其中毒机制意义重大2。另外，由于增殖旺盛的细胞对 SM 毒性更敏感，SM 的衍生物氮芥被广泛用于肿瘤化疗3。研究 SM 中毒机制还对于防治烷化剂用于肿瘤化疗的副作用具有一定借鉴意义。经典的研究认为，SM 中毒机制与 DNA 烷基化、氧化应激、细胞凋亡、多聚(ADP核糖)聚合酶 poly(ADP-ribose)polymerases，PAPs 激活和钙紊乱有关4，但以上机制仍不能完整地解释其毒性作用。本文总结了近年 NAD+在 SM 毒性中的研究进展，以 NAD+新视角解析和阐述 SM 中毒的新机制，为 SM 救治药物的研发提供新的思路。1NAD+代谢和生物学功能NAD+是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamideadenine dinucleotide，NAD)的氧化态形式，其还原态为 NADH，NAD+具有传递氢和电子的功能，是细胞内关键的氧化还原辅助因子和多种代谢酶的底物。虽然距1906 年 HADEN 首次发现 NAD+已有100 多年的历史，但其功能在近20 年才受到普遍重视。近年研究发现 NAD+广泛参与了细胞能量代谢、DNA 修复、氧化还原稳态的调控等重要过程，其合成、消耗和分布受细胞的严密调控。在哺乳动物细胞中，NAD+的生物来源主要有:可以通过犬尿氨酸途径利用 L色氨酸重头合成;通过补救合成途径利用烟酰胺(niacinamide，NAM)或者烟酰胺核糖(nicotinamideriboside，N)合成;以烟酸(nicotinic acid，NA)为原料经由 Preiss-Handler 途径合成;通过吸收食物中的营养素如维生素 B3 并经加工后合成5。细胞内的 NAD+主要发挥两大功能:作为氧化还原辅助因子，参与糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化等多种代谢反应，例如其还原态 NADH 参与线粒体电子传递链的电子传递，以三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)的形式提供能量6;提供 ADP核糖基团，对蛋白质进行翻译后修饰，使蛋白质发生单 ADP核糖化修饰或者多 ADP核糖化修饰，从而调控蛋白质的功能。研究发现，NAD+在细胞内的分布具有“隔室化”特点，其总量、氧化与还原态的比值在细胞核、细胞质和线粒体均不同，这是 NAD+发挥多项生理病理学过程的重要原因7。NAD+稳态的失调与多种疾病的发生密切相关，如糙皮病、衰老、肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病、代谢性疾病等8 10。2SM 导致中毒损伤中细胞内 NAD+的变化及机制研究表明，SM 暴露后可导致细胞中 NAD+含量降低，如在牛肺动脉内皮细胞、人表皮细胞、豚鼠皮肤和离体的人体皮肤组织的 SM 暴露模型中均发现NAD+含量处于降低状态11。研究发现，SM 进入细胞后可直接损伤 DNA、蛋白质和酶类，其中 DNA 是 SM攻击的主要靶分子。DNA 中的碱基尤其是鸟嘌呤(N7、O6 和 N2)和腺嘌呤(N1 和 N6)极易被 SM 烷化修饰，引起 DNA 的链内交联和链间交联，干扰基因的正常转录和复制。另一方面，被 SM 修饰的碱基易发生脱落，使 DNA 出现无嘌呤位点，随后核酸内切酶切除无嘌呤片段，导致 DNA 单链或者双链断裂。这些异常的 DNA 交联和断裂启动 DNA 的修复机制，主要包括同源重组修复、核苷酸切除修复和同源末端连接12。参与修复 DNA 的一类关键酶是 PAPs 家族，该家族以 NAD+作为底物，可对核蛋白进行多聚 ADP核糖化 poly(ADP-ribose)，PA 修饰。因此，在持续修复 SM 导致的 DNA 损伤时，细胞内 NAD+被不断消耗而水平降低，这是目前认为 SM 导致 NAD+降低的主要机制11。因为 NAD+的水平受合成量和消耗量共同决定，SM 对 NAD+合成的影响仍需要考虑，该方面的研究未见报道。由于 SM 是双功能烷化剂，可对生物大分子进行烷基化修饰从而干扰这些分子的功能。因此，推测 SM 可能通过抑制合成 NAD+的酶类降低其来源，这有待后续实验证实。3NAD+在 SM 导致中毒损伤中的作用及机制虽然机体通过适度消耗 NAD+参与 DNA 修复发挥有益作用，但 NAD+的大量消耗介导了 SM 的中毒损伤过程。目前的研究发现，其促损伤作用主要包括三个方面:一是 NAD+参与 PAP1 的过度激活，引起非DNA 修复的损伤效应;二是 NAD+的耗竭使其依赖的沉默信息调节因子 1(silent information regulator 1，SIT1)分子的功能受到抑制;三是 NAD+的降低影响了细胞内氧化还原平衡的稳态。3.1NAD+作为底物参与 PAP1 过度活化导致的促损伤作用目前已报道的 PAPs 家族共有 18 个成员，其中含量最丰富、研究最广泛的亚型是 PAP1，该亚型的活性占 PAPs 家族的 90%以上。研究发现，PAP1具有“双刃剑”的作用，其对细胞命运的影响与其活化的程度密切相关。PAP1 的适度激活通过修复 DNA072http:J Air Force Med UnivVol.44 No.32023的损伤有利于细胞存活，然而当发生广泛而严重的DNA 受损时会导致 PAP1 过度活化，这反而会进一步促进细胞死亡。例如，PAP1 的过度活化参与了小胶质细胞 MNDA 受体介导的促炎反应等病理过程，从而与阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、多发性硬化、中风的发生发展密切相关13 14。PAP1 介导细胞死亡的机制主要有:PAP1 的过度活化导致 NAD+大量消耗，干扰细胞内