视网膜维生素A循环的研究进展
发表时间：2009-10-22 浏览次数：661次
视网膜维生素A循环的研究进展作者：林思恒,尹艳茹 作者单位：1.南方医科大学第一临床医学院，广东 广州 510515；2.南方医科大学生理学教研室，广东 广州 510515 【摘要】 维生素A循环是人类视觉形成的基础，它为光反应提供了生色团，并从一定意义上维持了人体内维生素A类物质的浓度。本文综述了维生素A循环的相关研究，阐明了各步代谢过程以及相关酶类的作用机制，并对感光细胞内全反式视黄醛转变为全反式视黄醇、色素上皮细胞内11-顺-视黄醇转变为11-顺-视黄醛以及两者之间的转运和异构化作了总结。 【关键词】 维生素A循环,11-顺-视黄醛,全反式视黄醇 Retinoid cycle in the retina LIN Siheng*， YIN Yanru. * College of the First Clinical Medicine， Southern Medical University， Guangzhou China， 510515 ［Abstract］ The retinoid cycle is the basement for human vision， which provides the chromophore of the phototransduction， and retains the concentration of vitamin A in vivo. The relevant study about the retinoid cycle and the metabolic process including relative enzymes is explained. A brief description of the transformation between all-trans-retinal and all-trans-retinol in the photoreceptor and the chemistry process from 11-cis-retinol to 11-cis-retinal is the current topic. The chemistry of the all-trans-retinol to 11-cis-retinol is also discussed. ［Key words］ retinoid cycle； 11-cis-retinal； all-trans-retinol 1968年George Wald命名并阐述了维生素A循环（retinoid cycle，RC），又称视循环（visual cycle，VC）。人类不能在体内合成维生素A，但可以通过视网膜色素上皮细胞在暗处重新合成11-顺-视黄醛，实现维生素A的再利用。该循环中酶的缺失及功能障碍将导致视力下降，甚至影响视网膜的正常结构而导致失明，因此，了解此循环的过程将有助于认识一些眼科疾病的本质，从而指导治疗。 1 感光细胞内的相关反应 1.1 视紫红质的光化学反应 视杆细胞中视紫红质的光化学反应是视觉形成的基础之一。视紫红质由视杆细胞外节膜上的视蛋白和11-顺-视黄醛结合而成。在光照条件下，视紫红质吸收光量子，使11-顺-视黄醛转变为全反式视黄醛，并逐渐与视蛋白分离。 研究证明，一种三磷酸腺苷（ATP）结合盒转运体(ATP-binding cassette transporter，ABC transporter，ABCR)可促进全反式视黄醛从膜盘上脱落[1]。1982年Papermaster通过对视杆细胞外节（rod cell outside segment，ROS）进行SDS-PAGE凝胶电泳发现一种Rim蛋白，其占ROS蛋白总量的1%~3%。后来的研究发现Rim蛋白即为ABCR，其表达受视网膜的限制。Rim蛋白通过增强全反式亚视黄基希夫碱水解活性以及全反式视黄醛和视蛋白结合域之间的解离而实现其作用。编码Rim蛋白的基因位于染色体1p22上，由50个外显子组成，长150 kbp。最初认为ABCR存在于视杆细胞内，后来发现视锥细胞内也存在这种蛋白[2]。 ATP结合盒转运体超家族包括A、B、C、D、E、F六个家族。其中A家族共有12个成员。ABCR为A家族的成员之一，又称ABCA4，存在于全身各个部位，它的主要功能为介导各种脂质分子的转运。有研究发现，ABCA4位于视网膜的感光细胞层，而在体内其他组织中却无发现，从而推测ABCA4与全反式视黄醛转运有关。ABCA4由2273个氨基酸组成，包括两个相关结构域。其中每一个又包含一个独立疏水跨膜片段，后面紧跟一段细胞外结构域，以及多次跨膜结构域和核酸结合域[3]。研究发现，在含有Rim蛋白的脂质混合物中加入全反式视黄醛可以刺激ATP的水解[4]。一分子全反式视黄醛与磷脂酰乙醇胺结合生成N-亚视黄基-磷脂酰乙醇胺(N-retinylidene-phosphatidylethanolamine，NRPE)，另一分子全反式视黄醛又可与NRPE结合并氧化生成N-亚视黄基-N-视黄基-乙醇胺（N-retinylidene-N-retinyl ethanolamine，A2E）[5]。ABCA4可以以质子化的NRPE为底物，把全反式视黄醛转运至视杆和视锥细胞的细胞质内。 1.2 全反式视黄醇的生成 全反式视黄醛在感光细胞外节中辅酶II-依赖型全反式视黄醇脱氢酶（NADPH-dependent all-trans-retinol dehydrogenase，NA-RDH）的催化下转变为全反式视黄醇，此为RC循环的限速步骤。视杆细胞与视锥细胞中NA-RDH的构象并不完全相同[6]。NA-RDH为跨膜蛋白，属于短链醇脱氢酶(short-chain alcohol dehydrogenases，SCAD)超家族[7]，以NADPH为辅酶发挥作用。反应后生成的NADP在视杆细胞中通过磷酸戊糖利用脉络膜毛细血管中的葡萄糖重新转变为NADPH。2 全反式视黄醇的转运 全反式视黄醇与感光细胞内光受体视黄醇类结合蛋白（interphotoreceptor retinoid-binding protein，IRBP）结合转运至视网膜色素上皮（retinal pigment epithelial，RPE）细胞，或由RPE细胞经胞吞外节而进入其内。 IRBP是一个143 kDa的糖脂蛋白，包含四个重复结构域。感光细胞将IRBP分泌至感光细胞基质[8]。IRBP除了把全反式视黄醇转运至RPE细胞外，还能把RPE细胞内的11-顺-视黄醛转运至视杆细胞[9]。IRBP促进了RPE细胞内全反式视黄醇向11-顺-视黄醛的转变，并且促进了11-顺-视黄醛从RPE细胞内释放[10]。视杆细胞内除IRBP外，其基质还分泌一种血浆视黄醇结合蛋白（retinol-binding protein，RPB）。RPB与IRPB功能相似，但转运效率低得多。3 RPE细胞内的相关反应 3.1 全反式视黄醇的来源 全反式视黄醇在RPE细胞内经过一系列酶促反应转变为11-顺-视黄醛。RPE细胞内的全反式视黄醇主要来自两方面：或者通过内吞作用摄取感光细胞内的全反式视黄醇，或者通过从脉络膜中吸收的类胡萝卜素经过转化而变为全反式视黄醇。类胡萝卜素从脉络膜转运至RPE后，在RPE65[retinal pigment epithelial(cells) 65 kDa protein]的催化下转变为全反式视黄醛，后者与磷脂酰胆碱在卵磷脂-视黄醇酰基转移酶（lecithin：retinol acyltransferase，LRAT）的催化下经过酯化反应生成全反式视黄酯，进而在视黄酯水解酶（retinyl ester hydrolase，REH）与视黄醇结合蛋白1（cellular retinol-binding protein，CRBP1）的催化下生成全反式视黄醇。 LART定位于色素上皮细胞的内质网膜上[11]，其N端位于细胞质侧，C端位于内质网管腔侧。位于N端的多次跨膜结构域对于酶活性是必需的，而C端的多次跨膜结构域则是非必需的。LART有助于维持体内血浆维生素A水平的稳定[12]。近年有研究认为LART不是全反式视黄酯生成所必需的酶[13]。 全反式视黄醇的生成受色素上皮-视网膜G蛋白受体视蛋白（RPE-retinal G protein receptor-opsin，RGR opsin）的调控[14]。RGR opsin在黑暗中可以抑制体内LRAT以及全反式视黄酯脱氢酶（all-trans-retinyl ester hydrolase）的活性，在光照下这种抑制作用被解除。RGR opsin还调控全反式视黄酯的转移。全反式视黄酯储存于RPE细胞的脂滴中，在光照条件下，RER opsin促进其转移至内质网膜上进而进行异构化。 3.2 11-顺-视黄醇的生成 RPE细胞中的11-顺-视黄醇主要来自于两条途径：其一，上述全反式视黄醇继续在RPE65的催化下异构化为11-顺-视黄醇，此时的RPE65亦称全反式-11-顺视黄醇异构酶[15]；其二，上述反应生成的全反式视黄酯在RPE65的催化下生成11-顺-视黄醇。 RPE65是RC循环中的异构酶，RPE65基因突变可导致人类视网膜病变。1992年Bavik等发现RPE65是RC循环中首先表达于RPE的重要蛋白，后又发现视锥细胞中也有此种蛋白的表达。PRE65可以结合视黄酯，属于类胡萝卜素加单氧酶超家族，主要功能为催化裂解类胡萝卜素及相关分子中多聚烯骨干中的碳碳双键。1998年Redmond等发现RPE65是11-顺-视黄醇生成所必需的，2005年Redmond等证实RPE65即为视黄醇异构酶。 3.3 11-顺-视黄醛的生成 11-顺-视黄醇在辅酶II-依赖性11-顺-视黄醇脱氢酶（NADPH-dependent 11-cis-retinol dehydrogenase，NC-RDH）的作用下被氧化为11-顺-视黄醛[16]。体外实验发现，I和IV家族的中链醇类脱氢酶(Class I and IV medium chain alcohol dehydrogenases，ADH)以Zn2+为辅酶也可水解11-顺-视黄醇[17]。NC-RDH与ADH以及NA-RDH同属于短链醇脱氢酶(short-chain alcohol dehydrogenases，SCAD)超家族。4 11-顺-视黄醛的转运 RPE内的11-顺-视黄醛主要依靠与IRBP结合而被转运至感光细胞，并与感光细胞外节膜上的视蛋白结合成为视紫红质而重新发挥其功能。5 结语 维生素A循环的各步反应的顺利进行是视觉形成的重要前提之一，该循环中任何一个蛋白或者酶的功能异常或量的改变都将导致视网膜相关疾病。然而由于此循环的复杂性，其在一些视网膜疾病中的确切作用还有待进一步的研究发现。【参考文献】 [1] Ahn J， Wong JT， Molday RS. 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