一氧化碳的信号转导机制
很早，人们就注意到在人体的正常生理状况下有内源性一氧化碳(carbon monoxide,CO)的存在。近年来随着对一氧化氮(nitric oxide,NO)研究的深入和全面，另一类血管内皮舒张因子(endothelium-derived relaxing factor,EDRF)CO被认识，且实验表明，它还是重要的信使分子[1]。实际上，CO从呼吸系统、心血管系统到神经系统、免疫系统均发挥调节作用。
1. CO信号的基本转导通路
1.1 cGMP途径
CO在生物体内主要通过激活可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)升高cGMP来介导效应。
CO未与亚铁血红素Fe2+结合前，Fe2-突出于卟啉环外以高自旋形式存在；当CO与Fe2+结合时，Fe2+以低自旋结构进入卟啉环增面内，导致sGC的主体结构改变从而被激活，促进cGMP水平升高。由于CO在有机溶剂中溶解度比水中大，因此CO能快速通过细胞膜，CO的这一特性使其能以自分泌和旁分泌的形式作用于相邻的细胞。用sGC阻断剂甲基蓝预处理大鼠尾动脉，则CO引血管扩张幅度降低，表明在CO舒张血管作用中cGMP的作用很重要。此外的研究显示，CO能激活粗制品及纯化的sGC。CO与含铁的血红素调节亚单位结合，从而激活sGC。sGC的激活与血管、内脏平滑肌中CO引起的cGMP浓度增加有关。CO通过作用于cGMP信号转导通路引起血管扩张。采用PKG(cGMP依赖的蛋白激酶)特异性抑制剂Rp-8-Br-cGMPs以观察cGMP下游通路在CO作用中的地位，发现Rp-8-Br-cGMPs只能部分抑制CO引起的血管扩张，提示CO血管舒张作用是cGMP依赖PKG介导的，同时还有其它机制的参与。
通过原位杂交技术发现血红素加氧酶2(HO-2)mRNA在脑组织中的细胞定位与sGC的细胞定位一致，这些部位恰恰是一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)表达缺乏的地方，而且这些细胞的cGMP含量与血红素加氧酶(HO)的活性直接相关[2]。尽管CO对sGC的激活机制也sGC的激活途径还没有完全吻合，仍有大量的资料支持HO系统的活性和功能与cGMP有密切关系。因此认为CO很可能就是激活sGC的气体分子。还有报道CO可增加cGMP的活性，刺激组织细胞cGMP的生成并增强cGMP依赖性的生理活动。CO明显以剂量依赖性升高cGMP含量，七氟烷和异氟烷对CO诱发的sGC活性有显著的剂量依赖性抑制作用[3]。
1.2 NO的途径
CO还可以通过NO来介导它在体内的生物效应。
研究发现，急性CO中毒的大鼠血小板会释放出NO，而奇怪的是NO合酶(NOS)的活性没有改变。同时用400nm波长的光(此波长的光能造成CO从CO-Hb中分解出来)处理CO中毒的小鼠血液30min，发现光照后血小板内NO的浓度比未经光处理的低得多。研究认为虽然NO与Hb有很快的结合速度和较高的结合常数，但它并不是饱和的，结合在Hb上的NO能协同增加Hb与CO的结合，经过一系列复杂的变化后，CO取代Hb上的NO，从NO-Hb中释放的NO可在体内发挥信使作用。
根据浓度的不同CO对NO的释放有双相效应，100 nmol/L CO可使NO释放至高峰，10 nmol/L可使其降至基态。脉冲式泵连续应用100 nmol/L CO处理组织，可使NO应答减少，NO的释放依赖于左旋精氨酸而与右旋精氨酸关系不大，NOS抑制剂L-硝基精氨酸甲酯可以抑制CO的作用。100 nmol/L CO也可以抑制长可林(100 mmol/L)诱导产生的NO，血红素加氧酶HO-1诱导产生的内源性CO也能抑制长可林的诱导效应。对心脏动脉切片的研究也证实了上述结果。说明CO诱导NO释放，可能是刺激了内皮NOS或NO从细胞储存池中释放出来，而且低浓度CO诱导NO从大的细胞池里释放，在心肌细胞中发挥类似NO对血管的效应[4]。而且存在NO时CO的作用明显不同，在脑小粒状神经元中，CO抑制NO介导的cGMP增加。超氧阴离子依靠CO对线粒体电荷传递链的干扰而溢出，该反应与NO从血红蛋白中释放同时进行，极易产生OONO-，说明OONO-和CO相互作用可导致组织的氧化损伤[5]。
1.3 超极化机制
CO可以激活钾通道而诱导持续的超极化，且升高整个细胞的外流。
当以氯化钾预处理肌肉标本后，CO的肌肉松驰作用相应减弱。表明K+参与CO的血管扩张作用。实验表明，使用了能干扰K+通道和延迟外向整流K+通道的四乙基铵(tetraethylammonium,TEA)30 mmol/L，CO引起的血管舒张作用明显降低。钙激活高电导K+通道(K+-Ca2+)的抑制剂卡律蝎毒素(charybdotoxin,ChTX)，也能抑制CO的作用。如联合应用TEA和甲基蓝，则CO引起的血管舒张作用可被完全阻断，提示CO的作用是通过cGMP通路激活和高电导K+通道开放的两种途径。然而，也有实验显示，CO抑制K+-Ca2+通道电流，sGC激活后cGMP水平升高，后者通过尚不知的机制使细胞内钙离子浓度[Ca2+]降低。无论是K+-Ca2+通道本身的受抑制，还是通过[Ca2+]降低的作用，都是使细胞膜去极化肌肉收缩，而不是舒张。这一点与CO引起肌肉舒张的作用不一致。
K+电压门控通道(KV)是一种蛋白质复合物，CO可以使低氧对KV4.2的抑制作用降低70%[6]。对血管平滑肌细胞单通道的研究中发现，CO可沈度依赖性地增加高电导的K+-Ca2+通道的开放性[7]。无CO时，当细胞内[Ca2+]为3μmol/L时，K+通道40%处于开放状态，而当CO为10μmol/L时，K+-Ca2+开放时间达90%。这表明在血管平滑肌细胞中，K+通道是对CO敏感的调节点。CO对调节点的作用引起通道蛋白质结构的改变，而且这一作用是直接的。K+-Ca2+通道的电导特性是由构成通道蛋白质的氨基酸残基所决定的。因此，CO与K+通道的可逆性作用可能与CO对某些氨基酸残基的化学作用相关[8]。Wang等[9]在研究CO扩张血管平滑肌机制的过程中发现，CO还可通过高性钙离子促使K+-Ca2+的开放而发挥其生物效应。分别阻断cGMP通路和K+-Ca2+通道时，CO的扩张血管作用都只被部分抑制，同时阻断cGMP通路和K+-Ca2+通道时，CO扩张血管的作用被完全抑制。进一步研究证明，CO可以通过对K+-Ca2+通道蛋白质组氨酸残基的拓扑结构进行化学修饰而直接导致通道的开放，使平滑肌细胞膜超极化，从而引起血管平滑肌细胞的舒张。
1.3 细胞色素P-450机制
CO可通过激活前列腺素环化酶和抑制细胞色素P-450依赖性的单胺氧化酶的活性而发挥其生物学效应。
一些血管收缩物质如代谢物、内皮素1是由细胞色素P-450激活后所产生的。如果P-450的活性被抑制，那么就会减少血管收缩物质的产生，也就产生血管舒张作用。CO是细胞色素P-450的抑制剂，因此，CO的血管舒张作用可能源于其对细胞色素P-450的抑制剂，因此，CO的血管舒张作用可能源于其对细胞色素P-450的抑制[10]。
1.4 钙动态转换机制
CO可使氯化钾诱导的[Ca2+]增加的幅度降低29%[11]。
在CO与维拉帕米(verapamil)同时存在时，后者的作用降低了40%。这表明，CO舒张血管的作用可能是通过降低去极化诱导的Ca2+进入平滑肌的量。由于这些实验是在整块组织中测得的数据，因此CO引起钙代谢变化的真实情况还不十分清楚。另外，也有一些研究表明CO不直接影响[Ca2+]。
1.5 细胞靶机制
CO的另一个细胞靶是Na+泵。
100μmol/L的CO处理脑切片组织15min后，哇巴因敏感的Na+-K+ATP酶活性持续升高。CO的这一作用不是由于细胞内Na+浓度的改变，也与NO系统无关。这还有研究表明，草酰二胺和钴能阻止O2诱导的上皮细胞Na+通道表达，而CO可使低氧环境中的上皮细胞Na+通道mRNA表达升高[12]。
1.6 过氧化物机制
H2O2介导CO的作用。
在大多数组织里，通常情况下，NO是占支配地位的信使，CO仅起微弱的作用。但存在H2O2时，无论何种组织，CO和NO的舒张作用都显著升高。由于H2O2的增效作用可被sGC抑制剂所阻断，因此可以肯定H2O2具有放大作用或介导CO的应答[13]。
2. HO-CO和NOS-NO系统的关系
2.1 HO-CO和NOS-NO系统的相似性
CO仅与含铁血红素结合，而NO可以和含铁蛋白结合[14]。但血红素配体CO和NO的生成和调节系统有较大的相似性。血红素加氧酶和NOS都有两种形式：组成型和诱导型，而iNOS对HO-1的一些刺激和细胞内毒素、细胞因子、活性氧中间产物也有反应。HO-1和iNOS可在多种器官和组织中被诱导，其过程包括基因激活酶蛋白的合成；另一方面，神经元和内皮细胞的HO-2和NOS都受肾上腺糖皮质激素的调节。在大脑，糖皮质激素对这两种蛋白质作用相反，可上调HO表达，而下调NOS表达。NOS和HO系统的产物均对血红素分子有很高的亲合力，在保持细胞内cGMP浓度的功能上有互补的关系。但NO本身是一自由基，而CO不是一个自由基，在病原体入侵的炎症和细胞毒过程中不会引发自由基物质所致的组织损伤。
2.2 HO系统对NO的影响
NO在小脑颗粒细胞，抑了内源性CO的产生后，NO倡导 的cGMP生成会增多；如果给予外源性的CO，NO介导cGMP生成就会被阻断。由于NOS是一种血红素蛋白，因此，推测HO-1的和CO的生成可从以下几个方面影响NO的生成。首先，NOS的激活位点有两个血红素分子，HO-1的诱导将加快新生成血红素的分解，从而使NOS合成原料减少；第二，NOS是一种细胞色素P-450类血红素蛋白，而细胞色素P-450是HO的底物，因此，HO-1活性的增加会加速NOS的失活；第三，HO-1催化生成的CO可与NOS结合；第四，血红素分解过程中释放的铁离子会抑制NOS的核转录；第五，HO和NOS系统都需要NADPH作为辅酶，HO-1的高浓度存在使NADPH主要被HO系统利用。上述几个因素使NOS的活性被下调，加上NOS产生的NO转变为自由基后对NOS的活性有负反馈的调节，最终导致NO生成的减少。
2.3 NO对HO活性的影响
有研究发现NO可激活HO，也有报道NO可抑制HO的活性。基于NO的自由基性质，它对HO-1的抑制作用较易理解。与此同时，NO可以介导HO-1的表达，使其活性增加。Maulik等报道在心肌缺血再灌注损伤中，NO可介导cGMP含量的增加，HO抑制剂可部分阻断这个反应。因此认为NO不仅直接介导cGMP的生成，还可以作为回顾信使刺激H9O的表达，通过CO通路介导cGMP产生增多。
3. CO研究的前景
CO作为一种新型气体血管活性分子的作用正被人们所认识，特别是内源性CO对血管的生理作用以及它与NO之间的，已成为人们关注的焦点。越来越多的证据表明，CO同NO一样在体内起着时空信使的作用。内源性CO可以产生如外源性CO的血管舒张作用。目前关于CO的作用机制仍不完全清楚，尚待研究以下问题：不同血管组织中HO调节剂?如何寻找更有特异性的HO调节剂?如何寻找CO产生的生理刺激剂?细胞间的相互作用对HO表达及CO产生的影响如何?动物试验与人体内作用区别有多大?临床治疗应用的前景如何?
参考文献
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