乙醛脱氢酶
点击标题下「蓝色微信名」可快速关注
文章来源
中华肝脏病杂志，2020.28（6）：475-478
作者：王文君 高沿航
DOI: 10.3760/cma.j.cn501113-20200311-00198
摘 要
乙醛脱氢酶 2（ALDH2）是肝脏中乙醛（乙醇代谢产物）代谢的关键酶，全球约有8％、东亚有 30% ～ 40％的人口携带编码无 / 低活性 ALDH2 的缺陷基因。近期，诸多研究关注了 ALDH 与病毒性肝炎、酒精性肝病、肝纤维化以及肝癌的关系。尤其，ALDH2 表达与肝癌发病风险、发病机制及预后密切相关，并可作为潜在的治疗靶点。现就该领域新进展及新研究方向进行总结及评述。
肝脏是乙醇代谢的主要器官，其过程依赖于两种主要烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）依赖的酶：乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）和乙醛脱氢酶2 （acetaldehyde dehydrogenase 2，ALDH2）。乙醇通过 ADH 和细胞色素 p450 2E1（cytochrome p450 2E1，CYP2E1）氧化降解转化为乙醛，后者被 ALDH 和辅酶 NAD 或 NADP 氧化为无毒的乙酸盐[1] 。ALDH 家族成员对乙醛促进细胞产生自由基氧化产物（radical oxidative species，ROS）提供潜在的保护作用。然而，ALDHs 的生物功能不仅限于解毒，还涉及其他生物化学过程，如视黄酸（retinoic acid，RA）的生物合成、叶酸和氨基酸的催化以及脂质过氧化[2] 。此外，ALDH 活性改变与某些行为缺陷、内分泌紊乱、心血管和肺部疾病、口腔和胃肠道癌症、Fanconi 贫血以及皮肤炎症等有关[3] 。
在 2015 年全球癌症相关病死率报告中显示肝癌位于第二位。中国、美国及日本的肝癌患病率分别为 0.03%、0.01% 和 <0.01%。慢性 HBV 感染不仅在 HBV 流行地区，而且在全球范围内均为肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）的主要病因；第二常见病因为长期饮酒[4]；或者，慢性 HBV 或 HCV 感染与长期饮酒共存。由于癌变涉及环境及遗传因素，因此，了解乙醇代谢酶的遗传变异与肝癌发生的关系具有重要意义。
近年，有关 ALDHs 基因多态性与肝癌的相关研究呈现较多新进展，深入了解这一领域内容，对于进一步揭示肝癌的发生风险、发病机制、疾病进展及预后将提供帮助。
一、ALDH 基因及其多态性
1. ALDH 基因：
人类 ALDH 基因家族由 19 个成员组成，在乙醛脱氢酶超家族成员中，ALDH2 是催化乙醛最有效的酶。ALDH2 基因位于 12 号染色体（12q24.12），由 13 个外显子组成，长度约为 44 kb，主要存在于细胞线粒体中。ALDH2 在脂肪组织和肝脏中均有丰富表达 ；其次，在肾、肺、胃和皮肤中也有表达。ALDH2 由 4 个相同的亚基( 四聚体 ) 组成，每个亚基包含辅酶或 NAD? 结合（8 ～ 135、159 ～ 270）、催化（271 ～ 470）和齐聚（140 ～ 158、486 ～ 495）三个功能域[5] 。
ALDH1 基因在干细胞和分化细胞中均有表达，其蛋白主要存在于不同组织的细胞质中，氧化视黄醛及脂肪醛。胞质中 ALDH1A1 可氧化乙醛，并在适度饮酒者体内表达增加[6] 。ALDH1B1 在肝和肠上皮组织中高水平表达，是一种与乙醛具有高度亲和力的 ALDH1 亚型，仅次于 ALDH2，可催化包括乙醛在内的各种醛底物和脂质过氧化衍生物[7] 。
此外，细胞质 ALDH（主要为 ALDH1A1）在造血干细胞和祖细胞中高度表达，并且对环磷酰胺具有相对抗性[8]。造血祖细胞中较高活性的 ALDH 为识别和分离存活的造血祖细胞提供了一种生物标志物[8] 。这种高 ALDH 活性标志物也可用于从小鼠和人肝脏中分离肝祖细胞（liver progenitor cells, LPCs） [9]。目前认为，高 ALDH1 表达的 LPCs 为肝细胞再生、肝损伤的体内修复和体外毒理学研究提供了细胞来源。
2. 突变体 ALDH2 蛋白对乙醛代谢的影响：
rs671 是 ALDH2 基因最受关注的单核苷酸，线粒体 ALDH2*2 是一个核苷酸突变体，在寡聚区域的残基 487 (E487K) 处赖氨酸 (K) 取代了谷氨酸 (K)，从而使酶活性和代谢效率发生变化。具有纯合子ALDH2*2/*2 基因型的个体丧失了 ALDH2 活性，无法代谢乙醛，而杂合子 ALDH2*1/*2 基因型的个体代谢乙醛的能力显著降低 ( 丧失了 > 90% 的活性 )，导致乙醛在细胞中过度积累，出现脸红，并伴有头痛、出汗、心动过速、心悸、恶心以及饮酒后嗜睡等现象。在 ALDH2 基因敲除小鼠中，与不完全敲除的杂合个体相比，纯合缺失小鼠的反应更为严重[10] 。
二、ALDH 与 HCC
ALDH 与 HCC 风险、进展和预后相关。一项来自中国江苏省的研究发现，在 208 例 HCC 患者中，ALDH2*1/*2 或 ALDH2*2/*2 基因型分布与 HCC 发生风险显著相关[11] 。同时，一项独立的 HCC 队列研究亦提示，ALDH2 表达水平与 HCC 易患风险呈负相关[12] 。国内最近对 HBV 相关 HCC 的蛋白基因组分析显示，HCC 细胞中具有肝脏特异性的代谢功能受损，ALDH1B1、ALDH2 和 ALDH3B1 表达下调[13]。ALDH2 低水平表达是影响 HCC 预后的显著因素之一[12] 。
众所周知，肝纤维化和肝炎是肝癌重要的危险因素。ALDH2?/? 小鼠更容易受到乙醇和四氯化碳（CCl 4 ）诱导的肝损伤、炎症及纤维化的影响[14] 。乙醛可增强肝星状细胞（hepatic stellate cell，HSC）活化。此外，乙醛和 ROS 在肝细胞中产生后，可以旁分泌形式被 HSC 吸收，其中乙醛促进胶原蛋白 I 的合成。另一方面，乙醛不够稳定，可以与细胞组分快速反应而衍生加合物（如丙二醛 – 乙醛加合物（malondialdehyde-acetaldehyde adduct，MAA）等，从而促进肝纤维化。Kupffer 细胞受到 MAA 等加合物刺激后会产生高水平的白细胞介素 -6，在乙醛 /MAA 协同作用下，可通过 p38 MAPK 和细胞外信号调节蛋白激酶 1 增强 α 平滑肌肌动蛋白的表达并促进 HSC 活化和增殖。ALDHs 还催化视黄醛生成 RA，RA 与成纤维细胞的增殖和活化 HSC 中胶原的表达有关，从而有助于肝纤维化发展。
同时，我们之前的研究结果表明，ALDH2?/? 小鼠在长期乙醇喂养后促使乙醛水平增加，乙醛可以进一步干扰 T 淋巴细胞糖代谢并刺激糖皮质激素释放，从而抑制 T 淋巴细胞活化[10]。在丙型肝炎中，乙醛会增加 HCV 的复制进而导致细胞凋亡，产生的凋亡小体被 Kupffer 细胞和 HSC 吞噬后可能进一步诱发肝脏炎症和纤维化[15] 。
除与炎症及肝纤维化等肝癌发生风险因素密切相关外，ALDH2 与乙醇相关性肝癌的密切联系引人关注。我们前期通过 CCL? 与乙醇联合喂养 ALDH2 基因缺陷小鼠建立肝癌模型，探讨了肝硬化及 HCC 发生、发展的相关机制。通过体内及体外研究发现，ALDH2 基因缺陷小鼠的肝细胞可产生大量有害的氧化 mtDNA，后者可通过细胞外囊泡转移到邻近的肝细胞，并与乙醛共同激活多个致癌途径 (JNK、STAT3、Bcl-2 及 TAZ)，从而促进乙醇相关性 HCC 的发生 [10，16] 。在 ALDH2?/? 小鼠中，姐妹染色单体交换（sister-chromatid exchange，SCE）事件的数量较对照组增加 2.3 倍，在单次乙醇暴露后可进一步导致 SCE 事件的增加，这一现象表明，由内源性醛类积累所致的 DNA 损伤激活了重组修复[17] 。乙醛及其加合物所致的高频率 DNA损伤和 DNA 修复机制错误将导致基因组不稳定性，而后者是癌细胞的特征之一。此外，乙醛还可以影响其他代谢途径：由于 AMPK 通过调控脂质代谢影响肿瘤细胞的生长与存活，ALDH2 可主要通过调节 ALDH2- 乙醛 – 氧化还原 – AMP 活化蛋白激酶轴来影响肝癌细胞的转移；ALDH2 的异位表达在体内、外均可减轻 HCC 的转移[12] 。总之，肝癌患者体内 ALDH2 的表达水平可能是危险分层的有效指标 ；同时，在肝癌治疗中，可作为潜在治疗靶点。
ALDHs 家族对于肝癌调控的作用是交互而复杂的。由于高代谢活性所导致的氧化应激将增加 ROS 生成和脂质过氧化以及促进有毒醛的积累，这些过程对癌细胞的增殖和存活有抑制作用 ；过表达ALDHs（主要是 ALDH1、ALDH3A1 和 ALDH18A1）则使癌细胞具有生存优势[18] 。同时，作为抗氧化剂，ALDHs 可以通过减少内质网应激和 ROS 产生来降低免疫原性细胞的死亡，限制肿瘤免疫[19] 。与正常肝组织相比，肝癌组织中 ALDH1B1 表达下调，这将影响包括乙醛和丙醛等短链醛氧化，被认为对肝癌患者具有保护作用[20] 。ALDH1L1 在 HCC 中表达亦出现下调，ALDH1L1 可通过消耗细胞内 10- 甲酰基四氢叶酸脱氢酶抑制癌细胞的增殖。ALDH3A1 在 HCC 和肝腺瘤中的表达则被上调 , 促进了 Wnt/β-catenin 通路激活以及 CTNNB1 突变。ALDH3可延缓肝癌细胞的生长以及抑制源于脂质过氧化的醛类[21] 。在肿瘤免疫调控中，ALDH1 家族 ( 包括 ALDH1A1、ALDH1A2 和 ALDH1A3) 将视黄醛转化为 RA，后者可促进调节性 T 淋巴细胞的诱导、功能和稳定性，导致免疫耐受，从而使肿瘤免疫受损[22] 。
三、ALDH 和肿瘤干细胞
在肝癌的发生过程中，某些致瘤细胞被认为是肿瘤干细胞。这些细胞可能具有无限的增殖潜能，并可驱动肿瘤的形成、生长和复发。ALDHs 是癌症干细胞 (cancer stem cells，CSCs) 在多种癌症中的标志物，它们通过保护细胞免受毒素和诱导分化的刺激来调节细胞增殖、转移、干细胞分化以及对化疗药物的耐药性。CD133? /ALDH high 细胞亚群被认为是肝癌发生的启动者，具有较高的成瘤能力[23] 。CD133 和 ALDH 可作为标志物用于识别双阳性 HCC 细胞，这类细胞可作为细胞模型，通过分子、基因组和表观遗传学手段分析 HCC 的癌变过程，并可识别和筛选新的治疗靶点[23] 。然而，由于肿瘤异质性，目前常用的标志物 ( 包括 CD133、ALDH、CD44、EpCAM 或 CD90) 均不能独立作为肝脏 CSCs 普遍适用的筛选标志物。ALDH 还可被用于区分正常细胞与 CSCs 的生物标志物，成为临床预后不良的有力预测因子[24] 。
标准的化疗和放疗优先针对非 CSCs，而 CSCs则对前述治疗具有耐药性，导致治疗后复发。CSCs 中 ALDHs 的高表达有助于化疗和放疗耐药发生。由于代谢活动增加，以及放疗或产生 ROS 的药物等治疗，癌细胞可能会受到高水平的氧化损伤，导致 ROS 增加、脂质过氧化和有毒醛类物质 ( 如 MDA、4- 羟基己醛和 4-HNE) 的积累。ALDH 可通过减少化疗 / 放疗过程中的 ROS，保护正常细胞和癌细胞免受伤害。Moreb 等[25]认为，通过靶向 ALDH 蛋白可降低 CSCs 对化疗 / 放疗的抵抗性。联合靶向 ALDH 及其他疗法可能会减少耐药的发生以及促进相关癌症治疗策略的改进。ALDH 抑制剂分为多亚型抑制剂和亚型特异性抑制剂，可用于癌症治疗[18] 。然而，与非肿瘤组织相比，HCC 细胞对 ALDH2 蛋白的表达则显著缺失[12] ，因此，ALDH 抑制剂与其他癌症疗法联合使用是否适用于肝癌患者仍需开展进一步的工作得以明确。
四、结语
ALDHs 家族与肝脏肿瘤的关系复杂而多变。其中，ALDH2 作为乙醛代谢的关键酶，尤为引人关注。据估计，约近 8% 的全球人口 ( 主要集中于东亚 ) 携带 ALDH2*2 等位基因，该基因编码无功能的 ALDH2 蛋白。携带有 ALDH2*2 等位基因的个体通常情况下饮酒较少，但仍有长期大量饮酒者存在，导致体内乙醛积累。乙醛在肝脏炎症、纤维化和肝癌发生与发展中的作用机制仍有待深入阐释，ALDH2 作为肝癌发生预警以及治疗靶点的证据尚需探索及积累。此外，基于 ALDH2 在药物代谢中的重要作用，改变其功能也可能导致底物药物的药代动力学发生显著变化，从而引入药物疗效的可变性和不确定性或不良事件的发生。期待在未来的基础及临床工作中，随着多方面研究的不断推进，最终实现理论与技术在临床实践的转化，让全球的肝病患者最终受益于科技的进步。
参考文献
[1] Muzio G, Maggiora M, Paiuzzi E, et al. Aldehyde dehydrogenases
and cell proliferation[J]. Free Radic Biol Med, 2012, 52(4): 735-746.
DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.11.033.
[2] Moreb JS, Ucar-Bilyeu DA, Khan A. Use of retinoic acid/aldehyde
dehydrogenase pathway as potential targeted therapy against cancer
stem cells[J]. Cancer Chemother Pharmacol, 2017, 79(2): 295-301.
DOI: 10.1007/s00280-016-3213-5.
[3] Gross ER, Zambelli VO, Small BA, et al. A personalized medicine
approach for Asian Americans with the aldehyde dehydrogenase 2*2
variant[J]. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2015, 55: 107-127. DOI:
10.1146/annurev-pharmtox-010814-124915.
[4] Chien J, Liu J, Lee MH, et al. Risk and predictors of hepatocellular
carcinoma for chronic hepatitis B patients with newly developed
cirrhosis[J]. J Gastroenterol Hepatol, 2016, 31(12): 1971-1977. DOI:
10.1111/jgh.13422.
[5] Guillot A, Ren T, Jourdan T, et al. Targeting liver aldehyde
dehydrogenase-2 prevents heavy but not moderate alcohol
drinking[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2019, 116(51): 25974-25981.
DOI: 10.1073/pnas.1908137116.
[6] Yang CK, Wang XK, Liao XW, et al. Aldehyde dehydrogenase 1
(ALDH1) isoform expression and potential clinical implications in
hepatocellular carcinoma[J]. PLoS One, 2017, 12(8): e0182208.
DOI: 10.1371/journal.pone.0182208.
[7] Armstrong L, Stojkovic M, Dimmick I, et al. Phenotypic
characterization of murine primitive hematopoietic progenitor cells
isolated on basis of aldehyde dehydrogenase activity[J]. Stem Cells,
2004, 22(7): 1142-1151. DOI: 10.1634/stemcells.2004-0170.
[8] Gentry T, Foster S, Winstead L, et al. Simultaneous isolation of
human BM hematopoietic, endothelial and mesenchymal progenitor
cells by flow sorting based on aldehyde dehydrogenase activity:
implications for cell therapy[J]. Cytotherapy, 2007, 9(3): 259-274.
DOI: 10.1080/14653240701218516.
[9] Dollé L, Best J, Empsen C, et al. Successful isolation of liver
progenitor cells by aldehyde dehydrogenase activity in na?ve mice[J].
Hepatology, 2012, 55(2): 540-552. DOI: 10.1002/hep.24693.
[10] Gao Y, Zhou Z, Ren T, et al. Alcohol inhibits T-cell glucose
metabolism and hepatitis in ALDH2-deficient mice and humans:
roles of acetaldehyde and glucocorticoids[J]. Gut, 2019, 68(7): 1311-
1322. DOI: 10.1136/gutjnl-2018-316221.
[11] Ding J, Li S, Wu J, et al. Alcohol dehydrogenase-2 and aldehyde
dehydrogenase-2 genotypes, alcohol drinking and the risk of primary
hepatocellular carcinoma in a Chinese population[J]. Asian Pac J
Cancer Prev, 2008, 9(1): 31-35.
[12] Hou G, Chen L, Liu G, et al. Aldehyde dehydrogenase-2 (ALDH2)
opposes hepatocellular carcinoma progression by regulating AMP-
activated protein kinase signaling in mice[J]. Hepatology, 2017,
65(5): 1628-1644. DOI: 10.1002/hep.29006.
[13] Gao Q, Zhu H, Dong L, et al. Integrated proteogenomic
characterization of HBV-related hepatocellular carcinoma[J]. Cell,
2019, 179(2): 561-577.e522. DOI: 10.1016/j.cell.2019.08.052.
[14] Kwon HJ, Won YS, Park O, et al. Aldehyde dehydrogenase 2
deficiency ameliorates alcoholic fatty liver but worsens liver
infl ammation and fi brosis in mice[J]. Hepatology, 2014, 60(1): 146-
157. DOI: 10.1002/hep.27036.
[15] Ganesan M, Natarajan SK, Zhang J, et al. Role of apoptotic
hepatocytes in HCV dissemination: regulation by acetaldehyde[J].
Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2016, 310(11): G930-940.
DOI: 10.1152/ajpgi.00021.2016.
[16] Seo W, Gao Y, He Y, et al. ALDH2 deficiency promotes alcohol-
associated liver cancer by activating oncogenic pathways via
oxidized DNA enriched extracellular vesicles[J]. J Hepatol, 2019,
71(5): 1000-1011. DOI: 10.1016/j.jhep.2019.06.018.
[17] Garaycoechea JI, Crossan GP, Langevin F, et al. Alcohol and
endogenous aldehydes damage chromosomes and mutate stem
cells[J]. Nature, 2018, 553(7687): 171-177. DOI: 10.1038/
nature25154.
[18] Dinavahi SS, Bazewicz CG, Gowda R, et al. Aldehyde dehydrogenase
inhibitors for cancer therapeutics[J]. Trends Pharmacol Sci, 2019,
40(10): 774-789. DOI: 10.1016/j.tips.2019.08.002.
[19] Terenzi A, Pirker C, Keppler BK, et al. Anticancer metal drugs and
immunogenic cell death[J]. J Inorg Biochem, 2016, 165: 71-79.
DOI: https: //doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2016.06.021.
[20] Yang CK, Wang XK, Liao XW, et al. Aldehyde dehydrogenase 1
(ALDH1) isoform expression and potential clinical implications
in hepatocellular carcinoma[J]. PLoS One, 2017, 12(8):
e0182208-e0182208. DOI: 10.1371/journal.pone.0182208.
[21] Calderaro J, Nault JC, Bioulac-Sage P, et al. ALDH3A1 is
overexpressed in a subset of hepatocellular carcinoma characterised
by activation of the Wnt/?-catenin pathway[J]. Virchows Archiv,
2014, 464(1): 53-60. DOI: 10.1007/s00428-013-1515-0.
[22] Bazewicz CG, Dinavahi SS, Schell TD, et al. Aldehyde
dehydrogenase in regulatory T-cell development, immunity and
cancer[J]. Immunology, 2019, 156(1): 47-55. DOI: 10.1111/
imm.13016.
[23] Lingala S, Cui YY, Chen X, et al. Immunohistochemical staining of
cancer stem cell markers in hepatocellular carcinoma[J]. Exp Mol
Pathol, 2010, 89(1): 27-35. DOI: 10.1016/j.yexmp.2010.05.005.
[24] Vassalli G. Aldehyde dehydrogenases: not just markers, but
functional regulators of stem cells[J]. Stem Cells Int, 2019, 2019:
3904645. DOI: 10.1155/2019/3904645.
[25] Moreb JS, Ucar-Bilyeu DA, Khan A. Use of retinoic acid/aldehyde
dehydrogenase pathway as potential targeted therapy against cancer
stem cells[J]. Cancer Chemother Pharmacol, 2017, 79(2): 295-301.
DOI: 10.1007/s00280-016-3213-5.
