探討超氧化物歧化?與鄒族退化性關節炎的關係及重金屬污染對分子之影響

退化性關節炎 (osteoarthritis, OA) 的發生原因為由於細胞激素 (cytokines) 的誘發，使得活性氧分子 (ROS) 參與細胞外的分解路徑，造成軟骨部分損傷，而導致退化性關節炎的發生。而銅鋅超氧化物歧化? (Cu,Zn-SOD) 的作用為清除 ROS 中的超氧陰離子，由 Cu,Zn-SOD基因所表現可以推測與退化性關節炎有關。Cu,Zn-SOD在歐洲多國被使用在臨床治療肌肉骨骼發炎 (musculoskeletal inflammation)，特別是退化性關節炎的治療，具有長效的效果，因此超氧化物在退化性關節炎的生化病理方面扮演重要角色。我們觀察台灣鄒族 退化性關節炎發生率偏高，可能與關節液的 Cu,Zn-SOD 活性有關，推測因為基因的異常，或是蛋白活性異常所造成。利用自動化核酸定序儀來進行定序鄒族 58 人，對照台灣 48 人及泰雅族 20 人之 exon 序列，結果沒有發現有任何序列的改變，因此推測 SOD1 基因序列是非常保守的，可能與退化性關節炎無關。鄒族退化性關節炎比例偏高，可能是因為環境污染或是土壤重金屬污染，造成 Cu,Zn-SOD 蛋白質活性異常或有其他原因，還尚待研究。 Cu,Zn-SOD 屬同源雙體分子 (homodimer) 之抗氧化酵素，酵素活性下降時，除可能與退化性關節炎有關外，亦可能造成肌肉萎縮性側索硬化症 (Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)。過去在E.coli SOD overexpression system中加入重金屬以干擾Cu,Zn-SOD金屬結合位置的實驗發現，環境中重金屬的污染，可能因上述機制而改變生物體內Cu,Zn-SOD的蛋白質結構，進而影響其酵素活性。因此，本研究中選擇以砷、鎘、鉻、汞和鉛這五種廣泛環境污染之重金屬元素，來觀察重金屬污染對細胞內Cu,Zn-SOD分子結構的影響。 利用大腸桿菌在相同濃度的銅和鋅來過量表現Cu,Zn-SOD蛋白，酵素活性測試則顯示，在較高濃度的砷或汞下表現的Cu,Zn-SOD蛋白，其酵素活性因重金屬濃度之增加相對減少。以感應偶合電漿原子放射光譜儀 (ICP-AES) 偵測Cu,Zn-SOD蛋白內各金屬元素含量發現，當砷或汞濃度提高時，Cu,Zn-SOD蛋白中的含銅量沒有改變；而其含鋅量則有顯著地減少。顯示重金屬影響 Cu,Zn-SOD 蛋白質之活性降低，是經由影響鋅在Cu,Zn-SOD 的結合能力。利用圓振二向色性分析二級結構的變化，發現重金屬砷或汞會造成α-helix 增加和β-sheet的減少。結合砷、鎘、鉻、汞和鉛五種金屬，在低濃度下亦會影響 Cu,Zn-SOD 的活性及改變鋅離子的結合。 本研究結果推測環境污染物多重重金屬，影響 Cu,Zn-SOD 蛋白質之活性降低，可能是因為少數重金屬的取代造成鋅的大量流失，進而改變 Cu,Zn-SOD 構型。希望本實驗能對於金屬介入分子內之可能機制，以及退化性關節炎的致病機轉提供一些新的研究方向 。