综述：PDE6与cGMP信号在糖尿病视网膜神经退行性变中的氧化还原调控

《Biochemistry and Biophysics Reports》：Redox regulation of PDE6 and cGMP signaling in diabetic retinal neurodegeneration

　　

糖尿病视网膜神经退行性变日益被认为是糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy, DR）的早期关键组成部分，部分由持续性氧化应激和细胞内信号紊乱所驱动。在这些通路中，环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate, cGMP）信号在感光细胞功能和存活中发挥核心作用。磷酸二酯酶6（phosphodiesterase 6, PDE6）是感光细胞中负责cGMP水解的关键酶，已在遗传性视网膜疾病中得到广泛研究；然而，其在糖尿病和氧化还原失衡条件下的调控机制尚不充分明确。本综述中，研究人员探讨了氧化还原失衡在调节糖尿病视网膜中PDE6活性和稳定性方面的新作用。研究人员讨论了线粒体和非线粒体来源的活性氧（reactive oxygen species, ROS）如何通过涉及AIPL1依赖性成熟和FAT10介导降解的蛋白质稳态相关机制破坏PDE6。这些改变可能导致cGMP失调、离子通道活性受损、钙失衡和感光细胞功能障碍。研究人员提出，PDE6-cGMP信号代表了一个氧化还原敏感枢纽，将氧化应激与糖尿病视网膜病变中的早期神经损伤联系起来。这一机制框架突出了PDE6作为潜在分子靶点的价值，并支持开发旨在保护视网膜功能和预防神经退行性变的氧化还原策略。

1. 引言

糖尿病视网膜病变（DR）仍是全球视力损害的主要原因之一，是糖尿病（diabetes mellitus）的主要并发症。传统上被认为是微血管疾病，但越来越多的证据支持DR也涉及早期神经元功能障碍和进行性视网膜神经退行性变，这可能先于临床可检测的血管改变。在糖尿病初期，视杆细胞、视网膜神经节细胞和Müller胶质细胞即出现结构和功能改变，表明代谢和分子应激源显著促进糖尿病视网膜中的神经损伤。

在DR发病机制所涉及的分子机制中，氧化应激已成为视网膜损伤的核心和统一驱动因素。慢性高血糖促进过量活性氧（ROS）产生，同时损害内源性抗氧化防御，导致视网膜组织内持续性氧化还原失衡。线粒体功能障碍和包括NADPH氧化酶、黄嘌呤氧化酶和激活的小胶质细胞在内的非线粒体来源ROS，均与糖尿病视网膜神经退行性变的进展密切相关。除造成广泛的细胞损伤外，氧化应激还改变细胞内信号通路和蛋白质稳态，从而影响关键感光蛋白的稳定性和功能。

感光细胞是体内代谢最活跃的细胞之一，在高氧消耗和持续性氧化挑战条件下运作。因此，参与光转导的蛋白在氧化还原失衡条件下代表特别脆弱的分子靶点。磷酸二酯酶6（PDE6）是视觉转导级联中的中心酶，调节视杆和视锥细胞中的cGMP水平。通过水解cGMP，PDE6控制cGMP门控离子通道的活性，在维持感光细胞膜极化和视觉信号中发挥关键作用。

近期研究表明，PDE6的稳定性、成熟度和功能完整性依赖于严格调控的蛋白质稳态机制，涉及特异性分子伴侣芳烃受体相互作用蛋白样1（aryl hydrocarbon receptor-interacting protein like 1, AIPL1）。AIPL1对PDE6的正确折叠和组装至关重要，其功能障碍导致严重的视网膜退行性变。此外，类泛素修饰因子FAT10已被确认为PDE6活性的调节因子，促进其蛋白酶体降解，提示蛋白质质量控制通路在应激条件下对PDE6稳定性的关键调控作用。

尽管取得上述进展，PDE6在糖尿病视网膜神经退行性变中的直接作用仍不充分明确。基于现有证据，研究人员提出PDE6代表了一个氧化还原敏感信号枢纽，其功能障碍由涉及AIPL1和FAT10的蛋白质稳态依赖性机制所驱动。本综述中，研究人员探讨了将氧化还原失衡与糖尿病视网膜中PDE6-cGMP信号轴紊乱联系起来的新证据，并讨论其对感光细胞功能障碍和早期神经退行性变的意义。

2. 糖尿病视网膜病变中的氧化应激

氧化应激在DR发病机制中发挥关键作用，被认为是视网膜神经血管损伤的主要驱动因素。持续性高血糖导致通过多种途径增加ROS生成，包括线粒体电子传递链功能障碍、NADPH氧化酶激活，以及多元醇和己糖胺途径的代谢通量增加。

糖尿病视网膜因其高代谢活性和氧消耗而特别易受氧化损伤。感光细胞持续产生线粒体氧化磷酸化的ROS副产品，高血糖条件进一步放大这种氧化负担。过量ROS产生破坏线粒体完整性，改变细胞代谢，并激活促进神经退行性变的炎症信号通路。

除线粒体ROS外，多种非线粒体来源也参与糖尿病视网膜的氧化应激。表达于视网膜内皮细胞、Müller胶质细胞和小胶质细胞中的NADPH氧化酶异构体在高血糖和炎症刺激下产生超氧化物。小胶质细胞激活进一步放大ROS产生并促进加重视网膜损伤的神经炎症反应。

重要的是，氧化应激不仅损害细胞结构，还调节调控蛋白质稳定性、酶活性和基因表达的通路。这些效应可能对感光信号蛋白（包括维持视网膜cGMP稳态中起中心作用的PDE6）产生深远影响。

3. PDE6的蛋白质稳态调控

PDE6是光转导级联中的关键酶，负责视杆和视锥细胞中cGMP的水解。PDE6活动的严格调控对维持感光细胞敏感性和视觉信号转导至关重要。

PDE6的成熟和稳定性依赖于特异性分子伴侣AIPL1，其促进酶复合物的正确折叠和组装。AIPL1功能丧失破坏PDE6生物发生并导致 rapid photoreceptor degeneration，突显蛋白质稳态机制在维持感光细胞功能中的重要性。

近期研究还确认FAT10为PDE6稳定性的调节因子。FAT10是一种参与靶向蛋白质进行蛋白酶体降解的类泛素修饰因子。Boehm等人（2020）证实FAT10可与PDE6相互作用，抑制其酶活性同时促进该酶的蛋白酶体降解。这些发现表明炎症和应激相关信号通路可能通过FAT10依赖性机制调节PDE6丰度。

在氧化应激条件下，蛋白质稳态网络面临越来越大挑战。错误折叠蛋白累积、分子伴侣活性受损以及蛋白酶体降解通路激活可能使PDE6等关键信号蛋白不稳定。因此，糖尿病视网膜中的慢性氧化应激可能破坏AIPL1-FAT10-PDE6调节轴，最终导致cGMP信号紊乱和感光细胞功能障碍。

3.1 PDE6与cGMP

PDE6是视杆和视锥细胞中主要的cGMP水解酶，在维持视网膜信号转导和感光细胞稳态中发挥关键作用。细胞内cGMP水平的严格调控至关重要，因为cGMP代谢紊乱可改变cGMP门控通道活性、破坏钙稳态并促进感光细胞功能障碍。

除其在光转导中的生理作用外，越来越多的证据表明PDE6依赖性cGMP信号紊乱可能促进视网膜神经退行性变。

4. PDE6-cGMP信号作为糖尿病视网膜中的氧化还原脆弱枢纽

PDE6是视杆和视锥细胞中主要的cGMP磷酸二酯酶，是光转导增益和时序动力学的核心决定因素。光激活后，视紫红质转导级联解除对PDE6的抑制，加速cGMP水解，关闭cGMP门控通道，驱动感光细胞超极化。鉴于感光细胞生理学对cGMP动力学的陡峭功能依赖性，PDE6活性或丰度的轻度扰动即可转化为离子平衡、钙稳态和突触信号的主要破坏。

4.1 DR中的氧化应激：汇聚于感光细胞蛋白质稳态和信号

DR中的氧化应激现已得到广泛的机制性和转化性证据支持。近期综合综述强调，持续性ROS不仅促进血管病理，还导致视网膜神经退行性变、炎症和代谢重编程，其中线粒体和NADPH氧化酶通路发挥突出作用。

尽管PDE6代表主要感光细胞磷酸二酯酶，其他磷酸二酯酶异构体也可能促进糖尿病视网膜功能障碍。PDE5、PDE9和其他cGMP调节性磷酸二酯酶参与血管张力调节、炎症信号和内皮稳态，提示糖尿病视网膜损伤可能涉及超越单独感光细胞的更广泛环核苷酸紊乱。此外，DR中的视网膜神经退行性变与内皮功能障碍、毛细血管缺失、血-视网膜屏障破坏和神经炎症等经典血管异常并行发生。将感光细胞功能障碍与这些神经血管改变整合，可能提供更全面的疾病进展理解和转化治疗机会。

4.2 PDE6的AIPL1依赖性成熟：对应激敏感的蛋白质稳态检查点

功能性PDE6需要正确折叠、组装和翻译后成熟。AIPL1已被确认为PDE6的必需分子伴侣，促进有效折叠并与伴侣分子伴侣系统协同稳定新生PDE6。结构和机制研究进一步阐明AIPL1包含结合异戊二烯化PDE6亚基并与更广泛分子伴侣机器接口的特异性结构域，将AIPL1定位为PDE6生物发生的关键蛋白质稳态检查点。

从氧化还原角度，慢性氧化应激可能通过将细胞资源转向应激适应、改变分子伴侣-客户相互作用以及促进降解易感PDE6中间体来损害这一蛋白质稳态检查点。然而，在糖尿病视网膜组织中PDE6的直接氧化修饰或AIPL1-PDE6复合物的破坏尚未得到实验证实。

4.3 FAT10作为PDE6的抑制性和降解性调节因子：应激/炎症与cGMP紊乱之间的机制桥梁

与该假设相关的关键机制进展是FAT10通过共价缀合靶向PDE6进行蛋白酶体降解的证实，同时FAT10还可通过与调节性/催化性结构域的非共价相互作用抑制PDE6酶活性。重要的是，该工作还显示FAT10在人视网膜中的表达并确认PDE6为视网膜特异性底物，为炎症和细胞应激特征性疾病背景下FAT10驱动的PDE6丢失提供了生物学合理性。

由于FAT10通路与应激和炎症信号密切相关，DR中的氧化应激可能合理地放大FAT10对PDE6丰度和活性的介导压力，导致持续性cGMP紊乱。这种紊乱可改变cGMP门控通道行为和下游钙内流，最终促进感光细胞功能障碍和神经退行性变信号级联。

4.4 工作模型：氧化还原驱动的PDE6不稳定化→cGMP失衡→神经退行性变

总体而言，现有证据支持一个工作假设，即线粒体和非线粒体ROS来源可能汇聚于感光细胞蛋白质稳态和信号通路，潜在地通过AIPL1依赖性质量控制机制和FAT10介导降解使PDE6不稳定。然而，这一提出的氧化还原-AIPL1-FAT10-PDE6轴的若干组分仍有待于在糖尿病视网膜模型中进行实验验证。这一氧化还原蛋白质稳态信号交汇点可能代表DR中氧化应激与早期神经元功能障碍之间的可操作机制联系。

4.5 当前局限性和知识空白

尽管提出的以PDE6为中心的氧化还原模型提供了连贯的机制框架，目前应被视为假设生成模型而非DR中已实验确立的致病通路。首先，在糖尿病视网膜组织中证明PDE6氧化修饰或不稳定化的直接证据仍然缺乏。其次，氧化应激、蛋白质稳态破坏和PDE6功能障碍之间的时间关系尚未解决。第三，ROS介导的应激与糖尿病感光细胞中AIPL1功能障碍和FAT10激活之间的分子机制尚未实验定义。PDE6亚基的翻译后氧化修饰（包括半胱氨酸氧化或S-亚硝基化）的贡献需要直接生化研究。

4.6 转化和治疗前景

尽管如此，PDE6的直接治疗靶向仍面临若干转化挑战。由于PDE6对正常光转导至关重要，对其活性的过度调节可能损害视觉信号和视网膜适应。此外，由于视网膜区室化和血-视网膜屏障限制，PDE6靶向治疗对感光细胞的选择性递送在技术上仍具挑战性。因此，未来治疗方法可能受益于通过氧化还原调节、线粒体保护、蛋白质稳态稳定或抗炎干预间接保护PDE6功能，而非直接的酶抑制或激活。

5. 结论和未来展望

糖尿病视网膜病变日益被认为是神经血管性和神经退行性疾病，其中慢性氧化还原失衡是视网膜功能障碍的中心驱动因素。当代证据突出氧化应激促进神经元损伤、炎症放大和进行性视网膜退行性变，源于线粒体功能障碍和NADPH氧化酶及激活先天免疫细胞等非线粒体ROS来源。

在此背景下，研究人员提出PDE6可能代表将氧化应激与cGMP紊乱和感光细胞功能障碍联系起来的氧化还原敏感信号枢纽。基于现有证据，研究人员提出氧化应激可能通过涉及AIPL1介导成熟和FAT10介导降解的蛋白质稳态依赖性机制影响PDE6稳定性和活性。然而，这一提出的信号轴在糖尿病视网膜组织中的直接实验验证仍有必要。在该框架下，持续性PDE6功能障碍可能促进cGMP失衡、损害光转导保真度、扰动离子和钙稳态，并促进早期视网膜神经退行性变。

未来研究应聚焦于：识别调节PDE6生物发生、稳定性和活性的氧化还原依赖性修饰；界定ROS产生、AIPL1/FAT10通路调节和PZE6活性调节和PDE6功能障碍之间的时间动态；评估氧化还原靶向干预能否保护PDE6功能和视网膜完整性。应特别强调确定提出的氧化还原-AIPL1-FAT10-PDE6轴是否存在于糖尿病视网膜组织中，因为该机制仍有待实验验证。