血管老化機制與硫化氫的保護作用

侯翠蘭(綜述)　王銘潔　金　勝　朱依純(審校)

(1復旦大學基礎醫(yī)學院生理與病理生理學系　上?！?00032;2復旦大學老年醫(yī)學研究中心　上?！?00040)

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血管老化機制與硫化氫的保護作用

侯翠蘭(綜述)王銘潔金勝朱依純△(審校)

(1復旦大學基礎醫(yī)學院生理與病理生理學系上海200032;2復旦大學老年醫(yī)學研究中心上海200040)

【摘要】隨著全球老齡化的到來,衰老及其相關疾病帶來的健康問題日益嚴峻。血管老化包括血管結構和功能的改變,也是心血管疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素,是機體衰老的一部分。目前科學家對血管老化機制的研究甚少,本文將從血管老化的分子機制和硫化氫的保護作用兩個方面入手,綜述了血管老化方面的最新進展。

【關鍵詞】血管老化;硫化氫；端粒;非酶糖基化;氧化應激;表觀遺傳

*This work was supported by the Research Center on Aging and Medicine,Fudan University (13dz2260700).

2013年我國老年人口數(shù)達到2.02億,占總人口的14.8%。預計到2050年,老年人口總量將超過4億,老齡化人口比例將大于30%。隨著全球老齡化的到來,如何使老年人“老而不衰”,提高老年人的生活質量,是一項艱巨的長期的任務。

隨著年齡的增加,機體發(fā)生一系列變化,如基因組不穩(wěn)定、端?？s短、線粒體功能異常、細胞衰老、干細胞耗竭和細胞間信息交流改變等[1],進而機體的穩(wěn)態(tài)失衡,血管系統(tǒng)易受損傷,難于修復,即血管進入“老化”狀態(tài)。心血管疾病 (cardiovascular diseases,CVDs)是增齡相關疾病,也是當今世界威脅人類健康的常見疾病,其發(fā)病率在中國居于首位,從側面說明血管老化在衰老的進程中起重要作用[2]。血管老化狀態(tài)在一定程度上可以反映老年人健康狀態(tài)。血管老化的機制十分復雜,不僅受分子水平、細胞水平、組織器官水平及整體水平的網(wǎng)絡調控,還受基因遺傳及環(huán)境因素的作用,任何單獨層面的理解都是片面的。本文主要論述非酶糖基化、氧化應激、自噬、內皮細胞衰老、蛋白重構等血管老化機制以及硫化氫 (hydrogen sulfide,H2S)保護作用的研究進展。

H2S與衰老在過去的20年里,H2S在醫(yī)學和生物學的生理作用的研究有著長足的進步,然而關于H2S參與衰老過程的調控作用報道甚少。Miller等[3]研究報道外源給予H2S供體可以提高線蟲的耐熱性并延長壽命,大約提高70%。Qabazard等[4]于2014年進一步提出:敲除產(chǎn)生硫化氫的酶3-硫基丙酮酸硫基轉移酶 (3-mercaptopyruvate sulfurtransferase,3-MST),而不是胱硫醚γ-裂解酶 (cytathiohine γ-lyase,CSE),會縮短線蟲的壽命,外源性給予H2S供體可以逆轉其效果。王睿課題組于2008年提出:CSE敲除小鼠出現(xiàn)血壓明顯升高和內皮依賴的血管舒張障礙[5]。隨著年齡的增加,小鼠主動脈中CSE和胱硫醚β-合酶 (cytathiohine β-synthase,CBS)表達增高,胸主動脈環(huán)收縮敏感性增加[6]。我們課題組前期發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)15個月30%果糖的小鼠,心臟及血漿H2S水平均顯著下降[7],這提示H2S可能參與老年心血管系統(tǒng)功能的調控。在高血壓患者和動物體內均發(fā)現(xiàn)內源性H2S水平下降,CSE-/-小鼠隨著增齡血壓會升高,形成高血壓狀態(tài)。外源性給予H2S供體或者增加內源性H2S的生成可能對于預防老化及延緩衰老進程發(fā)揮重要作用。H2S可能通過抑制自由基反應和氧化應激、活化沉默信息調節(jié)因子2同源蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)、調控klotho基因來影響衰老的進程[8]。

非酶糖基化與血管老化非酶糖基化是指一系列復雜的非酶促反應,最終形成穩(wěn)定的共價加成產(chǎn)物——糖基化終末產(chǎn)物 (advanced glycation end products,AGEs),于1912年由法國科學家Maillard LC提出,此后逐漸形成了糖基化衰老學說。大量研究表明,隨著年齡的增加,機體的非酶糖基化程度逐漸加劇,蛋白質功能受損或降低,并通過多種途徑作用于血管及其他組織,引起血管結構和功能的改變,反之血管老化對衰老具有重要的調控作用,加速機體的老化[9]。

AGEs可以直接修飾調控細胞和組織,通過非受體途徑參與血管老化的調控;也可以通過與糖基化終產(chǎn)物受體 (receptor for AGEs,RAGE)結合,激活細胞內多種信號通路,激活氧化應激,引發(fā)增殖、纖維化反應、炎性反應等,在血管老化的過程中起著重要作用。RAGE包括寡糖轉移-48 (OST48,也稱為AGE-R1)和80K-H磷酸蛋白 (80K-H,也稱為AGE-R2)兩類[10]。AGEs 與RAGE結合,血管壁的滲透性增加，VEGE的合成和分泌減少。

AGEs可能通過組織沉積,原位糖化 (如細胞外基質蛋白),與其受體RAGE相互作用參與老化過程。Liu等[11]指出，H2S可能通過抑制AGEs的形成、抗氧化應激作用進而延緩衰老進程。H2S激活 ROS/PI3K/PTEN 信號通路,預防AGEs誘導的上皮鈉通道的激活[12]。相較其他系統(tǒng),心血管系統(tǒng)對非酶糖基化反應最敏感,尤其是血管[13],而H2S可以抑制AGEs形成,提示H2S可能參與血管老化進程的調控。

氧化應激與血管老化氧化應激是指機體遭受有害刺激時,細胞成份過氧化修飾,氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡,造成機體組織損傷。隨著年齡的增加,機體中氧化應激水平增高,而抗氧化應激系統(tǒng)如錳超氧化物歧化酶 (manganese superoxide dismutase,MnSOD)等表達降低或者活性降低。經(jīng)H2O2處理過的人內皮細胞以Src激酶依賴的方式促進端粒酶逆轉錄酶 (telomerase reverse transcriptase,TERT)從細胞核轉移到細胞質,而抗氧化劑可以抑制此過程[14],TERT在維持端粒穩(wěn)態(tài)中起重要作用。

血管內皮細胞所處的位置和屏障功能,使其極易受血流中異常成分的影響,最容易誘發(fā)應激反應,使機體的端粒-端粒酶系統(tǒng)、DNA修復保護體系受到損傷,進而導致機體和組織功能失常,加速衰老進程。氧化應激與動脈彈性受損有關[15]。喬偉麗等[16]發(fā)現(xiàn)，外源性給予H2S供體可改善D-半乳糖誘導的大鼠主動脈形態(tài)學變化,其作用機制可能是提高血管組織抗氧化應激的能力,進而部分逆轉血管老化進程。H2S通過Keap1巰基化和激活Nrf2保護氧化應激誘導的細胞老化[17]。然而，人類長期暴露于高濃度的H2S環(huán)境中,則出現(xiàn)加速衰老的跡象[18]，提示適當濃度的H2S才有延緩衰老的作用。

自噬與血管老化自噬可以分為3種類型:巨自噬 (macroautophagy)、微自噬 (microautophagy)和分子伴侶介導的自噬 (chaperone-mediated autophagy),細胞經(jīng)過一系列過程形成自噬溶酶體,降解其內容物,以滿足自身的代謝需要。隨著年齡的增加,血管內皮細胞自噬水平下降,異常蛋白質沉積,引起細胞衰老,繼而加速血管老化。Eisenberg等[19]提出外源性給予亞精胺可以提高自噬水平,延長酵母、果蠅、線蟲和人的免疫細胞壽命。然而,增加自噬水平是否可以延長健康個體或哺乳動物的壽命仍未知。FOXO3、NF-κB、p53和SIRT1等也參與調控自噬。外源性給予H2S供體可以預防心肌缺血再灌注損傷,可能通過激活AMPK,恢復心肌缺血再灌注后的自噬流起效[20]。

內皮細胞衰老與血管老化內皮細胞衰老包括端粒依賴性及端粒非依賴性兩種。隨著年齡的增加,細胞衰老在內皮細胞血管新生障礙及再生能力障礙中起著重要作用。血管內皮細胞衰老常伴隨著由內皮細胞釋放的舒血管因子及縮血管因子的變化,如氣體遞質NO和H2S隨著增齡釋放減少。Suo等[21]提出外源性給予H2S供體,可能通過提高SIRT1的表達及活性,部分逆轉臍靜脈內皮細胞衰老。本課題組前期報道H2S具有促進血管新生作用[22],Wang等[23]研究報道H2S可以促進傷口愈合,提示H2S可能參與改善衰老過程中血管內皮功能,進而延緩血管衰老。

蛋白重構與血管老化隨著機體的衰老,蛋白質穩(wěn)態(tài)失衡,未折疊或折疊錯誤的蛋白質逐漸累積,蛋白質異常聚集,致使細胞功能部分喪失。表觀遺傳學通過DNA甲基化、蛋白共價修飾、染色質重塑等調控機制與外界環(huán)境等共同影響基因表達譜，從而參與調控衰老過程,使其脫離了單純的“基因決定論”。組蛋白修飾是一種重要的影響染色質結構從而調節(jié)基因活性的修飾手段,其中最重要的是乙?；腿ヒ阴；?分別受多種組蛋白乙?；?(histone acetyltransferase,HAT)和HAT抑制劑 (histone deacetylase inhibitor,HDACs)催化。SIRT1是與代謝相關的NAD+依賴的去乙?；窼irtuins家族中的一員。SIRT1可通過激活FoxOs、NF-κB和 mTOR參與調控氧化應激、炎癥和自噬等過程,進而增加應激的抵抗能力并延長壽命;還可通過調控內皮細胞血管新生,維持血管穩(wěn)態(tài),在血管老化發(fā)生發(fā)展中起重要作用。FoxOs可以直接調控細胞的氧化還原狀態(tài),進而調控細胞的乙酰化狀態(tài)及轉錄水平[24]。長期能量限制可能通過增加 SIRT1 的表達,降低氧化應激水平,抑制血管內皮細胞衰老[25]。SIRT1可以結合在PAI-1啟動子區(qū)域,使H4K16乙?；浇档?阻止血管內皮細胞老化[26]。H2S可以通過抑制線粒體轉錄因子A (mitochondrial transcription factor A,TFAM)啟動子甲基化,參與線粒體DNA拷貝數(shù)的調控[27]。上調CSE/H2S系統(tǒng)可以減緩動脈粥樣硬化[28],提示CSE/H2S 系統(tǒng)參與老年心血管疾病的調控。

結語以上機制相互作用,共同在血管老化進程中發(fā)揮作用。由于衰老理論和學說的復雜性和交叉滲透性,單純改變某個基因不足以起到明顯的抗衰老作用。外源性給予H2S衍生藥物可能通過調節(jié)衰老的多種機制,綜合發(fā)揮延緩衰老的效應,在臨床實踐中具有潛在的應用價值。H2S在心血管系統(tǒng)等方面已有深入研究,然而其在抗衰老進程中的研究還處于起步階段,需要進一步探索具體作用機制及作用靶點,深入分析其對各系統(tǒng)衰老進程的影響。我們應從整體角度來研究血管衰老的機制,探索延緩人類衰老進程、預防衰老相關疾病的發(fā)生及提高老年人健康水平的有效手段。

參考文獻

[2]DANTAS AP,JIMéNEZ-ALTAYF,VILA E.Vascular aging:facts and factors[J].FrontPhysiol,2012,3 (325):1-2.

[3]MILLER DL,ROTH MB.Hydrogen sulfide increases thermo tolerance and lifespan in Caenorhabditis elegans[J].PNAS,2007,104 (51):20618-20622.

[4]QABAZARD B,LI L,GRUBER J,etal.Hydrogen sulfide is an endogenous regulator of aging in Caenorhabditis elegans[J].AntioxidRedoxSignal,2014,20 (16):2621 -2630.

[5]YANG G,WU L,JIANG B,etal.H2S as a physiologic vasorelaxant:hypertension in mice with deletion of cystathionine gamma-lyase[J].Science,2008,322 (5901):587-590.

[6]PREDMORE BL,ALENDY MJ,AHMED KI,etal.The hydrogen sulfide signaling system:changes during aging and the benefits of caloric restriction[J].Age,2010,32 (4):467-481.

[7]JIN S,PU SX,HOU CL,etal.Cardiac H2S generation is reduced in ageing diabetic mice[J].OxidMedCellLongev,2015,2015 (758358):1-15.

[8]ZHANG Y,TANG ZH,REN Z,etal.Hydrogen sulfide,the next potent preventive and therapeutic agent in aging and age-associated diseases[J].MolCellBiol,2013,33 (6):1104-1113.

[9]BARAIBAR MA,LIU L,AHMED EK,etal.Protein oxidative damage at the crossroades of cellular senescence,aging,and age-related diseases[J].OxidMedCellLongev,2012,2012 (919832):1-8.

[10]LI YM,MITSUHASHI T,WOJCIECHOWICZ D,etal.Molecular identity and cellular distribution of advanced glycation endproduct receptors:relationship of p60 to OST-48 and p90 to 80K-H membrane proteins[J].PNAS, 1996,93 (20):11047-11052.

[11]LIU YY,NAGPURE BV,WONG PT,etal.Hydrogen sulfide protects SH-SY5Y neuronal cells against D-galactose induced cell injury by suppression of advanced glycation end products formation and oxidative stress[J].NeurochemInt,2013,62 (5):603-609.

[12]WANG Q,SONG B,JIANG S,etal.Hydrogen sulfide prevents advanced glycation end-products induced activation of the epithelial sodium channel[J].OxidMedCellLongev,2015,2015 (976848):1-10.

[13]KUMARI K,SAHIB MK.Susceptibility of different rat tissues to non-enzymatic protein glycosylation in experimental diabetes[J].IndianJExpBiol,1993,31 (2):194-195.

[14]HAENDELER J,HOFFMANN J,DIEHL JF,etal.Antioxidants inhibit nuclear export of telomerase reverse transcriptase and delay replicative senescence of endothelial cells[J].CircRes,2004,94 (6):768-775.

[15]PATEL RS,AL MHEID I,MORRIS AA,etal.Oxidative stress is associated with impaired arterial elasticity[J].Atherosclerosis, 2011,218 (1):90-95.

[16]喬偉麗,楊文學,劉 磊,等.外源性硫化氫減輕D-半乳糖誘導的亞急性衰老大鼠血管老化[J].生理學報,2014,66 (3):276-282.

[17]YANG GD,ZHAO KX,JU YJ,etal.Hydrogen sulfide protects against cellular senescence via S-sulfhydration of keap1 and activation of Nrf2[J].AntioxidRedoxSignal,2013,18 (15):1906-1919.

[18]ABDRASHITOVA AT,PANOVA TN,BELOLAPENKO IA.Changes in ageing pace and major immune parameters among individuals with long exposure to hydrogen sulfide[J].MedTrPromEkol,2011,2011 (7):10-16.

[19]EISENBERG T,KNAUER H,SCHAUER A,etal.Induction of autophagy by spermidine promotes longevity[J].NatCellBiol, 2009,11 (11):1305-1314.

[20]XIE H,XU Q,JIA J,etal.Hydrogen sulfide protects against myocardial ischemia and reperfusion injury by activating AMP-activated protein kinase to restore autophagic flux[J].BiochemBiophysResCommun,2015,458 (3):632-638.

[21]SUO R,ZHAO ZZ,TANG ZH,etal.Hydrogen sulfide prevents H2O2-induced senescence in human umbilical vein endothelial cells through SIRT1 activation[J].MolMedRep,2013,7 (6):1865-1870.

[22]CAI WJ,WANG MJ,MOORE PK,etal.The novel proangiogenic effect of hydrogen sulfide is dependent on Akt phosphorylation[J].CardiovascRes,2007,76 (1):29-40.

[23]WANG G,LI W,CHEN Q,etal.Hydrogen sulfide accelerates wound healing in diabetic rats[J].IntJClinExpPathol, 2015,8 (5):5097-5104.

[24]DANSEN TB,SMITS LM,VAN TRIEST MH,etal.Redox-sensitive cysteines bridge p300/CBP-mediated acetylation and FoxO4 activity[J].NatChemBiol, 2009,5 (9):664-672.

[25]周爽,陳厚早,萬言珍,等.長期能量限制增加去乙?；窼IRT1 表達和降低小鼠血管的衰老[J].基礎醫(yī)學與臨床,2010,30 (11):1158-1162.

[26]WAN YZ,GAO P,ZHOU S,etal.SIRT1-mediated epigenetic downregulation of plasminogen activator inhibitor-1 prevents vascular endothelial replicative senescence[J].AgingCell,2014,13 (5):890-899.

[27]LI SS,YANG GD.Hydrogen sulfide maintains mitochondrial DNA replication via demethylation of TFAM[J].AntioxidRedoxSignal,2015,23 (7):630-642.

[28]CHEUNG SH,KWOK WK,TO KF,etal.Anti-atherogenic effect of hydrogen sulfide by over-expression of cystathionine gamma-lyase (CSE) gene[J].PLoSOne,2014,9 (11):1-11.

Mechanism of vascular aging and protective effects of hydrogen sulfide

HOU Cui-lan, WANG Ming-jie, JIN Sheng, ZHU Yi-chun△

(1DepartmentofPhysiologyandPathophysiology,SchoolofBasicMedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China;2ResearchCenteronAgingandMedicine,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

【Abstract】With the arrival of global aging,the health problems from aging and age-related diseases are becoming more and more severe.Vascular aging includes changes in vascular structure and function,which plays an important role in the process of cardiovascular disease,and also is a vital part of the aging.However,the mechanism of vascular aging is poorly understood.This article contended the latest research progress in molecular mechanisms of vascular aging and protection of hydrogen sulfide.

【Key words】vascular aging;hydrogen sulfide;telomere;non enzymatic glycosylation;oxidative stress;epigenetic

(收稿日期:2015-07-24;編輯:段佳)

【中圖分類號】R363

【文獻標識碼】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.02.023

復旦大學老年醫(yī)學研究中心項目 (13dz2260700)

△Corresponding authorE-mail:yczhu@shmu.edu.cn