硫化氫代謝與神經(jīng)保護(hù)作用

張書虎，李靜，馬蘭，李晨曄

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院老年病科，哈爾濱 150086)

硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)一直被認(rèn)為是一種透明的有毒氣體，具有強(qiáng)烈的臭味，是繼一氧化氮(nitric oxide，NO)和一氧化碳(carbon monoxide，CO)后的第3種氣體信號(hào)分子[1]。近20年通過(guò)對(duì)H2S病理和生理學(xué)方面的大量研究，在H2S產(chǎn)生、分解代謝、抗炎、抗凋亡、促血管生成以及通過(guò)抗氧化介導(dǎo)細(xì)胞保護(hù)方面取得了巨大的成就[2]，包括離子通道、蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子、生長(zhǎng)因子及炎癥因子在內(nèi)的多種因素參與H2S介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)。胱硫醚β-合成酶 (cystathionine beta-synthase,CBS)、胱硫醚γ-裂解酶(cystathionine gamma-lyase,CSE)、含半胱氨酸轉(zhuǎn)氨酶的3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase/cysteine transaminase，3-MST/CAT)和含D-氨基酸氧化酶的3-巰基丙酮酸硫轉(zhuǎn)移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase/D-amino acid oxidase，3-MST/DAO)參與內(nèi)源性H2S的生成，他們共同的底物即L-半胱氨酸。本文將重點(diǎn)討論H2S在阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)、霍奇金病(Hodgkin disease，HD)、肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、熱性驚厥(febrile seizure，F(xiàn)S)及腦缺血中的神經(jīng)保護(hù)作用、信號(hào)傳導(dǎo)途徑及其潛在應(yīng)用。

1 H2S的產(chǎn)生及分解

內(nèi)源性H2S產(chǎn)生過(guò)程中CBS、CSE和3-MST/CAT3種酶的共同底物是L-半胱氨酸[3]。研究表明D-半胱氨酸是一種比L-半胱氨酸毒性更小的半胱氨酸，其在腎臟和大腦中可通過(guò)3-MST/DAO途徑產(chǎn)生內(nèi)源性H2S[4]。3-MST途徑產(chǎn)生的H2S大部分以硫磺形式存在，硫磺是內(nèi)源性H2S大量?jī)?chǔ)存的主要形式，同時(shí)研究也表明3-MST是內(nèi)源性硫磺的主要產(chǎn)生者，而不是之前公認(rèn)的CBS[5]。

1.1 CBS

CBS是一種依賴磷酸吡啶的酶，主要位于小腦、大腦和腦干。CBS可使半胱氨酸通過(guò)β消除反應(yīng)產(chǎn)生H2S,亦可通過(guò)半胱氨酸與同型半胱氨酸的β置換反應(yīng)產(chǎn)生H2S，后者效率更高。表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor，EGF)、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-α(transforming growth factor-α, TGF-α)和環(huán)磷酰胺等化合物可上調(diào)CBS mRNA的表達(dá)，并促進(jìn)CBS基因轉(zhuǎn)錄[8]。不同疾病CBS的表達(dá)也不同，唐氏綜合征患者大腦中，CBS的表達(dá)量是正常人的3倍，而高智商兒童CBS的表達(dá)卻比較低[8]。敲除CBS基因的小鼠表現(xiàn)為高同型半胱氨酸血癥和高蛋氨酸血癥，由此可知CBS過(guò)度表達(dá)可能影響認(rèn)知功能，而CBS缺失則可導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的發(fā)生[9]。

1.2 CSE

CSE主要分布于肝、腎、血管和非血管平滑肌，作為NO供體的S-亞硝基-N-乙酰基-DL-青霉胺(S-Nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine,SNAP)可上調(diào)CSE的表達(dá)，而NO的另一供體硝普鈉也能提高CSE的活性。研究表明心血管系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)源性H2S可與NO協(xié)同參與NO對(duì)血管的舒張[10]。CSE在血壓調(diào)節(jié)中的作用仍存爭(zhēng)議，CSE普遍被認(rèn)為在調(diào)控血管平滑肌中起重要作用，但也有研究表明血壓不受CSE影響的機(jī)制是：(1)3-MST/CAT可能參與血壓調(diào)節(jié)；(2) 3-MST/CAT可增加H2S生成以彌補(bǔ)CSE的不足[11]。

1.3 3-MST/CAT

研究表明大腦中L-半胱氨酸和D-半胱氨酸通過(guò)3-MST/CAT途徑可產(chǎn)生H2S[12]。CBS和CSE主要位于胞漿中，而3-MST主要位于腦和視網(wǎng)膜神經(jīng)元的線粒體基質(zhì)中[13]。3-巰基丙酮酸(3-mercaptopyruvate，3MP)由L-半胱氨酸、D-半胱氨酸和α-酮戊二酸合成，胞漿內(nèi)D-半胱氨酸合成線粒體中的3MP時(shí)需過(guò)氧化物酶DAO參與[14]。3-MST產(chǎn)生H2S時(shí)需二硫蘇糖醇(dithiothreitol，DTT)等還原物質(zhì)參與。硫氧還蛋白、二氫硫辛酸(dihydrothioctic acid，DHLA)可與3-MST聯(lián)合作用釋放內(nèi)源性H2S。線粒體中硫氧還蛋白濃度為20 μmol/L，促進(jìn)H2S生成作用為DTT的4倍[15]。Ca2+可抑制CAT活性，并呈濃度依賴，在不含Ca2+的情況下H2S生成量最大，Ca2+濃度為2.9 μmol/L時(shí)H2S的生成量最小[16]。硫磺為細(xì)胞內(nèi)H2S存儲(chǔ)的主要形式之一，因此含3-MST和CAT細(xì)胞結(jié)合硫磺濃度為其他細(xì)胞的2倍，如胞內(nèi)為無(wú)法產(chǎn)生H2S的3-MST突變體，則結(jié)合硫磺的濃度較低[17]。

1.4 H2S的分解

大腦神經(jīng)元興奮或其他刺激可使結(jié)合硫磺釋放游離H2S，隨后主要由線粒體中的硫代硫酸鈉氰化物硫轉(zhuǎn)移酶氧化為硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫酸鹽。H2S可被硫醇-S-甲基轉(zhuǎn)移酶甲基化成甲硫醇和二甲基硫磺，亦可與氧化形式的高鐵血紅蛋白結(jié)合。肝、腎和肺血流中游離H2S的濃度低，衰減速度快，故上述器官中游離H2S的清除率較低[18]。

2 硫化氫的神經(jīng)保護(hù)作用

2.1 AD

AD是一種進(jìn)行性神經(jīng)退行性變，是癡呆癥的主要病因，其鏡下特點(diǎn)為老年斑積聚、神經(jīng)元纖維纏結(jié)、突觸喪失和神經(jīng)壞死。發(fā)病機(jī)制包括氧化應(yīng)激和神經(jīng)炎癥，AD患者血清H2S水平紊亂具有顯著意義，提示內(nèi)源性H2S可能參與AD的發(fā)病過(guò)程[19]。Tang等[20]的相關(guān)研究表明生理濃度H2S可通過(guò)維持線粒體膜電位(mitochondrial transmembrane potential，MMP)和減弱β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)肽25～35片段誘導(dǎo)的活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生來(lái)保護(hù)神經(jīng)元[20]，H2S還可通過(guò)上調(diào)B淋巴細(xì)胞瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)表達(dá)水平減少M(fèi)MP丟失，以保護(hù)神經(jīng)元免受同型半胱氨酸誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和凋亡[21]。此外，AD患者過(guò)度產(chǎn)生白細(xì)胞介素-1α(interleukin-1α，IL-1α)、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等炎癥因子也有相關(guān)報(bào)道[22]，且H2S可明顯抑制TNF-α、IL-1β和IL-6的釋放，并可抑制環(huán)氧化酶-2(cycloxygenase-2，COX-2)上調(diào)和核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的激活作用[23]。越來(lái)越多證據(jù)表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在AD發(fā)生或病理過(guò)程中起關(guān)鍵作用，其特征是包體形成異常和錯(cuò)誤折疊蛋白聚集[24]。體外動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)H2S通過(guò)上調(diào)腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子/肌鈣蛋白相關(guān)激酶B(brain-derived neurotrophic factor/troponin related kinase B,BNDF/TrkB)途徑，抑制同型半胱氨酸誘導(dǎo)的大鼠海馬內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和神經(jīng)元凋亡。作為H2S供體的硫氫化鈉(sodium hydrosulfide hydrate,NaHS)可增加海馬內(nèi)H2S生成和BNDF表達(dá)，并顯著降低同型半胱氨酸誘導(dǎo)的海馬神經(jīng)元凋亡和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，TrkB受體特異性拮抗劑K252a可消除NaHS對(duì)同型半胱氨酸誘導(dǎo)的海馬內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的保護(hù)作用，提示H2S對(duì)AD患者神經(jīng)元具有保護(hù)作用及潛在治療意義[25]。

2.2 PD

PD的特點(diǎn)是黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元進(jìn)行性變性，其發(fā)病機(jī)制與蛋白質(zhì)積聚、氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、興奮性毒性、神經(jīng)炎癥和凋亡等有關(guān)。研究表明6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine，6-HODA)誘導(dǎo)的PD大鼠模型中內(nèi)源性H2S水平明顯降低[26]。1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)是1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)的活性代謝產(chǎn)物，可刺激超氧自由基產(chǎn)生，誘導(dǎo)PC-12細(xì)胞凋亡。MPP+可抑制CBS的表達(dá)活性，導(dǎo)致內(nèi)源性H2S生成減少，而H2S可降低MPP+誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用，減少ROS產(chǎn)生。相關(guān)研究已證實(shí)H2S可減輕黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元丟失，并通過(guò)依賴線粒體的解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)通道而不是腺苷三磷酸敏感性鉀(adenosine triphosphate sensitive K+channel,KATP)通道減少M(fèi)PTP誘導(dǎo)的神經(jīng)元變性[27]。研究已經(jīng)證實(shí)H2S對(duì)MPP誘導(dǎo)的神經(jīng)元毒性保護(hù)作用中KATP/磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)/Bcl-2途徑參與。KATP通道阻滯劑格列本脲和特異性PI3K-PKB通道阻滯劑LY294002可逆轉(zhuǎn)NaHS對(duì)MPP+誘導(dǎo)的PC-12細(xì)胞毒性的保護(hù)作用。NaHS還可上調(diào)Bcl-2表達(dá)，阻斷MPP+誘導(dǎo)的Bcl-2表達(dá)下調(diào)。神經(jīng)毒素誘導(dǎo)的神經(jīng)退行性變模型中H2S可通過(guò)抗氧化應(yīng)激、抗炎和代謝抑制等多種機(jī)制發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。同樣，MPTP誘導(dǎo)的PD經(jīng)典動(dòng)物模型中，H2S的神經(jīng)保護(hù)作用與血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和谷氨酸-半胱氨酸連接酶等編碼抗氧化蛋白基因的上調(diào)有關(guān)，這種作用得以發(fā)揮可能是通過(guò)依賴核因子E2相關(guān)因子(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)的信號(hào)通路完成的。因此，H2S可增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)并抑制炎癥和細(xì)胞凋亡[28]。研究發(fā)現(xiàn)PD患者紋狀體內(nèi)Parkin巰基化水平較常下降，含有E3泛素連接酶的Parkin具有神經(jīng)保護(hù)作用，其S-亞硝基化和失活均具有神經(jīng)毒性，H2S可介導(dǎo)Parkin的巰基化并增強(qiáng)其催化活性，這對(duì)PD藥物的下一步研究具有重大意義[29]。L-二羥基苯丙氨酸(L-dihydroxyphenylalanine,L-DOPA)雜合物可釋放H2S并可通過(guò)其抗氧化、抗炎和抑制單胺氧化酶B發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用，通過(guò)以上綜述可知H2S有望成為一種更有前途的新型PD治療藥物[30]。

2.3 腦缺血

腦缺血是一種發(fā)病率和死亡率均較高的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，大腦缺血缺氧可致細(xì)胞內(nèi)Ca2+負(fù)荷過(guò)大，鈣蛋白酶激活，突觸囊泡釋放大量谷氨酸，進(jìn)而引起不同程度的神經(jīng)元損傷，損害大腦功能。H2S可保護(hù)胚胎腦免受缺血再灌注損傷[31]。此外，ACS14(一種H2S釋放衍生物)可通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽的生成來(lái)減輕谷氨酸介導(dǎo)的氧化應(yīng)激損傷[32]，同時(shí)H2S還可降低谷胱甘肽分解酶的活性，減少谷胱甘肽的分解以維持其在細(xì)胞內(nèi)的正常水平[33]。海馬與人類的學(xué)習(xí)、記憶功能密切相關(guān)。NaHS可增強(qiáng)腦缺血大鼠海馬區(qū)突觸的可塑性，抑制腦缺血后錐體神經(jīng)元周圍水腫及核收縮，其分子機(jī)制可能為：(1)增加PKB的磷酸化，減少凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1(apoptosis signal-regulating kinase-1，ASK1)和c-Jun N端激酶3(c-Jun N-terminal kinase，JNK3)的磷酸化；(2)使海馬CA1區(qū)的生長(zhǎng)相關(guān)蛋白-43(growth associated protein-43，GAP-43)的表達(dá)上調(diào)。缺血再灌注大鼠模型研究表明，大鼠缺血再灌注后24 h，海馬和皮質(zhì)中H2S水平降低，而應(yīng)用低劑量NaHS后可減輕缺血再灌注后的神經(jīng)損傷[34]，NaHS可通過(guò)抗氧化、抗炎和抗凋亡作用對(duì)全腦缺血再灌注損傷起神經(jīng)保護(hù)作用，其機(jī)制可能如下：(1)腦組織超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性增高；(2)抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶P47和gp91亞基mRNA水平；(3)抑制促炎因子TNF-α和單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)；(4)促進(jìn)凋亡蛋白Bax表達(dá)；(5)PI3K/PKB/p70核糖體S6激酶細(xì)胞存活信號(hào)通路激活，且研究人員還發(fā)現(xiàn)H2S可通過(guò)刺激KATP/蛋白激酶C/胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶2/熱休克蛋白90通路保護(hù)細(xì)胞免受缺血缺氧損傷[35]。H2S通過(guò)PI3K/PKB信號(hào)通路增加PKB和細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)的磷酸化及血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和血管生成素-1(angiogesin-1，Ang-1)的表達(dá)，促進(jìn)腦缺血后血管生成和功能改善[36]。

研究發(fā)現(xiàn)永久性大腦中動(dòng)脈閉塞大鼠模型皮質(zhì)和紋狀體中3-MST表達(dá)下降。盡管3-MST/CAT與結(jié)合硫磺密切相關(guān)，但腦缺血時(shí)細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷導(dǎo)致H2S生成停止，而細(xì)胞內(nèi)Ca2+超負(fù)荷是如何影響3-MST/CAT通路的機(jī)制尚未明確。因此，盡管3-MST/CAT通路是腦內(nèi)H2S的主要來(lái)源，但找到一個(gè)可以替代CBS的酶可能是研究H2S在腦缺血中發(fā)揮保護(hù)作用的更具前景的靶標(biāo)。H2S對(duì)腦缺血起到保護(hù)還是毒性作用主要取決于H2S的濃度高低，高濃度時(shí)可加重梗死面積，而低劑量時(shí)則發(fā)揮保護(hù)作用。

2.4 FS

FS是高熱引起的嬰兒和兒童中最常見的病理性腦活動(dòng)，目前尚未有確鑿證據(jù)證明短期FS會(huì)對(duì)兒童的大腦發(fā)育產(chǎn)生不利影響，而長(zhǎng)期的FS會(huì)損害兒童的認(rèn)知和記憶功能。通過(guò)對(duì)核磁共振成像的研究可知長(zhǎng)時(shí)間的FS可造成患兒急性海馬損傷。在FS的大鼠模型中，通過(guò)應(yīng)用CBS拮抗劑羥胺可抑制H2S生成進(jìn)而使海馬區(qū)極度活躍，給予NaHS后可使神經(jīng)興奮性降低。H2S保護(hù)海馬神經(jīng)元免受興奮性毒性的機(jī)制可能為：(1)抑制突觸傳遞；(2)逆轉(zhuǎn)GABAB受體1(GABAB R1)和GABAB受體2(GABAB R2)的丟失來(lái)實(shí)現(xiàn)興奮/抑制平衡的正常化[37]。FS具有高熱的特點(diǎn)，H2S作為氧化磷酸化的一種溫和抑制劑，可導(dǎo)致持續(xù)的深低溫，故H2S可能成為預(yù)防復(fù)發(fā)和長(zhǎng)期FS所致腦損傷的一種新的治療方法。

2.5 其他神經(jīng)退行性疾病

除了AD、PD、腦缺血等，H2S和其他神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制也存在著緊密的聯(lián)系。HD是由亨廷頓基因中的CAG重復(fù)擴(kuò)增的一種異常的多聚谷氨酸所導(dǎo)致的進(jìn)行性、致命性、神經(jīng)退行性疾病。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明CBS和亨廷頓基因的突變關(guān)系密切。從HD患者的血漿中能夠明顯看到同型半胱氨酸水平升高，表明血漿中同型半胱氨酸濃度差異性有可能和HD的發(fā)病機(jī)制相關(guān)。對(duì)HD患者的H2S濃度差異進(jìn)行研究可能會(huì)帶來(lái)巨大的價(jià)值，然而至今相關(guān)研究仍較少。而ALS是一種以運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元變性為特征的神經(jīng)退行性疾病，該疾病有10%的患者屬于家族遺傳。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)入家族型ALS最主要的致病SOD-1突變基因的模型小鼠中，活化的小膠質(zhì)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞極大地促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的變性死亡。研究表明神經(jīng)炎癥在ALS未來(lái)的發(fā)展和研究中有較大的促進(jìn)作用。此外，谷氨酸的氧化應(yīng)激、興奮毒性等機(jī)制都參與ALS的發(fā)生及發(fā)展。雖然現(xiàn)階段仍缺乏對(duì)H2S和ALS相關(guān)性的研究，但更多研究證明H2S能夠通過(guò)抑制膠質(zhì)細(xì)胞活化，釋放大量促炎癥細(xì)胞達(dá)到抗炎癥效果，同時(shí)還有較強(qiáng)的抗氧化應(yīng)激效果，這對(duì)ALS有極大的潛在治療價(jià)值。

3 總結(jié)與展望

H2S主要通過(guò)抗氧化、抗炎、抗凋亡發(fā)揮其神經(jīng)保護(hù)作用，這些作用包括多種涉及異質(zhì)分子的潛在途徑，人類可干預(yù)由內(nèi)源性或外源性H2S誘導(dǎo)的這些途徑的上調(diào)或下調(diào)，例如基因表達(dá)和藥物在H2S的產(chǎn)生和代謝方面的應(yīng)用，然而，要實(shí)現(xiàn)這些最終目標(biāo)還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。盡管我們綜述了H2S的神經(jīng)保護(hù)作用，但他實(shí)際上是一種雙面分子，在各系統(tǒng)中有保護(hù)和致病的雙重作用。H2S在心血管疾病、神經(jīng)疾病、精神病變、代謝綜合征和糖尿病等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步研究以闡明其機(jī)制。