四氫生物喋呤代謝紊亂與相關(guān)疾病的關(guān)系

劉宥苡，代佑果

（昆明醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院/云南省腫瘤醫(yī)院胃與小腸外科，云南 昆明 650118）

四氫生物喋呤（BH4）是由吡嗪環(huán)和吡啉嘧啶構(gòu)成的非蛋白有機(jī)化合物，分子量約為241.25 Da，是存在于人體內(nèi)絕大部分細(xì)胞和組織內(nèi)的活性物質(zhì)，可作為電子傳遞過程中的供體和受體參與氧化還原反應(yīng)，調(diào)節(jié)氧化還原平衡，也是各類酶促反應(yīng)催化物質(zhì)代謝轉(zhuǎn)化的重要輔助因子。在機(jī)體內(nèi)，BH4 參與了一氧化氮合酶（NOSs）、芳香氨基酸羥化酶、苯丙氨酸羥化酶和酪氨酸羥化酶等催化酶的活化過程[1]，促進(jìn)合成多巴胺、5-羥色胺、去甲腎上腺素、腎上腺素、一氧化氮（NO）等物質(zhì)[2]。這些物質(zhì)在調(diào)控神經(jīng)心血管功能、氨基酸代謝、疼痛、神經(jīng)遞質(zhì)合成等生理過程方面有重要意義。BH4 對于機(jī)體物質(zhì)代謝有調(diào)節(jié)作用，其生理水平能夠維持機(jī)體代謝平衡，而當(dāng)其缺乏或是過剩時(shí)，體內(nèi)物質(zhì)代謝和轉(zhuǎn)化出現(xiàn)紊亂，導(dǎo)致疾病發(fā)生或促進(jìn)疾病進(jìn)展。因此，BH4 與多種生理過程和病理狀態(tài)有密切關(guān)系。本文就BH4 代謝紊亂與相關(guān)疾病進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步探索BH4 的生物學(xué)活性提供參考。

1 BH4 的生物合成

BH4 是由吡嗪環(huán)和吡啉嘧啶構(gòu)成的非蛋白有機(jī)化合物，在體內(nèi)的合成場所位于胞漿，主要經(jīng)由從頭合成、循環(huán)合成以及補(bǔ)救合成等三個(gè)途徑合成[3-5]。在生理狀態(tài)下，從頭合成途徑產(chǎn)生的BH4 水平較低，體內(nèi)BH4 水平主要依靠循環(huán)合成和補(bǔ)救合成保持平衡穩(wěn)定。

1.1 BH4 的從頭合成 三磷酸鳥苷（GTP）是BH4 從頭合成的原料。在該途徑中，GTP 環(huán)氧水合酶Ⅰ（GCH-1）、6-丙酮酰四氫生物喋呤合成酶（PTS）、墨喋呤還原酶（SPR）是主要的催化酶，其中GCH-1 是關(guān)鍵的限速酶。GTP 在GCH-1 催化下生成7，8-三磷酸二氫新喋呤，隨后該物質(zhì)在PTS 作用下生成6-丙酮四氫喋呤，最后由SPR 將6-丙酮四氫喋呤轉(zhuǎn)化為BH4。這一系列酶聯(lián)反應(yīng)過程，需要Zn2+、Mg2+、NADPH 等物質(zhì)參與酶蛋白基團(tuán)活化、電子傳遞等。

1.2 BH4 的循環(huán)合成 BH4 不僅是酶促反應(yīng)的輔助因子，也作為重要原料參與合成苯丙氨酸羥化酶、色氨酸羥化酶、酪氨酸羥化酶等。上述酶在細(xì)胞內(nèi)亦可轉(zhuǎn)化生成4α-羥基-四氫喋呤，在喋呤-4α-甲醇胺脫水酶作用下，4α-羥基-四氫喋呤可轉(zhuǎn)化酶喹諾酮二氫喋呤，最后經(jīng)醌型二氫喋呤還原酶作用還原為BH4，從而實(shí)現(xiàn)BH4 的循環(huán)利用。

1.3 BH4 的補(bǔ)救合成 GTP 在GCH-1 作用下生成的7，8－三磷酸二氫新喋呤可經(jīng)從頭合成生成BH4，也可以進(jìn)入補(bǔ)救合成途徑。在醛糖還原酶/羰基還原酶作用下形成6-乳酰四氫喋呤/6-乳酰-7，8-二氫喋呤，隨后被羰基還原酶還原為二氫生物喋呤（BH2），最后經(jīng)二氫葉酸還原酶作用生成BH4。

2 BH4 與心血管疾病

BH4 能夠穩(wěn)定內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）的二聚體結(jié)構(gòu)并與之耦合，催化L-精氨酸轉(zhuǎn)化為L-胍氨酸和NO。NO 不僅可作為神經(jīng)遞質(zhì)，還是重要的血管內(nèi)皮舒張因子，也具有抗炎、抗動(dòng)脈硬化、抗血小板聚集等功能。BH4 缺乏可導(dǎo)致eNOS 解偶聯(lián)，使得NO 合成減少，過氧化物合成增多，血管內(nèi)皮受損，所以BH4 對于心血管疾病的病理進(jìn)展有一定程度的調(diào)節(jié)作用[6]。

研究發(fā)現(xiàn)，給予自發(fā)高血壓大鼠模型BH4 聯(lián)合奈必洛爾治療能夠通過一氧化氮/環(huán)鳥苷單磷酸（NO/cGMP）通路降低心肌氧化應(yīng)激，并對舒張功能障礙具有改善作用[7]，而且BH4 能夠改善去氧皮質(zhì)酮/鹽高血壓小鼠模型內(nèi)皮祖細(xì)胞的功能[8]。此外，BH4 能夠改善動(dòng)脈粥樣硬化血管的氧化還原狀態(tài)和氧化應(yīng)激，通過調(diào)節(jié)NOS 活性維護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞功能[9]。有報(bào)道稱，在缺血及再灌注時(shí)，過多的ROS 將BH4氧化為BH2，從而降低BH4 的生物利用度。急性或慢性外源性BH4 補(bǔ)充可通過減少缺血心肌的O2-和增加NO 的產(chǎn)生來維持心功能并減少心肌梗死[10]。缺血預(yù)處理（IPC），即在延長缺血時(shí)間（＞30 min）前進(jìn)行多個(gè)短時(shí)間（＜5 min）的缺血處理，可以顯著減少心肌梗死，保護(hù)心臟收縮力，這一現(xiàn)象的機(jī)制之一可能是抑制BH4 氧化并刺激JAK-2 通路誘導(dǎo)GCH1上調(diào)生成BH4 而實(shí)現(xiàn)[10]。此外，在房顫模型中，心肌BH4 含量明顯下降，而外源性給予BH4 能降低房顫的誘發(fā)率，通過GCH-1 過表達(dá)使得BH4 含量升高，對于房顫神經(jīng)重構(gòu)具有抑制作用[11]。

總之，BH4 是心血管系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以通過改變微環(huán)境氧化應(yīng)激狀態(tài)、調(diào)控血管相關(guān)活性物質(zhì)的生成等影響內(nèi)皮舒縮功能和電生理功能，是潛在的心血管疾病治療靶點(diǎn)。

3 BH4 與代謝性疾病

在營養(yǎng)物質(zhì)代謝過程中，BH4 也發(fā)揮著重要作用。胰島素在調(diào)節(jié)血糖代謝的同時(shí)，可以刺激活化eNOS 與BH4 偶聯(lián)，從而產(chǎn)生NO 調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞功能。當(dāng)血糖過高時(shí)，超氧化物產(chǎn)生會增加，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂、BH4 氧化，使得BH4 與eNOS 解偶聯(lián)，NO 合成減少而加劇內(nèi)皮功能障礙，如此往復(fù)，加重疾病進(jìn)展[12，13]。Oguri Y 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，BH4 缺乏的hph-1 小鼠在控制飲食或高脂肪飲食條件下，其肥胖、胰島素抵抗、葡萄糖不耐受和褐色脂肪組織（BAT）功能障礙的發(fā)生率均要高于對照組小鼠。BAT 功能障礙涉及線粒體腫脹，線粒體源基因表達(dá)異常，線粒體解偶聯(lián)蛋白－1 水平下降等，與機(jī)體代謝性疾病嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)。因此，BAT 可作為肥胖、2 型糖尿病等疾病潛在的治療靶點(diǎn)[15]。外源性補(bǔ)充BH4 或移植富含BH4 的BAT 可明顯改善代謝障礙，增強(qiáng)分化型褐色脂肪細(xì)胞的線粒體耗氧量，其機(jī)制可能與BH4 通過NO 和去甲腎上腺素信號調(diào)控BAT 功能有關(guān)[14]。

一磷酸腺苷激酶（AMPK）是糖代謝、脂代謝、蛋白質(zhì)合成和氧化還原調(diào)節(jié)等能量代謝的主要調(diào)節(jié)因子，AMPK 的活化能夠增強(qiáng)細(xì)胞對脂質(zhì)、糖類的分解代謝，抑制營養(yǎng)過?；蜓装Y引起的代謝性疾病。其活性的喪失則可能導(dǎo)致包括肥胖、胰島素抵抗、2 型糖尿?。═2DM）、非酒精性脂肪肝等在內(nèi)的代謝性疾病。在2 型糖尿病中，GCH-1 的降解和BH4 的氧化使得BH4 的生物利用率明顯降低，而AMPK 激活可通過減少GCH-1 降解從而抑制2 型糖尿病誘導(dǎo)性BH4 降低。研究發(fā)現(xiàn)，用BH4 處理糖尿病小鼠，可引起小鼠AMPK 活性增加，肝臟糖異生減少，血糖降低，這表明BH4 和AMPK 之間存在正反饋調(diào)節(jié)機(jī)制[16，17]。

在蛋白質(zhì)代謝方面，BH4 對于苯丙氨酸代謝的至關(guān)重要。苯丙氨酸代謝需要苯丙氨酸羥化酶參與，而BH4 是其重要輔酶，BH4 缺乏導(dǎo)致苯丙氨酸不能夠代謝成為酪氨酸，而是從旁路途經(jīng)生成苯丙酮酸和苯乳酸，高濃度苯丙氨酸會對中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆損傷，使患者產(chǎn)生智力低下、自閉癥、癲癇、運(yùn)動(dòng)障礙等臨床癥狀[18]。對于BH4 缺乏型苯丙酮尿癥患者予以BH4 治療可以明顯降低體內(nèi)苯丙酮酸水平，緩解臨床癥狀[19]。此外，BH4 可作為線粒體電子傳遞過程中的輔助因子，對線粒體功能也有調(diào)節(jié)作用。BH4 對于線粒體DNA 的轉(zhuǎn)錄過程有影響，線粒體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧自由基會損傷線粒體DNA，從而影響氧化磷酸化過程。BH4 有強(qiáng)大的還原能力，是清除線粒體內(nèi)多余的活性氧自由基的途徑之一[20]。BH4 的消耗也會影響線粒體內(nèi)氧化磷酸化酶復(fù)合體（Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ)、ATP 合成酶的水平，從而改變能量代謝狀態(tài)[21，22]。

4 BH4 與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

BH4 從多個(gè)方面影響神經(jīng)系統(tǒng)功能。BH4 是多巴胺和5－羥色胺等單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的合成和分泌的關(guān)鍵輔助因子，BH4 的缺乏可導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)反應(yīng)性障礙和神經(jīng)退行性改變。在大腦、肝臟、肌肉等富含線粒體的組織中，BH4 缺乏也通過mTORC1 信號通路失活誘導(dǎo)自噬導(dǎo)致細(xì)胞自噬和功能異常，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙、肌張力受損、運(yùn)動(dòng)失調(diào)、癲癇發(fā)作、智力愚鈍等功能障礙[23-25]。

BH4 水平變化伴有多巴胺、5－羥色胺等神經(jīng)遞質(zhì)功能異常，從而導(dǎo)致阿爾茲海默病（AD）和帕金森?。≒D）等神經(jīng)系統(tǒng)退行性病變。有研究通過動(dòng)物模型探究BH4 與AD 的關(guān)系，該研究發(fā)現(xiàn)，給予轉(zhuǎn)基因小鼠AD 模型高脂肪飲食后再用BH4 處理，AD小鼠記憶功能在一定程度上有所改善，而且BH4 逆轉(zhuǎn)了小鼠葡萄糖耐受不良的情況，雖然并沒有改善淀粉樣蛋白及Tau 蛋白的神經(jīng)病理損害，但也證實(shí)服用BH4 對改善AD 認(rèn)知障礙和代謝缺陷有潛在的益處[26]。另一研究采用原位灌流技術(shù)檢測BH4 通過血腦屏障的量和腦內(nèi)BH4 水平，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)BH4濃度升高，多巴胺水平上升，刺激增強(qiáng)了小鼠的行動(dòng)力[27]。BH4 通過參與合成神經(jīng)遞質(zhì)、代謝苯丙酮酸等神經(jīng)毒性物質(zhì)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能，對于神經(jīng)精神相關(guān)癥狀的改善具有積極作用，但其具體的作用機(jī)制和應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究證實(shí)[28]。BH4 對于神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響具有重要研究價(jià)值，探索其機(jī)制有望為延緩神經(jīng)退行性改變和改善精神癥狀提供可靠靶點(diǎn)。

5 BH4 與疼痛

疼痛是由痛覺感受器、神經(jīng)纖維及痛覺中樞共同參與的防御性機(jī)制。損傷、炎癥等病理狀態(tài)會刺激痛覺神經(jīng)通路引起痛覺。個(gè)體之間對于疼痛的敏感性和耐受性有所不同，提示疼痛與基因相關(guān)。GCH-1是疼痛相關(guān)基因之一，單倍體GCH-1 基因轉(zhuǎn)錄水平偏低可導(dǎo)致BH4 合成降低，因而GCH-1 基因單倍體人群對于疼痛有更高的閾值和耐受性[29]。

有研究在術(shù)后疼痛大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，大鼠切口組織內(nèi)BH4 水平明顯升高，而敲除SPR 基因的大鼠模型因BH4 合成受阻而對于疼痛有更高的耐受性[30]。在炎癥性疼痛模型中，給予SPR 抑制劑以減少BH4 合成，發(fā)現(xiàn)炎癥細(xì)胞浸潤減少，疼痛敏感性降低[31]。BH4 水平變化導(dǎo)致疼痛反應(yīng)性差異的機(jī)制還尚未明確，有研究指出，可能是由于BH4 參與多巴胺、腎上腺素、5-羥色胺、去甲腎上腺素、NO 等多種神經(jīng)遞質(zhì)的合成，而這些物質(zhì)在痛覺傳導(dǎo)通路中是重要的信號分子，在受損神經(jīng)元中也發(fā)現(xiàn)NOS 和NO 的水平明顯升高，說明BH4 水平變化導(dǎo)致痛覺改變可能是多種信號通路共同作用導(dǎo)致[32，33]。BH4合成通路對于改善疼痛是明確的，且對不同種類的疼痛均有類似調(diào)節(jié)作用，對于改善神經(jīng)性疼痛、癌性疼痛等頑固性疼痛有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

6 BH4 與腫瘤

BH4 是一氧化氮合成酶（NOS）發(fā)揮活性生成NO 的關(guān)鍵因子。NOS 根據(jù)其存在部位以及生理和病理不同狀態(tài)下的效應(yīng)，NOS 可分為結(jié)構(gòu)型一氧化氮合酶合酶（cNOS）和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）。iNOS 在正常細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，當(dāng)機(jī)體處于炎癥或者腫瘤等疾病狀態(tài)時(shí)，iNOS 被誘導(dǎo)表達(dá)，iNOS 是由氧化結(jié)構(gòu)域及還原結(jié)構(gòu)域組成同源二聚體結(jié)構(gòu)，BH4 能夠穩(wěn)定NOS 的二聚體結(jié)構(gòu)。當(dāng)體內(nèi)BH4 充足時(shí)，BH4 耦合iNOS 催化L-精氨酸生成NO、L-胍氨酸和水；當(dāng)BH4 缺乏時(shí)，iNOS 則催化產(chǎn)生O2-和H2O2等反應(yīng)氧分子[34，35]。已有研究表明[36]，BH4 能夠增加NO 的生成，在一定濃度下NO 能激活血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）刺激實(shí)體腫瘤新生血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖分化，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，其機(jī)制可能與激活Ras 及PI3K/Akt 通路相關(guān)。

除了BH4 以外，BH4 合成通路的相關(guān)酶類和中間代謝產(chǎn)物也被證實(shí)和腫瘤的生長和血管形成有相關(guān)性，但結(jié)論有所差異。研究表明，抑制GCH-1 表達(dá)降低BH4 合成后移植瘤腫瘤體積減小，機(jī)制可能與NO 含量降低、M2 型腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞浸潤減少有關(guān)。但也有研究發(fā)現(xiàn)[37]，BH4 除了通過NO 促進(jìn)腫瘤增殖以外，BH4 及其合成通路相關(guān)酶類和中間代謝產(chǎn)物（GCH-1、SPR、墨喋呤等）還有一定的抗腫瘤作用。上述物質(zhì)能夠調(diào)節(jié)激活T 淋巴細(xì)胞免疫反應(yīng)性，從而發(fā)揮腫瘤殺傷作用。

關(guān)于BH4 對于腫瘤是促進(jìn)還是抑制作用目前尚無明確定論，產(chǎn)生促瘤和抑瘤效應(yīng)的機(jī)制各不相同，進(jìn)一步探索兩種機(jī)制之間的差異和聯(lián)系有助于利用BH4 合成通路為腫瘤治療提供新的方向。

7 總結(jié)

BH4 在物質(zhì)代謝、能量代謝等方面的效應(yīng)參與體內(nèi)各系統(tǒng)病理生理過程，對維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)有重要價(jià)值。對于心血管疾病、代謝性疾病、疼痛、腫瘤可通過不同途徑和機(jī)制調(diào)控疾病的進(jìn)展。目前大部分研究都未能清晰闡述各類疾病中BH4 具體的作用通路，深入了解BH4 及其合成通路相關(guān)分子的藥理學(xué)作用和生物活性能夠進(jìn)一步明確上述疾病的病理生理機(jī)制。以BH4 生物學(xué)功能為依據(jù)，在BH4 的生理效應(yīng)和病理效應(yīng)之間找到平衡的著力點(diǎn)并加以利用，是將BH4 轉(zhuǎn)化為疾病治療靶點(diǎn)的關(guān)鍵，有望為相關(guān)疾病的治療提供新的方向和選擇。