硫化氫和同型半胱氨酸在動脈粥樣硬化病變中的研究現狀

劉會娟，周春陽

(川北醫學院藥學院，川北醫學院藥物研究所，四川 南充 637007)

硫化氫和同型半胱氨酸在動脈粥樣硬化病變中的研究現狀

劉會娟，周春陽△

(川北醫學院藥學院，川北醫學院藥物研究所，四川 南充 637007)

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)性病變是目前世界上心血管疾病的發生率與死亡率高的首位原因，嚴重危害人們的生命健康安全。動脈粥樣硬化主要累及大中動脈，是一種慢性復雜的累進型病理過稱。高同型半胱氨酸血癥(Hyperhomocysteinemia，HHcy)是動脈粥樣硬化形成的獨立危險因子，它可以通過轉硫基作用等轉化成硫化氫，但是其致病機制尚未完全闡明。近年來，硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)因其在心血管健康和內穩態調節平衡方面的諸多積極性作用而受到重要關注。新近研究發現H2S在動脈粥樣硬化病變過程中發揮重要作用。AS的發生發展與同型半胱氨酸(homocysteine，Hcy)和H2S存在一定的內在聯系，本文擬對此方面的研究和認識作一綜述。

同型半胱氨酸;硫化氫;動脈粥樣硬化;胱硫醚-β-合成酶;胱硫醚-γ-裂解酶

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)性病變是目前世界上心血管疾病的發生率與死亡率高的首位原因，嚴重危害人們的生命健康安全。動脈粥樣硬化的特點是受累動脈的病變從內膜開始，先后有多種病變合并存在，包括局部有脂質和復合糖類積聚、纖維組織增生和鈣質沉著形成斑塊，并有動脈中層的逐漸退變，繼發性病變尚有斑塊內出血、斑塊破裂及局部血栓形成(稱為粥樣硬化-血栓形成，atherosclerosis-thrombosis)。到目前為止，AS的發病機制尚未最后闡明。學說很多，如脂質浸潤學說、平滑肌突變學說、炎癥學說、內皮損傷學說、單核-巨噬細胞作用學說等。

大量流行病學調查顯示高同型半胱氨酸血癥(hyperhomocysteinemia，HHcy)與外周血管、腦血管和冠狀動脈疾病存在密切相關性。H2S是同型半胱氨酸(homocysteine，Hcy)的代謝產物之一，由甲硫氨酸循環代謝而來。研究發現硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)在動脈粥樣硬化病變過程中發揮重要作用。本文擬對在AS的發生發展中與Hcy和H2S的內在聯系的研究和認識作一綜述。

1 硫化氫的體內合成與同型半胱氨酸代謝

在體內，H2S的來源主要通過酶促途徑。三種酶催化H2S的產生:胱硫醚-β-合成酶(cystathionineβ-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γlyase，CSE或CGL)和三巰基丙酮酸轉硫酶(3-mercaptopyruvate sulphurtransferase，MPS)。在哺乳動物中，H2S主要是由體內含硫氨基酸如L-半胱氨酸、甲硫氨酸和胱氨酸在兩種5'-磷酸吡多醛依賴性酶即CBS和CSE(CGL)催化下產生的。CBS主要表達于腦、外周神經系統、腎、肝，而CSE除在肝臟以外，主要表達于心、血管內皮及平滑肌細胞，是心血管系統中H2S的主要來源。紅細胞是內源性H2S的另一個來源，紅細胞內源性H2S的產生主要依賴巰基丙酮酸轉硫酶(sulphurtransferase，MPST)的作用［1］。H2S的生理濃度因不同的器官而不同，從1 nmol/g組織到100 nmol/g組織。血中H2S濃度約為10～300 μmol/L。在pH 7.4的生理性水溶液中，1/3的H2S以氣體分子存在，2/3被解離為H+和HS－。

除酶促途徑外，體內H2S也可來源于非酶促途徑，如:硫元素、含于大蒜中的無機及有機多價硫等［2］。內源性H2S的也可來源于腸道菌叢。

Hcy的產生與轉化涉及到一個重要的物質代謝循環，即蛋氨酸循(methionine cycle)。蛋氨酸是人體必需的含硫氨基酸，須由食物供給。蛋氨酸在體內由蛋氨酸腺苷轉移酶催化與ATP作用生成S－腺苷蛋氨酸(S-adenosylmethionine，SAM)，SAM在甲基轉移酶作用下，將甲基轉移至另一物質，使其甲基化，自身轉變成S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine，SAH)，后者進一步脫去腺苷，生成Hcy。Hcy生成后通過轉硫基途徑或再甲基化途徑代謝［3］，同型半胱氨酸是蛋氨酸和L-半胱氨酸代謝過程中的一個中間產物。在正常情況下，CBS可使同型半胱氨酸與絲氨酸縮合為胱硫醚［4］，代謝掉多余的Hcy。體內H2S的產生主要由CBS和CSE催化的酶促途徑［5－6］，其底物主要是蛋氨酸循環中的Hcy以及L-半胱氨酸(圖1)。

CBS和CSE催化產生H2S的多個反應是相同的，但在不同的組織器官或底物濃度，CBS和CSE對H2S的貢獻率存在差異［7］。總體而言，70%主要來源于半胱氨酸的αβ消除，約30%來源于同型半胱氨酸αγ消除，在HHcy情況下，H2S主要來源于Hcy，并與之成比例［5］。Chen等［8］研究發現，CBS催化生成H2S的主要機制不是通過半胱氨酸水解產生，而是通過半胱氨酸和Hcy置換反應實現的，這個途徑產生H2S的量至少是通過半管氨酸水解產生的H2S的50倍。

H2S和Hcy都是含硫氨基酸代謝產物，Hcy作為H2S的底物促進后者產生。

2 硫化氫和同型半胱氨酸對AS的作用

血漿Hcy水平升高可促進動脈粥樣硬化和血栓形成，是動脈粥樣硬化性病變的獨立危險因素。周春陽［9］提出Hcy致AS的可能涉及的因素有:內皮功能損害、氧化應激反應、非對稱二甲基精氨酸、內質網應激、DNA低甲基化對血管平滑肌的作用、蛋白同型半胱氨酸化。Wang等［10］研究發現，硫化氫可以縮小動脈粥樣硬化斑塊，延緩AS斑塊的形成，體內H2S水平的下降是AS形成的重要原因之一。H2S對AS的作用機制包括:H2S對血管內皮的保護作用、抑制低密度脂蛋白修飾和脂質攝取、抑制血管鈣化、抑制平滑肌細胞增殖等。

2.1 硫化氫對血管內皮的保護

內皮細胞在維持血管壁功能的完整性上起重要作用。一旦內皮受損，則失去它的生理作用，并促進AS的早期和后期機制。內皮功能障礙包括黏附分子如細胞間黏附分子-1(intercellular adhesionmolecule-1，ICAM-1)和血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesionmolecule-1，VCAM-1)分泌增加、白細胞黏附、內皮細胞對脂質和血漿其它成分的滲透性提高、單核巨噬細胞向內膜遷移等。H2S的內皮保護功能很有可能是通過抗細胞凋亡、抑制內皮細胞炎癥分子的表達、抑制內皮細胞增生等發生作用的。彭湘萍等［11］報道H2S對內皮細胞損傷有保護作用，且保護作用強弱與劑量有關，其機制可能與降低氧自由基抗氧化作用有關。內皮細胞凋亡嚴重破壞血管內皮的完整性，促進AS的發生發展。根據Wang等［10］的報道，H2S可以抑制ICAM-1的表達與分泌，從而抑制動脈粥樣斑塊形成。賀銳等［12］研究報道H2S很可能是上調粥樣斑塊內的白細胞介素-10(IL-10)的表達，以發揮抑制動脈粥樣硬化硬化斑塊的形成的作用。Yang等［13］報道，H2S能抑制細胞增生，其功能是通過調節ERK和P21使CSE超表達來發揮的。

2.2 抑制低密度脂蛋白修飾和脂質攝取

低密度脂蛋白(low density lipoprotein，LDL)是血漿中的一類脂蛋白，一旦修飾后即轉為促AS形成的重要物質。Jeney等［14］報道H2S還可抑制氯化血紅素介導LDL發生的氧化修飾，并抑制OX-LDL誘導的內皮細胞氧化應激蛋白血紅素加氧酶-1的表達，保護內皮細胞免受OX-LDL的細胞毒性。而大量研究報道過氧化脂質是OX-LDL致AS形成的重要成分，由此推測H2S可能通過抑制LDL修飾和清除過氧化脂質而維持內環境的穩態、保護細胞。被修飾的LDL蓄積于內膜，進而被巨噬細胞攝取形成泡沫細胞是AS病變的早期事件之一。

2.3 抑制血管平滑肌細胞增殖

平滑肌細胞增殖在血管損傷疾病中是一個重要事件，尤其是動脈粥樣硬化。Baskar等［15］報道稱硫化氫抑制大鼠血管平滑肌細胞增殖。血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)因具有非選擇性地促DNA合成和細胞分裂增殖、刺激AS成纖維細胞及血管平滑肌細胞增生作用，并促進動脈內膜增厚和粥樣斑塊的發展，導致斑塊不穩定和破裂出血、形成血栓而越受重視。陳世健等［16］報道補充外源性H2S可抑制VEGF的表達，減輕血管損傷程度，提示H2S具有抗大鼠動脈粥樣硬化的作用，其機制可能與其抑制AS大鼠血管VEGF的表達有關。

2.4 H2S/CSE途徑

Wu等［17］指出在鈣化大鼠心血管組織中，CSE/H2S通路顯著下調，血漿、心肌和主動脈組織H2S含量減少，CSE活性降低、mRNA表達減少，而給予NaHS治療后，可顯著抑制鈣化大鼠血壓升高，減少血管鈣超載和45Ca2+沉積，降低ALP活性等。這些結果提示，CSE/H2S可能參與動脈粥樣硬化發病的調節，且其機制遠未闡明。Li等［18］報道，通過上調主動脈H2S/CSE途徑，洋蔥提取物能明顯減少大鼠動脈粥樣硬化。

2.5 抑制氧化應激和內質網應激

Tyagi等［19］報道H2S保護由HHcy介導的氧化應激反應對內皮的損傷。Chang等［20］研究發現H2S恢復CSE酶活性，加速清除由Hcy誘導的在離體線粒體情況下產生H2O2和超氧負離子。HHcy損害心肌的CSE/H2S系統，H2S保護心肌不受由Hcy誘導的氧化應激和內質網應激。Tang等［21］發現H2S拮抗Hcy誘導的氧化應激和神經毒性。Yan等［22］報道應用低水平NaHS(30～50μmol/L)可保護平滑肌細胞免受Hcy誘導的細胞毒性和活性氧類(H2O2、ONOO－、O2－)產生，改善細胞的存活能力。上述實驗提示內源性H2S可以抑制由Hcy介導的氧化應激和細胞毒性，細胞凋亡。總結見表1。

表1 高同型半胱氨酸與硫化氫的對抗作用比較

由此看來H2S和Hcy有明顯的對抗作用。這給我們一個新的提示含硫氨基酸的內源性平衡可能在治療HHcy血癥所致的疾病中是一個新的方向。

3 關鍵酶與硫化氫和同型半胱氨酸

雖然HHcy促進AS的形成，AS也時常伴有HHcy血癥;而H2S抑制AS的形成，AS時常伴有H2S的降低。但是有趣的是，Hcy能夠產生H2S。H2S是L-Hcy和半胱氨酸的代謝產物［23］，70%的H2S產生由CBS和CSE催化。Chiku等［24］報道，當高濃度Hcy時，起主要作用的是CSE，當Hcy濃度達200 mmol時，近90%H2S的生成由CSE起作用。CSE主要存在于心血管中，而CBS主要存在于神經系統中。在正常情況下，只有一半的Hcy能夠轉化成H2S。因此Tyagi等［25］提出一個可能的方案:如果通過基因治療在血管中能夠表達CBS，使Hcy轉化成H2S，或許可以減少HHcy引起的血管損害作用。

最近研究發現CSE轉錄受到核受體FXR(Farnesoid X Receptor)的調控，并可能因此而調節H2S的代謝。CBS或CSE損害或缺損都可能導致高Hcy血癥或尿癥，并增加包括動脈粥樣硬化在內的心血管疾病的發病風險［26］。

Bearden等［27］研究證實，血液中存在轉硫酶CBS和CSE活性，內皮細胞本身和肝臟可向環境分泌轉硫酶，當血管內皮細胞受Hcy損害時，通過轉硫途徑產生的H2S對培養內皮細胞饑餓和缺氧-再給氧損傷，以及氧化-還原應激(redox stress)具有保護作用，并認為該轉硫途徑產生的H2S可保護高Hcy所致的損傷。因此，機體通過轉化Hcy為H2S而發揮保護作用可以認為是機體對損傷的一種自身調節機制。

在對血透病人(慢性腎功能不良病人)的研究［28］中發現:Hcy和半胱氨酸的升高并伴有H2S降低，CSE的表達也明顯下調，并認為尿毒癥病人編碼產生H2S酶基因的轉錄性下調與其病理綜合征如高血壓、動脈粥樣硬化的形成等有關。

4 討論

根據酶促反應動力學，在其他因素不變的情況下，在底物濃度較低時，反應速度隨底物濃度的增加而急驟上升，兩者成正比關系，反應呈一級反應。隨著底物濃度的進一步增高，反應速度不再呈比例加速。反應速度增加的幅度逐漸下降。如果繼續加大底物濃度，反應速度將不再增加，表現出零級反應。此時的酶活性中心已被底物飽和。作為H2S的前體物質，當體內Hcy濃度增高時，H2S的量應該增加，但研究報道顯示體內HHcy血癥常伴有低H2S。迄今為止，其原因未見相關報道，筆者認為是否與酶活性飽和有關，有待進一步研究證實。H2S的不同濃度對細胞的功能也不明確，依照Baskar等［29］的總結來看，不同的H2S濃度對不同組織的正常細胞有不同的功能，可促進增殖也可抑制增殖。高濃度H2S是否對細胞有毒性作用，從而反過來抑制H2S產生相關酶活性，這些都有待進一步的研究。H2S水平的變化是否參與HHcy所致AS等病變機制尚不明確，不同濃度Hcy對細胞內H2S產生的濃度，對相關酶CBS，CSE的活性的影響的研究報道尚少。相信隨著對Hcy、H2S和AS關系及其作用機制更深入的了解，人們將為AS的預防和治療提供新的理論依據和臨床治療靶點。

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Hydrogen sulfide and homocysteine atherosclerotic lesions in the current status

LIU Hui-juan，ZHOU Chun-yang△
(School of Pharmacy，Institute of Materia Medica，North Sichuan Medical College，Nanchong 637007，Sichuan，China)

Atherosclerotic lesions are the primary cardiovascular disease causing the highest rates of mortality resulting in serious harm to people's health and safety of life.Atherosclerosis is a chronic，complex，and progressive pathological process in large and medium sized arteries.Hyperhomocysteinemia has been recognized as an independent risk factor for atherosclerosis，which is converted to hydrogen sulfide(H2S)through the transsulfuration pathway.Controversy still remains though about its pathogenesis.H2S has attracted considerable attention in recent years for many of its positive effects on vascular health and homeostasis.New research found H2S in the atherosclerotic lesions play an important role in the process as happened with Hcy and H2S，which have certain developmental internal relations.This paper reviews the research and understanding of these hydrogen sulfide processes.

Homocysteinemia;Hydrogen sulfide;Atherosclerosis;Cystathionine-β-synthase;Cystathionine-γ-lyase

1005-3697(2012)06-0547-05

R543

A

10.3969/j.issn.1005-3697.2012.06.007

四川省科技廳(05SG1862);四川省教育廳(11ZA193)

2012-10-06

劉會娟(1986－)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事心血管基礎與臨床藥理學方面的研究。

△通訊作者:周春陽，E-mail:chunyangzhou@hotmail.com網絡出版時間:2012-11-1217∶12

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1254.R.20121112.1712.017.html