同型半胱氨酸體內代謝及調節的研究進展

呂海宏 湯旭磊

目前研究認為同型半胱氨酸不僅是心腦血管疾病的獨立危險因素，并且也認為是骨質疏松性骨折的獨立危險因素。臨床應用上，同型半胱氨酸主要作為心血管疾病，尤其是冠狀動脈粥硬化和心肌梗塞的危險指標，它的濃度升高程度與疾病的危險性成正比；進一步研究認為同型半胱氨酸與腦血管疾病、高血壓、骨質疏松和腎臟疾病也有密切相關性，因此同型半胱氨酸與臨床疾病的關系日益引起人們的重視。

1 同型半胱氨酸（Hcy）代謝

人體內Hcy的來源是必需氨基酸-蛋氨酸(Met)的脫甲基作用，此過程產生2個中間化合物S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)和S-腺苷同型半胱氨酸(AdoHcy)[1]。因此，Hcy是一種含硫氨基酸，是蛋氨酸代謝的中間產物，是體內一碳單位代謝的一個正常中間產物。AdoMet 由MAT(ATP-L-methionine S-adenosyltransferase)催化生成，ATP的腺苷轉移到MET，在核糖的5-C和氨基酸的S原子間產生1個硫酰基，形成一個高能復合物。MAT有2個不同的同工酶，其中一個是肝臟特異性的，另一個是組織非特異性的[2]。第1種與Met有相對高的Km，第2種與Met的Km 較低。研究表明，體內甲基團的利用主要存在肌酸形成反應中，它消耗的AdoMet比所有其它的轉甲基反應的總和更多[3]。Hcy主要參與甲基轉移的代謝，Hcy體內代謝包括4條途徑:(1)甲基化途徑（見圖1）。在甲基化途徑中，Hcy接受甲基四氫葉酸提供的甲基轉化為甲硫氨酸，后者經活化生成AdoHcy，而AdoMet是一個活潑的甲基供體，是體內超過115種轉甲基反應的重要甲基供體[4]，包括DNA、RNA及脂質，常見的DNA甲基化 (DNA methylation)即以AdoMet為甲基供體，由甲基轉移酶催化形成，是一種重要的表觀修飾，在基因表達和調控中擔當關鍵角色[5]。AdoMet捐出甲基后轉變為AdoHcy，大多數AdoMet依賴的甲基轉移酶可以被AdoHcy所抑制。AdoHcy在AdoHcy水解酶作用下水解而成腺苷酸和Hcy。AdoHcy水解酶廣泛分布于哺乳動物各種組織中，是一種有效的甲基轉移酶抑制劑，可抑制甲基化過程。AdoHcy水解酶為一可逆性反應酶，催化的反應是可逆的，但按照熱力學平衡方程，平衡向合成AdoHcy的方向移動，而不是向水解的方向移動。不管哪種選擇，AdoHcy都可以被細胞內結合蛋白移除，或者可能部分被移出細胞外。在體內，不管是Hcy還是腺苷常常被快速移除，以便水解酶向分解的方向作用。AdoMet/AdoHcy的比率常被作為細胞內甲基化的預測因子。體內四氫葉酸在5-二甲基四氫葉酸還原酶(5-MTHFR)的作用下生成N,CH 3-四氫葉酸，進一步提供1個甲基，以維生素(VitB12)為輔基，與Hcy反應再甲基化生成蛋氨酸，即為甲硫氨酸循環。(2)轉硫化途徑。此條途徑是甲硫氨酸（Met）代謝的主要途徑，在此過程中，硫原子轉化為半胱氨酸(Cys)。轉硫反應主要發生在肝和腎臟，Hcy與絲氨酸在胱硫醚合成酶(CBS)的催化下，以VitB6為輔酶，縮合成胱硫醚，繼而在γ-胱硫醚裂解酶催化作用下，仍以5-磷酸吡哆醛為輔酶，胱硫醚裂解為半胱氨酸和牛磺酸，半胱氨酸硫原子經過大量酶促反應氧化為硫酸鹽，其中大部分作為尿無機鹽從體內排泄。這是一條不可逆代謝途徑。(3)甲基化替代途徑。甜菜堿可提供1個甲基與Hcy反應，再甲基化為甲硫氨酸。(4)Hcy直接釋放到細胞外液，在體內發揮各種生理作用。

在第1種情形下，包含輔酶甲鈷胺的甲硫氨酸合酶(MS)催化5-甲基四氫葉酸到Hcy的轉甲基反應，生成甲硫氨酸和四氫葉酸(THF)。這個反應發生在除紅細胞外的所有細胞，它包含了中間產物甲鈷胺結合酶(methylCbl)[6]。在這點上，Hcy代謝與細胞內的葉酸循環緊密聯系。實際上，甲硫氨酸合酶(MS)是唯一的轉化葉酸和5-甲基四氫葉酸為四氫葉酸的酶，而THF對體內各種細胞功能有重要的支持作用。這些包括細胞必須攝取葉酸的谷氨酸聚合反應。THF經過絲氨酸羥甲基轉移酶(SHMT)和輔因子絲氨酸和PLP催化作用進一步轉換為5,10-亞甲基四氫葉酸(5,10-methyleneTHF)。在亞甲基四氫葉酸還原酶和輔助因子FADH 2（FAD是維生素B2的活性形式）的還原作用下，5,10-亞甲基四氫葉酸被還原為5-甲基四氫葉酸，參與Hcy的再甲基化（見圖1）[7]。由于葉酸是以5-甲基四氫葉酸形式出現在在循環中，并且MTHFR所催化的反應不可逆，為了產生THF和其它的活性葉酸（嘌呤和嘧啶代謝所需要的），進入細胞的葉酸應該通過MS催化的反應傳遞；而MS是依賴甲鈷胺的催化反應，所以甲鈷胺缺乏可能會干預細胞內葉酸循環，導致5-甲基四氫葉酸的積聚和其它葉酸衍生物的缺失[8]。甜菜堿是膽堿氧化的一個中間產物，甜菜堿依賴的再甲基化過程需在甜菜堿Hcy甲基轉移酶(BHMT)的作用下，甜菜堿作為甲基供體，使Hcy再循環為甲硫氨酸和非葉酸甲基供體。BHMT主要在肝臟和腎臟中表達。

圖1 同型半胱氨酸代謝和甲硫氨酸循環示意圖

2 Hcy 濃度的調節

Hcy代謝的調控包括上調和下調參與再甲基化和轉硫化途徑中的各種酶。甲硫氨酸（Met）抑制MS和BHMT；AdoMet 抑制BHMT，同時也抑制肝MAT和MTHFR；但是它也可以活化CBS和肝MAT，間接輔助甘氨酸N-甲基轉移酶作用[3]。甘氨酸N-甲基轉移酶(GNMT)催化依賴S-腺苷基蛋氨酸的甘氨酸甲基化形成N-甲基甘氨酸(肌氨酸)，而5-甲基四氫葉酸可以抑制此種作用[9]。當AdoMet濃度升高時，MTHFR的催化作用被抑制，因此，5-甲基四氫葉酸的濃度將會減小，對GNMT的抑制作用也因之減少。GNMT將轉化過多甲基團為非毒性產物(肌氨酸)，結果AdoMet濃度下降到正常。因此，增加AdoMet濃度會抑制葉酸依賴性和非依賴性的Hcy再甲基化，會促使Hcy通過轉硫化途徑的分解代謝和通過GNMT產生肌氨酸。

如上所述，細胞內的Hcy濃度應該在嚴格控制下，由于AdoHcy可以影響轉甲基反應，因此，體內它的濃度增加應該被避免；AdoHcy水解酶反應的動態特征，使細胞內Hcy濃度可以保持在嚴格范圍內。通過葉酸依賴的再甲基化可以保證細胞內最佳Hcy濃度，一旦超過這種能力，Hcy將會主動導出細胞外(見圖2)。Blom等[10]假設可能存在降低Hcy濃度的運載體進行穿膜作用，并且這種作用可能被AdoMet、AdoHcy和Hcy嚴格控制。因此，血漿Hcy濃度密切的反應了細胞內Hcy和AdoHcy濃度，同時也反應了代謝途徑中各個反應環節的完整性。

當Hcy進入血液后，由于它的巰基在氧化環境下的高反應性，它將很快氧化和/或經歷一系列二硫化物取代反應，可用的取代基可以是巰基和二硫化物混合物，也可以是Hcy、Cys、谷胱甘肽、γ-谷氨酰半胱氨酸、半胱氨酰甘氨酸或蛋白質（主要白蛋白）(見圖2)。因此，在正常血漿中的Hcy，僅僅1%～2%是以游離Hcy形式存在（具有1個自由的巰基團），剩余的98%是以氧化的Hcy形式存在，如以二氧化硫形式存在[11-14]；并且這些中間大約75%與蛋白結合，剩余部分以非結合蛋白的二氧化硫形式存在。tHcy主要指經過定量的雙硫鍵還原裂解后所出現的Hcy總量(見圖2)，目前臨床和科研上被廣泛應用。

肝腎是完成Hcy分解代謝和排出的主要器官，這些器官表達高濃度的CBS和BHMT。除此之外肝臟特異性MAT也呈高水平表達，且與Met有相對高Km。實際上，雖然在幾種組織CBS是可以測量的，但是在肝腎外它的活性太低而不足以顯著促進Hcy代謝[15]。相應地，肝腎細胞的攝取可能要求能夠識別Hcy不同存在形式的載體、通道或者受體(見圖2)。肝臟代謝占主要部分的Hcy結合蛋白，而剩余部分低分子量Hcy混合物很可能通過腎臟代謝，它們通過腎臟細胞時，由于細胞內的還原條件，Hcy將被釋放和代謝。Refsum等[16]實驗計算血漿中大約有70% Hcy被腎臟代謝，強調了腎功能對維持血循環中Hcy正常濃度的重要性。

圖2 同型半胱氨酸代謝的調節—細胞攝取、輸出和氧化[10]

3 高 Hcy 血癥的診斷和影響因素

3.1 高 Hcy 血癥（Hyperhomocysteinaemia,HHcy）HHcy指血循環中總Hcy(tHcy)濃度增加的狀況。血漿tHcy的測量有2種，即空腹狀態和半胱氨酸負荷后檢查(MLT)；這2種檢查都被應用于生化診斷檢測。空腹狀態下血漿tHcy測定，正常參考范圍在假定健康人統計值的2.5%～97.5%區間[17]；MLT包含2種檢測，一個是空腹血漿tHcy測定，另一個是經過攝取標準(100 mg/kg)（非生理量）半胱氨酸2～6 h后tHcy的重復測定。這種檢測起初用來檢測診斷CBS缺陷的雜合現象，現在常用來鑒別診斷空腹血漿tHcy可能正常，但是Hcy代謝輕度損傷的個體。MLT一直被認為是比較安全的檢查[18]，但有報道1例MLT檢測患者死亡可能與使用半胱氨酸負荷劑量過大有關[19]。另外，MLT的臨床價值也一直被懷疑和不確定[20-21]。盡管如此，人們仍然認為異常的MLT結果還是可以反映轉硫化途徑的異常，而空腹狀態下高Hcy血癥反映Hcy再甲基化的缺陷。

3.2 HHcy血癥影響因素 如上文所述，如果體內細胞代謝Hcy的能力超過正常，Hcy即會輸出到細胞外，直到細胞內Hcy的水平正常時才會停止。假如有任何因素影響細胞內Hcy代謝，細胞將不能達到理想濃度，那么Hcy將持續輸出，最終導致Hcy積聚在血液中，引起HHcy血癥。我們根據基因背景的缺失和存在，將這些影響因素進行分類如下。

3.2.1 Hcy血癥的非基因調節

(1)營養因素：血漿tHcy的影響因素顯然包括不適當的維生素B族濃度，維生素B族在Hcy代謝中的作用非常重要，因為B族維生素擔當Hcy代謝酶的輔因子或底物。如圖1所示，PLP是維生素B6的活性形式，是反應酶CBS、γ-胱硫醚酶和SHMT的輔因子；FAD是維生素B2的活性形式，是酶MTHFR和MS的輔因子，FMN是維生素B2的另一種活性形式，是MS的輔因子；甲鈷胺是維生素B12的活性形式，是MS酶的輔因子；葉酸（維生素9）在Hcy再甲基化的葉酸作用途徑中是協同底物。維生素B族缺陷可能是輕中度高Hcy血癥的最普遍的原因[22]。維生素B12作為蛋氨酸合成酶的輔酶，它的濃度降低引起Hcy形成蛋氨酸受阻而致Hcy水平升高[23]。維生素B6是胱硫醚β合成酶及胱硫醚酶的輔酶，它的缺乏致酶活性下降引起Hcy代謝障礙。葉酸缺乏導致Hcy再甲基化障礙，并且影響亞甲基四氫葉酸還原酶的活性，進一步影響甲基四氫葉酸的生成，導致Hcy水平明顯升高。血漿tHcy濃度與血漿中葉酸、維生素B12和維生素B6呈負相關，并且與這些維生素的攝取也呈負相關[24]。其中呈現最一致聯系的是與葉酸的低攝取和葉酸的低血漿濃度負相關[25-28]。HHcy血癥的當前治療證實作為血漿tHcy非基因影響因素的維生素作用，它常可以減少空腹高Hcy血癥的25%；維生素B12可以減少空腹tHcy濃度的7%，而維生素B6對空腹tHcy濃度卻沒有作用[29]，但是它卻可以減少MLT tHcy濃度20%～30%[30]。有研究顯示，在維生素B2與tHcy濃度之間也有一定的負相關關系[31]，然而這種聯系被限定在低血漿濃度的對象并且基因型是MTHFR 677 TT[32]。

(2)腎功能：血清肌酸酐一直是影響空腹tHcy濃度的決定因素之一，反映了在這些濃度下腎功能的作用[33-35]。肌酸合成是AdoMet依賴性的轉甲基反應，這也說明了在正常人群中，肌酐與空腹tHcy濃度之間的直接聯系[36-37]，腎衰竭常伴隨著tHcy濃度的升高[34]。有研究報道，腎小球濾過率與血漿tHcy濃度呈顯著負相關[33,35]。相應地，半胱氨酸蛋白酶抑制劑C作為腎小球濾過率的標志物和tHcy濃度的主要影響因素，在健康人群和腎衰病人中，它的濃度也與血漿tHcy濃度有相關性[38-39]。然而在這些患者中，高Hcy的根本原因仍不清楚。目前認為，受損的腎臟清除能力、代謝物增加或者葉酸代謝缺陷都不能解釋腎功能衰竭時的HHcy血癥，唯一可能的原因是腎功能下降和腎外Hcy的代謝[40]。

(3)性別：基于大規模人群研究明確顯示，血漿高tHcy濃度與男性人群密切相關，男性比女性人群更高[41-43]。Fukagawa等[44]的研究進一步表明，絕經前女性再甲基化和轉甲基化率都高于男性，這可能是由于MS和BHMT酶活性存在性別相關的差異；而研究認為在絕經期婦女tHcy濃度的增加可能由于類固醇激素的影響[45-48]。雌激素增加甜菜堿Hcy轉甲基酶活性，從而促進Hcy代謝，降低其血漿濃度[49]。男性Hcy水平較高還與男性肌酐濃度和肌肉含量較高有關[50]；由于肌酐與肌肉質量有關，男女性血液循環中肌酐有差異性，這可能會部分解釋tHcy濃度的性別相關性差異[51]。男性和女性人群中維生素B營養狀況不同也可以促使這種差異更顯著。

(4)年齡：血漿Hcy濃度隨著增齡會逐漸增加[52-53]，從青少年階段到老年階段tHcy血漿濃度大約增加1倍[54]。目前認為原因可能與老年人維生素B6、維生素B12攝取水平下降，出現不同程度的腎功能減退和胱硫醚酶活性降低，導致tHcy血漿濃度增加[55]。

(5)其它因素：妊娠期間血漿tHcy濃度顯著減少[56]。吸煙、咖啡、缺乏鍛煉和飲酒都可以增加血漿tHcy濃度。令人感興趣的是，適度飲酒者比不飲酒者血漿tHcy濃度更低[57]。有些藥物如氨甲喋吟、卡馬西平、苯妥英鈉通過干擾葉酸或含硫氨基酸代謝，引起一過性血漿Hcy升高。傳統的心血管危險因素如血脂和血壓也與血漿tHcy濃度呈正相關[58]。某些疾病如乳腺癌、胰腺癌、卵巢癌，急性淋巴細胞白血病、糖尿病時可以觀察到Hcy水平升高。

3.2.2 Hcy血癥的基因調節

(1)CBS缺乏：由于CBS缺陷引起的HHcy血癥和高胱氨酸尿癥（homocystinuria）是一種常見的先天性代謝缺陷性疾病，我們以高胱氨酸尿癥說明Hcy的調節，此病常有典型的臨床表現和病理特征[59]。高胱氨酸尿癥存在2種主要表現型，一種是輕度的PLP易感型，另一種為更嚴重的非易感型；影響到4種組織器官主要包括：眼睛、骨骼、中樞神經系統和血液系統[60]，然而這些聯合損傷的潛在病理生理機制并沒有完全清楚。此病最主要和最頻繁的死亡原因是血栓栓塞，血管閉塞可以發生在任何血管和任何年齡[3]。生化檢測發現不管在血漿還是尿中，患者具有高濃度的tHcy；并且血漿中有高濃度的Met。早期降低tHcy治療包括單獨補充維生素B6或者與葉酸和甜菜堿聯合補充，盡管并不是十分理想的生化治療，但還是可以顯著降低威脅生命的心血管危險因素[61-62]。

最新研究發現，CBS基因有100多種突變，被繪制在21 q 22.3；大多數的變異是錯義突變，I 278 T和G 307 S是最普遍的變異。此外，還發現了剪接變異，插入突變和中間缺失等基因變異[63-65]。人類CBS是同源四聚體，結合了2種輔因子（PLP和血紅素）[66]。PLP參與基本結構反應，血紅素可能作為氧化-還原的傳感器[67]。每個CBS單體有551個氨基酸殘基，結合2個底物(Hcy和絲氨酸)，進而被AdoMet所調節。

(2)MTHFR缺陷：高胱氨酸尿癥也可以由于MTHFR基因變異而導致[68-70]。這種罕見的常染色體異常引起高Hcy血癥和具有低或正常的蛋氨酸濃度的高胱氨酸尿癥，其原因為Hcy再甲基化為Met能力下降。臨床癥狀包括血管和神經上的異常；此種患者有較低的酶活性，并發現與出現癥狀時的年齡相關[71]。迄今為止，研究報道已發現33種MTHFR基因變異現象，這些變異可以引起嚴重的高Hcy血癥[8]。

(3)功能性MS缺陷：蛋氨酸合酶(MS)(CblG)和還原酶(MSR)(CblE)缺陷是一種罕見的情況，細胞內鈷胺族（Cbl）代謝紊亂間接影響了MS活性，也導致高胱氨酸尿癥的發生[8]。鈷胺族經過在細胞溶膠中第一步共同反應后，它轉化為活性形式：腺鈷胺和甲鈷胺。其中腺鈷胺形成在線粒體，是甲基丙二酰輔酶A變位酶的輔助因子，可以轉化甲基丙二酰輔酶A為琥珀酰CoA。甲鈷胺通過MS的催化作用在胞質溶膠生成，5-甲基THF提供甲基團給酶結合的鈷胺，通過轉甲基作用生成甲鈷胺，隨后甲基團從甲鈷胺傳遞給Hcy生成Met[72]。MS的活性又要依賴MSR催化鈷銨(Ⅱ)生成鈷銨(Ⅰ)的復合作用來完成[73]。CblG可以引起編碼MS的MTR基因變異而導致酶作用異常；CblE引起編碼MSR的MTRR 基因變異，兩者都導致不能產生MS的輔因子甲鈷胺[74]。這兩種病因引起的疾病表現出同樣的生物化學檢測結果（無甲基丙二酸的高胱氨酸尿癥）和臨床特征，臨床特征包含了大量的血液和神經精神系統的異常。兩種病因只能通過體細胞互補分析才能鑒別它們之間的差異。

綜上所述，Hcy的體內代謝是人體非常重要的代謝途徑，其代謝途徑中的異常會導致體內多種疾病的發生；HHcy的調節有基因和非基因調節因素，如果調節因素異常將會導致高同型半胱氨酸血癥，并引起某些相關臨床疾病的發生，因此對于Hcy的代謝及調節因素的研究具有非常重要的意義。

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