四氫生物蝶呤在糖尿病性受損內皮細胞糖代謝中的作用

盧曉云

（華僑大學生物醫學學院，福建 泉州 362021）

四氫生物蝶呤（BH4）是治療高苯丙氨酸血癥的有效藥物[1]。近年來發現BH4也是高等生物體內一氧化氮合酶發揮生物活性的關鍵輔助因子，在調控血管內皮細胞一氧化氮（NO）的合成、維持機體血管健康方面具有重要作用。BH4充足時，eNOS耦聯成活化二聚體，催化底物L-精氨酸生成NO和L-瓜氨酸；當BH4缺乏時，eNOS脫耦聯，催化底物生成過氧化物[2]。有研究顯示，糖尿病性的動脈血管硬化及其他血管疾病有著一個共同特點：NO的生物活性降低及過氧化物生成增加，導致內皮細胞功能性受損[3]。在高糖環境，BH4合成減少及氧化缺失是血管內皮細胞功能性受損的一個重要因素。因此，BH4可作為修復糖尿病性內皮細胞受損的一個治療靶點，并在糖代謝方面具有重要作用。

1 BH4是糖尿病性內皮細胞受損的治療靶點

血管內皮不只是血液與機體組織的簡單屏障，還在調控血管張力及結構上發揮著關鍵作用。血管內皮細胞來源的NO，是維持血管穩態的一個重要調控因子。BH4作為eNOS功能的重要調控者，最近被認為是治療血管內皮受損的合理靶點。

在糖尿病患者中，高血糖引發的氧化應激及NO生物活性的降低是內皮細胞功能性受損的主要誘發因子。高血糖通過兩種途徑減弱內皮細胞NO生物活性：一是NO迅速與活性氧族分子發生氧化作用，生成過氧亞硝酸鹽（ONOO-）失活；二是由于胰島素耐受，PI3K/Akt信號下調，eNOS磷酸化下調及eNOS的脫耦聯，導致NO的合成受損。

BH4不足，是糖尿病環境下內皮細胞NO生物活性降低的重要原因。研究顯示，高血糖可誘導鳥苷三磷酸環化水解酶（GTPCH）蛋白酶體依賴性的降解。GTPCH是BH4從頭合成途徑中的第一個限速酶，其降解引起BH4合成減少，和（或）BH4發生氧化應激，而導致內皮細胞內BH4供應不足，eNOS不能耦聯形成活化的二聚體結構，NO合成量下降，最終內皮功能受損。在人動脈內皮細胞內高表達GTPCH基因，可有效提高細胞內BH4及NO水平，減少過氧化物的產生，改善受損內皮功能[4]。db/db小鼠長期口服BH4補充合成途徑的底物墨蝶呤，可預防內皮受損及氧化應激[5]。長期口服BH4治療的高膽固醇血癥患者，其耐受內皮受損及氧化應激的能力明顯增強[6]。

2 BH4影響糖代謝的作用機制

有文獻顯示，BH4能提高2型糖尿病患者的葡萄糖處理。在調控并維持機體葡萄糖的穩態平衡方面，PI3K/Akt、MAPK及AMPK信號通路，均發揮著重要作用；它們的失調可導致肥胖和糖尿病的發生[7]。以下，將主要通過BH4介導的NO通路與三者之間的交叉談話，來闡述BH4在調控內皮細胞糖代謝的可能機制。

2.1 PI3K/Akt：在哺乳動物體內，PI3K/Akt信號通路被認為是胰島素作用細胞代謝的主要效應器。PI3K/Akt下游與糖代謝相關的效應器有：①AS160：GAP上的多個絲氨酸/蘇氨酸位點磷酸化失活，GTP代替GDP結合Rab形成活化結構，推動GLUT4囊泡向細胞膜上運送[8]；②mTORC1：加強依賴于缺氧誘導因子1α作用的GLUT1/3、磷酸甘油酸激酶1、乳酸脫氫酶A和丙酮酸脫氫酶激酶基因的轉錄翻譯[9]，上調糖酵解過程；③GSK-3β：磷酸化失活，恢復糖原合酶活性，促進糖原合成[10]；④FOXO1：磷酸化失活，下調6-磷酸-葡萄糖激酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶轉錄表達，抑制內源性葡萄糖的增加[11]。

在2型糖尿病中，由于胰島素分泌不足，導致PI3K/Akt-eNOS的下調，是導致內皮細胞功能損傷的主要原因。PI3K/Akt可活化GTPCH來加強BH4合成，促進NO生成[7]，調控內皮功能。通過添加墨蝶呤及增強轉基因GTPCH的表達，發現，BH4的合成可通過活化eNOS提高NO的合成，正反饋調節PI3K/Akt通路[12]。另在人血管平滑肌細胞（hVSMC）中發現，NO可介導cGMP/PKG通路促進胰島素刺激下葡萄糖的轉運；加入NOS抑制劑，則能完全抑制胰島素介導的葡萄糖運送及GLUT4轉位[13]；這過程可能依賴PI3K/Akt信號通路的活化[14]。這些間接提示，BH4的合成，可介導NO調控PI3K/Akt，來調節內皮細胞的糖代謝。

2.2 MAPK：MAPK是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，主要包括三個亞族：ERK1/2，JNK1/2和p38 MAPK。典型的MAPK/ERK通路的活化，能上調GLUT1的表達，加強葡萄糖的轉運[15]。MAPK/ERK與胰島素信號途徑存在著交叉會談：MAPK/ERK作用于特定的轉錄因子，上調胰島素樣受體基因的轉錄表達，提高胰島素敏感性[16]。而JNKs、p38 MAPK具有相反的作用，它們的活化會導致IRS絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，產生胰島素抵抗效應[17]。

NO對ERK1/2的活化作用，研究發現：在人骨髓微血管內皮細胞的培養液中加入NONOate，能促進ERK1/2的磷酸化[18]；在hVSMC中，NO通路可劑量及時間依賴性地激活ERK1/2通路[13]。這顯示，BH4具有活化ERK1/2通路，調控其下游葡萄糖代謝信號的可能。對于p38MAPK和JNK通路，BH4可通過本身具有的強還原性，及通過促進NOS耦聯，減少NOS解耦聯狀態下產生的大量過氧化物，來避免氧化應激引起的p38 MAPK和JNK活化。

2.3 AMPK：AMPK是種能量應激傳感器，由催化功能亞單位α和兩個調控亞單位β、γ組成異源三聚體結構。當胞內AMP/ATP上升和（或）α亞單位Thr172磷酸化，AMPK活化：促進GLUT4向細胞膜轉位，上調葡萄糖的攝入[19]；活化6-磷酸果糖激酶2，加速2，6-二磷酸果糖的合成[20]，增強糖酵解過程、。LKB1/AMPK信號通路磷酸化TORC2，使其核輸出[21]，抑制葡萄糖內源性再生。

精胺氮氧化加合物可促進人骨骼肌細胞葡萄糖的轉運，并伴隨AMPK-α1活性的加強[22]。內皮細胞中，LKB1和CaMKKβ是AMPK活化的兩種蛋白激酶。研究發現，NO可通過上調內皮細胞胞內Ca2+濃度，激活CaMKKβ，活化AMPK；而ONOO-亦可依賴于磷酸化LKB1，增強LKB1-AMPK間的作用，激活AMPK[23]。這顯示，AMPK可能具有調控內皮細胞功能的作用。AMPK也被認為是NOS的上游調控激酶。metformin和AICAR的添加，能有效抑制GTPCH Ⅰ的降解，增加BH4與NO水平[24]。

3 結 語

綜上所述，BH4已成為治療修復糖尿病性內皮功能紊亂的重要靶點。BH4主要是通過維持eNOS的耦聯狀態，促使NO的合成及減少O2-的產生，來調節內皮細胞正常的生理功能。在糖尿病機體中，由于胰島素分泌不足或細胞胰島素抵抗，糖代謝功能是紊亂的。BH4或可通過介導上調NO合成，與糖代謝信號相關的PI3K/Akt、MAPK及AMPK通路發生交叉會談（圖1），來調控內皮細胞的糖代謝。這可能是BH4修復糖尿病性的內皮細胞功能受損的進一步可能機制。

圖1 BH4介導NO信號調控內皮細胞糖代謝的可能機制

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