內(nèi)源性氣體信號(hào)分子的合成代謝及生物學(xué)效應(yīng)

肖 軍 滕繼林

(山東省泰山學(xué)院生物與釀酒工程學(xué)院 泰安 271021)

20世紀(jì)80年代中期，內(nèi)源性氣體分子一氧化氮(NO)被發(fā)現(xiàn)是一種在機(jī)體中傳遞信息的活性分子，提出了“氣體信號(hào)分子”這一全新概念。20世紀(jì)90年代中期，科學(xué)家又陸續(xù)在機(jī)體中發(fā)現(xiàn)一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)等幾種氣體信號(hào)分子。近幾十年的研究表明：機(jī)體內(nèi)源性的NO、CO和H2S在信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色，包括調(diào)節(jié)心血管和神經(jīng)系統(tǒng)的生理及病理活動(dòng)等，具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。

1 內(nèi)源性氣體信號(hào)分子的合成代謝

1.1 NO的合成代謝 體內(nèi)NO是由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)蛋白家族在氧氣存在下催化L-精氨酸產(chǎn)生。NO沒(méi)有專門(mén)的儲(chǔ)存及釋放調(diào)節(jié)機(jī)制，靶細(xì)胞上NO的多少直接與NOS的活性密切相關(guān)，因此NOS是一種NO合成的限速酶。NOS存在三種同工酶[1]：腦或神經(jīng)元NOS(neuronal NO synthase，nNOS或NOS I)；誘導(dǎo)型NOS(inducible NO synthase，iNOS或NOS II)及內(nèi)皮NOS(endothelial NO synthase， eNOS或NOS III)。eNOS高表達(dá)于血管內(nèi)皮細(xì)胞，nNOS主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，合成和釋放NO的神經(jīng)元被定義為硝基能神經(jīng)元。eNOS和nNOS都能被細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高而激活，受鈣離子-鈣調(diào)蛋白(Ca2+-CaM)調(diào)控，持續(xù)表達(dá)產(chǎn)生低濃度的NO。iNOS最早被發(fā)現(xiàn)于巨噬細(xì)胞，后來(lái)發(fā)現(xiàn)其在血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞等細(xì)胞中也有分布。這些細(xì)胞在受到各種刺激因子,包括內(nèi)毒素(endotoxin)、白細(xì)胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)、干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)等，作用后誘導(dǎo)激活，以非依賴于Ca2+-CaM調(diào)控的方式催化NO的快速合成。NO在細(xì)胞外極不穩(wěn)定，其半衰期只有2～30s，被氧化后以亞硝酸根(NO2-)和硝酸根(NO3-)的形式存在于細(xì)胞內(nèi)外液中，少量通過(guò)呼吸作用排出體外。

1.2 CO的合成代謝 在體內(nèi)存在著多個(gè)合成并釋放CO的生理代謝途徑，其中依賴于還原型輔酶-Ⅱ(NADPH)的血紅素加氧酶(heme oxygenase，HO)所催化的亞鐵血紅素分解生成CO是最主要的途徑。血紅素加氧酶存在三種同工酶[2]：血紅素加氧酶-1 (HO-1)屬于誘導(dǎo)型，可被內(nèi)毒素、低氧和氧化劑等誘導(dǎo)。HO-1廣泛分布于脾臟、肝臟和骨髓等代謝活躍的器官，對(duì)誘導(dǎo)刺激都十分敏感。血紅素加氧酶-2(HO-2)和血紅素加氧酶-3(HO-3)為結(jié)構(gòu)型，是細(xì)胞生理狀態(tài)下的主要存在形式。HO-2主要分布于腦內(nèi)，在血管平滑肌和內(nèi)皮細(xì)胞中也有表達(dá)，腎上腺糖皮質(zhì)激素可上調(diào)HO-2的表達(dá)。HO-3主要分布于脾臟和肝臟等，其作用可能是調(diào)節(jié)依賴血紅素的基因表達(dá)，但活性較低。生理?xiàng)l件下，人體每小時(shí)生成的CO接近20mmol，體內(nèi)生成的CO大部分通過(guò)呼吸作用排出體外。

1.3 H2S的合成代謝 哺乳動(dòng)物體內(nèi)H2S以含硫的半胱氨酸和同型半胱氨酸為底物，由胱硫醚-β-合酶 (cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)和3-巰基丙酮酸轉(zhuǎn)硫酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)通過(guò)酶促反應(yīng)生成。這些酶的分布具有組織特異性[3]。CBS高表達(dá)于神經(jīng)系統(tǒng)，CSE則主要分布在心肌和血管組織中，而在肝臟和腎臟兩者都有分布。3-MST主要分布于腦和紅細(xì)胞中。體內(nèi)的H2S大部分在細(xì)胞線粒體中被迅速氧化成硫代硫酸鹽或硫酸鹽。H2S的代謝產(chǎn)物在24h內(nèi)通過(guò)腎臟、腸道和肺被排出，因此，H2S在正常生理?xiàng)l件下很少蓄積[4]。

2 內(nèi)源性氣體信號(hào)分子的生物學(xué)效應(yīng)

內(nèi)源性氣體信號(hào)分子對(duì)維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)以及調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng)和細(xì)胞凋亡起著十分重要的作用。

2.1 維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) NO、CO和H2S這三種氣體信號(hào)分子均具有心血管效應(yīng)，但其作用機(jī)制互不相同，并且三者之間存在一定的協(xié)同作用，對(duì)維持心血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著重要的作用。

2.1.1 NO的作用機(jī)制 Rapopon等提出NO可以激活可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)、升高環(huán)鳥(niǎo)苷酸(cGMP)而發(fā)揮擴(kuò)血管作用。Wu LY等發(fā)現(xiàn)NO還可以作用于平滑肌細(xì)胞膜上大電導(dǎo)型鈣依賴性鉀通道(big-conductance calcium-activated K channel，BKca)的β亞單位，增加其開(kāi)放概率，促使細(xì)胞膜超極化，導(dǎo)致血管平滑肌舒張。Xie等認(rèn)為心臟中的NO促使心肌舒張，降低耗氧量，其作用機(jī)制可能與NO抑制線粒體呼吸有關(guān)。Hare等發(fā)現(xiàn)NO還可以拮抗β-腎上腺受體的正性肌力作用，導(dǎo)致心率減慢、心輸出量減少。

2.1.2 CO的作用機(jī)制 與NO相似，CO也通過(guò)激活sGC提高細(xì)胞內(nèi)cGMP水平，進(jìn)而舒張血管平滑肌。兩者對(duì)細(xì)胞內(nèi)cGMP水平的調(diào)節(jié)在不同的生理及病理?xiàng)l件存在微妙的平衡關(guān)系[5]。Wu LY等提出平滑肌細(xì)胞胞膜上BKca是NO和CO的另一共同分子靶點(diǎn)，CO作用于BKca通道的α亞單位，同樣導(dǎo)致血管平滑肌舒張。Chen等研究發(fā)現(xiàn)，低氧能誘導(dǎo)心臟HO-1的表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)CO的合成增多，后者通過(guò)擴(kuò)張血管而增加心臟血流供應(yīng)、發(fā)揮心臟保護(hù)作用。研究表明CO供體能減輕心肌細(xì)胞和離體大鼠心臟的缺血再灌注損傷。Shi等的研究表明，NO可以通過(guò)上調(diào)HO的表達(dá)促進(jìn)CO產(chǎn)生；而CO則通過(guò)抑制NOS的活性和NOS mRNA的表達(dá)與NOS競(jìng)爭(zhēng)輔酶等多種方式抑制NO的產(chǎn)生。

2.1.3 H2S的作用機(jī)制 內(nèi)源性的H2S誘導(dǎo)的血管舒張有別于NO 和CO通過(guò)sGC-cGMP 通路只作用于平滑肌，其舒張效應(yīng)可以通過(guò)不同的機(jī)制既作用于平滑肌細(xì)胞，也作用于內(nèi)皮細(xì)胞[6]。H2S作用于內(nèi)皮細(xì)胞，可促進(jìn)血管舒張因子(例如，NO和eNOS抑制劑)的釋放而顯著舒張血管。Hosoki等的研究發(fā)現(xiàn)，H2S 單獨(dú)擴(kuò)張平滑肌的作用較弱，而在與 NO 共存的情況下，兩者的協(xié)同舒張效應(yīng)就大大提高。H2S作用于平滑肌，可抑制細(xì)胞外Ca2+內(nèi)流，降低細(xì)胞內(nèi)游離鈣水平；或作用于平滑肌細(xì)胞上的KATP通道，使KATP通道開(kāi)放，細(xì)胞膜超極化而順次關(guān)閉電壓門(mén)控Ca2+通道，同樣使細(xì)胞內(nèi)游離鈣水平降低，直接導(dǎo)致血管平滑肌舒張，且這種舒張效應(yīng)不依賴于內(nèi)皮細(xì)胞。

2.2 調(diào)節(jié)神經(jīng)活動(dòng) 在神經(jīng)系統(tǒng)中通過(guò)酶促反應(yīng)生成的NO、CO和H2S氣體信號(hào)分子作為神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)正常生理功能的維持起著重要的作用，并與神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病密切相關(guān)。

2.2.1 NO的作用機(jī)制 nNOS是神經(jīng)系統(tǒng)中NO合成的主要酶。研究表明NO作為逆行信使從突觸后膜釋放，彌散至突觸前末梢，刺激突觸前膜的興奮性氨基酸——谷氨酸遞質(zhì)的不斷釋放，從而誘導(dǎo)海馬CA1區(qū)(hippocampus 1區(qū))的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)( long-term potentiation，LTP)，參與調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)、記憶及神經(jīng)再生等功能。在動(dòng)物模型中抑制NOS能夠損傷學(xué)習(xí)能力、導(dǎo)致記憶缺失。NO還參與血壓的中樞調(diào)節(jié)，例如在髓質(zhì)和下丘腦抑制nNOS活性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性高血壓。外周神經(jīng)系統(tǒng)中，很多平滑肌組織受硝基能神經(jīng)元的支配，這些神經(jīng)元表達(dá)nNOS，生成的NO被視為是一種特殊的神經(jīng)遞質(zhì)，在其效應(yīng)細(xì)胞中能激活NO敏感的sGC，從而降低各種類型平滑肌的緊張度，發(fā)揮舒張血管作用。

2.2.2 CO的作用機(jī)制 CO 與NO一樣是LT P的逆行信使，調(diào)節(jié)記憶和認(rèn)知功能。CO亦參與腦細(xì)胞的能量代謝，可激活腦浦肯野神經(jīng)元中的sGC，促進(jìn) cGMP的生成增加，進(jìn)一步激活蛋白激酶G(PKG)，引起α3-Na+-K+-ATP 酶活性增加。CO 還可調(diào)節(jié)下丘腦促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(corticotropin releasing hormone，CRH) 和促性腺激素釋放激素(gonadotropin-releasing hormone ，GnRH)的釋放。另外，CO通過(guò)調(diào)節(jié)孤束核傳入神經(jīng)介質(zhì)谷氨酸的突觸后作用，影響壓力感受器活性，抑制CO合成，降低突觸后傳遞，反射性升高動(dòng)脈血壓。

2.2.3 H2S的作用機(jī)制 內(nèi)源性H2S在腦內(nèi)的濃度可達(dá)50～160 μmol·L-1，表明它對(duì)大腦功能的調(diào)節(jié)具有一定的生理功能。研究發(fā)現(xiàn)，H2S選擇性易化N-甲基-D-天冬氨酸受體( N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)而促進(jìn)LTP效應(yīng)，當(dāng)封閉NMDA時(shí)，H2S 的LTP 易化效應(yīng)消失，提示H2S可能不像NO和CO一樣充當(dāng)逆行性信使[7]。H2S還可調(diào)控下丘腦-垂體-腎上腺軸，例如，Navarra P等發(fā)現(xiàn)增加下丘腦H2S的水平，可控制CRH釋放。Lee、Zhang、Bindu等的研究表明，H2S在神經(jīng)退行性疾病如帕金森病(PD)、阿爾茲海默病(AD)、亨廷頓舞蹈病(HD)中發(fā)揮重要但的作用，這與其抗氧化應(yīng)激和抗炎作用有關(guān)。

2.3 調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡 諸多研究證實(shí)NO、CO和H2S對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)作用都呈現(xiàn)為促進(jìn)或抑制的雙重調(diào)控，即對(duì)不同細(xì)胞及同一種細(xì)胞的不同分化階段或不同疾病的凋亡作用有異質(zhì)性。在體內(nèi)，氣體信號(hào)分子促進(jìn)還是抑制細(xì)胞凋亡取決于其濃度、氧化還原的環(huán)境及細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)機(jī)制[8]。

2.3.1 NO的作用機(jī)制 NO誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的途徑有多種，其中最重要的是其與超氧陰離子反應(yīng)生成的過(guò)氧亞硝酸根(ONOO-)所引起的DNA損傷和突變，并進(jìn)一步導(dǎo)致多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase，PARP)的激活和ATP的消耗，直接影響線粒體結(jié)構(gòu)和能量代謝。而NO抑制細(xì)胞凋亡則可通過(guò)抑制半胱天冬酶(caspase)以及細(xì)胞保護(hù)蛋白質(zhì)(例如，熱休克蛋白HSP32和HSP70)的活性，直接抑制Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)，遏制凋亡信號(hào)的傳導(dǎo)；NO還可調(diào)控線粒體的結(jié)構(gòu)和線粒體膜的通透性，阻止細(xì)胞色素C的釋放，從而延緩細(xì)胞的凋亡。

2.3.2 CO的作用機(jī)制 杜軍保等的研究發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)皮細(xì)胞上低濃度的CO通過(guò)p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)-核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信號(hào)通路，抑制TNF-α導(dǎo)致的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。在低氧性肺動(dòng)脈高壓(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)中，CO表現(xiàn)為促進(jìn)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞低氧性凋亡，是緩解肺血管結(jié)構(gòu)重建機(jī)制的重要組成部分；在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)病中，CO抑制細(xì)胞因子(IFN-γ、TNF-α和IL-1β)誘導(dǎo)的主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞凋亡[9]。

2.3.3 H2S的作用機(jī)制 閆輝等研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性H2S可抑制血管平滑肌細(xì)胞異常增殖并促進(jìn)其凋亡。H2S可能下調(diào)凋亡抑制因子B-細(xì)胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)及NF-κB水平，最終激活Caspase-3達(dá)到促進(jìn)平滑肌細(xì)胞凋亡、緩解血管結(jié)構(gòu)重構(gòu)的效應(yīng)。Henderson、Kang等研究發(fā)現(xiàn)：H2S在體外能顯著減少由缺血-再灌注損傷(ischemia-reperfusion injury, IRI) 引起的細(xì)胞凋亡，從而為缺血-再灌注損傷提供組織生存力。徐霞等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，H2S活化p38 MAPK抑制劑(SB203580)誘導(dǎo)的大鼠肝星狀細(xì)胞(hepatic stellate cells，HSCs) p38MAPK的磷酸化途徑，進(jìn)而激活Caspase-3引起HSC-T6的凋亡。Yin等實(shí)驗(yàn)表明：H2S能通過(guò)補(bǔ)充丟失的線粒體膜電勢(shì)及減少胞內(nèi)活性氧簇(reactiveoxygen species，ROS)來(lái)保護(hù)細(xì)胞由甲基-4-苯基吡啶離子引起的細(xì)胞凋亡。

3 小結(jié)

三種氣體信號(hào)分子有著相似的作用性質(zhì)，且相互調(diào)控，它們的合成、儲(chǔ)存和釋放的模式與經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)、激素和生長(zhǎng)因子等信號(hào)分子大不相同。更重要的是，它們發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)的途徑也與其他化學(xué)信號(hào)存在很大的差異。但是，細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)重要的特征之一是多種信號(hào)通路通過(guò)復(fù)雜的“交叉對(duì)話”(cross talk)構(gòu)成信號(hào)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以整合調(diào)控的模式精確控制細(xì)胞活動(dòng)。氣體信號(hào)分子與其他類型信號(hào)分子之間以及氣體信號(hào)分子之間復(fù)雜的相互調(diào)節(jié)作用尚待進(jìn)一步合理解釋和科學(xué)的論證。