同型半胱氨酸代謝紊亂對內(nèi)皮功能障礙影響的研究進展

吳英浪，路英杰，王曉云

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院心內(nèi)科，哈爾濱 150001)

心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)是導(dǎo)致人類死亡的主要疾病之一,是由內(nèi)皮功能受損或內(nèi)皮功能障礙引起并導(dǎo)致動脈硬化的一種慢性疾病，病機為血管壁中斑塊形成[1]。同型半胱氨酸(homocysteine，Hcy)由必需氨基酸甲硫氨酸衍生而來，不僅是蛋白質(zhì)合成的基石，還是S-腺苷甲硫氨酸的前體。細胞中發(fā)生的幾乎所有轉(zhuǎn)甲基化反應(yīng)均需要S-腺苷甲硫氨酸。研究表明，高Hcy水平可促進內(nèi)皮功能障礙和動脈粥樣硬化(atherosclerosis,As)的發(fā)生、發(fā)展[2]。Hcy與CVD風(fēng)險之間可能至少部分根源于細胞內(nèi)甲基轉(zhuǎn)移過程缺陷。內(nèi)皮細胞是血管壁穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子，具有調(diào)節(jié)血管張力、通透性、凝血纖溶、炎癥、細胞生長等多種功能[3]。這些功能的損害啟動一系列事件，進而觸發(fā)炎癥反應(yīng)，通常稱為內(nèi)皮細胞活化。有證據(jù)表明，Hcy通過干擾內(nèi)皮細胞功能發(fā)揮不良作用[4]，即Hcy會損害內(nèi)皮細胞調(diào)節(jié)血管張力的能力。現(xiàn)就Hcy的生物合成和分解代謝進行綜述，著重闡述高同型半胱氨酸血癥(hyperhomocysteinemia,HHcy)與內(nèi)皮功能障礙形成的機制。

1 Hcy的生物合成和分解代謝

由甲硫氨酸生成Hcy是人類合成Hcy的唯一途徑[5]。S-腺苷同型半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine，AdoHcy)是Hcy的前體，可通過Hcy水解酶進一步轉(zhuǎn)化為Hcy和腺苷，該反應(yīng)可逆，且AdoHcy的合成反應(yīng)易于水解反應(yīng)，但由于Hcy和腺苷在生理條件下能迅速除去，因此有利于水解反應(yīng)。此外AdoHcy也會積累，可能會抑制細胞的甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。根據(jù)AdoHcy水解酶反應(yīng)的動力學(xué)特征，細胞內(nèi)Hcy的水平受到嚴格控制。目前廣泛應(yīng)用于Hcy監(jiān)測的生化參數(shù)為血漿總Hcy，包括所有循環(huán)Hcy分子的還原或氧化形式。

Hcy可通過兩種替代途徑代謝：①通過轉(zhuǎn)硫途徑不可逆地降解。轉(zhuǎn)硫作用是甲硫氨酸代謝的主要途徑，主要發(fā)生在肝臟和腎臟，起始于Hcy與絲氨酸的縮合，胱硫醚-β-合成酶(cystathionine β-synthase，CBS)和磷酸吡哆醛作為輔助因子形成胱硫醚。胱硫醚在胱硫醚γ-裂解酶(cystathionine gamma-lyase，CSE)作用下裂解成半胱氨酸和氧代丁酸。②以5-甲基四氫葉酸或甜菜堿作為甲基供體，將Hcy再甲基化為甲硫氨酸。在以5-甲基四氫葉酸為甲基供體的情況下，甲硫氨酸合成酶將甲基從5-甲基四氫葉酸轉(zhuǎn)移至Hcy，形成甲硫氨酸和四氫葉酸。而甜菜堿依賴的再甲基化是利用非葉酸甲基供體和甜菜堿-Hcy甲基轉(zhuǎn)移酶將Hcy回收為甲硫氨酸。

2 HHcy與內(nèi)皮功能障礙的相關(guān)機制

2.1一氧化氮合成障礙 一氧化氮是內(nèi)皮細胞中重要的舒血管因子，由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)催化精氨酸氧化生成。研究發(fā)現(xiàn)，高水平Hcy可抑制NOS的作用，抑制一氧化氮合成，從而導(dǎo)致血管內(nèi)皮受損，進而損傷血管內(nèi)皮細胞[6]。此外，NOS也受精氨酸甲基化類似物的抑制，如L-單甲基-精氨酸和非對稱二甲基精氨酸(asymmetric dimethylarginine，ADMA)。循環(huán)ADMA水平的升高與As性血管疾病相關(guān)，L-單甲基-精氨酸缺乏導(dǎo)致As的原因可能由于其在血漿中的水平明顯低于ADMA[7]。另一種精氨酸類似物——對稱二甲基精氨酸雖然不抑制NOS的活性，但與精氨酸競爭陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運體，因此其水平升高可能會破壞細胞內(nèi)精氨酸的可用性和一氧化氮生成。大多數(shù)L-單甲基-精氨酸和ADMA在二甲基賴氨基水解酶(dimethylarginine dimethylaminohydrolase，DDAH)的作用下水解為二甲胺和瓜氨酸，而氧化應(yīng)激可降低DDAH的活性，從而引起ADMA升高。由于血漿總Hcy和ADMA的輕度升高與CVD的發(fā)病率相關(guān)，因此推測血漿總Hcy升高對內(nèi)皮細胞的有害影響可能由ADMA介導(dǎo)。有研究認為，Hcy對內(nèi)皮細胞的作用顯著抑制了DDAH和NOS的活性，導(dǎo)致一氧化氮生成減少，這可能與DDAH2(內(nèi)皮細胞中主要的DDAH亞型)的表達降低有關(guān)[8]。因此，抑制DDAH2的表達可能導(dǎo)致Hcy誘導(dǎo)內(nèi)皮功能障礙。

2.2硫化氫信號通路的失調(diào) 硫化氫是一種內(nèi)源性信號分子，可調(diào)控多種生理過程，并參與內(nèi)皮細胞穩(wěn)態(tài)的精細調(diào)控。CBS和CSE與硫化氫的生成密切相關(guān)。CBS催化半胱氨酸和Hcy合成硫化氫，CSE催化丙酮酸和硫代半胱氨酸的產(chǎn)生，然后硫代半胱氨酸被分解成硫化氫和半胱氨酸。正常情況下，CBS是腦血管系統(tǒng)中主要產(chǎn)生硫化氫的酶，而CSE/硫化氫途徑主要在心血管系統(tǒng)中起作用[9]。硫化氫通過硫化作用作用于內(nèi)皮細胞，在不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中發(fā)揮有益作用[10]。硫化氫通過抑制核因子κB途徑，激活鉀離子和鈣離子通道，抑制血管炎癥，且硫化氫可通過清除活性氧類(reactive oxygen species,ROS)和升級抗氧化防御機制降低內(nèi)皮細胞中ROS的水平[11]。此外，硫化氫可上調(diào)很多抗氧化酶[如過氧化氫酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶]的表達，內(nèi)皮硫化氫的產(chǎn)生可介導(dǎo)血管的舒張作用，參與血壓的生理維持，并可作為血管生成的內(nèi)源性刺激物[12]。一氧化氮與硫化氫途徑相互配合，維持了血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。

硫化氫的抗As特性與其在內(nèi)皮細胞穩(wěn)態(tài)中的作用相一致，硫化氫缺乏可能加速As，相反補充硫化氫可抑制As。有研究報道，在伴有HHcy的As小鼠中，硫化氫供體治療后As斑塊面積減小、巨噬細胞浸潤減少和血清Hcy水平降低[13]。既往研究發(fā)現(xiàn)，外源性硫化氫降低了載脂蛋白E敲除小鼠的血管炎癥、氧化應(yīng)激和As斑塊形成；通過激活CSE增加內(nèi)源性硫化氫的產(chǎn)生與As的減少相關(guān)[14]。

硫化氫生物利用紊亂可揭示與HHcy相關(guān)的內(nèi)皮功能障礙的進展和預(yù)后，HHcy可導(dǎo)致CSE和CBS下調(diào)，進而導(dǎo)致硫化氫耗竭，內(nèi)皮功能惡化，隨后引發(fā)與HHcy相關(guān)的血管疾病。外源性硫化氫可糾正內(nèi)皮功能障礙，并能夠保護這些細胞免受HHcy誘導(dǎo)的損傷[15]。以上研究表明，CBS缺乏可通過減少硫化氫誘導(dǎo)的血管舒張而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙。

2.3氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激在Hcy誘導(dǎo)的內(nèi)皮功能紊亂和As中有重要作用。HHcy可以通過不同的分子機制誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，如調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生或削弱相關(guān)的抗氧化系統(tǒng)[16]。

2.3.1調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生 最具生理學(xué)意義的ROS分別為羥基自由基、超氧陰離子和過氧化氫。Hcy自氧化可產(chǎn)生羥基自由基和過氧化氫[17]。但自氧化在Hcy誘導(dǎo)的細胞氧化應(yīng)激中的作用受到質(zhì)疑，因為其他硫醇(如半胱氨酸)的水平較Hcy高得多，也可進行自氧化，但與氧化還原平衡受損無關(guān)。細胞超氧陰離子主要由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，Nox)、黃嘌呤氧化酶或線粒體電子傳遞系統(tǒng)產(chǎn)生。Hcy可上調(diào)HHcy小鼠中Nox的表達，有助于超氧陰離子的生成[18]。Nox由Nox家族基因編碼，Nox2是內(nèi)皮細胞的主要亞型，Hcy水平與Nox2在人內(nèi)皮細胞中的表達存在相關(guān)性[19]。研究發(fā)現(xiàn)，Hcy與內(nèi)皮型NOS的解偶聯(lián)有關(guān)，可產(chǎn)生超氧陰離子[20]。超氧陰離子可被SOD轉(zhuǎn)化為過氧化氫，并與一氧化氮反應(yīng)生成過氧亞硝酸鹽。ROS和過氧化氫是核因子κB的活化因子，可增強與HHcy相關(guān)的促炎反應(yīng)。在培養(yǎng)的內(nèi)皮細胞中，Hcy可直接或間接通過AdoHcy積累提高過氧化氫水平。羥基自由基是最活躍的細胞ROS，可由過氧化氫分解產(chǎn)生，可促進低密度脂蛋白(low-density lipoproteins，LDL)氧化，對于As過程至關(guān)重要。

2.3.2削弱相關(guān)的抗氧化系統(tǒng) 有學(xué)者也強調(diào)了抗氧化系統(tǒng)失衡在Hcy介導(dǎo)的氧化應(yīng)激中的作用[21]。細胞中的抗氧化系統(tǒng)分為兩種，一種包含了中和ROS和降低氧化應(yīng)激的酶，如SOD、過氧化氫酶、GPx、硫氧還蛋白、過氧化物還原酶；另一種為非酶抗氧化劑，如谷胱甘肽和維生素A、C、E等ROS清除劑。谷胱甘肽是一種重要的細胞抗氧化劑，高Hcy水平與谷胱甘肽減少相關(guān)[22]，同時也與HHcy患者體內(nèi)維生素B12和維生素E的減少有關(guān)[16]。在HHcy小鼠和內(nèi)皮細胞中，GPx(GPx-1、GPx-2)、SOD(SOD1、SOD2)和硫氧還蛋白的表達減少[17]。一項關(guān)于H型高血壓患者的研究顯示，與血漿Hcy水平正常的患者相比，總Hcy水平高的患者血漿中ROS和過氧化氫酶的水平較低[21]。Hcy相關(guān)的ROS或抗氧化蛋白表達變化的分子機制尚不完全清楚，有研究強調(diào)了HHcy期間AdoHcy介導(dǎo)的甲基化潛能改變的重要性，如AdoHcy積累介導(dǎo)的甲基化失衡可能干擾調(diào)控細胞氧化還原平衡關(guān)鍵因子的表觀遺傳機制[2]。

2.4脂蛋白代謝紊亂 As是一種常見病，脂質(zhì)和脂蛋白代謝紊亂為其高危因素。LDL和高密度脂蛋白(high-density lipoprotein，HDL)是血漿中最豐富的脂蛋白，內(nèi)皮功能障礙時，LDL進入內(nèi)膜，在內(nèi)膜內(nèi)氧化并聚集在內(nèi)膜下，巨噬細胞大量攝取氧化的LDL，最終形成泡沫細胞，而泡沫細胞是As斑塊的主要成分。有報道顯示，Hcy可引起氧化應(yīng)激并導(dǎo)致LDL氧化[23]。Griffiths等[24]研究表明，從負載甲硫氨酸的人臍靜脈內(nèi)皮細胞中釋放的Hcy可促進LDL的硝化，Hcy誘導(dǎo)的LDL硝化也與單核細胞攝取能力的增強有關(guān)。甲基化LDL消除了LDL受體對LDL的識別，而HHcy相關(guān)的低甲基化可能會降低甲基化LDL，從而增加As中單核細胞或活化的巨噬細胞對LDL的攝取。

與LDL相反，HDL的血漿水平與CVD呈負相關(guān)，Hcy增高可降低血卵磷脂膽固醇酰基轉(zhuǎn)移酶和膽固醇酯轉(zhuǎn)運蛋白的水平，使HDL的膽固醇逆轉(zhuǎn)運效率降低，同時還可降低HDL顆粒中對氧磷酶1的活性、升高髓過氧化物酶活性，從而使HDL的抗炎和抗氧化能力下降[25]。Hcy還與受損的HDL代謝有關(guān)。張秦風(fēng)等[26]研究發(fā)現(xiàn)，Hcy可通過降低對氧磷酶的水平減弱HDL的抗氧化功能，從而促進CVD的發(fā)生和發(fā)展。

2.5蛋白質(zhì)N-同型半胱氨酸化 在蛋白質(zhì)的生物合成過程中，Hcy可被甲硫氨酸-RNA合成酶錯誤利用，產(chǎn)生同型半胱氨酸硫內(nèi)酯(homocysteine thiolactone，HTL)，后者可通過酰胺鍵與蛋白質(zhì)快速反應(yīng)，隨后產(chǎn)生的N-同型半胱氨酸化蛋白與HHcy相關(guān)的血管病理學(xué)有關(guān)。在生理水平的Hcy、甲硫氨酸以及葉酸存在下，人臍靜脈內(nèi)皮細胞能將Hcy轉(zhuǎn)化為HTL，且轉(zhuǎn)化程度與Hcy水平成正比[27]。HTL可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑誘導(dǎo)細胞間黏附因子1和血管細胞黏附因子1信使RNA表達，從而損傷血管內(nèi)皮功能，最終導(dǎo)致內(nèi)皮功能紊亂[28]。HTL是以濃度依賴性方式誘導(dǎo)細胞凋亡。HTL可拮抗胰島素受體酪氨酸激酶，從而抑制磷脂酰肌醇-3-激酶的磷酸化和糖原合成，這一效應(yīng)可能是Hcy、高胰島素血癥與CVD聯(lián)系的基礎(chǔ)[29]。此外，HTL還可以修飾纖維蛋白原，從而引發(fā)纖維蛋白凝塊結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的血栓前改變[30]。對氧磷酶1基因存在多態(tài)性，可編碼一種已知的在體外水解HTL的心臟保護酶，并可導(dǎo)致尿HTL水平升高[31]。尿HTL水平是近年來提出的一種新的急性心肌梗死危險預(yù)測指標，與傳統(tǒng)危險因素的存在無關(guān)[32]。此外，血漿HTL水平與冠心病風(fēng)險相關(guān)，因此Hcy向HTL的代謝轉(zhuǎn)換和HTL引起的蛋白N-同型半胱氨酸化有可能在Hcy誘導(dǎo)的血管損傷中起一定作用。

2.6細胞低甲基化

2.6.1Hcy代謝紊亂與DNA甲基化 Hcy和Adohcy升高對DNA甲基化狀態(tài)有不利影響。HHcy能引起DNA甲基化修飾，從而促進As形成[33]。DNA甲基化是基因表觀遺傳調(diào)控的重要機制，AdoHcy依賴的低細胞甲基化能力可引起HHcy環(huán)境下DNA甲基化受損，并導(dǎo)致與血管內(nèi)皮功能障礙相關(guān)的基因表達模式紊亂。在體外培養(yǎng)的人血管平滑肌細胞中，Hcy可誘導(dǎo)典型的H19基因上游增強子CpG低甲基化[34]。其他具有順式調(diào)節(jié)元件的基因座，其甲基化狀態(tài)受Hcy和(或)AdoHcy水平升高的影響[35]，包括促血管生成因子(血小板衍生生長因子)、參與細胞周期進程的基因(如細胞周期蛋白A和B細胞淋巴瘤/白血病-2/腺病毒E1B 19 000相互作用蛋白3)、參與膽固醇代謝的基因(如固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1和LDL受體基因)、血管炎癥反應(yīng)基因(如白細胞介素-1B、白細胞介素-6、白細胞介素-8)、細胞間黏附分子1、編碼細胞外抗氧化劑SOD的基因以及編碼人端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶基因的啟動子。

2.6.2Hcy代謝紊亂與RNA甲基化 Hcy代謝紊亂對RNA的甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)有影響。研究顯示，腺苷RNA甲基化標記既可以通過酶解去除，也可進一步修飾[36]，表明RNA甲基化是一個動態(tài)過程，可能參與細胞的適應(yīng)機制，其中包括Hcy新陳代謝。RNA甲基轉(zhuǎn)移酶使用S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，并被AdoHcy抑制，但很少有研究關(guān)注HHcy中RNA甲基化被擾亂的可能性。在體外培養(yǎng)的人內(nèi)皮細胞中，AdoHcy的積累會降低攜帶硒代半胱氨酸的轉(zhuǎn)運RNA的甲基化程度，從而導(dǎo)致硒蛋白亞群的表達發(fā)生改變，如GPx-1[37]。GPx-1是一種重要的硒蛋白，參與細胞的解毒和氧化還原調(diào)節(jié)，在HHcy中與內(nèi)皮功能障礙有關(guān)。

2.6.3Hcy代謝紊亂與蛋白質(zhì)甲基化 Hcy代謝紊亂也影響蛋白質(zhì)的甲基化，這是一種翻譯后修飾，參與轉(zhuǎn)錄控制、RNA加工、DNA修復(fù)、端粒維持以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要過程。細胞內(nèi)的AdoHcy在人臍靜脈內(nèi)皮細胞積累引起的蛋白精氨酸低甲基化較DNA低甲基化更顯著[38]。組蛋白甲基化是一種重要的染色質(zhì)修飾，在動物中，甲硫氨酸在肝臟的利用情況與經(jīng)典激活標記組蛋白H3第4位賴氨酸的三甲基化的水平相關(guān)，也與基因表達的匹配變化相關(guān)[39]。在晚期As斑塊中，人血管中的抑制標記組蛋白H3第9位賴氨酸的二甲基化和組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化減少，研究表明，AdoHcy蓄積降低整體組蛋白H3第27位賴氨酸的三甲基化的水平，并激活核因子κB通路，導(dǎo)致黏附分子和炎癥因子過表達，進而促進As[40]。以上研究表明，在HHcy環(huán)境下，細胞甲基化能力的紊亂會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的低甲基化，這可能是導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙的原因之一。

3 小 結(jié)

表觀遺傳學(xué)揭示了基因在發(fā)育和疾病中的調(diào)控機制，特別是在代謝與表觀遺傳學(xué)相互作用的背景下。Hcy代謝和組蛋白甲基化相聯(lián)系，組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶需要S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體。Hcy可通過多種機制引起內(nèi)皮功能障礙，在內(nèi)皮損傷和As的進展過程中發(fā)揮重要作用。最近的研究突出了Hcy代謝作為決定染色質(zhì)動力學(xué)和表觀遺傳學(xué)關(guān)鍵因素的地位，并隨著深度測序方法的可行性和成本效益的提高，或可能發(fā)展并擴展到內(nèi)皮功能障礙的背景下。總之，Hcy代謝與內(nèi)皮功能障礙的關(guān)系仍有待深入研究，隨著研究的深入和醫(yī)學(xué)技術(shù)的提高，Hcy或許可能為早期診斷并預(yù)防As提供更多方向，控制Hcy水平可能為相關(guān)疾病的診治提供新思路。