硫化氫在細胞自噬中的作用及機制

魏亞新 矯立杰 李鴻珠

一直以來，硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)以一種有毒有害氣體為人們所熟知，近年來發(fā)現(xiàn)H2S是一種內(nèi)源性氣體信號分子，具有抗氧化、調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)、抗纖維化、舒張血管、血管重塑等生理作用，也可調(diào)節(jié)細胞增殖和凋亡[1，2]。基礎(chǔ)水平的細胞自噬是細胞實現(xiàn)自身代謝和細胞器更新的重要生理過程。細胞自噬在不同狀態(tài)、不同細胞中表達水平不盡相同，其異常表達與多種疾病密切相關(guān)[3，4]。據(jù)報道， H2S通過調(diào)控多種機制影響細胞自噬，在多種疾病的發(fā)生、發(fā)展中起著重要的作用。

一、細胞自噬

細胞自噬(autophagy)普遍存在于真核生物中，是細胞吞噬自身胞質(zhì)蛋白和損壞的細胞器并降解的過程(圖1)。根據(jù)細胞自噬發(fā)生機制的不同可將細胞自噬分為微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬，巨自噬便是研究通常所說的自噬[4]。在自噬誘導(dǎo)的過程中首先形成了雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬前體，自噬前體不斷延伸直至閉合形成自噬體并包裹待降解物質(zhì)，隨后自噬體與溶酶體融合，內(nèi)容物在水解酶作用下被降解。基礎(chǔ)水平的細胞自噬是細胞的一種保護機制，參與機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)：(1)自噬具有使細胞耐受饑餓的作用：細胞處于饑餓狀態(tài)時，胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細胞器在自噬的調(diào)控下被水解酶降解并釋放，為細胞提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)[5]。(2)細胞自噬參與胞內(nèi)脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等大分子的代謝循環(huán)[6]。(3)細胞自噬可以參與RNA的降解等[7]。

圖1 自噬的誘導(dǎo)過程

二、H2S的產(chǎn)生及其作用

H2S的內(nèi)源性合成主要依賴于H2S合成酶催化其底物L-半胱氨酸和同型半胱氨酸生成。胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthetase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)、3-巰基丙酮酸轉(zhuǎn)硫酶(3-mercaptopyruvate suifurtransferase，3-MST)是體內(nèi)催化H2S合成的3種主要酶類[8]。H2S是機體內(nèi)重要的信號傳遞分子，對多種組織器官具有重要的保護作用。例如，H2S可抑制動脈粥樣硬化、心力衰竭、糖尿病腎病、肝癌、肺損傷及腦損傷等[1,2,9～12]。H2S發(fā)揮作用的機制主要包括抑制細胞增殖、調(diào)節(jié)凋亡、調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)、抗氧化、調(diào)控線粒體通透轉(zhuǎn)運、調(diào)控離子通道及在細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等[1,2]。除此之外，H2S 調(diào)控細胞自噬也是其發(fā)揮作用的重要機制。

三、H2S通過調(diào)控細胞自噬發(fā)揮生物學(xué)功能

H2S可以通過調(diào)節(jié)細胞自噬發(fā)揮抗腫瘤作用,使用外源性H2S上調(diào)了人黑色素瘤細胞系A(chǔ)375、SK-MEL-28細胞自噬的表達且抑制黑色素瘤的進展，而進一步敲低自噬相關(guān)基因ATG7的表達不僅抑制了細胞自噬的活化，更促進了細胞凋亡，表明H2S的抗腫瘤作用至少部分是通過促進腫瘤細胞自噬實現(xiàn)的，這可能成為治療黑色素瘤的新的突破點[13]。糖尿病時長期存在的高血糖易導(dǎo)致其他組織如心臟、腎臟和神經(jīng)系統(tǒng)等的病變和功能障礙，這些并發(fā)癥往往是導(dǎo)致糖尿病患者死亡的真正原因。H2S可以通過調(diào)控自噬抑制糖尿病心血管病變、糖尿病腎病等的發(fā)生、發(fā)展[10,14,15]。H2S還通過對血管平滑肌細胞自噬的調(diào)節(jié)發(fā)揮動脈粥樣硬化的保護作用[15]。此外NaHS可以增加老年心臟的自噬，從而恢復(fù)缺血后適應(yīng)對老年心肌細胞的保護作用[1]。另外，H2S通過影響自噬在肝癌、呼吸衰竭、腦部疾病等疾病過程中起著調(diào)節(jié)作用。綜上所述，H2S通過調(diào)控自噬在多種疾病中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用。

四、H2S調(diào)控自噬的機制

H2S通過多種信號通路調(diào)控細胞自噬，其主要通過單磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)-雷帕霉素的哺乳動物靶標(mammalian target of rapamycin, mTOR)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)-mTOR、PI3K-血清和糖皮質(zhì)激素應(yīng)答激酶-1(glucocorticoid response kinase-1，SGK1)-糖原合酶激酶(glycogen synthase kinase-3，GSK3β)、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號通路等途徑調(diào)控細胞自噬[1]。

1．AMPK-mTOR信號通路：AMPK-mTOR信號通路是參與細胞自噬調(diào)節(jié)的重要信號通路。mTOR是自噬誘導(dǎo)過程中關(guān)鍵的負調(diào)節(jié)因子，它的活化可以抑制細胞自噬。AMPK感應(yīng)細胞內(nèi)能量狀態(tài)，可以通過磷酸化ULK1并與ULK1結(jié)合，抑制mTOR的活化繼而誘導(dǎo)細胞自噬[16]。外源性H2S可以通過激活A(yù)MPK-mTOR信號通路增強細胞自噬，恢復(fù)由鏈脲佐霉素(streptozocin，STZ)誘導(dǎo)的糖尿病大鼠模型中心肌細胞的自噬水平，改善高糖血癥引起的呼吸鏈損傷、抑制細胞凋亡，從而改善糖尿病心肌病的細胞損傷[14]。NaHS還可以通過抑制AMPK-mTOR通路的活化，下調(diào)高糖環(huán)境下血管平滑肌細胞的過度自噬，提高細胞活力，進而對2型糖尿病中血管平滑肌產(chǎn)生保護作用[15]。H2S在不同細胞中對細胞自噬展現(xiàn)出兩種截然相反的效應(yīng)，這可能與細胞的基礎(chǔ)自噬水平不同及H2S的來源不同等因素有關(guān)，內(nèi)源性H2S與外源性H2S是否對細胞自噬產(chǎn)生相同的效果還有待證明。

2．PI3K-Akt-mTOR信號通路：mTOR也受PI3K-Akt的調(diào)節(jié)。mTORC1和mTORC2分別是mTOR存在的兩種復(fù)合物形式，二者發(fā)揮不同的作用。其中mTORC1主要調(diào)節(jié)細胞生長、能量代謝，是Akt的下游信號分子，且磷酸化的Akt可以激活mTORC1[17]。已有多項研究證實PI3K-Akt-mTOR信號通路參與對細胞自噬的調(diào)節(jié)。而H2S可以通過PI3K-Akt-mTOR信號通路調(diào)節(jié)細胞自噬。H2S激活PI3K-Akt-mTOR信號通路并抑制了顱腦損傷(traumatic brain injury，TBI)誘導(dǎo)的細胞自噬過表達，并通過促進軸突再生、恢復(fù)線粒體功能和減少TBI誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞死亡以發(fā)揮神經(jīng)保護作用[12]。有研究表明，NaHS上調(diào)肝癌細胞HepG2、HLE中的LC3Ⅱ、ATG5蛋白的表達，下調(diào)p62蛋白的表達并抑制了PI3K-Akt-mTOR信號通路的活性，這與自噬激動劑雷帕霉素的作用相似[18]。表明H2S可以通過抑制PI3K-Akt-mTOR信號通路的活性，上調(diào)肝癌細胞自噬并發(fā)揮抗腫瘤作用。由此可見，H2S通過PI3K-Akt-mTOR信號通路對細胞自噬的調(diào)控作用具有雙面性，不同的細胞作用不同。

3．PI3K-SGK1-GSK3β信號通路：SGK1擁有與Akt相似的催化結(jié)構(gòu)域，與Akt共享多種下游底物，二者都可以被PI3K激活。GSK3β是SGK1和Akt的重要下游信號傳遞分子，其參與了對自噬的調(diào)節(jié)[19]。有研究指出NaHS抑制低氧/復(fù)氧(hypoxia/reoxygenation，H/R)處理的心肌細胞自噬相關(guān)基因(ATG5、Beclin-1、Atg9)mRNA的表達，降低了H/R誘導(dǎo)的新生大鼠心肌細胞自噬的過度活化并發(fā)揮心肌保護作用，這種保護作用至少部分是H2S通過調(diào)節(jié)PI3K-SGK1-GSK3β信號通路并抑制細胞自噬實現(xiàn)的[19]。

4．MAPK信號通路：MAPK是一組絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，是細胞內(nèi)外信號傳遞的重要信號分子，包括細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)、應(yīng)激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK/JNK)、p38MAPK，MAPK信號通路參與多種重要的細胞生理病理過程[20]。NaHS預(yù)處理減輕肝臟缺血/再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)損傷，減少肝細胞凋亡，此外NaHS預(yù)處理顯著降低了蛋白LC3、Beclin-1的表達并抑制JNK1的磷酸化。表明JNK1信號通路的活性被抑制可能是H2S對肝臟I/R損傷產(chǎn)生保護作用的相關(guān)機制，且這種保護作用與自噬有關(guān)[21]。使用循環(huán)菌株法處理的肺泡上皮細胞L2細胞中檢測到p38MAPK、JNK、ERK表達水平上調(diào)，H2S治療后抑制了其表達并抑制了循環(huán)菌株誘導(dǎo)的自噬水平增加，表明H2S可能通過MAPK信號通路調(diào)節(jié)細胞自噬[2]。雖然已經(jīng)有實驗證明JNK信號通路參與了H2S對細胞自噬的調(diào)節(jié)，但是目前還沒有直接證據(jù)能夠證明p38MAPK、ERK信號通路參與了H2S對細胞自噬的調(diào)節(jié)，這為細胞自噬受H2S調(diào)節(jié)相關(guān)機制的研究作出了可能的假設(shè)[21]。

5．NF-κB信號通路：NF-κB是一種轉(zhuǎn)錄因子，感知細胞內(nèi)外各種刺激并做出反應(yīng)，可調(diào)節(jié)許多涉及炎性反應(yīng)、免疫應(yīng)答的基因，并與癌癥的發(fā)展有關(guān)[22]。此外，NF-κB信號通路還參與了對細胞自噬的調(diào)節(jié)。通過腹腔注射NaHS治療降低了由STZ誘導(dǎo)的自噬標記蛋白LC3、Atg3、Atg5、Atg7、Atg12和Atg16的表達，降低了細胞自噬活性和NF-κB信號通路的活化，這證實H2S通過調(diào)節(jié)NF-κB信號通路影響細胞自噬，為H2S調(diào)控細胞自噬機制的研究及糖尿病的治療提供了新的思路[10]。

6．其他：自由基產(chǎn)生過多或者清除不及時導(dǎo)致自由基的過度累積可誘導(dǎo)細胞的氧化應(yīng)激，而過度的氧化應(yīng)激可以導(dǎo)致細胞自噬的活化。NaHS預(yù)處理可以降低H2O2誘導(dǎo)的成纖維細胞的自噬，清除胞內(nèi)ROS，降低細胞損傷，這種保護作用至少部分是通過直接抑制ROS的產(chǎn)生并保持線粒體功能來實現(xiàn)的，這表明H2S可以通過減少ROS的形成來抑制細胞自噬。此外，H2S還可以通過清除ROS間接地影響細胞自噬。在單側(cè)輸尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)的小鼠模型中觀察到ROS累積和自噬的過度活化，AMPK感知胞內(nèi)能量狀態(tài)，可由過度累積的ROS激活進而誘導(dǎo)細胞自噬。NaHS治療不僅改善了UUO小鼠腎臟組織學(xué)改變，上調(diào)CBS、CSE兩種H2S合成酶的表達并提高血清H2S水平，而且減少ROS的產(chǎn)生抑制了細胞自噬的過度激活。表明H2S可以通過抑制ROS-AMPK的過度激活進而抑制細胞自噬，證明H2S在阻塞性腎病中通過細胞自噬發(fā)揮保護作用，有助于對腎臟疾病的治療提供新療法。

五、展 望

細胞自噬是哺乳動物細胞中一組復(fù)雜的胞內(nèi)生理過程，于機體穩(wěn)定具有重要意義。H2S可以直接或間接地通過AMPK-mTOR、PI3K-Akt-mTOR等多種信號通路調(diào)節(jié)細胞自噬的表達水平。雖然目前對H2S調(diào)控細胞自噬的相關(guān)機制尚沒有一個完整系統(tǒng)的認知，但是H2S已被證實具有調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)、促進血管舒張、抗氧化應(yīng)激、抗纖維化、調(diào)節(jié)細胞增殖和凋亡等重要的生理作用。同時，H2S通過對細胞自噬的調(diào)節(jié)在多種疾病如腫瘤、糖尿病等疾病過程中發(fā)揮保護作用，這為多種疾病的防治提供了新思路和新靶點。