侯翠蘭(綜述)　王銘潔　金　勝　朱依純(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理與病理生理學(xué)系　上?！?00032;2復(fù)旦大學(xué)老年醫(yī)學(xué)研究中心　上海　200040)

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血管老化機(jī)制與硫化氫的保護(hù)作用

侯翠蘭(綜述)王銘潔金勝朱依純△(審校)

(1復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理與病理生理學(xué)系上海200032;2復(fù)旦大學(xué)老年醫(yī)學(xué)研究中心上海200040)

【摘要】隨著全球老齡化的到來,衰老及其相關(guān)疾病帶來的健康問題日益嚴(yán)峻。血管老化包括血管結(jié)構(gòu)和功能的改變,也是心血管疾病發(fā)生發(fā)展的重要因素,是機(jī)體衰老的一部分。目前科學(xué)家對(duì)血管老化機(jī)制的研究甚少,本文將從血管老化的分子機(jī)制和硫化氫的保護(hù)作用兩個(gè)方面入手,綜述了血管老化方面的最新進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】血管老化;硫化氫；端粒;非酶糖基化;氧化應(yīng)激;表觀遺傳

*This work was supported by the Research Center on Aging and Medicine,Fudan University (13dz2260700).

2013年我國(guó)老年人口數(shù)達(dá)到2.02億,占總?cè)丝诘?4.8%。預(yù)計(jì)到2050年,老年人口總量將超過4億,老齡化人口比例將大于30%。隨著全球老齡化的到來,如何使老年人“老而不衰”,提高老年人的生活質(zhì)量,是一項(xiàng)艱巨的長(zhǎng)期的任務(wù)。

隨著年齡的增加,機(jī)體發(fā)生一系列變化,如基因組不穩(wěn)定、端粒縮短、線粒體功能異常、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞耗竭和細(xì)胞間信息交流改變等[1],進(jìn)而機(jī)體的穩(wěn)態(tài)失衡,血管系統(tǒng)易受損傷,難于修復(fù),即血管進(jìn)入“老化”狀態(tài)。心血管疾病 (cardiovascular diseases,CVDs)是增齡相關(guān)疾病,也是當(dāng)今世界威脅人類健康的常見疾病,其發(fā)病率在中國(guó)居于首位,從側(cè)面說明血管老化在衰老的進(jìn)程中起重要作用[2]。血管老化狀態(tài)在一定程度上可以反映老年人健康狀態(tài)。血管老化的機(jī)制十分復(fù)雜,不僅受分子水平、細(xì)胞水平、組織器官水平及整體水平的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控,還受基因遺傳及環(huán)境因素的作用,任何單獨(dú)層面的理解都是片面的。本文主要論述非酶糖基化、氧化應(yīng)激、自噬、內(nèi)皮細(xì)胞衰老、蛋白重構(gòu)等血管老化機(jī)制以及硫化氫 (hydrogen sulfide,H2S)保護(hù)作用的研究進(jìn)展。

H2S與衰老在過去的20年里,H2S在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的生理作用的研究有著長(zhǎng)足的進(jìn)步,然而關(guān)于H2S參與衰老過程的調(diào)控作用報(bào)道甚少。Miller等[3]研究報(bào)道外源給予H2S供體可以提高線蟲的耐熱性并延長(zhǎng)壽命,大約提高70%。Qabazard等[4]于2014年進(jìn)一步提出:敲除產(chǎn)生硫化氫的酶3-硫基丙酮酸硫基轉(zhuǎn)移酶 (3-mercaptopyruvate sulfurtransferase,3-MST),而不是胱硫醚γ-裂解酶 (cytathiohine γ-lyase,CSE),會(huì)縮短線蟲的壽命,外源性給予H2S供體可以逆轉(zhuǎn)其效果。王睿課題組于2008年提出:CSE敲除小鼠出現(xiàn)血壓明顯升高和內(nèi)皮依賴的血管舒張障礙[5]。隨著年齡的增加,小鼠主動(dòng)脈中CSE和胱硫醚β-合酶 (cytathiohine β-synthase,CBS)表達(dá)增高,胸主動(dòng)脈環(huán)收縮敏感性增加[6]。我們課題組前期發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)15個(gè)月30%果糖的小鼠,心臟及血漿H2S水平均顯著下降[7],這提示H2S可能參與老年心血管系統(tǒng)功能的調(diào)控。在高血壓患者和動(dòng)物體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)內(nèi)源性H2S水平下降,CSE-/-小鼠隨著增齡血壓會(huì)升高,形成高血壓狀態(tài)。外源性給予H2S供體或者增加內(nèi)源性H2S的生成可能對(duì)于預(yù)防老化及延緩衰老進(jìn)程發(fā)揮重要作用。H2S可能通過抑制自由基反應(yīng)和氧化應(yīng)激、活化沉默信息調(diào)節(jié)因子2同源蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)、調(diào)控klotho基因來影響衰老的進(jìn)程[8]。

非酶糖基化與血管老化非酶糖基化是指一系列復(fù)雜的非酶促反應(yīng),最終形成穩(wěn)定的共價(jià)加成產(chǎn)物——糖基化終末產(chǎn)物 (advanced glycation end products,AGEs),于1912年由法國(guó)科學(xué)家Maillard LC提出,此后逐漸形成了糖基化衰老學(xué)說。大量研究表明,隨著年齡的增加,機(jī)體的非酶糖基化程度逐漸加劇,蛋白質(zhì)功能受損或降低,并通過多種途徑作用于血管及其他組織,引起血管結(jié)構(gòu)和功能的改變,反之血管老化對(duì)衰老具有重要的調(diào)控作用,加速機(jī)體的老化[9]。

AGEs可以直接修飾調(diào)控細(xì)胞和組織,通過非受體途徑參與血管老化的調(diào)控;也可以通過與糖基化終產(chǎn)物受體 (receptor for AGEs,RAGE)結(jié)合,激活細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路,激活氧化應(yīng)激,引發(fā)增殖、纖維化反應(yīng)、炎性反應(yīng)等,在血管老化的過程中起著重要作用。RAGE包括寡糖轉(zhuǎn)移-48 (OST48,也稱為AGE-R1)和80K-H磷酸蛋白 (80K-H,也稱為AGE-R2)兩類[10]。AGEs 與RAGE結(jié)合,血管壁的滲透性增加，VEGE的合成和分泌減少。

AGEs可能通過組織沉積,原位糖化 (如細(xì)胞外基質(zhì)蛋白),與其受體RAGE相互作用參與老化過程。Liu等[11]指出，H2S可能通過抑制AGEs的形成、抗氧化應(yīng)激作用進(jìn)而延緩衰老進(jìn)程。H2S激活 ROS/PI3K/PTEN 信號(hào)通路,預(yù)防AGEs誘導(dǎo)的上皮鈉通道的激活[12]。相較其他系統(tǒng),心血管系統(tǒng)對(duì)非酶糖基化反應(yīng)最敏感,尤其是血管[13],而H2S可以抑制AGEs形成,提示H2S可能參與血管老化進(jìn)程的調(diào)控。

氧化應(yīng)激與血管老化氧化應(yīng)激是指機(jī)體遭受有害刺激時(shí),細(xì)胞成份過氧化修飾,氧化系統(tǒng)和抗氧化系統(tǒng)失衡,造成機(jī)體組織損傷。隨著年齡的增加,機(jī)體中氧化應(yīng)激水平增高,而抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)如錳超氧化物歧化酶 (manganese superoxide dismutase,MnSOD)等表達(dá)降低或者活性降低。經(jīng)H2O2處理過的人內(nèi)皮細(xì)胞以Src激酶依賴的方式促進(jìn)端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (telomerase reverse transcriptase,TERT)從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì),而抗氧化劑可以抑制此過程[14],TERT在維持端粒穩(wěn)態(tài)中起重要作用。

血管內(nèi)皮細(xì)胞所處的位置和屏障功能,使其極易受血流中異常成分的影響,最容易誘發(fā)應(yīng)激反應(yīng),使機(jī)體的端粒-端粒酶系統(tǒng)、DNA修復(fù)保護(hù)體系受到損傷,進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體和組織功能失常,加速衰老進(jìn)程。氧化應(yīng)激與動(dòng)脈彈性受損有關(guān)[15]。喬偉麗等[16]發(fā)現(xiàn)，外源性給予H2S供體可改善D-半乳糖誘導(dǎo)的大鼠主動(dòng)脈形態(tài)學(xué)變化,其作用機(jī)制可能是提高血管組織抗氧化應(yīng)激的能力,進(jìn)而部分逆轉(zhuǎn)血管老化進(jìn)程。H2S通過Keap1巰基化和激活Nrf2保護(hù)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞老化[17]。然而，人類長(zhǎng)期暴露于高濃度的H2S環(huán)境中,則出現(xiàn)加速衰老的跡象[18]，提示適當(dāng)濃度的H2S才有延緩衰老的作用。

自噬與血管老化自噬可以分為3種類型:巨自噬 (macroautophagy)、微自噬 (microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬 (chaperone-mediated autophagy),細(xì)胞經(jīng)過一系列過程形成自噬溶酶體,降解其內(nèi)容物,以滿足自身的代謝需要。隨著年齡的增加,血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬水平下降,異常蛋白質(zhì)沉積,引起細(xì)胞衰老,繼而加速血管老化。Eisenberg等[19]提出外源性給予亞精胺可以提高自噬水平,延長(zhǎng)酵母、果蠅、線蟲和人的免疫細(xì)胞壽命。然而,增加自噬水平是否可以延長(zhǎng)健康個(gè)體或哺乳動(dòng)物的壽命仍未知。FOXO3、NF-κB、p53和SIRT1等也參與調(diào)控自噬。外源性給予H2S供體可以預(yù)防心肌缺血再灌注損傷,可能通過激活A(yù)MPK,恢復(fù)心肌缺血再灌注后的自噬流起效[20]。

內(nèi)皮細(xì)胞衰老與血管老化內(nèi)皮細(xì)胞衰老包括端粒依賴性及端粒非依賴性兩種。隨著年齡的增加,細(xì)胞衰老在內(nèi)皮細(xì)胞血管新生障礙及再生能力障礙中起著重要作用。血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老常伴隨著由內(nèi)皮細(xì)胞釋放的舒血管因子及縮血管因子的變化,如氣體遞質(zhì)NO和H2S隨著增齡釋放減少。Suo等[21]提出外源性給予H2S供體,可能通過提高SIRT1的表達(dá)及活性,部分逆轉(zhuǎn)臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞衰老。本課題組前期報(bào)道H2S具有促進(jìn)血管新生作用[22],Wang等[23]研究報(bào)道H2S可以促進(jìn)傷口愈合,提示H2S可能參與改善衰老過程中血管內(nèi)皮功能,進(jìn)而延緩血管衰老。

蛋白重構(gòu)與血管老化隨著機(jī)體的衰老,蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡,未折疊或折疊錯(cuò)誤的蛋白質(zhì)逐漸累積,蛋白質(zhì)異常聚集,致使細(xì)胞功能部分喪失。表觀遺傳學(xué)通過DNA甲基化、蛋白共價(jià)修飾、染色質(zhì)重塑等調(diào)控機(jī)制與外界環(huán)境等共同影響基因表達(dá)譜，從而參與調(diào)控衰老過程,使其脫離了單純的“基因決定論”。組蛋白修飾是一種重要的影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)從而調(diào)節(jié)基因活性的修飾手段,其中最重要的是乙?；腿ヒ阴；?分別受多種組蛋白乙?；?(histone acetyltransferase,HAT)和HAT抑制劑 (histone deacetylase inhibitor,HDACs)催化。SIRT1是與代謝相關(guān)的NAD+依賴的去乙?；窼irtuins家族中的一員。SIRT1可通過激活FoxOs、NF-κB和 mTOR參與調(diào)控氧化應(yīng)激、炎癥和自噬等過程,進(jìn)而增加應(yīng)激的抵抗能力并延長(zhǎng)壽命;還可通過調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞血管新生,維持血管穩(wěn)態(tài),在血管老化發(fā)生發(fā)展中起重要作用。FoxOs可以直接調(diào)控細(xì)胞的氧化還原狀態(tài),進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的乙?；癄顟B(tài)及轉(zhuǎn)錄水平[24]。長(zhǎng)期能量限制可能通過增加 SIRT1 的表達(dá),降低氧化應(yīng)激水平,抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老[25]。SIRT1可以結(jié)合在PAI-1啟動(dòng)子區(qū)域,使H4K16乙?；浇档?阻止血管內(nèi)皮細(xì)胞老化[26]。H2S可以通過抑制線粒體轉(zhuǎn)錄因子A (mitochondrial transcription factor A,TFAM)啟動(dòng)子甲基化,參與線粒體DNA拷貝數(shù)的調(diào)控[27]。上調(diào)CSE/H2S系統(tǒng)可以減緩動(dòng)脈粥樣硬化[28],提示CSE/H2S 系統(tǒng)參與老年心血管疾病的調(diào)控。

結(jié)語以上機(jī)制相互作用,共同在血管老化進(jìn)程中發(fā)揮作用。由于衰老理論和學(xué)說的復(fù)雜性和交叉滲透性,單純改變某個(gè)基因不足以起到明顯的抗衰老作用。外源性給予H2S衍生藥物可能通過調(diào)節(jié)衰老的多種機(jī)制,綜合發(fā)揮延緩衰老的效應(yīng),在臨床實(shí)踐中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。H2S在心血管系統(tǒng)等方面已有深入研究,然而其在抗衰老進(jìn)程中的研究還處于起步階段,需要進(jìn)一步探索具體作用機(jī)制及作用靶點(diǎn),深入分析其對(duì)各系統(tǒng)衰老進(jìn)程的影響。我們應(yīng)從整體角度來研究血管衰老的機(jī)制,探索延緩人類衰老進(jìn)程、預(yù)防衰老相關(guān)疾病的發(fā)生及提高老年人健康水平的有效手段。

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Mechanism of vascular aging and protective effects of hydrogen sulfide

HOU Cui-lan, WANG Ming-jie, JIN Sheng, ZHU Yi-chun△

(1DepartmentofPhysiologyandPathophysiology,SchoolofBasicMedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China;2ResearchCenteronAgingandMedicine,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

【Abstract】With the arrival of global aging,the health problems from aging and age-related diseases are becoming more and more severe.Vascular aging includes changes in vascular structure and function,which plays an important role in the process of cardiovascular disease,and also is a vital part of the aging.However,the mechanism of vascular aging is poorly understood.This article contended the latest research progress in molecular mechanisms of vascular aging and protection of hydrogen sulfide.

【Key words】vascular aging;hydrogen sulfide;telomere;non enzymatic glycosylation;oxidative stress;epigenetic

(收稿日期:2015-07-24;編輯:段佳)

【中圖分類號(hào)】R363

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.02.023

復(fù)旦大學(xué)老年醫(yī)學(xué)研究中心項(xiàng)目 (13dz2260700)

△Corresponding authorE-mail:yczhu@shmu.edu.cn