張書虎，李靜，馬蘭，李晨曄

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院老年病科，哈爾濱 150086)

硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)一直被認為是一種透明的有毒氣體，具有強烈的臭味，是繼一氧化氮(nitric oxide，NO)和一氧化碳(carbon monoxide，CO)后的第3種氣體信號分子[1]。近20年通過對H2S病理和生理學方面的大量研究，在H2S產(chǎn)生、分解代謝、抗炎、抗凋亡、促血管生成以及通過抗氧化介導細胞保護方面取得了巨大的成就[2]，包括離子通道、蛋白激酶、轉錄因子、生長因子及炎癥因子在內(nèi)的多種因素參與H2S介導的信號傳導。胱硫醚β-合成酶 (cystathionine beta-synthase,CBS)、胱硫醚γ-裂解酶(cystathionine gamma-lyase,CSE)、含半胱氨酸轉氨酶的3-巰基丙酮酸硫轉移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase/cysteine transaminase，3-MST/CAT)和含D-氨基酸氧化酶的3-巰基丙酮酸硫轉移酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase/D-amino acid oxidase，3-MST/DAO)參與內(nèi)源性H2S的生成，他們共同的底物即L-半胱氨酸。本文將重點討論H2S在阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)、霍奇金病(Hodgkin disease，HD)、肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)、熱性驚厥(febrile seizure，F(xiàn)S)及腦缺血中的神經(jīng)保護作用、信號傳導途徑及其潛在應用。

1 H2S的產(chǎn)生及分解

內(nèi)源性H2S產(chǎn)生過程中CBS、CSE和3-MST/CAT3種酶的共同底物是L-半胱氨酸[3]。研究表明D-半胱氨酸是一種比L-半胱氨酸毒性更小的半胱氨酸，其在腎臟和大腦中可通過3-MST/DAO途徑產(chǎn)生內(nèi)源性H2S[4]。3-MST途徑產(chǎn)生的H2S大部分以硫磺形式存在，硫磺是內(nèi)源性H2S大量儲存的主要形式，同時研究也表明3-MST是內(nèi)源性硫磺的主要產(chǎn)生者，而不是之前公認的CBS[5]。

1.1 CBS

CBS是一種依賴磷酸吡啶的酶，主要位于小腦、大腦和腦干。CBS可使半胱氨酸通過β消除反應產(chǎn)生H2S,亦可通過半胱氨酸與同型半胱氨酸的β置換反應產(chǎn)生H2S，后者效率更高。表皮生長因子(epidermal growth factor，EGF)、轉化生長因子-α(transforming growth factor-α, TGF-α)和環(huán)磷酰胺等化合物可上調CBS mRNA的表達，并促進CBS基因轉錄[8]。不同疾病CBS的表達也不同，唐氏綜合征患者大腦中，CBS的表達量是正常人的3倍，而高智商兒童CBS的表達卻比較低[8]。敲除CBS基因的小鼠表現(xiàn)為高同型半胱氨酸血癥和高蛋氨酸血癥，由此可知CBS過度表達可能影響認知功能，而CBS缺失則可導致嚴重疾病的發(fā)生[9]。

1.2 CSE

CSE主要分布于肝、腎、血管和非血管平滑肌，作為NO供體的S-亞硝基-N-乙?；?DL-青霉胺(S-Nitroso-N-acetyl-DL-penicillamine,SNAP)可上調CSE的表達，而NO的另一供體硝普鈉也能提高CSE的活性。研究表明心血管系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)源性H2S可與NO協(xié)同參與NO對血管的舒張[10]。CSE在血壓調節(jié)中的作用仍存爭議，CSE普遍被認為在調控血管平滑肌中起重要作用，但也有研究表明血壓不受CSE影響的機制是：(1)3-MST/CAT可能參與血壓調節(jié)；(2) 3-MST/CAT可增加H2S生成以彌補CSE的不足[11]。

1.3 3-MST/CAT

研究表明大腦中L-半胱氨酸和D-半胱氨酸通過3-MST/CAT途徑可產(chǎn)生H2S[12]。CBS和CSE主要位于胞漿中，而3-MST主要位于腦和視網(wǎng)膜神經(jīng)元的線粒體基質中[13]。3-巰基丙酮酸(3-mercaptopyruvate，3MP)由L-半胱氨酸、D-半胱氨酸和α-酮戊二酸合成，胞漿內(nèi)D-半胱氨酸合成線粒體中的3MP時需過氧化物酶DAO參與[14]。3-MST產(chǎn)生H2S時需二硫蘇糖醇(dithiothreitol，DTT)等還原物質參與。硫氧還蛋白、二氫硫辛酸(dihydrothioctic acid，DHLA)可與3-MST聯(lián)合作用釋放內(nèi)源性H2S。線粒體中硫氧還蛋白濃度為20 μmol/L，促進H2S生成作用為DTT的4倍[15]。Ca2+可抑制CAT活性，并呈濃度依賴，在不含Ca2+的情況下H2S生成量最大，Ca2+濃度為2.9 μmol/L時H2S的生成量最小[16]。硫磺為細胞內(nèi)H2S存儲的主要形式之一，因此含3-MST和CAT細胞結合硫磺濃度為其他細胞的2倍，如胞內(nèi)為無法產(chǎn)生H2S的3-MST突變體，則結合硫磺的濃度較低[17]。

1.4 H2S的分解

大腦神經(jīng)元興奮或其他刺激可使結合硫磺釋放游離H2S，隨后主要由線粒體中的硫代硫酸鈉氰化物硫轉移酶氧化為硫代硫酸鹽、亞硫酸鹽和硫酸鹽。H2S可被硫醇-S-甲基轉移酶甲基化成甲硫醇和二甲基硫磺，亦可與氧化形式的高鐵血紅蛋白結合。肝、腎和肺血流中游離H2S的濃度低，衰減速度快，故上述器官中游離H2S的清除率較低[18]。

2 硫化氫的神經(jīng)保護作用

2.1 AD

AD是一種進行性神經(jīng)退行性變，是癡呆癥的主要病因，其鏡下特點為老年斑積聚、神經(jīng)元纖維纏結、突觸喪失和神經(jīng)壞死。發(fā)病機制包括氧化應激和神經(jīng)炎癥，AD患者血清H2S水平紊亂具有顯著意義，提示內(nèi)源性H2S可能參與AD的發(fā)病過程[19]。Tang等[20]的相關研究表明生理濃度H2S可通過維持線粒體膜電位(mitochondrial transmembrane potential，MMP)和減弱β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)肽25～35片段誘導的活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生來保護神經(jīng)元[20]，H2S還可通過上調B淋巴細胞瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)表達水平減少MMP丟失，以保護神經(jīng)元免受同型半胱氨酸誘導的細胞毒性和凋亡[21]。此外，AD患者過度產(chǎn)生白細胞介素-1α(interleukin-1α，IL-1α)、IL-1β、IL-6、IL-8、IL-12和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等炎癥因子也有相關報道[22]，且H2S可明顯抑制TNF-α、IL-1β和IL-6的釋放，并可抑制環(huán)氧化酶-2(cycloxygenase-2，COX-2)上調和核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的激活作用[23]。越來越多證據(jù)表明內(nèi)質網(wǎng)應激在AD發(fā)生或病理過程中起關鍵作用，其特征是包體形成異常和錯誤折疊蛋白聚集[24]。體外動物實驗證實H2S通過上調腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子/肌鈣蛋白相關激酶B(brain-derived neurotrophic factor/troponin related kinase B,BNDF/TrkB)途徑，抑制同型半胱氨酸誘導的大鼠海馬內(nèi)質網(wǎng)應激和神經(jīng)元凋亡。作為H2S供體的硫氫化鈉(sodium hydrosulfide hydrate,NaHS)可增加海馬內(nèi)H2S生成和BNDF表達，并顯著降低同型半胱氨酸誘導的海馬神經(jīng)元凋亡和內(nèi)質網(wǎng)應激反應，TrkB受體特異性拮抗劑K252a可消除NaHS對同型半胱氨酸誘導的海馬內(nèi)質網(wǎng)應激的保護作用，提示H2S對AD患者神經(jīng)元具有保護作用及潛在治療意義[25]。

2.2 PD

PD的特點是黑質多巴胺能神經(jīng)元進行性變性，其發(fā)病機制與蛋白質積聚、氧化應激、線粒體功能障礙、興奮性毒性、神經(jīng)炎癥和凋亡等有關。研究表明6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine，6-HODA)誘導的PD大鼠模型中內(nèi)源性H2S水平明顯降低[26]。1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium，MPP+)是1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)的活性代謝產(chǎn)物，可刺激超氧自由基產(chǎn)生，誘導PC-12細胞凋亡。MPP+可抑制CBS的表達活性，導致內(nèi)源性H2S生成減少，而H2S可降低MPP+誘導的細胞毒性作用，減少ROS產(chǎn)生。相關研究已證實H2S可減輕黑質致密部多巴胺能神經(jīng)元丟失，并通過依賴線粒體的解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2，UCP2)通道而不是腺苷三磷酸敏感性鉀(adenosine triphosphate sensitive K+channel,KATP)通道減少MPTP誘導的神經(jīng)元變性[27]。研究已經(jīng)證實H2S對MPP誘導的神經(jīng)元毒性保護作用中KATP/磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)/Bcl-2途徑參與。KATP通道阻滯劑格列本脲和特異性PI3K-PKB通道阻滯劑LY294002可逆轉NaHS對MPP+誘導的PC-12細胞毒性的保護作用。NaHS還可上調Bcl-2表達，阻斷MPP+誘導的Bcl-2表達下調。神經(jīng)毒素誘導的神經(jīng)退行性變模型中H2S可通過抗氧化應激、抗炎和代謝抑制等多種機制發(fā)揮神經(jīng)保護作用。同樣，MPTP誘導的PD經(jīng)典動物模型中，H2S的神經(jīng)保護作用與血紅素加氧酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)和谷氨酸-半胱氨酸連接酶等編碼抗氧化蛋白基因的上調有關，這種作用得以發(fā)揮可能是通過依賴核因子E2相關因子(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)的信號通路完成的。因此，H2S可增強抗氧化防御系統(tǒng)并抑制炎癥和細胞凋亡[28]。研究發(fā)現(xiàn)PD患者紋狀體內(nèi)Parkin巰基化水平較常下降，含有E3泛素連接酶的Parkin具有神經(jīng)保護作用，其S-亞硝基化和失活均具有神經(jīng)毒性，H2S可介導Parkin的巰基化并增強其催化活性，這對PD藥物的下一步研究具有重大意義[29]。L-二羥基苯丙氨酸(L-dihydroxyphenylalanine,L-DOPA)雜合物可釋放H2S并可通過其抗氧化、抗炎和抑制單胺氧化酶B發(fā)揮神經(jīng)保護作用，通過以上綜述可知H2S有望成為一種更有前途的新型PD治療藥物[30]。

2.3 腦缺血

腦缺血是一種發(fā)病率和死亡率均較高的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，大腦缺血缺氧可致細胞內(nèi)Ca2+負荷過大，鈣蛋白酶激活，突觸囊泡釋放大量谷氨酸，進而引起不同程度的神經(jīng)元損傷，損害大腦功能。H2S可保護胚胎腦免受缺血再灌注損傷[31]。此外，ACS14(一種H2S釋放衍生物)可通過增加細胞內(nèi)谷胱甘肽的生成來減輕谷氨酸介導的氧化應激損傷[32]，同時H2S還可降低谷胱甘肽分解酶的活性，減少谷胱甘肽的分解以維持其在細胞內(nèi)的正常水平[33]。海馬與人類的學習、記憶功能密切相關。NaHS可增強腦缺血大鼠海馬區(qū)突觸的可塑性，抑制腦缺血后錐體神經(jīng)元周圍水腫及核收縮，其分子機制可能為：(1)增加PKB的磷酸化，減少凋亡信號調節(jié)激酶1(apoptosis signal-regulating kinase-1，ASK1)和c-Jun N端激酶3(c-Jun N-terminal kinase，JNK3)的磷酸化；(2)使海馬CA1區(qū)的生長相關蛋白-43(growth associated protein-43，GAP-43)的表達上調。缺血再灌注大鼠模型研究表明，大鼠缺血再灌注后24 h，海馬和皮質中H2S水平降低，而應用低劑量NaHS后可減輕缺血再灌注后的神經(jīng)損傷[34]，NaHS可通過抗氧化、抗炎和抗凋亡作用對全腦缺血再灌注損傷起神經(jīng)保護作用，其機制可能如下：(1)腦組織超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性增高；(2)抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶P47和gp91亞基mRNA水平；(3)抑制促炎因子TNF-α和單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)；(4)促進凋亡蛋白Bax表達；(5)PI3K/PKB/p70核糖體S6激酶細胞存活信號通路激活，且研究人員還發(fā)現(xiàn)H2S可通過刺激KATP/蛋白激酶C/胞外信號調節(jié)激酶1/胞外信號調節(jié)激酶2/熱休克蛋白90通路保護細胞免受缺血缺氧損傷[35]。H2S通過PI3K/PKB信號通路增加PKB和細胞外調節(jié)蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase，ERK)的磷酸化及血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)和血管生成素-1(angiogesin-1，Ang-1)的表達，促進腦缺血后血管生成和功能改善[36]。

研究發(fā)現(xiàn)永久性大腦中動脈閉塞大鼠模型皮質和紋狀體中3-MST表達下降。盡管3-MST/CAT與結合硫磺密切相關，但腦缺血時細胞內(nèi)Ca2+超負荷導致H2S生成停止，而細胞內(nèi)Ca2+超負荷是如何影響3-MST/CAT通路的機制尚未明確。因此，盡管3-MST/CAT通路是腦內(nèi)H2S的主要來源，但找到一個可以替代CBS的酶可能是研究H2S在腦缺血中發(fā)揮保護作用的更具前景的靶標。H2S對腦缺血起到保護還是毒性作用主要取決于H2S的濃度高低，高濃度時可加重梗死面積，而低劑量時則發(fā)揮保護作用。

2.4 FS

FS是高熱引起的嬰兒和兒童中最常見的病理性腦活動，目前尚未有確鑿證據(jù)證明短期FS會對兒童的大腦發(fā)育產(chǎn)生不利影響，而長期的FS會損害兒童的認知和記憶功能。通過對核磁共振成像的研究可知長時間的FS可造成患兒急性海馬損傷。在FS的大鼠模型中，通過應用CBS拮抗劑羥胺可抑制H2S生成進而使海馬區(qū)極度活躍，給予NaHS后可使神經(jīng)興奮性降低。H2S保護海馬神經(jīng)元免受興奮性毒性的機制可能為：(1)抑制突觸傳遞；(2)逆轉GABAB受體1(GABAB R1)和GABAB受體2(GABAB R2)的丟失來實現(xiàn)興奮/抑制平衡的正?；痆37]。FS具有高熱的特點，H2S作為氧化磷酸化的一種溫和抑制劑，可導致持續(xù)的深低溫，故H2S可能成為預防復發(fā)和長期FS所致腦損傷的一種新的治療方法。

2.5 其他神經(jīng)退行性疾病

除了AD、PD、腦缺血等，H2S和其他神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制也存在著緊密的聯(lián)系。HD是由亨廷頓基因中的CAG重復擴增的一種異常的多聚谷氨酸所導致的進行性、致命性、神經(jīng)退行性疾病。據(jù)相關數(shù)據(jù)表明CBS和亨廷頓基因的突變關系密切。從HD患者的血漿中能夠明顯看到同型半胱氨酸水平升高，表明血漿中同型半胱氨酸濃度差異性有可能和HD的發(fā)病機制相關。對HD患者的H2S濃度差異進行研究可能會帶來巨大的價值，然而至今相關研究仍較少。而ALS是一種以運動神經(jīng)元變性為特征的神經(jīng)退行性疾病，該疾病有10%的患者屬于家族遺傳。據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，發(fā)現(xiàn)在轉入家族型ALS最主要的致病SOD-1突變基因的模型小鼠中，活化的小膠質細胞和星型膠質細胞極大地促進運動神經(jīng)元的變性死亡。研究表明神經(jīng)炎癥在ALS未來的發(fā)展和研究中有較大的促進作用。此外，谷氨酸的氧化應激、興奮毒性等機制都參與ALS的發(fā)生及發(fā)展。雖然現(xiàn)階段仍缺乏對H2S和ALS相關性的研究，但更多研究證明H2S能夠通過抑制膠質細胞活化，釋放大量促炎癥細胞達到抗炎癥效果，同時還有較強的抗氧化應激效果，這對ALS有極大的潛在治療價值。

3 總結與展望

H2S主要通過抗氧化、抗炎、抗凋亡發(fā)揮其神經(jīng)保護作用，這些作用包括多種涉及異質分子的潛在途徑，人類可干預由內(nèi)源性或外源性H2S誘導的這些途徑的上調或下調，例如基因表達和藥物在H2S的產(chǎn)生和代謝方面的應用，然而，要實現(xiàn)這些最終目標還需要很長一段時間。盡管我們綜述了H2S的神經(jīng)保護作用，但他實際上是一種雙面分子，在各系統(tǒng)中有保護和致病的雙重作用。H2S在心血管疾病、神經(jīng)疾病、精神病變、代謝綜合征和糖尿病等方面具有廣闊的應用前景，但仍面臨巨大的挑戰(zhàn)，需要進一步研究以闡明其機制。