李欣 吳海燕

（1.四川大學華西基礎醫(yī)學與法醫(yī)學院基礎醫(yī)學專業(yè)2018級，四川 成都 610041；2.四川大學華西基礎醫(yī)學與法醫(yī)學院藥理學教研室，四川 成都 610041）

衰老，以機體生理完整性的逐漸喪失為特征，造成機體器官功能逐漸受損，導致相關疾病包括癌癥、糖尿病、心血管疾病及神經(jīng)退行性疾病等發(fā)生。

在不造成營養(yǎng)不良前提下的飲食限制（Dietary restriction，DR）被證實能夠延長多種真核生物包括從酵母、線蟲、嚙齒類動物到靈長類動物的生命[1]。其中，蛋氨酸限制（Methionine restriction，MetR）是近年來研究較多的DR方案之一。MetR對延緩衰老和延長壽命的作用機制目前存在多種看法，見圖1，其一為營養(yǎng)感知信號的下調(diào)[2]，主要包括沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關酶（Silent information regulator2-related enzymes， SIRT ）、 腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）通路的上調(diào)、胰島素/胰島素樣生長因子1（Insulin-like growth factor 1，IGF-1）及哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian target of rapamycin，mTOR）通路的下調(diào)等[3]。

最近，有學者提出內(nèi)源性硫化氫（Endogenous hydrogen sulfide, H2S）活性的提高可能是MetR的 主要機制，并且通過上述通路影響衰老進程。

圖1 飲食限制通過生長營養(yǎng)軸調(diào)節(jié)衰老

1 MetR延緩衰老進程

MetR作為含硫氨基酸飲食限制的主要方法，其益處在無脊椎動物實驗上已經(jīng)得到了充分的證實。Ruckenstuhl等人發(fā)現(xiàn)，MetR可以通過上游TOR途徑或直接作用來增強自噬，從而延長酵母細胞的壽命，而自噬必需基因ATG5、ATG7或ATG8的缺失可以消除MetR的正面作用[4]。另有研究表明，二甲雙胍改變了大腸桿菌蛋氨酸的代謝，導致大腸桿菌中蛋氨酸的限制，從而延長了宿主秀麗隱桿線蟲（C.elegans.）的壽命，這種作用可以被線蟲蛋氨酸合成酶（metr-1）和S-腺苷蛋氨酸合成酶（sams-1）的突變所改變[5]。

MetR的作用在嚙齒類動物上也得到了充分的體現(xiàn)。Orentreich等人首次發(fā)現(xiàn)如果將飲食中蛋氨酸的含量從0.86%降低到0.17%可以將雄性Fischer 344大鼠的壽命延長30%[6]。在小鼠實驗中，減少飲食中80%的蛋氨酸可逆轉炎癥以及DNA損傷反應基因的轉錄組改變從而延長早衰綜合征（Hutchinson-Gilford ProgeriaSyndrome，HGPS）小鼠模型的壽命[7]。在體外實驗中，MetR可通過下調(diào)線粒體蛋白合成和呼吸鏈的組裝，抑制細胞衰老延長人二倍體成纖維細胞的壽命[8]

2 轉硫通路通過促進蛋氨酸代謝提高內(nèi)源性H2S 含量

2015年，Hine等人首先發(fā)現(xiàn)含硫氨基酸限制可提高轉硫通路（Transsulfuration pathway，TSP）中胱硫醚-γ-裂解酶（Cystathionine-γ-lyase，CGL）活性，導致內(nèi)源性H2S含量升高，從而減緩肝臟缺血再灌注損傷[9]。研究發(fā)現(xiàn)長期MetR、隔天禁食及20%-30%DR飼養(yǎng)的成年小鼠的肝臟和腎臟相比對照組產(chǎn)生H2S的能力增強，因而能夠抵抗損傷延長壽命。

哺乳動物體內(nèi)源性H2S主要來源于蛋氨酸和半胱氨酸，由TSP 中的酶胱硫醚-β-合成酶（Cystathionine-β-lyase，CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（Cystathionine-γ-lyase，CGL）和3-巰基丙酮酸硫基轉移酶（3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase，3-MST）以磷酸吡哆醛（Pyridoxal phosphate，PLP）為輔因子及半胱氨酸為底物催化產(chǎn)生[10]，見圖2。在蛋氨酸轉化為同型半胱氨酸后，CBS催化同型半胱氨酸和絲氨酸生成胱硫醚，隨后胱硫醚在CGL的作用下轉化為半胱氨酸，這是H2S生成的關鍵底物。

半胱氨酸在CBS和CGL的作用下生成H2S，此外，也可通過半胱氨酸轉氨酶（Cysteine aminotransferase，CAT）生成3-巰基丙酮酸（3-mercaptopyruvate，3-MP）再經(jīng)過3-巰基丙酮酸硫基轉移酶（3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase，3-MSP）的作用生成H2S。

圖2 蛋氨酸在哺乳動物體內(nèi)的代謝

3 MetR 上調(diào)H2S 及H2S 的作用機制

在哺乳動物中，限制含硫氨基酸攝入可以從轉錄水平上調(diào)TSP基因。缺乏單一氨基酸可以激活氨基酸饑餓反應激酶——一般性調(diào)控阻遏蛋白2激酶（General control non-derepressible 2 kinase，GCN2），導致其靶點eIF2α的磷酸化以及轉錄因子如激活轉錄因子4（Activating transcription factor 4，ATF4）的穩(wěn)定[11]。MetR激活小鼠肝臟中氨基酸饑餓反應。ATF4參與CGL的調(diào)控，它不僅在熱量限制（Calorie restriction，CR）和MetR的小鼠肝臟中增加，在其他與飲食限制無關的慢性衰老模型中也升高[12]。

TSP中的關鍵產(chǎn)物是半胱氨酸，當體內(nèi)半胱氨酸含量較低的時候，機體以蛋氨酸為原料通過轉甲基途徑（Transmethylation pathway，TMP）和TSP逐步生產(chǎn)半胱氨酸，見圖2。當限制H2S生成底物半胱氨酸時，TSP被激活，其中關鍵酶CGL和CBS的活性上調(diào)，從而使H2S產(chǎn)量增加。當限制反應底物（半胱氨酸）時，內(nèi)源性硫化氫（Endogenous hydrogen sulfide，H2S）的產(chǎn)量反而增高，這似乎有些矛盾。然而，在MetR情況下，由CGL和CBS介導衍生的H2S的具體來源尚未十分清楚。其中，自噬釋放的游離半胱氨酸可能是H2S的重要來源，這在酵母身上得到了很好的詮釋，酵母MetR的壽命延長作用依賴于自噬的存在[4]。而在小鼠中，當自噬蛋白5（Autophagy protein 5，ATG5）或7（Autophagy protein 7, ATG7）的敲除亦可導致H2S產(chǎn)量的下調(diào)[13]。

H2S一直被認為是毒素及環(huán)境污染物，高濃度的H2S通過抑制細胞色素C氧化酶和干擾鐵依賴的生化反應來抑制呼吸。近年來科學家們發(fā)現(xiàn)到H2S可以在生物體內(nèi)合成，并確定H2S為繼一氧化碳（Carbon monoxide，CO）和一氧化氮（Nitric oxide，NO）的之后的第三個氣體信號轉導分子[14]。在2007年，H2S首次被發(fā)現(xiàn)可以延長秀麗隱桿線蟲的壽命并且調(diào)節(jié)其耐熱性，50 ppm的H2S使秀麗隱桿線蟲的平均壽命增加了70%，在高溫（35°C）下秀麗隱桿線蟲的存活率也提高了約8倍[15]。在秀麗隱桿線蟲中，3-巰基丙酮酸硫基轉移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST）是主要的生成H2S的酶，在3-MST敲除后，野生秀麗隱桿線蟲的壽命降低了約36%。

H2S被認為是MetR中發(fā)揮作用的主要分子，可以從不同方面延緩衰老。主要分子機制是其對蛋白質(zhì)表面暴露的半胱氨酸和硫醇殘基的硫化作用（Sulfhydration），使得-SH基團轉化為-SSH或過硫化物基團。這種翻譯后的修飾對靶蛋白功能有著重要作用。由于暴露的半胱氨酸殘基易受亞硝基化的影響，H2S可與這些殘基競爭從而影響蛋白質(zhì)的功能。如前所述，衰老通常伴隨著營養(yǎng)感知信號失調(diào)，而IIS是其中的主要信號通路。H2S的合成酶CGL和CBS可在胰島β細胞表達，并通過刺激KATP離子通道，抑制胰腺β細胞和胰島素分泌從而下調(diào)IIS通路[16]。此外，最近一項研究顯示H2S可以顯著下調(diào)IGF-1R的表達刺激IGF-1R的硫化作用，減弱IGF-1與IGF-1R的結合從而抑制血管平滑肌細胞的增殖[17]，這一研究為增生性心血管疾病（如動脈粥樣硬化）提供了創(chuàng)新治療策略。

4 H2S 供體藥物的使用

如前所述，內(nèi)源性H2S是MetR延緩衰老及相關疾病的關鍵分子，因而研究者通過化合物模擬H2S在體內(nèi)的生物學效應。但是因H2S是氣體小分子物質(zhì)，單純將其用于藥物試驗的可控性較差，所以現(xiàn)在多使用H2S供體，通過在體內(nèi)轉換成H2S來治療衰老相關疾病。H2S供體可分為快速釋放H2S的藥物（如NaHS和Na2S）和緩慢釋放H2S的藥物（如GYY4137）。目前針對H2S供體的動物研究顯示，NaHS通過大鼠心房的KATP通道和PI3K/Akt/NOS/sGC通路刺激心房鈉尿肽（Atrial natriuretic peptide，ANP）分泌[18]，可能是H2S潛在的保護心血管系統(tǒng)的機制。此外，研究發(fā)現(xiàn)GYY4137可以通過激活PI3K/Akt信號，以及部分依賴NO信號和抑制糖原合成酶-3β（Glycogen synthase kinase -3β，GSK-3β）保護心臟從而免受致命的再灌注損傷，因此可作為急性心肌梗死再灌注治療的輔助手段[19]。最近，一種新型的線粒體靶向的H2S供體藥物AP39被報道可通過保護線粒體功能對神經(jīng)元及阿爾茲海默癥小鼠起保護作用[20]，為將來神經(jīng)退行性疾病的治療提供了治療策略。體外實驗中，AP123和AP39也被證實對微血管內(nèi)皮細胞的高血糖損傷具有保護作用[21]。

5 總結與展望

MetR和DR通過相同的機制延緩衰老，主要包括IIS，mTOR、AMPK以及sirtuin等通路，這些信號通路之間彼此關聯(lián)互相影響，MetR通過這些通路以及它們的相互作用下調(diào)營養(yǎng)感知信號從而延緩衰老進程，緩解衰老相關疾病。

Hine等人的研究顯示，MetR主要通過激活TSP關鍵酶CGL的活性上調(diào)內(nèi)源性H2S的含量。H2S可以通過多種機制來延緩衰老相關疾病，它同樣與營養(yǎng)感知信號通路的關系密切。PTEN是IIS通路中PI3K-Akt軸的主要拮抗劑，H2S通過對PTEN的硫化作用來調(diào)節(jié)其活性，從而被看作是PTEN的內(nèi)源性調(diào)節(jié)劑[22]。除此之外，H2S還可通過對腎小管上皮細胞中AMPK信號通路的激活以及抑制mTOR復合物1活性來延緩腎臟衰老[23]。H2S通過幾乎與MetR相同的通路影響營養(yǎng)感知信號的調(diào)節(jié)，也能從另一個角度說明MetR的主要作用機制在于內(nèi)源性H2S含量的升高。

已經(jīng)有許多研究證實H2S在心血管疾病、糖尿病、腫瘤以及神經(jīng)退行性疾病等衰老相關疾病中的重要作用。因此，針對H2S供體藥物作為飲食限制模擬物的開發(fā)應用在預防、延緩衰老及其相關疾病中具有重要意義。

目前，H2S供體藥物的研究尚處于動物實驗階段，在哺乳動物身上對抗衰老相關疾病取得了矚目的效果。但是將其正式作為藥物應用于人體還需通過謹慎而嚴密的臨床試驗。