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，近年來發現H2S是一種內源性氣體信號分子，具有抗氧化、調節炎性反應、抗纖維化、舒張血管、血管重塑等生理作用，也可調節細胞增殖和凋亡[1，2]?；A水平的細胞自噬是細胞實現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、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[3，4]。據報道， H2S通過調控多種機制影響細胞自噬，在多種疾病的發生、發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蛋白和損壞的細胞器并降解的過程(圖1)。根據細胞自噬發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的自噬，巨自噬便是研究通常所說的自噬[4]。在自噬誘導的過程中首先形成了雙層膜結構的自噬前體，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，隨后自噬體與溶酶體融合，內容物在水解酶作用下被降解?；A水平的細胞自噬是細胞的一種保護機制，參與機體內環境穩態的調節：(1)自噬具有使細胞耐受饑餓的作用：細胞處于饑餓狀態時，胞內蛋白質和細胞器在自噬的調控下被水解酶降解并釋放，為細胞提供必需的營養物質[5]。(2)細胞自噬參與胞內脂質、蛋白質等大分子的代謝循環[6]。(3)細胞自噬可以參與RNA的降解等[7]。

圖1 自噬的誘導過程

二、H2S的產生及其作用

H2S的內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-巰基丙酮酸轉硫酶(3-mercaptopyruvate suifurtransferase，3-MST)是體內催化H2S合成的3種主要酶類[8]。H2S是機體內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發揮作用的機制主要包括抑制細胞增殖、調節凋亡、調節炎性反應、抗氧化、調控線粒體通透轉運、調控離子通道及在細胞內信號轉導等[1,2]。除此之外，H2S 調控細胞自噬也是其發揮作用的重要機制。

三、H2S通過調控細胞自噬發揮生物學功能

H2S可以通過調節細胞自噬發揮抗腫瘤作用,使用外源性H2S上調了人黑色素瘤細胞系A375、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致其他組織如心臟、腎臟和神經系統等的病變和功能障礙，這些并發癥往往是導致糖尿病患者死亡的真正原因。H2S可以通過調控自噬抑制糖尿病心血管病變、糖尿病腎病等的發生、發展[10,14,15]。H2S還通過對血管平滑肌細胞自噬的調節發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，從而恢復缺血后適應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節作用。綜上所述，H2S通過調控自噬在多種疾病中發揮著重要的調節作用。

四、H2S調控自噬的機制

H2S通過多種信號通路調控細胞自噬，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-血清和糖皮質激素應答激酶-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節的重要信號通路。mTOR是自噬誘導過程中關鍵的負調節因子，它的活化可以抑制細胞自噬。AMPK感應細胞內能量狀態，可以通過磷酸化ULK1并與ULK1結合，抑制mTOR的活化繼而誘導細胞自噬[16]。外源性H2S可以通過激活AMPK-mTOR信號通路增強細胞自噬，恢復由鏈脲佐霉素(streptozocin，STZ)誘導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，下調高糖環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生保護作用[15]。H2S在不同細胞中對細胞自噬展現出兩種截然相反的效應，這可能與細胞的基礎自噬水平不同及H2S的來源不同等因素有關，內源性H2S與外源性H2S是否對細胞自噬產生相同的效果還有待證明。

2．PI3K-Akt-mTOR信號通路：mTOR也受PI3K-Akt的調節。mTORC1和mTORC2分別是mTOR存在的兩種復合物形式，二者發揮不同的作用。其中mTORC1主要調節細胞生長、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節。而H2S可以通過PI3K-Akt-mTOR信號通路調節細胞自噬。H2S激活PI3K-Akt-mTOR信號通路并抑制了顱腦損傷(traumatic brain injury，TBI)誘導的細胞自噬過表達，并通過促進軸突再生、恢復線粒體功能和減少TBI誘導的神經細胞死亡以發揮神經保護作用[12]。有研究表明，NaHS上調肝癌細胞HepG2、HLE中的LC3Ⅱ、ATG5蛋白的表達，下調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，上調肝癌細胞自噬并發揮抗腫瘤作用。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相似的催化結構域，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節[19]。有研究指出NaHS抑制低氧/復氧(hypoxia/reoxygenation，H/R)處理的心肌細胞自噬相關基因(ATG5、Beclin-1、Atg9)mRNA的表達，降低了H/R誘導的新生大鼠心肌細胞自噬的過度活化并發揮心肌保護作用，這種保護作用至少部分是H2S通過調節PI3K-SGK1-GSK3β信號通路并抑制細胞自噬實現的[19]。

4．MAPK信號通路：MAPK是一組絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，是細胞內外信號傳遞的重要信號分子，包括細胞外調節蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)、應激活化蛋白激酶(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損傷產生保護作用的相關機制，且這種保護作用與自噬有關[21]。使用循環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，H2S治療后抑制了其表達并抑制了循環菌株誘導的自噬水平增加，表明H2S可能通過MAPK信號通路調節細胞自噬[2]。雖然已經有實驗證明JNK信號通路參與了H2S對細胞自噬的調節，但是目前還沒有直接證據能夠證明p38MAPK、ERK信號通路參與了H2S對細胞自噬的調節，這為細胞自噬受H2S調節相關機制的研究作出了可能的假設[21]。

5．NF-κB信號通路：NF-κB是一種轉錄因子，感知細胞內外各種刺激并做出反應，可調節許多涉及炎性反應、免疫應答的基因，并與癌癥的發展有關[22]。此外，NF-κB信號通路還參與了對細胞自噬的調節。通過腹腔注射NaHS治療降低了由STZ誘導的自噬標記蛋白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通過調節NF-κB信號通路影響細胞自噬，為H2S調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：自由基產生過多或者清除不及時導致自由基的過度累積可誘導細胞的氧化應激，而過度的氧化應激可以導致細胞自噬的活化。NaHS預處理可以降低H2O2誘導的成纖維細胞的自噬，清除胞內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的產生并保持線粒體功能來實現的，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感知胞內能量狀態，可由過度累積的ROS激活進而誘導細胞自噬。NaHS治療不僅改善了UUO小鼠腎臟組織學改變，上調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雜的胞內生理過程，于機體穩定具有重要意義。H2S可以直接或間接地通過AMPK-mTOR、PI3K-Akt-mTOR等多種信號通路調節細胞自噬的表達水平。雖然目前對H2S調控細胞自噬的相關機制尚沒有一個完整系統的認知，但是H2S已被證實具有調節炎性反應、促進血管舒張、抗氧化應激、抗纖維化、調節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節在多種疾病如腫瘤、糖尿病等疾病過程中發揮保護作用，這為多種疾病的防治提供了新思路和新靶點。