内源性气体信号分子的合成代谢及生物学效应

肖 军 滕继林

(山东省泰山学院生物与酿酒工程学院 泰安 271021)

20世纪80年代中期，内源性气体分子一氧化氮(NO)被发现是一种在机体中传递信息的活性分子，提出了“气体信号分子”这一全新概念。20世纪90年代中期，科学家又陆续在机体中发现一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)等几种气体信号分子。近几十年的研究表明：机体内源性的NO、CO和H2S在信号调控网络中扮演着重要角色，包括调节心血管和神经系统的生理及病理活动等，具有广泛的生物学效应。

1 内源性气体信号分子的合成代谢

1.1 NO的合成代谢 体内NO是由一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)蛋白家族在氧气存在下催化L-精氨酸产生。NO没有专门的储存及释放调节机制，靶细胞上NO的多少直接与NOS的活性密切相关，因此NOS是一种NO合成的限速酶。NOS存在三种同工酶[1]：脑或神经元NOS(neuronal NO synthase，nNOS或NOS I)；诱导型NOS(inducible NO synthase，iNOS或NOS II)及内皮NOS(endothelial NO synthase， eNOS或NOS III)。eNOS高表达于血管内皮细胞，nNOS主要存在于神经系统中，合成和释放NO的神经元被定义为硝基能神经元。eNOS和nNOS都能被细胞内钙离子浓度升高而激活，受钙离子-钙调蛋白(Ca2+-CaM)调控，持续表达产生低浓度的NO。iNOS最早被发现于巨噬细胞，后来发现其在血管平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞等细胞中也有分布。这些细胞在受到各种刺激因子,包括内毒素(endotoxin)、白细胞介素-1β (interleukin-1β，IL-1β)、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosisfactor-α，TNF-α)、干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)等，作用后诱导激活，以非依赖于Ca2+-CaM调控的方式催化NO的快速合成。NO在细胞外极不稳定，其半衰期只有2～30s，被氧化后以亚硝酸根(NO2-)和硝酸根(NO3-)的形式存在于细胞内外液中，少量通过呼吸作用排出体外。

1.2 CO的合成代谢 在体内存在着多个合成并释放CO的生理代谢途径，其中依赖于还原型辅酶-Ⅱ(NADPH)的血红素加氧酶(heme oxygenase，HO)所催化的亚铁血红素分解生成CO是最主要的途径。血红素加氧酶存在三种同工酶[2]：血红素加氧酶-1 (HO-1)属于诱导型，可被内毒素、低氧和氧化剂等诱导。HO-1广泛分布于脾脏、肝脏和骨髓等代谢活跃的器官，对诱导刺激都十分敏感。血红素加氧酶-2(HO-2)和血红素加氧酶-3(HO-3)为结构型，是细胞生理状态下的主要存在形式。HO-2主要分布于脑内，在血管平滑肌和内皮细胞中也有表达，肾上腺糖皮质激素可上调HO-2的表达。HO-3主要分布于脾脏和肝脏等，其作用可能是调节依赖血红素的基因表达，但活性较低。生理条件下，人体每小时生成的CO接近20mmol，体内生成的CO大部分通过呼吸作用排出体外。

1.3 H2S的合成代谢 哺乳动物体内H2S以含硫的半胱氨酸和同型半胱氨酸为底物，由胱硫醚-β-合酶 (cystathionine-β-synthase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)和3-巯基丙酮酸转硫酶(3-mercaptopyruvate sulfurtransferase，3-MST)通过酶促反应生成。这些酶的分布具有组织特异性[3]。CBS高表达于神经系统，CSE则主要分布在心肌和血管组织中，而在肝脏和肾脏两者都有分布。3-MST主要分布于脑和红细胞中。体内的H2S大部分在细胞线粒体中被迅速氧化成硫代硫酸盐或硫酸盐。H2S的代谢产物在24h内通过肾脏、肠道和肺被排出，因此，H2S在正常生理条件下很少蓄积[4]。

2 内源性气体信号分子的生物学效应

内源性气体信号分子对维持心血管系统的稳态以及调节神经活动和细胞凋亡起着十分重要的作用。

2.1 维持心血管系统的稳态 NO、CO和H2S这三种气体信号分子均具有心血管效应，但其作用机制互不相同，并且三者之间存在一定的协同作用，对维持心血管系统的稳态发挥着重要的作用。

2.1.1 NO的作用机制 Rapopon等提出NO可以激活可溶性鸟苷酸环化酶(soluble guanylyl cyclase，sGC)、升高环鸟苷酸(cGMP)而发挥扩血管作用。Wu LY等发现NO还可以作用于平滑肌细胞膜上大电导型钙依赖性钾通道(big-conductance calcium-activated K channel，BKca)的β亚单位，增加其开放概率，促使细胞膜超极化，导致血管平滑肌舒张。Xie等认为心脏中的NO促使心肌舒张，降低耗氧量，其作用机制可能与NO抑制线粒体呼吸有关。Hare等发现NO还可以拮抗β-肾上腺受体的正性肌力作用，导致心率减慢、心输出量减少。

2.1.2 CO的作用机制 与NO相似，CO也通过激活sGC提高细胞内cGMP水平，进而舒张血管平滑肌。两者对细胞内cGMP水平的调节在不同的生理及病理条件存在微妙的平衡关系[5]。Wu LY等提出平滑肌细胞胞膜上BKca是NO和CO的另一共同分子靶点，CO作用于BKca通道的α亚单位，同样导致血管平滑肌舒张。Chen等研究发现，低氧能诱导心脏HO-1的表达上调，促进CO的合成增多，后者通过扩张血管而增加心脏血流供应、发挥心脏保护作用。研究表明CO供体能减轻心肌细胞和离体大鼠心脏的缺血再灌注损伤。Shi等的研究表明，NO可以通过上调HO的表达促进CO产生；而CO则通过抑制NOS的活性和NOS mRNA的表达与NOS竞争辅酶等多种方式抑制NO的产生。

2.1.3 H2S的作用机制 内源性的H2S诱导的血管舒张有别于NO 和CO通过sGC-cGMP 通路只作用于平滑肌，其舒张效应可以通过不同的机制既作用于平滑肌细胞，也作用于内皮细胞[6]。H2S作用于内皮细胞，可促进血管舒张因子(例如，NO和eNOS抑制剂)的释放而显著舒张血管。Hosoki等的研究发现，H2S 单独扩张平滑肌的作用较弱，而在与 NO 共存的情况下，两者的协同舒张效应就大大提高。H2S作用于平滑肌，可抑制细胞外Ca2+内流，降低细胞内游离钙水平；或作用于平滑肌细胞上的KATP通道，使KATP通道开放，细胞膜超极化而顺次关闭电压门控Ca2+通道，同样使细胞内游离钙水平降低，直接导致血管平滑肌舒张，且这种舒张效应不依赖于内皮细胞。

2.2 调节神经活动 在神经系统中通过酶促反应生成的NO、CO和H2S气体信号分子作为神经调节物质，对神经系统正常生理功能的维持起着重要的作用，并与神经系统退行性疾病密切相关。

2.2.1 NO的作用机制 nNOS是神经系统中NO合成的主要酶。研究表明NO作为逆行信使从突触后膜释放，弥散至突触前末梢，刺激突触前膜的兴奋性氨基酸——谷氨酸递质的不断释放，从而诱导海马CA1区(hippocampus 1区)的长时程增强( long-term potentiation，LTP)，参与调节学习、记忆及神经再生等功能。在动物模型中抑制NOS能够损伤学习能力、导致记忆缺失。NO还参与血压的中枢调节，例如在髓质和下丘脑抑制nNOS活性会导致系统性高血压。外周神经系统中，很多平滑肌组织受硝基能神经元的支配，这些神经元表达nNOS，生成的NO被视为是一种特殊的神经递质，在其效应细胞中能激活NO敏感的sGC，从而降低各种类型平滑肌的紧张度，发挥舒张血管作用。

2.2.2 CO的作用机制 CO 与NO一样是LT P的逆行信使，调节记忆和认知功能。CO亦参与脑细胞的能量代谢，可激活脑浦肯野神经元中的sGC，促进 cGMP的生成增加，进一步激活蛋白激酶G(PKG)，引起α3-Na+-K+-ATP 酶活性增加。CO 还可调节下丘脑促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin releasing hormone，CRH) 和促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone ，GnRH)的释放。另外，CO通过调节孤束核传入神经介质谷氨酸的突触后作用，影响压力感受器活性，抑制CO合成，降低突触后传递，反射性升高动脉血压。

2.2.3 H2S的作用机制 内源性H2S在脑内的浓度可达50～160 μmol·L-1，表明它对大脑功能的调节具有一定的生理功能。研究发现，H2S选择性易化N-甲基-D-天冬氨酸受体( N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA)而促进LTP效应，当封闭NMDA时，H2S 的LTP 易化效应消失，提示H2S可能不像NO和CO一样充当逆行性信使[7]。H2S还可调控下丘脑-垂体-肾上腺轴，例如，Navarra P等发现增加下丘脑H2S的水平，可控制CRH释放。Lee、Zhang、Bindu等的研究表明，H2S在神经退行性疾病如帕金森病(PD)、阿尔兹海默病(AD)、亨廷顿舞蹈病(HD)中发挥重要但的作用，这与其抗氧化应激和抗炎作用有关。

2.3 调节细胞凋亡 诸多研究证实NO、CO和H2S对细胞凋亡的调节作用都呈现为促进或抑制的双重调控，即对不同细胞及同一种细胞的不同分化阶段或不同疾病的凋亡作用有异质性。在体内，气体信号分子促进还是抑制细胞凋亡取决于其浓度、氧化还原的环境及细胞内的保护机制[8]。

2.3.1 NO的作用机制 NO诱导细胞凋亡的途径有多种，其中最重要的是其与超氧阴离子反应生成的过氧亚硝酸根(ONOO-)所引起的DNA损伤和突变，并进一步导致多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase，PARP)的激活和ATP的消耗，直接影响线粒体结构和能量代谢。而NO抑制细胞凋亡则可通过抑制半胱天冬酶(caspase)以及细胞保护蛋白质(例如，热休克蛋白HSP32和HSP70)的活性，直接抑制Caspase级联反应，遏制凋亡信号的传导；NO还可调控线粒体的结构和线粒体膜的通透性，阻止细胞色素C的释放，从而延缓细胞的凋亡。

2.3.2 CO的作用机制 杜军保等的研究发现，在内皮细胞上低浓度的CO通过p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)-核转录因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)信号通路，抑制TNF-α导致的内皮细胞凋亡。在低氧性肺动脉高压(hypoxic pulmonary hypertension，HPH)中，CO表现为促进肺动脉平滑肌细胞低氧性凋亡，是缓解肺血管结构重建机制的重要组成部分；在动脉粥样硬化发病中，CO抑制细胞因子(IFN-γ、TNF-α和IL-1β)诱导的主动脉平滑肌细胞凋亡[9]。

2.3.3 H2S的作用机制 闫辉等研究发现，内源性H2S可抑制血管平滑肌细胞异常增殖并促进其凋亡。H2S可能下调凋亡抑制因子B-细胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2，Bcl-2)及NF-κB水平，最终激活Caspase-3达到促进平滑肌细胞凋亡、缓解血管结构重构的效应。Henderson、Kang等研究发现：H2S在体外能显著减少由缺血-再灌注损伤(ischemia-reperfusion injury, IRI) 引起的细胞凋亡，从而为缺血-再灌注损伤提供组织生存力。徐霞等进一步研究发现，H2S活化p38 MAPK抑制剂(SB203580)诱导的大鼠肝星状细胞(hepatic stellate cells，HSCs) p38MAPK的磷酸化途径，进而激活Caspase-3引起HSC-T6的凋亡。Yin等实验表明：H2S能通过补充丢失的线粒体膜电势及减少胞内活性氧簇(reactiveoxygen species，ROS)来保护细胞由甲基-4-苯基吡啶离子引起的细胞凋亡。

3 小结

三种气体信号分子有着相似的作用性质，且相互调控，它们的合成、储存和释放的模式与经典的神经递质、激素和生长因子等信号分子大不相同。更重要的是，它们发挥生物学效应的途径也与其他化学信号存在很大的差异。但是，细胞信号转导重要的特征之一是多种信号通路通过复杂的“交叉对话”(cross talk)构成信号网络系统，以整合调控的模式精确控制细胞活动。气体信号分子与其他类型信号分子之间以及气体信号分子之间复杂的相互调节作用尚待进一步合理解释和科学的论证。