神经系统中内源性硫化氢相关生物学功能的研究进展

黄玉雕， 曹方圆， 叶 振综述， 梁庆成审校

气体信号分子是生物体及细胞内存在的一种具有独特生物学作用的信号途径，具有连续产生、传播和弥散迅速等特点。该命题是随着20世纪80年代中期发现内源性气体分子一氧化氮(NO)通过一氧化氮合酶作用于精氨酸而产生并与细胞内鸟氨酸环化酶结合从而提高胞内环磷酸鸟苷(cGMP)水平并具有舒张血管、抑制血小板聚集和抑制细胞增殖等广泛的生物学效应而创立的，其是一种新型的非受体依赖性信号转导机制。本文就第3类气体信号分子H2S的神经系统合成、调节、代谢、神经系统功能和相关疾病的关系等内容总结如下。

1 内源性H2S的发现

硫化氢(H2S)被认为是工业生产中的有害气体达数百年，直到1989年学者Goodwin等人发现较高浓度的内源性的H2S存在于鼠、牛和人的大脑中，从而提示了该气体信号分子可能存在着重要的生理和病理作用。随后1996年学者Abe等证实含硫氨基酸代谢产生内源性H2S可能是一种神经活性物质。近年来，大量相关研究表明内源性H2S对中枢神经系统功能有着重要的调节和保护作用，特别是对海马的功能具有调节作用，同时其对消化系统、心血管系统和呼吸系统等均存在着重要的生理调节和参与疾病病理生理过程的作用。H2S被认为是NO和CO之后的第3类气体信号分子［1］。

2 内源性H2S的合成、调节和代谢

2．1 内源性H2S的合成 人体中内源性H2S的合成主要存在于脑组织、肝脏和肾脏等处，其合成方式包括酶合成和非酶合成两种，其中酶合成占绝大部分。内源性H2S于细胞浆内以L-半胱氨酸(L-cysteine，L-Cys)为底物在5’-磷酸吡多醛依赖性酶包括胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-βsynthase，CBS)、胱 硫 醚-γ-裂 解 酶 (cystathionine-γ-Lyase，CSE)和半胱氨酸转移酶等催化作用下而产生;线粒体内在巯基丙酮酸转硫酶(mercaptopyruvate transsulphurase，MPST)的催化下而产生。

2．2 内源性H2S的调节 脑内CBS主要分布于海马、小脑、皮层和脑干等部位，经CBS基因剔除大鼠研究证实CBS是脑组织中产生H2S唯一的酶，CBS内部Cys-49、Cys-162、Cys-367和Cys-476等4个半胱氨酸残基参与其活性调节的［2，3］。对于 H2S 合成调节，学者 Eto 等［4］指出至少存在快速调节、缓慢调节和基础水平调节等3种调节途径。快速调节途径即当神经元收到刺激兴奋时通过Ca2+/钙调素介导的信号转导，增加Ca2+的内流从而钙调素的活性增加并与位于CBS上的19氨基酸片段结合，加快H2S生成速度和增加生成量［5］，是一种神经元兴奋的表现;缓慢调节途径即S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L methionine，SAM)的量经睾酮的调节而增加从而增加CBS的活性来增加H2S的生成量，而且脑内通过睾酮诱导生成H2S的最终兴奋剂是SAM;基础水平调节途径机制尚不明确，睾酮和SAM生成与代谢可能与年龄和性别的依赖性有关，通过这一相关性来调节H2S的产生。

2．3 内源性H2S的代谢 体内H2S存在的形式包括气体和硫氢化钠两种，有研究显示大约1/3的H2S以气体形式存在于体内，另外2/3则以硫氢化钠的形式存在，硫氢化钠解离为钠离子和硫氢根离子，而硫氢根与与氢离子合成H2S，二者形成一种动态平衡，此种配比既不会改变体内内环境的pH值又保障了H2S于体内的稳态［6］。血清和大部分组织中H2S的含量大约50μmol/L，脑内H2S的产量约为20nmol/L/(min/g-蛋白)，其可渗入浆膜，主要原因是脂溶液中溶解度是水中溶解度的5倍。内源性H2S的代谢途径主要为产生硫酸盐和(或)硫代硫酸盐而排出体外，体内的含硫氨基酸的代谢途径为半胱氨酸-半胱氨酸亚硫酸盐-硫酸盐或半胱氨酸-半胱氨酸亚硫酸盐-牛磺酸，而后经肠道或尿液排出体外。哺乳动物中可以生成硫酸盐或硫代硫酸盐的组织包括肝脏、骨骼肌、红细胞、血浆、胃、盲肠和结肠等，其中产生硫代硫酸盐速度最快的组织为结肠粘膜［7］。

3 内源性H2S的神经系统功能

3．1 内源性H2S与海马长时程增强的关系 海马长时程增强(LTP)是一种与学习和记忆机制有关的突触模型。内源性H2S通过cAMP途径易化CA1区产生LTP效应，而其生成可以通过电信号刺激和谷氨酸的释放来调节。由于神经系统内可以产生H2S，也从侧面证明了其在神经细胞突触传递中的作用。

研究显示H2S的浓度只要达到生理浓度50～160μmol/L，即可促进并易化海马CA1区产生LTP［8］。若一个较弱的电刺激并且同时有H2S的存在就可易化海马CA1区LTP的产生，而且该效应与单纯施加一个强直性电刺激所引发的LTP效应具有等效性;若无H2S的存在则该刺激的作用就不能引发海马CA1区LTP的发生［9］。同时H2S刺激海马CA1区产生LTP对H2S的供体NaHS具有剂量依赖效应，当NaHS的浓度处于生理剂量的上限130μmol/L时，其易化LTP的作用最强，一旦低于或高于H2S生理浓度的上下限就会使兴奋突触后电位和峰电位的幅度产生抑制。

动物实验证明于大鼠脑内H2S可选择性作用于N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA)介导的反应从而增强其效应来改变海马的长时程增强作用［4］。应用NMDA受体阻断剂AP-5可以阻滞H2S诱发的LTP效应，但不能阻滞NO和CO诱发的LTP，因此可以说明H2S诱发的LTP对NMDA具有依赖性。生理浓度的H2S即可增强NMDA受体介导的兴奋性电流，其易化NMDA受体介导的LTP的过程的实现通过调节神经元细胞和神经胶质细胞内的cAMP的水平。Kimura等通过对原代神经原细胞培养发现其可以在H2S的诱发下产生cAMP，但将其作用于不同的神经细胞和神经胶质细胞后发现cAMP的产生量不同，该结果表明H2S以cAMP为其信号传导的第二信使作用于神经细胞和神经胶质细胞，而且生成不同量的cAMP说明神经细胞可能存在H2S受体和能与H2S发生反应的腺苷酸环化酶。

3．2 内源性H2S神经胶质细胞钙水平的关系 总所周知，细胞内Ca2+浓度是由细胞膜上的Ca2+通道和胞内储存的Ca2+浓度决定的，而且通过前人研究发现H2S可以使NMDA受体介导的海马切片神经元对谷氨酸盐的反应得到提高。然而，学者Nagai等［10］通过研究选取绿色钙-1(Calcium Green-1)为Ca2+敏感的荧光染色Ca2+成像发现H2S可以增加神经胶质细胞Ca2+的内流及胞内储存Ca2+的释放量，并同时诱发周围神经胶质细胞Ca2+的释放，因此细胞内Ca2+浓度增加而形成钙波。也有学者发现［11］对大鼠小胶质细胞应用浓度为0．1～0．5nmol/L的H2S的供体NaHS预处理发现其可以增加Ca2+浓度且对NaHS的浓度均有依赖性，其机制与H2S激活的cAMP蛋白激酶A(PKA)相关联。同样学者Lin［9］发现海马神经元兰尼碱受体介导的Ca2+来增加细胞内Ca2+浓度可以由激活cAMP蛋白激酶A途径来实现，此发现与之前研究想一致，而且进一步证明了H2S能够调节神经胶质细胞Ca2+浓度的信号机制。细胞内钙信号的改变可以由Ca2+浓度的水平来决定，这种钙信号的改变可以引起小胶质细胞的激活、迁移、增殖、炎症因子如释放白细胞介素(IL-1)和肿瘤坏死因子(TNF-α)等和细胞骨架的重建等［12］。细胞内神经胶质细胞与周围细胞的信息传递主要由增加胞内Ca2+浓度、自身激发和其他刺激等产生钙波的方式来实现的。目前对H2S作用于细胞并激活Ca2+通道的类型难以确定，通过使用Ca2+通道阻滞剂La3+和Gd3+均可抑制H2S与星形胶质细胞的反应，但在祛除H2S因素单独应用Ca2+通道阻滞剂La3+和Gd3+同样可以抑制Ca2+通透性瞬时受体电位(transient receptorPotential，TRP)家族离子通道，同时单独应用T、L和N型Ca2+通道阻滞剂氟桂利嗪、硝苯地平、GVIA和ω-CTX等进行阻滞H2S的作用效果却不如非特异性电压依赖行Ca2+通道阻滞剂La3+和Gd3+的效果明显。可以肯定的是H2S对于神经元与神经胶质细胞或胶质与胶质细胞之间的信息交流有重要作用。

3．3 内源性H2S与神经保护作用的关系 H2S是一种内源性还原剂由氧化应激作用产生，其能提高诱导LTP、拮抗过量NO、提高γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的活性和提高胞内GSH的含量，其对神经细胞可能具有保护功能。人体的氧化代谢可产生低浓度的自由基，当自由基蓄积过多或机体自由基清除障碍时会对机体造成损害。二甲基硫丙酸盐(DMSP)及其酶解产物二甲基硫(DMS)是羟自由基(-OH)和活性氧自由基的内源性清除物质，而H2S是一种内源性还原剂由氧化应激作用所产生，因此H2S可能存在抗氧化的作用［13］。

谷氨酸的毒性包括受体介导的兴奋毒性和非受体介导的氧化毒性。非受体介导的氧化毒性又称为为氧化凋亡是指胱氨酸的摄入被谷氨酸所抑制而引起氧化应激作用，其机制是二者共同竞争一个氨基酸跨膜转运体引起的。胱氨酸于胞内可转化为抗氧化剂谷胱甘肽(GSH)，当高浓度的谷氨酸存在于胞外时会间接降低GSH的含量。学者Kimura等［14］证明H2S可增加胱氨酸的转运并促进GSH的合成，同时细胞内γ-谷氨酰半胱氨酸达到饱和的时间是未应用H2S的2倍，而且H2S不会引起γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶mRNA的表达增加，所以H2S实现神经细胞的保护作用是通过增加γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的活性进而增加γ-谷氨酰半胱氨酸的含量和胱氨酸的转运来实现的。

有研究显示H2S还可起到与GSH类似的作用，其可以使ONOO-介导的酪氨酸硝基化、细胞毒性、细胞死亡及细胞内蛋白的硝基化和氧化的到显著抑制［15］。此外H2S可抑制次氯酸介导的脑氧化损伤，仅生理浓度的H2S即可抑制α1-抗蛋白水解酶的失活、细胞毒性、蛋白质羰基形成和SHSY5Y细胞脂质过氧化等消极作用，此作用与CHS作用相似并有可能将其取代，而且H2S还可以作为过氧化氢的清除剂将其消除［16］。

3．4 内源性H2S与脑血管功能调节的关系 内源性H2S可调节大脑的供血，其实现方式是通过调节脑部血管平滑肌的张力。有研究显示H2S具有舒张血管平滑肌和调节脑血液循环的功能从而缓解脑部缺血症状［17］。其机制为:内源性H2S可以激活位于脑部血管平滑肌细胞膜上ATP敏感型K+通道引起K+电流的增加从而达到舒张平滑肌的作用;内源性H2S通过促进内皮细胞NO的释放达到舒张目的。学者Zhao研究发现浓度为2．8～14μmol/Kg的H2S在不引起实验大鼠心率改变的情况下降低平均动脉压12～30mmHg。

3．5 内源性H2S与神经胶质细胞介导神经炎症的关系

处于激活状态的神经胶质细胞可产生NO、TNF-α和IL-1β等炎症介质和炎性核转录因子(NF-κB)等，其活化因素包括脂多糖、干扰素-γ、ATP、β-淀粉样前体蛋白、CD40 配体、趋化因子、神经递质和凝血酶等。有研究［18］显示H2S对LPS诱导的RAW264．7巨噬细胞NO及NF-κB的产生和表达;学者Lee等［19］对由LPS和INF-γ激活的小胶质细胞进行CBS抑制剂处理后发现TNF-α和IT-6的释放量显著增加。通过以上研究结果说明H2S可以在正常和病理状态下均可调节释放炎症介质的神经胶质细胞并改善神经炎症，而且内源性H2S还可调节NO的释放。促进H2S释放的S-非甾体抗炎药S-双氯芬酸和S-阿司匹林也已被证明可以缓解并改善胶质细胞介导的神经炎症［20］。

3．6 内源性H2S与神经内分泌调节的关系 内源性H2S作为神经递质的一种其可经下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA axis)调节神经内分泌功能，选择性的抑制促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)的释放。当下丘脑内的甲基供体和H2S合成原料SAMe增加时可一过性的增加血清皮质酮的量，而低温环境下SAMe使皮质酮的增加幅度减少1/4，另外临床上已肯定了SAMe具有抗焦虑作用。H2S选择性的抑制CRH的释放原因可能与外周糖皮质激素水平有关，当血清外周糖皮质激素上升时不但可增加SAMe合成酶还使其活性升高引起内源性H2S的释放量增加，从而反馈性抑制CRH的释放来降低糖皮质激素的含量;也可能与其具有灭活细胞色素氧化酶和细胞色素aa3活性作用相关联。

3．7 内源性H2S神经系统相关疾病的关系 Alzheimer病(AD)是一种以进行性认知障碍和记忆力损害为主的发生于老年和老年前期的中枢神经系统退行性疾病。学者Eto等发现AD患者脑组织内H2S的含量为0．22±0．05nmol/mg，仅为正常人的1/2。Aβ沉积是AD的发病机制之一，其神经毒性损伤细胞器、细胞膜和细胞骨架而引发细胞凋亡，其可能是引起神经元变性和突触丢失的原因［21，22］。有研究显示［23］应用 100μmol/LNaHS 和 20μmol/LAβ25-35 共同处理PC12细胞24h可明显减少细胞凋亡。钙代谢失调与AD的关系密切，细胞内Ca2+超载可引起ATP的消耗和自由基的产生，造成细胞凋亡。AD的病理过程与CRH也密切相关，H2S是HPA的神经递质之一，若HPA失调可引起海马神经元的丢失进而可引发AD的产生。目前认为对于内源性H2S参与AD的机制可能与参与LTP机制调节学习和记忆、H2S的抗氧化作用和H2S降低引起的脑血管平滑肌张力增加造成的脑组织慢性缺血等有关。

热性惊厥(febrile seizures，FS)是由于小儿体温升高而诱发的一种良性癫痫综合征，但约3%的患者继发为癫痫。研究显示［24］H2S的增高可降低海马c-fos的表达来降低海马神经元的兴奋性从而减轻因FS的复发而引起的神经元损伤，其还可调节兴奋-抑制的平衡减轻癫痫发作对神经元的伤害，由此可推测H2S与癫痫发作有一定的相关性。Down’s综合征是一种以进行性智力障碍为特征的疾病，其机制可能与21号染色体异常有关。研究发现Down’s综合征患者体内的CBS表达增加引起内源性H2S生成增多，由此可以推断其与H2S中毒有关。另外同型半胱氨酸尿症是一种常染色体隐形遗传病，该类患者体内CBS活性显著降低而导致内源性H2S减少，从而引发阻塞性脑血管损害等。由于内源性H2S具有降低脑血管平滑肌张力的作用，其可能参与脑卒中等脑血管疾病的发病。

4 结语

随着对H2S不断深入研究诸多证据证明内源性H2S是一种气体信号分子，其在心血管、神经、呼吸、消化、血液和新陈代谢等多系统具有举足轻重的作用，广泛地参与了各个系统生理及病理生理过程，但仍有许多问题有待阐明。对于H2S在大脑内的功能研究是一条新兴的且有广阔前景的医学研究领域，进一步揭示神经系统相关疾病的发病机制，开辟新的治疗途径服务于人类。

［1］Lowicka E，Beltowski J．Hydrogen sulfide(H2S)the third gas of interest for pharmacologists［J］．Pharmacol Rep，2007，59(1):4 －24．

［2］Eto K，Ogasawara M，Umemura K，et al．Hydrogen sulfide is produced in response to neuronal excitation［J］．J Neurosci，2002，22(9):3386－3391．

［3］Eto K，Kimura H．A novel enhancing mechanism for hydrogen sulphide-producing activity of cystathionine β-synthase［J］．J Biol Chem，2002，277(45):42680 －42685．

［4］Eto K，Kimura H．The production of hydrogen sulfide is regulate by testosterone and S-adenosyl-L-methionine in mouse brain［J］．J Neurochem，2002，83:80 －86．

［5］Zhao W，Zhang J，Lu Y，et al．The vasorelaxant effect of H2S as a novel endogenous gaseous KATP channel opener［J］．EMBO J，2001，20(21):6008－6016．

［6］陈 雯，谢晓华．新型气体信号分子硫化氢的研究进展［J］．医学综述，2008，14(24):3704 －3709．

［7］Chen L，Ingrid S，Ding YG，et al．Imbalance of endogenous horm －ocysteine and hydrogen sulfide metabolic pathway in essential hypertensive children［J］．Chin Med J(Engl)，2007，120(5):389 － 393．

［8］Abe K，Kimura K．The possible role of hydrogen sulfide as an endogenous neuromodulator［J］．J Neurosci，1996，16(3):1066 －1071．

［9］Lin F，Xin YJ，Wang L，et al．Puerafin facilitates Ca2+-induced Ca2+release triggered by KCI-depolarization in primary cultured rat hippocampal neurons［J］．Pharmacol，2007，570(1 ～3):43 －52．

［10］Nagai Y，Tsugane M，Oka J，et al．Hydrogen sulfide induces calcium waves in astrocytes［J］．FASEB J，2004，18(3):557 －559．

［11］Lee SW，Hu YS，Hu LF，et al．Hydrogen sulphide regulates calcium homeostasis in microglial cells［J］．Glia，2009，54(2):116 －124．

［12］Farber K，Kettenmann H．Functional role of calcium signals for microglial function［J］．Glia，2006，54(7):656 － 665．

［13］Sunda W，Kieber DJ，Kiene RP，et al．An antioxidant function for DMSP and DMS in marine algae［J］．Nature，2002，418(6895):317－320．

［14］Kimura Y，Kimura H．Hydrogen sulfide protects neurons form oxidative stress［J］．FASEB J，2004，18(10):1165 －1176．

［15］Whiteman M，Armstrong JS，Chu SH，et al．The novel neuromodulator hydrogen sulfide:an endogenous peroxynitrite scavenger［J］.J Neurochem，2004，90(3):765 －768．

［16］Whiteman M，Cheung NS，Zhu YZ，et al．Hydrogen sulphide:a novel inhibitor of hypochlorous acid-mediated oxidative damage in the brain［J］．Biochem Biophys Res Commun，2005，326:794 －798．

［17］Leffler CW，Parfenova H，Jaggar JH．Carbon monoxide and hydrogen sulfide:gaseous messengers in cerebrovascular circulation［J］．J Appl Physiol，2006，100(3):1065 －1076．

［18］Oh GS，Pae HO，Lee BS，et al．Hydrogen sulfide inhibits nitric oxide production and nuclear factor-kappaB via heme oxygenase-1 expression in RAW264．7 macrophages stimulated with lipopolysaccharide［J］．Free Radic Biol Med，2006，41(1):106 －119．

［19］Lee M，Schwab C，Yu S，et al．Astrocytes produce the antiinflammatary and neuroprotective agent hydrogen sulfide［J］．Neurobiol Aging，2009，30(10):1523 －1534．

［20］Lee M，Sparatore A，Del Soldsto P，et al．Hydrogen sulfide-releasing NSAIDs attenuate neuroinflammation induced by microglial and astrocyte activation［J］．Glia，2010，58(1):103 －113．

［21］Geylis V，Steinitz M．Immunotherapy of Alzheimer’s disease(AD):form murine models to anti-amyloid beta(Abeta)human monoclonal antibodies［J］．Geriatrics Autoimmun Rev，2006，5(1):33 － 39．

［22］Lacor PN，Buniel MC，Furlow PW，et al．Abeta oligomer-induced abereations in synapse composition，shape，and density provide a molecular basis for loss of connectivity in Alzheimer’s disease［J］．J Neurosci，2007，27(4):796 －807．

［23］陈秀琴，唐小卿，李景田，等．硫化氢对β-淀粉样蛋白诱导PC12细胞凋亡的影响［J］．解剖学研究，2007，29(2):107 －110．

［24］Han Y，Qin J，Chang X，et al．Modulating effect of hydrogen sulfide on gamma-aminobutyric acid B receptor in recurrent febrile seizures in rats［J］．Neurosci Res，2005，53(2):216 －219．