血管老化机制与硫化氢的保护作用

侯翠兰(综述)　王铭洁　金　胜　朱依纯(审校)

(1复旦大学基础医学院生理与病理生理学系　上海　200032;2复旦大学老年医学研究中心　上海　200040)



血管老化机制与硫化氢的保护作用

侯翠兰(综述)王铭洁金胜朱依纯△(审校)

(1复旦大学基础医学院生理与病理生理学系上海200032;2复旦大学老年医学研究中心上海200040)

【摘要】随着全球老龄化的到来,衰老及其相关疾病带来的健康问题日益严峻。血管老化包括血管结构和功能的改变,也是心血管疾病发生发展的重要因素,是机体衰老的一部分。目前科学家对血管老化机制的研究甚少,本文将从血管老化的分子机制和硫化氢的保护作用两个方面入手,综述了血管老化方面的最新进展。

【关键词】血管老化;硫化氢；端粒;非酶糖基化;氧化应激;表观遗传

*This work was supported by the Research Center on Aging and Medicine,Fudan University (13dz2260700).

2013年我国老年人口数达到2.02亿,占总人口的14.8%。预计到2050年,老年人口总量将超过4亿,老龄化人口比例将大于30%。随着全球老龄化的到来,如何使老年人“老而不衰”,提高老年人的生活质量,是一项艰巨的长期的任务。

随着年龄的增加,机体发生一系列变化,如基因组不稳定、端粒缩短、线粒体功能异常、细胞衰老、干细胞耗竭和细胞间信息交流改变等[1],进而机体的稳态失衡,血管系统易受损伤,难于修复,即血管进入“老化”状态。心血管疾病 (cardiovascular diseases,CVDs)是增龄相关疾病,也是当今世界威胁人类健康的常见疾病,其发病率在中国居于首位,从侧面说明血管老化在衰老的进程中起重要作用[2]。血管老化状态在一定程度上可以反映老年人健康状态。血管老化的机制十分复杂,不仅受分子水平、细胞水平、组织器官水平及整体水平的网络调控,还受基因遗传及环境因素的作用,任何单独层面的理解都是片面的。本文主要论述非酶糖基化、氧化应激、自噬、内皮细胞衰老、蛋白重构等血管老化机制以及硫化氢 (hydrogen sulfide,H2S)保护作用的研究进展。

H2S与衰老在过去的20年里,H2S在医学和生物学的生理作用的研究有着长足的进步,然而关于H2S参与衰老过程的调控作用报道甚少。Miller等[3]研究报道外源给予H2S供体可以提高线虫的耐热性并延长寿命,大约提高70%。Qabazard等[4]于2014年进一步提出:敲除产生硫化氢的酶3-硫基丙酮酸硫基转移酶 (3-mercaptopyruvate sulfurtransferase,3-MST),而不是胱硫醚γ-裂解酶 (cytathiohine γ-lyase,CSE),会缩短线虫的寿命,外源性给予H2S供体可以逆转其效果。王睿课题组于2008年提出:CSE敲除小鼠出现血压明显升高和内皮依赖的血管舒张障碍[5]。随着年龄的增加,小鼠主动脉中CSE和胱硫醚β-合酶 (cytathiohine β-synthase,CBS)表达增高,胸主动脉环收缩敏感性增加[6]。我们课题组前期发现喂养15个月30%果糖的小鼠,心脏及血浆H2S水平均显著下降[7],这提示H2S可能参与老年心血管系统功能的调控。在高血压患者和动物体内均发现内源性H2S水平下降,CSE-/-小鼠随着增龄血压会升高,形成高血压状态。外源性给予H2S供体或者增加内源性H2S的生成可能对于预防老化及延缓衰老进程发挥重要作用。H2S可能通过抑制自由基反应和氧化应激、活化沉默信息调节因子2同源蛋白1(silent mating type information regulation 2 homolog 1,SIRT1)、调控klotho基因来影响衰老的进程[8]。

非酶糖基化与血管老化非酶糖基化是指一系列复杂的非酶促反应,最终形成稳定的共价加成产物——糖基化终末产物 (advanced glycation end products,AGEs),于1912年由法国科学家Maillard LC提出,此后逐渐形成了糖基化衰老学说。大量研究表明,随着年龄的增加,机体的非酶糖基化程度逐渐加剧,蛋白质功能受损或降低,并通过多种途径作用于血管及其他组织,引起血管结构和功能的改变,反之血管老化对衰老具有重要的调控作用,加速机体的老化[9]。

AGEs可以直接修饰调控细胞和组织,通过非受体途径参与血管老化的调控;也可以通过与糖基化终产物受体 (receptor for AGEs,RAGE)结合,激活细胞内多种信号通路,激活氧化应激,引发增殖、纤维化反应、炎性反应等,在血管老化的过程中起着重要作用。RAGE包括寡糖转移-48 (OST48,也称为AGE-R1)和80K-H磷酸蛋白 (80K-H,也称为AGE-R2)两类[10]。AGEs 与RAGE结合,血管壁的渗透性增加，VEGE的合成和分泌减少。

AGEs可能通过组织沉积,原位糖化 (如细胞外基质蛋白),与其受体RAGE相互作用参与老化过程。Liu等[11]指出，H2S可能通过抑制AGEs的形成、抗氧化应激作用进而延缓衰老进程。H2S激活 ROS/PI3K/PTEN 信号通路,预防AGEs诱导的上皮钠通道的激活[12]。相较其他系统,心血管系统对非酶糖基化反应最敏感,尤其是血管[13],而H2S可以抑制AGEs形成,提示H2S可能参与血管老化进程的调控。

氧化应激与血管老化氧化应激是指机体遭受有害刺激时,细胞成份过氧化修饰,氧化系统和抗氧化系统失衡,造成机体组织损伤。随着年龄的增加,机体中氧化应激水平增高,而抗氧化应激系统如锰超氧化物歧化酶 (manganese superoxide dismutase,MnSOD)等表达降低或者活性降低。经H2O2处理过的人内皮细胞以Src激酶依赖的方式促进端粒酶逆转录酶 (telomerase reverse transcriptase,TERT)从细胞核转移到细胞质,而抗氧化剂可以抑制此过程[14],TERT在维持端粒稳态中起重要作用。

血管内皮细胞所处的位置和屏障功能,使其极易受血流中异常成分的影响,最容易诱发应激反应,使机体的端粒-端粒酶系统、DNA修复保护体系受到损伤,进而导致机体和组织功能失常,加速衰老进程。氧化应激与动脉弹性受损有关[15]。乔伟丽等[16]发现，外源性给予H2S供体可改善D-半乳糖诱导的大鼠主动脉形态学变化,其作用机制可能是提高血管组织抗氧化应激的能力,进而部分逆转血管老化进程。H2S通过Keap1巯基化和激活Nrf2保护氧化应激诱导的细胞老化[17]。然而，人类长期暴露于高浓度的H2S环境中,则出现加速衰老的迹象[18]，提示适当浓度的H2S才有延缓衰老的作用。

自噬与血管老化自噬可以分为3种类型:巨自噬 (macroautophagy)、微自噬 (microautophagy)和分子伴侣介导的自噬 (chaperone-mediated autophagy),细胞经过一系列过程形成自噬溶酶体,降解其内容物,以满足自身的代谢需要。随着年龄的增加,血管内皮细胞自噬水平下降,异常蛋白质沉积,引起细胞衰老,继而加速血管老化。Eisenberg等[19]提出外源性给予亚精胺可以提高自噬水平,延长酵母、果蝇、线虫和人的免疫细胞寿命。然而,增加自噬水平是否可以延长健康个体或哺乳动物的寿命仍未知。FOXO3、NF-κB、p53和SIRT1等也参与调控自噬。外源性给予H2S供体可以预防心肌缺血再灌注损伤,可能通过激活AMPK,恢复心肌缺血再灌注后的自噬流起效[20]。

内皮细胞衰老与血管老化内皮细胞衰老包括端粒依赖性及端粒非依赖性两种。随着年龄的增加,细胞衰老在内皮细胞血管新生障碍及再生能力障碍中起着重要作用。血管内皮细胞衰老常伴随着由内皮细胞释放的舒血管因子及缩血管因子的变化,如气体递质NO和H2S随着增龄释放减少。Suo等[21]提出外源性给予H2S供体,可能通过提高SIRT1的表达及活性,部分逆转脐静脉内皮细胞衰老。本课题组前期报道H2S具有促进血管新生作用[22],Wang等[23]研究报道H2S可以促进伤口愈合,提示H2S可能参与改善衰老过程中血管内皮功能,进而延缓血管衰老。

蛋白重构与血管老化随着机体的衰老,蛋白质稳态失衡,未折叠或折叠错误的蛋白质逐渐累积,蛋白质异常聚集,致使细胞功能部分丧失。表观遗传学通过DNA甲基化、蛋白共价修饰、染色质重塑等调控机制与外界环境等共同影响基因表达谱，从而参与调控衰老过程,使其脱离了单纯的“基因决定论”。组蛋白修饰是一种重要的影响染色质结构从而调节基因活性的修饰手段,其中最重要的是乙酰化和去乙酰化,分别受多种组蛋白乙酰化酶 (histone acetyltransferase,HAT)和HAT抑制剂 (histone deacetylase inhibitor,HDACs)催化。SIRT1是与代谢相关的NAD+依赖的去乙酰化酶Sirtuins家族中的一员。SIRT1可通过激活FoxOs、NF-κB和 mTOR参与调控氧化应激、炎症和自噬等过程,进而增加应激的抵抗能力并延长寿命;还可通过调控内皮细胞血管新生,维持血管稳态,在血管老化发生发展中起重要作用。FoxOs可以直接调控细胞的氧化还原状态,进而调控细胞的乙酰化状态及转录水平[24]。长期能量限制可能通过增加 SIRT1 的表达,降低氧化应激水平,抑制血管内皮细胞衰老[25]。SIRT1可以结合在PAI-1启动子区域,使H4K16乙酰化水平降低,阻止血管内皮细胞老化[26]。H2S可以通过抑制线粒体转录因子A (mitochondrial transcription factor A,TFAM)启动子甲基化,参与线粒体DNA拷贝数的调控[27]。上调CSE/H2S系统可以减缓动脉粥样硬化[28],提示CSE/H2S 系统参与老年心血管疾病的调控。

结语以上机制相互作用,共同在血管老化进程中发挥作用。由于衰老理论和学说的复杂性和交叉渗透性,单纯改变某个基因不足以起到明显的抗衰老作用。外源性给予H2S衍生药物可能通过调节衰老的多种机制,综合发挥延缓衰老的效应,在临床实践中具有潜在的应用价值。H2S在心血管系统等方面已有深入研究,然而其在抗衰老进程中的研究还处于起步阶段,需要进一步探索具体作用机制及作用靶点,深入分析其对各系统衰老进程的影响。我们应从整体角度来研究血管衰老的机制,探索延缓人类衰老进程、预防衰老相关疾病的发生及提高老年人健康水平的有效手段。

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Mechanism of vascular aging and protective effects of hydrogen sulfide

HOU Cui-lan, WANG Ming-jie, JIN Sheng, ZHU Yi-chun△

(1DepartmentofPhysiologyandPathophysiology,SchoolofBasicMedicalSciences,FudanUniversity,Shanghai200032,China;2ResearchCenteronAgingandMedicine,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

【Abstract】With the arrival of global aging,the health problems from aging and age-related diseases are becoming more and more severe.Vascular aging includes changes in vascular structure and function,which plays an important role in the process of cardiovascular disease,and also is a vital part of the aging.However,the mechanism of vascular aging is poorly understood.This article contended the latest research progress in molecular mechanisms of vascular aging and protection of hydrogen sulfide.

【Key words】vascular aging;hydrogen sulfide;telomere;non enzymatic glycosylation;oxidative stress;epigenetic

(收稿日期:2015-07-24;编辑:段佳)

【中图分类号】R363

【文献标识码】B

doi:10.3969/j.issn.1672-8467.2016.02.023

复旦大学老年医学研究中心项目 (13dz2260700)

△Corresponding authorE-mail:yczhu@shmu.edu.cn