硫化氢调控血糖代谢的研究进展

黎才琛 张 辉 廖 静 孟富慧 岑来键 温宇桦 杨春涛

(广州医科大学基础学院生理教研室，蛋白质修饰与降解重点实验室，广东 广州 511436)

·综述·

硫化氢调控血糖代谢的研究进展

黎才琛 张 辉 廖 静 孟富慧 岑来键 温宇桦 杨春涛*

(广州医科大学基础学院生理教研室，蛋白质修饰与降解重点实验室，广东 广州 511436)

硫化氢；糖代谢；肝脏；脂肪；激素

据世界卫生组织(world health organization,WHO)报道[1]，截止到2014年全球成年人糖尿病(diabetes mellitus,DM)的人数已经超过4.2亿，而中国DM的发病率已超过9.4%，远高于世界平均水平。值得注意的是，在我国70岁以上的人群中，每年约有46.7万人死于高血糖，女性患者更为突出，约为男性的1.4倍。硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)是继一氧化氮(nitric oxide,NO)和一氧化碳(carbon monoxide,CO)之后被发现的第三种气体信号分子，在体内起着广泛的病理生理作用。近年研究发现，其与内分泌系统也有着密切的联系，本文就H2S与内源性的血糖稳态作一综述，以期为DM的研究提供新的思路。

1 内源性硫化氢的生成

长期以来H2S一直被认为是一种无色、有臭鸡蛋气味的有毒气体。随着检测技术的发展，其在体内存在的证据越来越充分[2-4]。在体内，H2S以分子和HS-的形式存在，二者之间存在着动态平衡，其中前者约占1/3，是发挥作用的主要形式。内源性H2S主要由胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase,CBS)和胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase,CSE,CGL)催化半胱氨酸和/或同型半胱氨酸生成[5,6]；H2S还可由P-甲基磺酰基甲苯(P-methyl sulfonyl toluene,MST)催化3-巯基丙酮酸(3-mercaptopyruvate,3-MP)反应生成；另外，半胱氨酸和α-酮戊二酸还可以通过半胱氨酸氨基转移酶(cysteine aminotransferase,CAT)的转氨作用，反应生成3-MP，进而经MST催化生成H2S[7]。由于CAT催化活性的最适pH值在9.7左右[8]，另外，3-MP的化学性质不稳定，因此，在生理条件下，这两种酶介导的酶促反应的生物学意义尚存在争议[9]。这些酶广泛分布于各种组织细胞中，它们能根据组织细胞对H2S的需求摄取适宜的底物[10]。它们的分布还具有相对的组织特异性，CBS主要存在于神经组织中，CSE主要存在于心血管系统中，在肝脏和肾脏中主要由二者共同催化H2S的生成，MST除表达于肝脏和肾脏以外还见于脑组织和主动脉并发挥着重要作用[11]。

2 硫化氢对胰岛细胞分泌胰岛素的调控

在体内能使血糖升高的激素有多种，如 生长激素、糖皮质激素、胰高血糖素等，然而能降低血糖的激素则主要为胰岛素。因而，它的分泌异常和/或作用障碍是导致血糖稳态失衡的关键。研究显示，H2S不仅可以抑制胰岛β细胞分泌胰岛素[12,13]，而且可以对抗各种刺激诱导的β细胞凋亡[14,15]。

有研究显示，在链脲菌素(streptozocin,STZ)诱导的大鼠DM模型，CSE和CBS在肝脏和胰腺中的表达和活性明显增加，H2S的产生也显著提高，这种效应可以被外源性的胰岛素改善[16]。在体外实验中，加入高水平的H2S可以明显拮抗高浓度葡萄糖诱导的胰岛β细胞株INS-1E释放胰岛素[12]。Ali等在另外一种胰岛β细胞株HIT-T15也有类似的发现，而且还发现H2S引起的胰岛素分泌下调可以被KATP通道阻断剂格列苯脲减弱[17]。这些研究提示，体内H2S的水平升高可以开放胰岛β细胞膜上的KATP通道，使细胞膜超极化，胰岛素分泌减少[12]。后来，Tang等[13]发现H2S(以NaHS作为供体)可直接抑制L-型电压依赖性钙通道，进而抑制胰岛素分泌，这一效应不依赖于KATP通道的激活。此外，也有研究显示，H2S可以降低胰岛β细胞株MIN6内的ATP含量，间接诱导KATP开放并抑制胰岛素分泌[18]。这些研究提示，H2S可以在不同阶段，包括抑制ATP的合成、激活KATP通道、抑制L-型电压依赖性钙通道，分别抑制胰岛素的分泌。Wu等[19]研究发现Zucker DM大鼠比单纯肥胖大鼠有更高水平的H2S含量，抑制Zucker DM大鼠内源性H2S合成对改善胰岛素释放和缓解高血糖均是有益的。

值得注意的是，H2S在抑制胰岛β细胞释放胰岛素的同时，还可以明显抑制各种刺激诱导的损伤作用。Kaneko等[20]实验发现，CBS分布于整个胰腺，而CSE仅表达于具有内分泌功能的胰岛部位；在分离的胰岛β细胞中CSE的基础表达很弱，而高糖处理可明显上调其表达。进一步的研究显示，外源性给予H2S或诱导内源性H2S生成可以对抗高糖诱导的胰岛细胞凋亡。由于DM是一种持续的炎症反应性疾病，随后Taniguchi等[21]的研究显示，H2S可以保护原代培养的胰岛β细胞或MIN6细胞株对抗多种促炎因子以及H2O2诱导的细胞凋亡。进一步研究发现，在高脂饮食诱导的2型DM小鼠模型中，基因敲除CSE并不能促进胰岛素的分泌或使血糖降低，相反氧化应激介导的细胞凋亡明显增加[15]。与上述结论相反，Yang等[22]却发现，H2S可通过激活p38 MAPK信号通路，引起内质网应激依赖性胰岛β细胞凋亡，这个结论也得到Taniguchi等的支持[21]。

基于上述研究可以看出，在DM发展的不同阶段，H2S调控胰岛素分泌具有明显的差异性。早期的高糖诱导的CSE高表达可作为一个内在保护机制，即通过升高H2S水平可以对抗氧化应激损伤、炎症反应以及自身免疫攻击，起到保护胰岛β细胞的作用；随着病程的延长，H2S可通过降低β细胞内ATP的含量、直接激活KATP通道以及抑制L-型电压依赖性钙通道等方式，启动内在的制动系统，抑制胰岛素的分泌，减轻胰岛素β细胞的负荷以及高水平胰岛素引起的胰岛素毒性。但如果高血糖状态持续存在，H2S的含量超过一定的阈值，则可产生细胞自分泌的毒性作用，甚至导致内质网应激反应或细胞凋亡[23]。因而，只有适时、适量、适地(位置)的应用H2S，才有可能使DM患者获得较大的益处。

3 硫化氢在肝脏调控血糖中的作用

肝脏也是维持血糖稳态的重要器官，其不仅可以调节糖原合成,还可以控制糖的摄取、利用和异生。如果肝脏功能异常，也有可能导致糖代谢紊乱，甚至DM的发生。值得注意的是，H2S在肝脏调控葡萄糖的代谢中也起着重要的作用。Zhang等[24]在原代培养的肝细胞和HepG2细胞中的研究显示，H2S可以通过降低葡萄糖激酶的活性抑制糖的摄取,减少糖原的储存。另外，H2S不仅可以通过上调磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的活性增加糖异生，还能诱导肝糖原的分解从而增加肝脏葡萄糖的输出。因而，他们认为H2S在肝脏总的效应是使血糖升高。然而，他们也发现[24]，生理浓度的胰岛素可抑制CSE的表达和H2S的生成，因而正常情况下H2S增加肝糖输出的效应并不显著，只有当持续的高血糖甚至胰岛素抵抗的时候，CSE/H2S系统才会明显上调。接着Ju等进一步研究发现[25]，H2S可以使丙酮酸羧化酶的半胱氨酸残基发生巯基硫氢化，上调其活性，从而导致糖异生增强，血糖升高。有趣的是，葡萄糖剥夺可明显上调CSE的表达，而高脂饮食则抑制CSE的表达。这提示，H2S的这种效应对于防止低血糖的发生有较重要的意义。最近的一篇研究进一步丰富了H2S增强肝脏糖异生的机制：经过糖皮质激素受体上调磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的活性；激活cAMP/PKA 上调PPAR γ辅助激活因子；上调葡萄糖-6-磷酸酶的表达[26]。

4 硫化氢在脂肪组织调控血糖中的作用

当血糖升高时，脂肪组织可以将多余的葡萄糖储存起来，引起体脂增加；而血糖降低时，脂肪组织存储的脂肪可以分解转变成能量供机体使用。因而，从某种情况下讲，脂肪组织是除肝脏之外的又一个葡萄糖的“缓冲器”。 Feng等率先报道[27]，脂肪细胞和前脂肪细胞中存在CSE的表达，H2S可降低胰岛素的敏感性，抑制脂肪组织对葡萄糖的摄取。尽管以前有研究显示[28]，KATP通道会阻断脂肪组织摄取葡萄糖，而Feng等[27]的结果提示，H2S的效应是由PI3K介导的而不是通过激活KATP通道实现的，这和更早的一篇研究一致[29]。H2S不仅可以直接抑制脂肪组织摄取葡萄糖，它还参与了TNF-α诱导的脂肪组织的胰岛素抵抗[30]。这些研究提示，H2S是导致脂肪组织胰岛素抵抗，摄取葡萄糖减弱的重要原因。

但是后来也出现了一些相反的报道，如Manna通过实验发现[31-32]，给予H2S或其底物，甚至使用维生素D诱导内源性的H2S生成，均可以提高脂肪组织细胞摄取葡萄糖，这种效应与提高胰岛素敏感性以及增加葡萄糖转运体4的活性有关。后来Xue等[33]用动物实验也得到类似的发现，H2S可以通过提高胰岛素敏感性增强肌细胞和脂肪细胞对葡萄糖的摄取，从而降低空腹血糖水平并提高葡萄糖耐量。除了增强脂肪细胞的功能以外，H2S还可以对抗高糖处理诱导的脂肪细胞功能紊乱，表现为逆转了脂联素和MCP-1的表达[34]。另外，也有报道提示，H2S对于脂肪细胞的增殖和成熟也发挥着重要作用[35]。总的来说，H2S对于脂肪组织的作用，目前的报道是存在矛盾的，本文分析这其中的机制是很复杂的，不仅涉及到H2S用量、处理时间、实验模型，而且与DM的发展阶段密切相关。

5 硫化氢对其他血糖调控激素的影响

除了胰岛素以外，还有一些激素会影响到血糖的代谢，其含量异常也会影响到糖代谢、甚至导致DM。近年的报道逐步显示，H2S对其分泌或作用也有调节效应。

胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)和多肽YY(peptide YY，PYY)是由远端回结肠中具有内分泌功能的上皮细胞所分泌。GLP-1可以促进胰岛β细胞分化、胰岛素原基因的表达，同时还可以抑制糖异生，具有降低血糖的效应。PYY是一种神经肽，可以通过抑制食欲减少进食，从糖摄取方面降低血糖。Bala等发现[36]，在鼠肠内分泌细胞中，胆酸与细胞表面G蛋白偶联胆汁酸受体(TGR5)结合后可以激活环磷酸腺苷(cAMP)介导的Epac/PLC-ε/Ca2+通路，引起GLP-1和PYY释放，从而抑制食欲降低血糖。然而，H2S可以通过抑制此通路减少GLP-1和PYY的分泌量，增加食欲，升高血糖。

糖皮质激素可以通过促进糖异生，降低肌肉和脂肪组织对胰岛素的敏感性，减少葡萄糖的利用，导致血糖升高。在肾上腺皮质细胞中， CBS和CSE均有表达，其催化生成的H2S能减轻细胞的氧化应激性损伤并改善线粒体的功能[37]。在细菌内毒素脂多糖诱导的肾上腺皮质细胞线粒体损伤中，内源性H2S合成明显减少，而外源性的应用H2S可以改善线粒体功能，增强肾上腺皮质细胞对促肾上腺皮质激素的反应性[37]。但是到目前为止，关于H2S能否通过调控糖皮质激素而影响血糖稳态尚无定论。

6 结论与展望

不恰当的生活方式，如饮食过量，运动太少，是导致血糖水平上升的重要原因。机体通过增加内源性胰岛素的分泌可降低血糖。如果这种生活方式未能及时改善，将导致血糖持续增高。机体为了缓解高血糖这一病理表现，将葡萄糖转化为脂肪储存于脂肪组织中，导致肥胖。肝脏也可以将葡萄糖转化为糖原进行存储。这一过程我们可以认为是代偿性反应；如果这一过程得不到及早的控制，高浓度的葡萄糖将经过一系列复杂的生化反应被转化为糖基化终末产物，会引起脂肪细胞产生大量的促炎因子并诱导组织细胞氧化应激、线粒体功能失常等。最终出现失代偿，并引起多个靶器官的受损，即DM并发症。

在DM的早期阶段，H2S在胰岛β细胞会抑制胰岛素的分泌，加重高血糖的症状，在肝脏和脂肪组织内升高会抑制葡萄糖的摄取、利用和存储；在DM的晚期阶段,H2S合成和释放减少，不能有效保护靶组织靶器官对抗高糖、高胰岛素、高氧化应激、高炎症反应引起的损害[38]。因而，为了能够最大限度的发挥H2S保护作用并克服其不利影响，根据DM的病程靶向性的应用H2S是关键。

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(本文编辑:张 辉)

10.3969/j.issn.2095-9664.2016.06.025

广东省自然科学基金(2015A030313458)；广州市属高校科技计划项目(1201410467，1201620148); 2016年中央支持地方高校发展资金(B16056001)

R58

A

2095-9664(2016)06-0081-04

2016-03-08)

*通讯作者：Email:yang-chuntao@163.com