高同型半胱氨酸血症的发生机制及其病理生理学意义

王淑珍 王洪生 王立志 李英杰

在过去的 10年中，高同型半胱氨酸血症（hyperhomocysteinemia，HHcy）是中风和心脏病事件的一个独立危险因素，并被认为是动脉粥样硬化、某些灾难性癌症、阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的病因或其结果[1,2]。 尽管越来越多的证据显示机体同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）水平与许多疾病和症状有一定的相关性，但其因果关系尚未完全清楚，本文围绕Hcy的合成与代谢、引起HHcy的发生机制及其引起的一些相关疾病综述如下。

一、Hcy的合成与代谢

Hcy为蛋氨酸的代谢产物，是叶酸循环中的关键中间物质；Hcy甲基化重新合成蛋氨酸或降解为半胱胺酸。Hcy结构与氨基酸结构相同，但不属于人体内20种氨基酸序列。

（一）Hcy 的合成

人体不能从食物中获取Hcy，Hcy由蛋氨酸通过多个步骤生物合成：（1）在 S-腺苷蛋氨酸（S-adenosyl methionine，SAM）合成酶[亦称蛋氨酸腺苷基转移酶（methionine adenosyltransferase，MAT）]作用下，来自 ATP 的腺苷转移到蛋氨酸生成SAM；（2）SAM提供甲基给受体分子（如DNA、RNA、神经递质），这些反应涉及100多种不同的甲基转移酶，其中多种反应会产生S-腺苷同型半胱氨酸（S-adenosyl homocysteine，AdoHcy），AdoHcy 可抑制许多甲基转移酶；（3）AdoHcy 通过AdoHcy 水解酶（S-AdoHcy hydrolase，SAHH）产生腺苷和Hcy，Hcy和腺苷应当及时被代谢或排出细胞以避免AdoHcy堆积，由于AdoHcy抑制许多甲基转移酶，过多AdoHcy堆积引起DNA甲基化障碍[3]。有研究显示，AdoHcy堆积引起的精氨酸甲基化障碍程度比DNA甲基化障碍还要高[4]。

（二）Hcy的代谢

生物合成的Hcy主要通过转甲基和转硫基途径最终分别生成L-蛋氨酸和半胱氨酸。

1.转甲基途径：在蛋氨酸合成酶（methionine synthase，MS）作用下，Hcy再甲基化重新生成蛋氨酸，5-甲基四氢叶酸（也被称为活性叶酸）提供甲基给Hcy，可转化为四氢叶酸（tetrahydrofolate，THF）和蛋氨酸。Hcy甲基化的另外一个途径是以甜菜碱（三甲基甘氨酸，来自胆碱）做为甲基供体，锌做为辅因子，在甜菜碱-同型半胱氨酸甲基转移酶（betainehomocysteine methyltransferase，BHMT）催化下转让甲基生成蛋氨酸和二甲基甘氨酸（dimethylglycine，DMG）。

Hcy合成和代谢与叶酸循环关系密切，在叶酸循环中，5,10-亚甲基THF做为共同底物，在胸苷酸合成酶（thymidylate synthase，TYMS） 作 用 下 ， 脱 氧 尿 苷 酸（deoxyuridylate monophosphate，dUMP） 转 化 为 脱 氧 胸 苷 酸（deoxythymidylate monophosphate，dTMP）， 并产生二氢叶酸（dihydrofolate，DHF）， 同时 10-甲酰 THF提供一碳单位参与嘌呤的生物合成过程。二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase，DHFR）还原 DHF 为 THF。5,10-亚甲基 THF 不仅做为dTMP合成的辅助因子，而且在依赖维生素B2的5,10-亚甲基四氢叶酸还原酶 （methylenetetrahydrofolate reductase，MTHFR）作用下可被还原成5-甲基THF。TYMS和MTHFR竞争结合5,10-亚甲基THF，因此对于Hcy的甲基化，能够获得到 5-甲基 THF，MTHFR 发挥重要作用[3]。5-甲基 THF（活性叶酸）是血液当中叶酸的主要形式，其在血液中循环，被运输到周围组织并用于细胞代谢[5]。

2.转硫基途径：Hcy通过胱硫醚b-合成酶（cystathione bsynthase，CBS）和胱硫醚 c-裂解酶（cystathione c-lyase，CTL）不可逆转地被转化为半胱氨酸，2种酶均依赖磷酸吡哆醛（vitamin B6）。CBS催化Hcy和丝氨酸生成胱硫醚，CTL水解胱硫醚成半胱氨酸和a-酮丁酸，半胱氨酸在谷胱甘肽（glutathione，GSH）和蛋白质合成中被利用。

二、HHcy的发生机制

根据血清Hcy水平，HHcy分为轻、中、重，分别为15～30、30～100、＞100 μmol/L，其病因大体分为 5 种情况：酶缺陷、辅助因子缺乏、蛋氨酸摄取过量、某些疾病和一些药物的影响[6]。

（一）酶基因缺陷

酶基因遗传错误或酶缺乏与Hcy水平直接相关。CBS在人体肝、肾、肌肉、脑和卵巢表达，CBS缺乏是Hcy增高最常见原因，不同种族中CBST833C基因多态性可引起轻度HHcy，然而并不是所有CBS基因多态性均导致HHcy，C699T和T1080C基因多态性可增强叶酸降低Hcy功能。MTHFR和MS基因缺陷可分别造成MTHFR C677T和MS A2756G基因多态性，在叶酸和维生素B12水平减低及高血铅浓度情况下，MTHFR C677T基因型的个体有较高的 HHcy风险[7,8]。MTHFR C677T基因型较正常基因型的个体，叶酸和维生素B12缺乏分别增加2.5和2.6倍HHcy发生概率[9]。

（二）辅助因子缺乏

维生素B2是MTHFR的辅助因子，参与生成5-甲基THF；维生素B6是Hcy转硫基的辅助因子；维生素B12为MS的辅助因子，MS参与叶酸循环；叶酸亦称维生素B9，Hcy代谢过程中离不开叶酸。因此，这些B族维生素缺乏可发生HHcy。B族维生素为水溶性，很容易通过排尿丢失，其缺乏常见于老年人，因而Hcy水平随年龄的增加而升高。机体维生素B12储存超过2500 μg，且日周转率低，在饮食均衡的成年人中，维生素B12缺乏并不常见，肠道吸收不良是维生素B12缺乏最主要的原因[10]。与其他辅助因子相比，每日补充0.5～5.0 mg叶酸对于降低Hcy的效果良好，同时补充叶酸和维生素B12对降低Hcy有协同效应。

（三）蛋氨酸摄取过量

蛋氨酸是哺乳动物中一种主要的氨基酸，是食物中获取Hcy的唯一来源。高蛋氨酸饮食的小鼠尿液中同型半胱氨酸硫内酯（homocysteine-thiolactone，HTL）浓度较正常饮食或平衡饮食小鼠明显增高，血浆HTL亦随高蛋氨酸饮食发生变化，但其变化不显著。

（四）引起HHcy的一些相关疾病

1.慢性肾功能衰竭：慢性肾功能衰竭引起HHcy的机制包括肾脏清除和非肾性因素处理Hcy能力下降，支持前者观点的是血浆Hcy水平和肾小球滤过率呈负相关，85%～100%终末期肾病患者出现HHcy。Hcy甲基化酶和转硫基酶存在于肾脏中，慢性肾功能衰竭可能抑制Hcy代谢的关键酶的活性或使其失活。然而，尿排泄Hcy数量很低，每天大约6 μmol因而有研究认为肾脏不能排泄Hcy不足以引起HHcy，非肾性因素可能干扰了叶酸和Hcy代谢。

2.甲状腺功能减退：有数据显示，桥本氏甲状腺炎、医源性甲状腺功能减退和抗甲状腺药物均可引起Hcy水平增高，但目前尚缺乏理论支持[11,12]。

3.贫血：叶酸和维生素B12缺乏是巨红细胞性贫血常见原因，二者缺乏很快引起Hcy代谢障碍。血细胞含有Hcy代谢所需的酶类，蛋氨酸转化为Hcy发生在红细胞内，白细胞均可合成和代谢Hcy，类似于镰状细胞贫血，血细胞失去功能，血细胞中代谢Hcy的酶不能被激活，从而引起HHcy。

4.恶性肿瘤：肿瘤破坏Hcy代谢，其最重要原因是叶酸缺乏。实验证实肿瘤细胞高度释放Hcy，其并不是由于肿瘤细胞和正常细胞之间特征性差异，而是由于特定区域细胞的密度增加，肿瘤细胞的快速增殖使叶酸耗竭，并使通过MS催化的甲基化反应失去活性。因此，Hcy可做为各种肿瘤的生物标志物。

5.药物影响：消胆胺和二甲双胍干扰胃肠维生类药物吸收，甲氨蝶呤、烟酸和纤维酸类衍生物直接干扰叶酸和Hcy代谢。口服避孕药片（oral contraceptive pills，OCPs）3个月后，血清Hcy水平明显增高，研究认为OCPs中甾类化合物可能被转化为机体内过氧化物或其他自由基从而刺激Hcy合成，另有学者认为OCPs降低了用于降解Hcy的辅因子的生物利用度[13]。总之，临床医生应注意，不合理用药可能会抵消药物的治疗作用。

三、HHcy所致相关疾病

1.动脉粥样硬化：Hcy可启动和加剧动脉粥样硬化，血清Hcy水平和动脉粥样硬化程度呈正相关[14]。关于HHcy与动脉粥样硬化的关系已进行了广泛深入的研究。

血管内皮表面处于凝血因子与抗凝血因子的平衡之下，Hcy 通过激活血栓素 A2（thromboxane A2，TXA2）、血小板聚集破坏了这种平衡，使之倾向于高凝血状态；另外，高浓度的Hcy干扰了蛋白C活性和血栓调节蛋白表达，激活凝血因子V；还有，Hcy通过抑制凝血活性物质DNA合成，使其生成减少，从而下调凝血活性物质活性。由于Hcy上的巯基自身氧化，促进活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成，ROS 与一氧化氮（nitric oxide，NO）发生反应，NO失去活性；高浓度的Hcy通过下调谷氨酸-半胱氨酸连接酶能力干扰谷胱甘肽合成，谷胱甘肽水平降低，减弱了对ROS解毒作用。由于谷胱甘肽影响ROS和促进NO生成，谷胱甘肽水平降低直接或间接导致了血管表面的高凝状态。在HHcy刺激下，血管内平滑肌细胞增生和不规则细胞外基质胶原生成，引起内皮细胞剥离。类似于炎症过程，Hcy病理浓度下刺激中性粒细胞和内皮细胞相互作用，诱导中性粒细胞迁移[15]。HHcy与高尿酸血症密切相关，高尿酸血症引发内皮功能障碍，增加ROS，从而降低内皮NO生物有效性[16]。

2.充血性心力衰竭：HHcy个体心力衰竭、甚至心肌梗死发病比率高。HHcy在慢性心力衰竭患者中很常见，并与5年病死率增加相关联。对733例有慢性心力衰竭病史但目前病情处于平稳状态的患者观察发现，Hcy可做为慢性心力衰竭患者预测负性心脏病事件的标志[17]。然而，Hcy如何引起心力衰竭的机制尚不清楚，Hcy是否直接引起充血性心力衰竭仍存在争议。心力衰竭是一种复杂性疾病，诱因和加重因素很多，Hcy并不是唯一因素，Hcy是血脂异常，尤其是心血管疾病患者的阳性指标，并可能是病情进一步加重的因素。Hcy促进ROS生成，易造成心肌损害，加重心血管疾病[18]。

3.老年性黄斑变性：有研究报道，高Hcy水平和低维生素B12患者呈现出高的年龄相关性黄斑变性（age-related macular degeneration，AMD）发病比率，HHcy和AMD呈正相关，尤其是晚期AMD患者，与Hcy水平增高明显相关[19]。渗出性AMD患者比干性AMD患者有更高水平的Hcy，干性AMD患者Hcy水平增高不明确，因此只有渗出性黄斑变性与HHcy有明确相关性，血管系统Hcy的氧化特性可能参与渗出性AMD发病[20]。一项大规模研究显示，有高风险心血管疾病患者坚持补充叶酸、维生素B6和维生素B12能减少AMD发病。HHcy引起AMD的机制仍不清楚，然而已有从小鼠模型和人体视网膜细胞进行了分子水平上研究，在视网膜上缺乏CBS的HHcy小鼠模型较正常小鼠表现有ROS生成增加、抗氧化基因和紧密连接蛋白表达减少[21]。

4.AD：AD约占全部痴呆病例的70%，深刻了解AD的病因和危险因素是世界范围内医学工作者的共同目标。HHcy是一个被新提议的AD风险因素，病例对照研究已证实HHcy和AD呈正相关，然而，由于叶酸、维生素B12或维生素B6缺乏均可引起HHcy，是HHcy直接还是维生素营养贫乏所致AD还不清楚，目前普遍认为HHcy是AD的独立危险因素。HHcy引发AD的机制正在研究中，b-淀粉样蛋白似乎与血浆Hcy水平无关[22]。然而，用高浓度Hcy处理的脑细胞包括星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞和神经细胞可导致促炎性细胞因子标志物如白细胞介素 1β（interleukin-1，IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）在小胶质细胞内基因表达增加和激酶表达增加，激酶使tau蛋白在神经细胞内过度磷酸化，这一结果表明HHcy可起AD[23]。

5.听力丧失：由叶酸低引起的HHcy病例中，Hcy水平和听力减退有明显的正相关，3年补充叶酸能明显降低低频听力丧失的风险，其可能是由于叶酸能降低Hcy水平[24,25]。叶酸治疗CBS杂合子基因敲除小鼠可除低Hcy水平和氧化应激，Hcy促进氧化应激，尤其是脂质过氧化或直接损害神经元[26]。有研究表明HHcy可引起耳蜗损害。最近，Fasano等[27]对131例突发感觉神经性耳聋患者和77例健康者进行了糖代谢、脂类和血凝实验室检查，发现突发性感觉神经性耳聋患者Hcy、血糖、糖化血红蛋白和尿酸明显高于健康对照组。

6.癌症：尽管目前对Hcy水平与癌细胞转化之间因果关系还缺乏深刻的了解，但大量证据表明，Hcy水平和许多癌症密切相关，Hcy水平增高对癌细胞生长有促进作用[28]。具有与叶酸和Hcy代谢相关主要酶的基因多态性 （如SHMT C1420T、CBS C699T/C1080T、MS A2756G、MTRR A66G）的乳腺癌患者其血浆Hcy水平增高，反映Hcy水平增高可做为乳腺癌的风险指标[29]。肠炎患者当Hcy水平增高时，有发展成结直肠癌的风险[30,31]。一项Meta分析表明，Hcy水平增高和叶酸水平低下均与癌症总体状况相关，在中东患者中，维生素B12水平低下与胃肠癌有关[28]。另外有学者认为，Hcy水平增高可能与其他已知的肿瘤标志物同时发生。

四、结论

HHcy是机体内Hcy过高的一种状态，Hcy为蛋氨酸的代谢产物，其与叶酸循环密切相关。CBS、MTHFR和MS是调节Hcy代谢的主要酶，维生素B2、B6和B12为必不可少的辅助因子，酶缺乏或其基因多态性参与Hcy代谢直接引起Hcy水平增高，维生素B12和B2干扰Hcy再甲基化过程，维生素B6降低Hcy转硫过程，酶缺陷和辅助因子缺乏是HHcy的主要原因。由于蛋氨酸是Hcy的唯一饮食来源，过量的蛋氨酸饮食可增加Hcy水平，慢性肾功能衰竭、甲状腺机能减退、恶性贫血、恶性肿瘤如乳腺、卵巢和胰腺癌等可引起HHcy；消胆胺、二甲双胍、甲氨蝶呤、烟酸、纤维酸类衍生物和OCPs可造成HHcy。反之，HHcy可诱发动脉粥样硬化、充血性心力衰竭、AMD、AD和听力减退，并且Hcy水平和许多癌症相关联。因此，有理由推测Hcy水平增高可以是许多疾病的独立原因或加重因素，但其联系的确切机制有待进一步研究。总之，临床医生应注意防治HHcy。