硫化氢在细胞自噬中的作用及机制

魏亚新 矫立杰 李鸿珠

一直以来，硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)以一种有毒有害气体为人们所熟知，近年来发现H2S是一种内源性气体信号分子，具有抗氧化、调节炎性反应、抗纤维化、舒张血管、血管重塑等生理作用，也可调节细胞增殖和凋亡[1，2]。基础水平的细胞自噬是细胞实现自身代谢和细胞器更新的重要生理过程。细胞自噬在不同状态、不同细胞中表达水平不尽相同，其异常表达与多种疾病密切相关[3，4]。据报道， H2S通过调控多种机制影响细胞自噬，在多种疾病的发生、发展中起着重要的作用。

一、细胞自噬

细胞自噬(autophagy)普遍存在于真核生物中，是细胞吞噬自身胞质蛋白和损坏的细胞器并降解的过程(图1)。根据细胞自噬发生机制的不同可将细胞自噬分为微自噬、巨自噬和分子伴侣介导的自噬，巨自噬便是研究通常所说的自噬[4]。在自噬诱导的过程中首先形成了双层膜结构的自噬前体，自噬前体不断延伸直至闭合形成自噬体并包裹待降解物质，随后自噬体与溶酶体融合，内容物在水解酶作用下被降解。基础水平的细胞自噬是细胞的一种保护机制，参与机体内环境稳态的调节：(1)自噬具有使细胞耐受饥饿的作用：细胞处于饥饿状态时，胞内蛋白质和细胞器在自噬的调控下被水解酶降解并释放，为细胞提供必需的营养物质[5]。(2)细胞自噬参与胞内脂质、蛋白质等大分子的代谢循环[6]。(3)细胞自噬可以参与RNA的降解等[7]。

图1 自噬的诱导过程

二、H2S的产生及其作用

H2S的内源性合成主要依赖于H2S合成酶催化其底物L-半胱氨酸和同型半胱氨酸生成。胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthetase，CBS)、胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase，CSE)、3-巯基丙酮酸转硫酶(3-mercaptopyruvate suifurtransferase，3-MST)是体内催化H2S合成的3种主要酶类[8]。H2S是机体内重要的信号传递分子，对多种组织器官具有重要的保护作用。例如，H2S可抑制动脉粥样硬化、心力衰竭、糖尿病肾病、肝癌、肺损伤及脑损伤等[1,2,9～12]。H2S发挥作用的机制主要包括抑制细胞增殖、调节凋亡、调节炎性反应、抗氧化、调控线粒体通透转运、调控离子通道及在细胞内信号转导等[1,2]。除此之外，H2S 调控细胞自噬也是其发挥作用的重要机制。

三、H2S通过调控细胞自噬发挥生物学功能

H2S可以通过调节细胞自噬发挥抗肿瘤作用,使用外源性H2S上调了人黑色素瘤细胞系A375、SK-MEL-28细胞自噬的表达且抑制黑色素瘤的进展，而进一步敲低自噬相关基因ATG7的表达不仅抑制了细胞自噬的活化，更促进了细胞凋亡，表明H2S的抗肿瘤作用至少部分是通过促进肿瘤细胞自噬实现的，这可能成为治疗黑色素瘤的新的突破点[13]。糖尿病时长期存在的高血糖易导致其他组织如心脏、肾脏和神经系统等的病变和功能障碍，这些并发症往往是导致糖尿病患者死亡的真正原因。H2S可以通过调控自噬抑制糖尿病心血管病变、糖尿病肾病等的发生、发展[10,14,15]。H2S还通过对血管平滑肌细胞自噬的调节发挥动脉粥样硬化的保护作用[15]。此外NaHS可以增加老年心脏的自噬，从而恢复缺血后适应对老年心肌细胞的保护作用[1]。另外，H2S通过影响自噬在肝癌、呼吸衰竭、脑部疾病等疾病过程中起着调节作用。综上所述，H2S通过调控自噬在多种疾病中发挥着重要的调节作用。

四、H2S调控自噬的机制

H2S通过多种信号通路调控细胞自噬，其主要通过单磷酸腺苷蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)-雷帕霉素的哺乳动物靶标(mammalian target of rapamycin, mTOR)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)-蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)-mTOR、PI3K-血清和糖皮质激素应答激酶-1(glucocorticoid response kinase-1，SGK1)-糖原合酶激酶(glycogen synthase kinase-3，GSK3β)、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)、核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信号通路等途径调控细胞自噬[1]。

1．AMPK-mTOR信号通路：AMPK-mTOR信号通路是参与细胞自噬调节的重要信号通路。mTOR是自噬诱导过程中关键的负调节因子，它的活化可以抑制细胞自噬。AMPK感应细胞内能量状态，可以通过磷酸化ULK1并与ULK1结合，抑制mTOR的活化继而诱导细胞自噬[16]。外源性H2S可以通过激活AMPK-mTOR信号通路增强细胞自噬，恢复由链脲佐霉素(streptozocin，STZ)诱导的糖尿病大鼠模型中心肌细胞的自噬水平，改善高糖血症引起的呼吸链损伤、抑制细胞凋亡，从而改善糖尿病心肌病的细胞损伤[14]。NaHS还可以通过抑制AMPK-mTOR通路的活化，下调高糖环境下血管平滑肌细胞的过度自噬，提高细胞活力，进而对2型糖尿病中血管平滑肌产生保护作用[15]。H2S在不同细胞中对细胞自噬展现出两种截然相反的效应，这可能与细胞的基础自噬水平不同及H2S的来源不同等因素有关，内源性H2S与外源性H2S是否对细胞自噬产生相同的效果还有待证明。

2．PI3K-Akt-mTOR信号通路：mTOR也受PI3K-Akt的调节。mTORC1和mTORC2分别是mTOR存在的两种复合物形式，二者发挥不同的作用。其中mTORC1主要调节细胞生长、能量代谢，是Akt的下游信号分子，且磷酸化的Akt可以激活mTORC1[17]。已有多项研究证实PI3K-Akt-mTOR信号通路参与对细胞自噬的调节。而H2S可以通过PI3K-Akt-mTOR信号通路调节细胞自噬。H2S激活PI3K-Akt-mTOR信号通路并抑制了颅脑损伤(traumatic brain injury，TBI)诱导的细胞自噬过表达，并通过促进轴突再生、恢复线粒体功能和减少TBI诱导的神经细胞死亡以发挥神经保护作用[12]。有研究表明，NaHS上调肝癌细胞HepG2、HLE中的LC3Ⅱ、ATG5蛋白的表达，下调p62蛋白的表达并抑制了PI3K-Akt-mTOR信号通路的活性，这与自噬激动剂雷帕霉素的作用相似[18]。表明H2S可以通过抑制PI3K-Akt-mTOR信号通路的活性，上调肝癌细胞自噬并发挥抗肿瘤作用。由此可见，H2S通过PI3K-Akt-mTOR信号通路对细胞自噬的调控作用具有双面性，不同的细胞作用不同。

3．PI3K-SGK1-GSK3β信号通路：SGK1拥有与Akt相似的催化结构域，与Akt共享多种下游底物，二者都可以被PI3K激活。GSK3β是SGK1和Akt的重要下游信号传递分子，其参与了对自噬的调节[19]。有研究指出NaHS抑制低氧/复氧(hypoxia/reoxygenation，H/R)处理的心肌细胞自噬相关基因(ATG5、Beclin-1、Atg9)mRNA的表达，降低了H/R诱导的新生大鼠心肌细胞自噬的过度活化并发挥心肌保护作用，这种保护作用至少部分是H2S通过调节PI3K-SGK1-GSK3β信号通路并抑制细胞自噬实现的[19]。

4．MAPK信号通路：MAPK是一组丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，是细胞内外信号传递的重要信号分子，包括细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases，ERK)、应激活化蛋白激酶(stress-activated protein kinase，SAPK/JNK)、p38MAPK，MAPK信号通路参与多种重要的细胞生理病理过程[20]。NaHS预处理减轻肝脏缺血/再灌注(ischemia/reperfusion，I/R)损伤，减少肝细胞凋亡，此外NaHS预处理显著降低了蛋白LC3、Beclin-1的表达并抑制JNK1的磷酸化。表明JNK1信号通路的活性被抑制可能是H2S对肝脏I/R损伤产生保护作用的相关机制，且这种保护作用与自噬有关[21]。使用循环菌株法处理的肺泡上皮细胞L2细胞中检测到p38MAPK、JNK、ERK表达水平上调，H2S治疗后抑制了其表达并抑制了循环菌株诱导的自噬水平增加，表明H2S可能通过MAPK信号通路调节细胞自噬[2]。虽然已经有实验证明JNK信号通路参与了H2S对细胞自噬的调节，但是目前还没有直接证据能够证明p38MAPK、ERK信号通路参与了H2S对细胞自噬的调节，这为细胞自噬受H2S调节相关机制的研究作出了可能的假设[21]。

5．NF-κB信号通路：NF-κB是一种转录因子，感知细胞内外各种刺激并做出反应，可调节许多涉及炎性反应、免疫应答的基因，并与癌症的发展有关[22]。此外，NF-κB信号通路还参与了对细胞自噬的调节。通过腹腔注射NaHS治疗降低了由STZ诱导的自噬标记蛋白LC3、Atg3、Atg5、Atg7、Atg12和Atg16的表达，降低了细胞自噬活性和NF-κB信号通路的活化，这证实H2S通过调节NF-κB信号通路影响细胞自噬，为H2S调控细胞自噬机制的研究及糖尿病的治疗提供了新的思路[10]。

6．其他：自由基产生过多或者清除不及时导致自由基的过度累积可诱导细胞的氧化应激，而过度的氧化应激可以导致细胞自噬的活化。NaHS预处理可以降低H2O2诱导的成纤维细胞的自噬，清除胞内ROS，降低细胞损伤，这种保护作用至少部分是通过直接抑制ROS的产生并保持线粒体功能来实现的，这表明H2S可以通过减少ROS的形成来抑制细胞自噬。此外，H2S还可以通过清除ROS间接地影响细胞自噬。在单侧输尿管梗阻(unilateral ureteral obstruction，UUO)的小鼠模型中观察到ROS累积和自噬的过度活化，AMPK感知胞内能量状态，可由过度累积的ROS激活进而诱导细胞自噬。NaHS治疗不仅改善了UUO小鼠肾脏组织学改变，上调CBS、CSE两种H2S合成酶的表达并提高血清H2S水平，而且减少ROS的产生抑制了细胞自噬的过度激活。表明H2S可以通过抑制ROS-AMPK的过度激活进而抑制细胞自噬，证明H2S在阻塞性肾病中通过细胞自噬发挥保护作用，有助于对肾脏疾病的治疗提供新疗法。

五、展 望

细胞自噬是哺乳动物细胞中一组复杂的胞内生理过程，于机体稳定具有重要意义。H2S可以直接或间接地通过AMPK-mTOR、PI3K-Akt-mTOR等多种信号通路调节细胞自噬的表达水平。虽然目前对H2S调控细胞自噬的相关机制尚没有一个完整系统的认知，但是H2S已被证实具有调节炎性反应、促进血管舒张、抗氧化应激、抗纤维化、调节细胞增殖和凋亡等重要的生理作用。同时，H2S通过对细胞自噬的调节在多种疾病如肿瘤、糖尿病等疾病过程中发挥保护作用，这为多种疾病的防治提供了新思路和新靶点。