四氢生物喋呤代谢紊乱与相关疾病的关系

刘宥苡，代佑果

（昆明医科大学第三附属医院/云南省肿瘤医院胃与小肠外科，云南 昆明 650118）

四氢生物喋呤（BH4）是由吡嗪环和吡啉嘧啶构成的非蛋白有机化合物，分子量约为241.25 Da，是存在于人体内绝大部分细胞和组织内的活性物质，可作为电子传递过程中的供体和受体参与氧化还原反应，调节氧化还原平衡，也是各类酶促反应催化物质代谢转化的重要辅助因子。在机体内，BH4 参与了一氧化氮合酶（NOSs）、芳香氨基酸羟化酶、苯丙氨酸羟化酶和酪氨酸羟化酶等催化酶的活化过程[1]，促进合成多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、一氧化氮（NO）等物质[2]。这些物质在调控神经心血管功能、氨基酸代谢、疼痛、神经递质合成等生理过程方面有重要意义。BH4 对于机体物质代谢有调节作用，其生理水平能够维持机体代谢平衡，而当其缺乏或是过剩时，体内物质代谢和转化出现紊乱，导致疾病发生或促进疾病进展。因此，BH4 与多种生理过程和病理状态有密切关系。本文就BH4 代谢紊乱与相关疾病进行综述，为进一步探索BH4 的生物学活性提供参考。

1 BH4 的生物合成

BH4 是由吡嗪环和吡啉嘧啶构成的非蛋白有机化合物，在体内的合成场所位于胞浆，主要经由从头合成、循环合成以及补救合成等三个途径合成[3-5]。在生理状态下，从头合成途径产生的BH4 水平较低，体内BH4 水平主要依靠循环合成和补救合成保持平衡稳定。

1.1 BH4 的从头合成 三磷酸鸟苷（GTP）是BH4 从头合成的原料。在该途径中，GTP 环氧水合酶Ⅰ（GCH-1）、6-丙酮酰四氢生物喋呤合成酶（PTS）、墨喋呤还原酶（SPR）是主要的催化酶，其中GCH-1 是关键的限速酶。GTP 在GCH-1 催化下生成7，8-三磷酸二氢新喋呤，随后该物质在PTS 作用下生成6-丙酮四氢喋呤，最后由SPR 将6-丙酮四氢喋呤转化为BH4。这一系列酶联反应过程，需要Zn2+、Mg2+、NADPH 等物质参与酶蛋白基团活化、电子传递等。

1.2 BH4 的循环合成 BH4 不仅是酶促反应的辅助因子，也作为重要原料参与合成苯丙氨酸羟化酶、色氨酸羟化酶、酪氨酸羟化酶等。上述酶在细胞内亦可转化生成4α-羟基-四氢喋呤，在喋呤-4α-甲醇胺脱水酶作用下，4α-羟基-四氢喋呤可转化酶喹诺酮二氢喋呤，最后经醌型二氢喋呤还原酶作用还原为BH4，从而实现BH4 的循环利用。

1.3 BH4 的补救合成 GTP 在GCH-1 作用下生成的7，8－三磷酸二氢新喋呤可经从头合成生成BH4，也可以进入补救合成途径。在醛糖还原酶/羰基还原酶作用下形成6-乳酰四氢喋呤/6-乳酰-7，8-二氢喋呤，随后被羰基还原酶还原为二氢生物喋呤（BH2），最后经二氢叶酸还原酶作用生成BH4。

2 BH4 与心血管疾病

BH4 能够稳定内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的二聚体结构并与之耦合，催化L-精氨酸转化为L-胍氨酸和NO。NO 不仅可作为神经递质，还是重要的血管内皮舒张因子，也具有抗炎、抗动脉硬化、抗血小板聚集等功能。BH4 缺乏可导致eNOS 解偶联，使得NO 合成减少，过氧化物合成增多，血管内皮受损，所以BH4 对于心血管疾病的病理进展有一定程度的调节作用[6]。

研究发现，给予自发高血压大鼠模型BH4 联合奈必洛尔治疗能够通过一氧化氮/环鸟苷单磷酸（NO/cGMP）通路降低心肌氧化应激，并对舒张功能障碍具有改善作用[7]，而且BH4 能够改善去氧皮质酮/盐高血压小鼠模型内皮祖细胞的功能[8]。此外，BH4 能够改善动脉粥样硬化血管的氧化还原状态和氧化应激，通过调节NOS 活性维护内皮细胞功能[9]。有报道称，在缺血及再灌注时，过多的ROS 将BH4氧化为BH2，从而降低BH4 的生物利用度。急性或慢性外源性BH4 补充可通过减少缺血心肌的O2-和增加NO 的产生来维持心功能并减少心肌梗死[10]。缺血预处理（IPC），即在延长缺血时间（＞30 min）前进行多个短时间（＜5 min）的缺血处理，可以显著减少心肌梗死，保护心脏收缩力，这一现象的机制之一可能是抑制BH4 氧化并刺激JAK-2 通路诱导GCH1上调生成BH4 而实现[10]。此外，在房颤模型中，心肌BH4 含量明显下降，而外源性给予BH4 能降低房颤的诱发率，通过GCH-1 过表达使得BH4 含量升高，对于房颤神经重构具有抑制作用[11]。

总之，BH4 是心血管系统重要的调节物质，可以通过改变微环境氧化应激状态、调控血管相关活性物质的生成等影响内皮舒缩功能和电生理功能，是潜在的心血管疾病治疗靶点。

3 BH4 与代谢性疾病

在营养物质代谢过程中，BH4 也发挥着重要作用。胰岛素在调节血糖代谢的同时，可以刺激活化eNOS 与BH4 偶联，从而产生NO 调节内皮细胞功能。当血糖过高时，超氧化物产生会增加，导致内皮细胞功能紊乱、BH4 氧化，使得BH4 与eNOS 解偶联，NO 合成减少而加剧内皮功能障碍，如此往复，加重疾病进展[12，13]。Oguri Y 等[14]研究发现，BH4 缺乏的hph-1 小鼠在控制饮食或高脂肪饮食条件下，其肥胖、胰岛素抵抗、葡萄糖不耐受和褐色脂肪组织（BAT）功能障碍的发生率均要高于对照组小鼠。BAT 功能障碍涉及线粒体肿胀，线粒体源基因表达异常，线粒体解偶联蛋白－1 水平下降等，与机体代谢性疾病严重程度呈负相关。因此，BAT 可作为肥胖、2 型糖尿病等疾病潜在的治疗靶点[15]。外源性补充BH4 或移植富含BH4 的BAT 可明显改善代谢障碍，增强分化型褐色脂肪细胞的线粒体耗氧量，其机制可能与BH4 通过NO 和去甲肾上腺素信号调控BAT 功能有关[14]。

一磷酸腺苷激酶（AMPK）是糖代谢、脂代谢、蛋白质合成和氧化还原调节等能量代谢的主要调节因子，AMPK 的活化能够增强细胞对脂质、糖类的分解代谢，抑制营养过剩或炎症引起的代谢性疾病。其活性的丧失则可能导致包括肥胖、胰岛素抵抗、2 型糖尿病（T2DM）、非酒精性脂肪肝等在内的代谢性疾病。在2 型糖尿病中，GCH-1 的降解和BH4 的氧化使得BH4 的生物利用率明显降低，而AMPK 激活可通过减少GCH-1 降解从而抑制2 型糖尿病诱导性BH4 降低。研究发现，用BH4 处理糖尿病小鼠，可引起小鼠AMPK 活性增加，肝脏糖异生减少，血糖降低，这表明BH4 和AMPK 之间存在正反馈调节机制[16，17]。

在蛋白质代谢方面，BH4 对于苯丙氨酸代谢的至关重要。苯丙氨酸代谢需要苯丙氨酸羟化酶参与，而BH4 是其重要辅酶，BH4 缺乏导致苯丙氨酸不能够代谢成为酪氨酸，而是从旁路途经生成苯丙酮酸和苯乳酸，高浓度苯丙氨酸会对中枢神经系统造成不可逆损伤，使患者产生智力低下、自闭症、癫痫、运动障碍等临床症状[18]。对于BH4 缺乏型苯丙酮尿症患者予以BH4 治疗可以明显降低体内苯丙酮酸水平，缓解临床症状[19]。此外，BH4 可作为线粒体电子传递过程中的辅助因子，对线粒体功能也有调节作用。BH4 对于线粒体DNA 的转录过程有影响，线粒体内产生大量活性氧自由基会损伤线粒体DNA，从而影响氧化磷酸化过程。BH4 有强大的还原能力，是清除线粒体内多余的活性氧自由基的途径之一[20]。BH4 的消耗也会影响线粒体内氧化磷酸化酶复合体（Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ)、ATP 合成酶的水平，从而改变能量代谢状态[21，22]。

4 BH4 与神经系统疾病

BH4 从多个方面影响神经系统功能。BH4 是多巴胺和5－羟色胺等单胺类神经递质的合成和分泌的关键辅助因子，BH4 的缺乏可导致神经递质反应性障碍和神经退行性改变。在大脑、肝脏、肌肉等富含线粒体的组织中，BH4 缺乏也通过mTORC1 信号通路失活诱导自噬导致细胞自噬和功能异常，从而导致运动功能障碍、肌张力受损、运动失调、癫痫发作、智力愚钝等功能障碍[23-25]。

BH4 水平变化伴有多巴胺、5－羟色胺等神经递质功能异常，从而导致阿尔兹海默病（AD）和帕金森病（PD）等神经系统退行性病变。有研究通过动物模型探究BH4 与AD 的关系，该研究发现，给予转基因小鼠AD 模型高脂肪饮食后再用BH4 处理，AD小鼠记忆功能在一定程度上有所改善，而且BH4 逆转了小鼠葡萄糖耐受不良的情况，虽然并没有改善淀粉样蛋白及Tau 蛋白的神经病理损害，但也证实服用BH4 对改善AD 认知障碍和代谢缺陷有潜在的益处[26]。另一研究采用原位灌流技术检测BH4 通过血脑屏障的量和脑内BH4 水平，发现脑内BH4浓度升高，多巴胺水平上升，刺激增强了小鼠的行动力[27]。BH4 通过参与合成神经递质、代谢苯丙酮酸等神经毒性物质调节神经系统功能，对于神经精神相关症状的改善具有积极作用，但其具体的作用机制和应用还有待进一步研究证实[28]。BH4 对于神经系统功能的影响具有重要研究价值，探索其机制有望为延缓神经退行性改变和改善精神症状提供可靠靶点。

5 BH4 与疼痛

疼痛是由痛觉感受器、神经纤维及痛觉中枢共同参与的防御性机制。损伤、炎症等病理状态会刺激痛觉神经通路引起痛觉。个体之间对于疼痛的敏感性和耐受性有所不同，提示疼痛与基因相关。GCH-1是疼痛相关基因之一，单倍体GCH-1 基因转录水平偏低可导致BH4 合成降低，因而GCH-1 基因单倍体人群对于疼痛有更高的阈值和耐受性[29]。

有研究在术后疼痛大鼠模型中发现，大鼠切口组织内BH4 水平明显升高，而敲除SPR 基因的大鼠模型因BH4 合成受阻而对于疼痛有更高的耐受性[30]。在炎症性疼痛模型中，给予SPR 抑制剂以减少BH4 合成，发现炎症细胞浸润减少，疼痛敏感性降低[31]。BH4 水平变化导致疼痛反应性差异的机制还尚未明确，有研究指出，可能是由于BH4 参与多巴胺、肾上腺素、5-羟色胺、去甲肾上腺素、NO 等多种神经递质的合成，而这些物质在痛觉传导通路中是重要的信号分子，在受损神经元中也发现NOS 和NO 的水平明显升高，说明BH4 水平变化导致痛觉改变可能是多种信号通路共同作用导致[32，33]。BH4合成通路对于改善疼痛是明确的，且对不同种类的疼痛均有类似调节作用，对于改善神经性疼痛、癌性疼痛等顽固性疼痛有一定的指导价值。

6 BH4 与肿瘤

BH4 是一氧化氮合成酶（NOS）发挥活性生成NO 的关键因子。NOS 根据其存在部位以及生理和病理不同状态下的效应，NOS 可分为结构型一氧化氮合酶合酶（cNOS）和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）。iNOS 在正常细胞中几乎不表达，当机体处于炎症或者肿瘤等疾病状态时，iNOS 被诱导表达，iNOS 是由氧化结构域及还原结构域组成同源二聚体结构，BH4 能够稳定NOS 的二聚体结构。当体内BH4 充足时，BH4 耦合iNOS 催化L-精氨酸生成NO、L-胍氨酸和水；当BH4 缺乏时，iNOS 则催化产生O2-和H2O2等反应氧分子[34，35]。已有研究表明[36]，BH4 能够增加NO 的生成，在一定浓度下NO 能激活血管内皮生长因子（VEGF）刺激实体肿瘤新生血管内皮细胞增殖分化，促进肿瘤细胞增殖，其机制可能与激活Ras 及PI3K/Akt 通路相关。

除了BH4 以外，BH4 合成通路的相关酶类和中间代谢产物也被证实和肿瘤的生长和血管形成有相关性，但结论有所差异。研究表明，抑制GCH-1 表达降低BH4 合成后移植瘤肿瘤体积减小，机制可能与NO 含量降低、M2 型肿瘤相关巨噬细胞浸润减少有关。但也有研究发现[37]，BH4 除了通过NO 促进肿瘤增殖以外，BH4 及其合成通路相关酶类和中间代谢产物（GCH-1、SPR、墨喋呤等）还有一定的抗肿瘤作用。上述物质能够调节激活T 淋巴细胞免疫反应性，从而发挥肿瘤杀伤作用。

关于BH4 对于肿瘤是促进还是抑制作用目前尚无明确定论，产生促瘤和抑瘤效应的机制各不相同，进一步探索两种机制之间的差异和联系有助于利用BH4 合成通路为肿瘤治疗提供新的方向。

7 总结

BH4 在物质代谢、能量代谢等方面的效应参与体内各系统病理生理过程，对维持机体稳态有重要价值。对于心血管疾病、代谢性疾病、疼痛、肿瘤可通过不同途径和机制调控疾病的进展。目前大部分研究都未能清晰阐述各类疾病中BH4 具体的作用通路，深入了解BH4 及其合成通路相关分子的药理学作用和生物活性能够进一步明确上述疾病的病理生理机制。以BH4 生物学功能为依据，在BH4 的生理效应和病理效应之间找到平衡的着力点并加以利用，是将BH4 转化为疾病治疗靶点的关键，有望为相关疾病的治疗提供新的方向和选择。