琥珀酸/GPR91轴在动脉粥样硬化中的研究进展

李璐， 危当恒

(南华大学衡阳医学院心血管疾病研究所 动脉硬化学湖南省重点实验室 湖南省动脉硬化性疾病国际科技创新合作基地，湖南省衡阳市421001)

琥珀酸，也称为丁二酸，在三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)过程中由琥珀酰辅酶A合成酶催化产生，在琥珀酸脱氢酶的作用下氧化形成富马酸，并释放出活性氧(reactive oxygen species，ROS)[1]。线粒体中琥珀酸通过二羧酸盐载体和电压依赖的阴离子选择性通道释放到胞质[2]，胞质琥珀酸通过有机阴离子/二羧酸转运体和单羧酸转运体以pH依赖的方式释放到胞外[3]，胞外琥珀酸通过自分泌或旁分泌途径激活其特异性受体G蛋白偶联受体91(G protein coupled receptor 91，GPR91)及其下游信号通路，发挥其生物学作用[2]。

1 琥珀酸/GPR91轴及其生物学功能

近年研究发现，过量的琥珀酸通过动力蛋白相关蛋白1介导线粒体分裂，从而破坏神经元线粒体完整性并加剧缺血性中风[4]。琥珀酸在缺血再灌注期间缺氧的心肌细胞中积蓄，进一步加重心肌细胞损伤[5]。肺癌患者血清琥珀酸含量升高并促进转移，已成为肺癌病程及预后的生物标记物[6]。这些结果表明，琥珀酸参与机体多个病理生理学过程。

GPR91是琥珀酸的特异性受体，首次在巨核细胞系中发现并命名为琥珀酸受体1(succinate receptor 1，SUCNR1)，因为与嘌呤受体P2Y2同源，被称为“P2U2”[7]。后来利用表达序列标签数据挖掘策略发现SUCNR1基因位于人类染色体3q24～3q25上，重新命名为GPR91[8]。组织学研究表明，GPR91在骨骼肌细胞、肿瘤细胞、肝细胞、心肌细胞、肝星状细胞、血小板、视网膜细胞、树突状细胞等多种细胞中表达，介导其增殖、迁移以及组织重塑，参与肾脏、肝脏、心脏、视网膜和免疫系统的生理及病理过程[9-11]，琥珀酸/GPR91轴是维持细胞和组织稳态的重要信号轴。

令人感兴趣的是，有研究发现琥珀酸促进蛋白质的琥珀酰化修饰[12]。琥珀酰化修饰是将琥珀酰基团共价结合到底物蛋白质赖氨酸残基，由多种酶共同调控、动态可逆地翻译后修饰过程，为保守的翻译后修饰类型。当赖氨酸残基发生琥珀酰化修饰后，其净电荷从+1变为-1，从而影响被修饰蛋白质的结构和功能；并且由于其电荷改变高于乙酰化修饰(+1到0)以及甲基化修饰(电荷无变化)，而且琥珀酰基的空间结构更大，因此，琥珀酰化修饰对蛋白结构和功能的影响比乙酰化修饰和甲基化修饰更显著。琥珀酰化蛋白质调节转录、翻译、应激反应、蛋白质相互作用等多个生物学过程，在多种生理以及病理过程中发挥重要的生物学作用[13]。在小鼠怀孕期间补充琥珀酸可诱导Ppargc1a基因启动子中的组蛋白琥珀酰化，激活小鼠Ppargc1a基因转录，增强子代小鼠棕色脂肪组织产热相关基因的表达[14]。

2 琥珀酸/GPR91轴与动脉粥样硬化

早在上世纪50年代采用琥珀酸盐治疗巴比妥酸盐中毒时，发现琥珀酸可能影响人体心血管功能[15]。McCreath等[16]发现，GPR91在小鼠白色脂肪组织中高表达，高脂饮食GPR91-/-小鼠早期并未发生明显肥胖，但在后期体质量与野生型小鼠几乎相当，但白色脂肪含量更高，表明GPR91影响肥胖背景下的新陈代谢以及代谢性疾病进程，肥胖、代谢综合征、高血压为动脉粥样硬化(atherosclerosis，As)的高风险因素[17]。近来研究发现，高脂血症患者和As小鼠血清琥珀酸含量均显著升高[18]。冠心病(cardiovascular heart disease，CHD)患者动脉血清琥珀酸和白细胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)含量显著高于健康个体，且血清琥珀酸与IL-1β呈正相关，这些结果表明琥珀酸/GPR91轴与As关系密切。因琥珀酸/GPR91轴与血管内皮细胞功能障碍、平滑肌细胞表型转化以及巨噬细胞极化的关系已有相关文献综述[19]，本文主要综述琥珀酸/GPR91轴在与As进程密切相关的血小板活化、免疫与炎症以及高血压中的作用，以期为As的有效防治提供新的参考。

2.1 琥珀酸/GPR91轴促血小板活化

血小板是多功能细胞，是止血和血栓形成的关键驱动因素。血小板介导的血栓和炎症是As病变形成和发展的重要因素：As早期，活化的血小板黏附在受损的内皮上，通过其旁分泌效应加重内皮细胞损伤并诱导炎症反应[20];As后期，血小板聚集加剧血栓形成和血管阻塞;As斑块破裂时，血小板形成血凝块，促进血栓形成，导致急性临床事件。

As病变早期，活化的血小板促进中性粒细胞向As病变部位聚集和跨内膜迁移。早在30多年前已证实琥珀酸促进血小板的激活[21]。Spath等[22]发现，在低水平外源ADP作用下，琥珀酸活化糖蛋白Ⅱb-Ⅲa并增加P-选择素表达，呈浓度依赖性增强血小板聚集以及与中性粒细胞间的相互作用。此外，琥珀酸促血小板-中性粒细胞间白三烯(LT)C4的生物合成，而白三烯(LT)C4是一种强大的促炎及促血管痉挛原，因此琥珀酸的促白三烯(LT)C4生物合成作用可能导致易损斑块的破裂和临床事件的发生[23]。

此外，琥珀酸通过GI途径激活ERK1/2以及磷酸肌醇途径，刺激体外培养的红系、巨核系祖细胞增殖。巨核细胞由骨髓中造血祖细胞(hematopoietic progenitor cells，HPC)分化而来，生成血小板。GPR91是人类血小板中表达水平最高的G蛋白偶联受体之一，研究表明，琥珀酸上调巨核细胞中GPR91mRNA和蛋白质的表达[24-25]。在化疗药物诱导的骨髓抑制小鼠模型中，GPR91增加血红蛋白、血小板和中性粒细胞水平，刺激血细胞发育[26]。此外，GPR91促进人血小板中血栓素(TX)A2，12-羟基-二十碳四烯酸和12-羟基-十七碳三烯酸的产生、激活cAMP以及磷脂酰肌醇3激酶β(phosphoinositide 3-kinase β，PI3Kβ)信号，导致血小板聚集和活化[27]。这些结果表明，琥珀酸/GPR91轴可能通过促血小板活化，从而促进As病变的发生、发展，抑制琥珀酸/GPR91轴的活性可能是延缓As病变进程以及抑制As斑块破裂的有效途径。

2.2 琥珀酸/GPR91轴介导免疫和炎症

免疫反应在As的发生发展过程中起着重要作用[28]，免疫调节因子以及细胞因子、趋化因子决定着As的进展，致As的危险因子氧化型低密度脂蛋白作为抗原激活适应性免疫反应，并通过模式识别受体途径激活先天免疫反应。在先天免疫细胞中，代谢状态与细胞的行为、表型以及对外界刺激反应密切相关[29]，细胞代谢产物或代谢中间体在免疫及炎症中发挥重要的作用。在先天免疫系统中，GPR91表达于树突状细胞、肥大细胞和单核巨噬细胞(如骨髓源性巨噬细胞、肿瘤相关巨噬细胞、脂肪组织巨噬细胞和小胶质细胞)，在人类未成熟树突状细胞表达水平最高，GPR91-/-小鼠中树突状细胞的迁移能力和成熟受损。琥珀酸以剂量依赖的方式激活GPR91并控制免疫细胞的趋化行为[11]，琥珀酸/GPR91轴是哺乳动物天然免疫反应重要的调节轴。

As为慢性炎症性病理过程，免疫细胞引起的慢性炎症反应是As病变的重要特征。巨噬细胞是As病变中的主要免疫细胞，As病变进展及其斑块稳定性与斑块内巨噬细胞的数量、极化状态以及不同表型之间的比例密切相关。在As早期，单核细胞从血液中募集到受损的动脉血管壁，局部分化为炎性巨噬细胞(M1)，并发生能量代谢重编程：能量代谢从氧化磷酸化途径转化为有氧糖酵解，同时释放出大量琥珀酸，激活巨噬细胞[30]；活化的巨噬细胞分泌大量促炎因子并刺激内皮细胞进而加剧炎症性血管损伤以及As病变。

研究表明，炎症性肠病与早发性(特别是年龄低于40岁的人群)As性心血管疾病的发生密切相关[31]。炎症性肠病克罗恩病(Crohn’s disease，CD)患者的血浆琥珀酸水平显著升高，与炎症标志物高敏C反应蛋白含量呈正相关，并且GPR91在CD患者脂肪干细胞以及脂肪组织巨噬细胞表达明显增加，琥珀酸促脂肪干细胞中米色脂肪组织标志物解偶联蛋白-1(uncoupling protein 1，UCP1)的表达。UCP1-/-小鼠肝组织中细胞外琥珀酸含量升高，通过GPR91与肝脏驻留星状细胞和巨噬细胞群相互作用加剧炎症反应，表明UCP1/琥珀酸/GPR91轴调节肝脏免疫细胞浸润及炎症反应[32]。这些结果表明琥珀酸是一种重要的炎症信号分子，琥珀酸/GPR91轴信号传导可能是介导免疫和炎症反应的一种新机制，是炎症性疾病(包括As性心血管疾病)共同的信号通路。

血管内皮细胞活化是血管壁炎症以及As发生发展的重要环节。章舒蕾等[33]发现琥珀酸通过氧化代谢途径上调血管内皮细胞ROS生成，进而促进血管内皮细胞炎性程序性死亡——焦亡。GPR91在人血管内皮细胞表达，外源性琥珀酸激活血管内皮细胞低氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)表达，促进IL-1β的表达和分泌。当HIF-1α被抑制时，血管内皮细胞中IL-1β的产生显著降低[34]。这些结果表明GPR91是介导琥珀酸/HIF-1α/IL-1β信号的关键分子，循环血液中琥珀酸含量增加可促进血管内皮细胞中IL-1β的产生和分泌。IL-1β是促As病变的重要炎症分子，一方面通过上调血凝素样氧化型低密度脂蛋白受体-1表达，促死亡蛋白介导的血管内皮细胞损伤；一方面通过上调CD40及其配体表达，促进平滑肌细胞增殖；此外，促进IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子-α、细胞间黏附分子-1、血管细胞黏附分子-1、单核细胞趋化蛋白-1及C反应蛋白水平[35]。这些结果表明，As病变进程中循环血液琥珀酸水平升高，进一步激活血管内皮细胞琥珀酸/GPR91/IL-1β信号轴，增强血管内皮细胞活化以及血管壁炎症反应，从而促进As病变的发生和发展。

2.3 琥珀酸/GPR91轴与高血压

高血压是As的重要危险因素，也是全球死亡和残疾的主要原因。肾素-血管紧张素系统(renin-angiotension aldosterone system，RAS)是人体最重要的血压调节系统，肾素是RAS的关键组成成分，血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)是RAS中的主要生物活性肽。高血压患者血浆琥珀酸升高，Baumbach等[36]发现琥珀酸诱导大鼠肾小球肾素的释放，静脉注射琥珀酸盐导致小鼠血压升高，但在GPR91缺陷型小鼠无此效应[37]。有研究发现静脉注射琥珀酸通过肾素和AngⅡ诱导小鼠高血压，而在GPR91缺陷小鼠中该效应消失[38]，表明琥珀酸激活RAS[39-40]。此外，琥珀酸/GPR91轴通过激活ERK1/2、P38和环氧酶2促进致密斑细胞中肾素的释放，GPR91-/-小鼠中肾素的分泌明显减少[41]。这些结果表明琥珀酸/GPR91轴通过激活RAS系统从而促进血压升高以及高血压的发生发展。

最新研究表明，心肌肥厚的患者血清琥珀酸含量也明显升高，心肌细胞琥珀酸/GPR91轴及其下游信号通路被激活，血压升高[42]。Du等[43]亦证实GPR91 rs73168929基因多态性与中国北方汉族人群原发性高血压风险密切相关。因此，琥珀酸/GPR91轴是调控高血压的重要信号轴。有意思的是，阿莫西林重塑高血压大鼠肠道微生物群、降低大鼠血清琥珀酸含量及血压，抑制产生琥珀酸的微生物群，对高血压易感个体具有长期益处，提示改善肠道菌群降低肠道琥珀酸从而抑制高血压可能延缓As病变的形成和发展[44]。

3 结语与展望

TCA循环是真核细胞能量代谢的中心，琥珀酸作为其中的关键中间体越来越被人们所关注。正常情况下GPR91无活性，处于静息状态。但在病理条件下如缺氧和组织损伤，细胞外琥珀酸含量增加，激活GPR91，参与血小板活化、免疫和炎症、高血压等各种病理过程。心血管疾病是全球死亡和致残的主要原因，As病变导致动脉内膜增厚以及管腔阻塞，而斑块破裂引发严重急性临床事件，严重危害人类健康。目前他汀类药物降脂治疗是心血管疾病一级和二级预防的标准疗法，但长期服用他汀类药物可能引发血糖代谢异常、头痛、肝功能异常以及肌肉酸痛等不良反应。此外，在过去30年中，心血管疾病导致的病例数、死亡数依然在增加，现状令人担忧。目前已证实琥珀酸/GPR91轴与As病变的发生和发展密切相关，GPR被称之为生命科学和药物研发的“宝藏”，是近40%已批准药物的作用位点[45]。深入探讨琥珀酸/GPR91轴在As发生发展中的作用及其调控机制，将可能为As的有效防治提供新的策略和新的靶点。