多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路与衰老及相关疾病的研究进展*

刘 婷， 魏锫玲， 于 雪， 李玲旭，2， 柴囡楠，3， 赵雅君△

（1哈尔滨医科大学基础医学院病理生理学教研室，黑龙江 哈尔滨 150081；2海南医学院第二附属医院肾内科，海南 海口 570311；3赤峰学院医学院护理学院，内蒙古 赤峰 024099）

随着全球人口逐渐老龄化，延缓衰老及防治其相关疾病成为迫切需要解决的社会问题。衰老是一种容易引发多种疾病的病理过程，衰老与这些疾病之间存在共同发生机制。因此，探索衰老及其相关疾病的发生机制和寻求高效的抗衰老药物已成为当前研究的热点。真核翻译起始因子5A（eukaryotic translation initiation factor 5A， eIF5A）是受羟腐胺赖氨酸化（hypusination）调节的一种翻译起始因子，多胺中的亚精胺（spermidine， SPD）是eIF5A 发生羟腐胺赖氨酸化修饰的底物。近年来的研究显示，活化的eIF5A（即羟腐胺赖氨酸化的eIF5A， hypusinated eIF5A）参与一系列重要细胞过程，包括细胞增殖、凋亡、自噬、线粒体功能及炎症反应等，这些过程与衰老进程相关，但目前对其在疾病中作用的了解十分有限。本文综述了多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路在衰老相关疾病中的作用，以期为衰老相关疾病的治疗提供参考资料。

1 多胺与eIF5A

1.1 多胺的代谢及生物学功能 多胺主要包括腐胺（putrescine）、SPD 和精胺（spermine， SP），是几乎存在于所有动植物组织细胞中的小分子聚阳离子化合物［1］。细胞内的多胺水平受合成、分解及转运出胞等多种机制的精确调控，胞内多胺可通过生物合成和分解代谢相互转化，该过程与减轻缺血/再灌注心肌损伤［2］、心肌肥厚［3］等病理过程有关。多胺的生物合成需要精氨酸（arginine）、鸟氨酸（ornithine）和S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine）参与。精氨酸在精氨酸酶的催化生成鸟氨酸，鸟氨酸在鸟氨酸脱羧酶（ornithine decarboxylase， ODC）催化下生成腐胺，腐胺在SPD 合酶催化生成SPD，ODC 为多胺合成代谢的第一个限速酶［4］。S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶（Sadenosylmethionine decarboxylase， SamDC）是多胺生物合成的另一限速酶，它催化S-腺苷甲硫氨酸转化为S-腺苷-3-甲硫基丙胺，后者与SPD 一起在精胺合酶作用下生成SP［5］。SPD/SPN1-乙酰转移酶（SPD/SPN1-acetyltransferase， SSAT）是多胺分解代谢的限速酶，SSAT 可以将SP 和SPD 分别乙酰化为N-乙酰SP和N-乙酰SPD。这些乙酰化产物可以被多胺氧化酶（polyamine oxidase， PAO）分解成SPD 和腐胺［6］。生理pH 值条件下，细胞内的多胺可以与带负电荷的DNA、RNA 等生物大分子相互作用在复制、转录、翻译、翻译后修饰和离子通道等水平上调节细胞活动，发挥广泛的细胞功能，包括抗炎、抗氧化、调节自噬及延缓衰老等作用。最近，SPD 作为小分子蛋白质eIF5A发生翻译后修饰的前体被重新认识［7］。

1.2 多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路的活化 分子量为16~18 kD 的eIF5A 是迄今为止唯一被鉴定为含有必需氨基酸——羟腐胺赖氨酸（hypusine）的必需蛋白质。羟腐胺赖氨酸是1971 年Shiba 等首次在牛脑中分离出来的，之后检测到其以氨基酸或蛋白质的形式存在于哺乳动物脑、心脏、肌肉、血液等组织器官中［8-9］。SPD 能使eIF5A 发生羟腐胺赖氨酸化修饰，修饰过程通过两步酶促反应完成，首先，在脱氧羟腐胺合酶（deoxyhypusine synthase， DHPS）催化下SPD 分子的N-ε-（4-氨基-2-丁基）部分转移到eIF5A 前体Lys50 的ɛ-氨基上，随后在脱氧羟腐胺羟化酶（deoxyhypusine hydroxylase， DOHH）的催化下将其羟基化，生成成熟的羟腐胺赖氨酸化eIF5A［10］。DHPS 和DOHH 是eIF5A 合成的限速酶。羟腐胺赖氨酸的合成对SPD 的结构要求非常严格，只能由SPD 及少数结构类似物来完成。因此，靶向多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路可能是阻止eIF5A 作用的特有手段。应用多胺合成限速酶ODC的特异性抑制剂α-二氟甲基鸟氨耗竭细胞内的SPD，会导致无活性的前体eIF5A 积累及细胞生长抑制［11-12］。相反，用多胺类似物处理细胞，能诱导eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化增强［13］，说明SPD为真核细胞eIF5A激活所必需。迄今为止观察到的eIF5A 几乎所有功能都依赖于羟腐胺赖氨酸化。

1.3 eIF5A 的生物学功能 eIF5A 主要定位于哺乳动物的细胞核和细胞质，早期eIF5A 作为翻译起始因子因其能够调节蛋白质合成的起始而得名。随后eIF5A 被证明是促进mRNA 翻译延伸和终止所必需的因子。eIF5A 可通过其特定序列与某些mRNA 结合，协助mRNA 从胞核穿梭到胞质发挥作用［14］。对编码DHPS和（或）DOHH等位基因敲除会抑制eIF5A活化，这将导致多种哺乳动物细胞生长停滞，证明羟腐胺赖氨酸化eIF5A 是细胞增殖、生长和存活所必需的因子［15-16］。

羟腐胺赖氨酸化eIF5A 的另一个重要的生物学功能是参与细胞凋亡的调节，但其在凋亡中的作用存在争议。一方面eIF5A 具有促凋亡作用。Taylor等［17］用 肿 瘤 坏 死 因 子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和抗癌药物喜树碱协同作用会诱导视乳头筛板细胞凋亡和eIF5A 高表达，而沉默eIF5A后，细胞对药物诱导凋亡的敏感性显著下降，因此他们认为eIF5A 可能是TNF-α 通路中一个新的促凋亡因子。但另一方面也有证据支持eIF5A 保护真核细胞免于凋亡。在人宫颈癌细胞CaSki的研究显示，抑癌基因Mda-7能有效降低eIF5A 的合成，促进Bax 及p53 的mRNA 和蛋白表达，提出Mda-7是通过下调eIF5A 蛋白表达抑制CaSki细胞生长的［18］。总之，目前关于羟腐胺赖氨酸化eIF5A 在凋亡中的准确作用及机制还不完全清楚。研究显示，巨噬细胞会根据细胞的激活状态和需求调整氧化磷酸化（oxidative phosphorylation， OXPHOS）和糖酵解之间的代谢转换，这种转换是多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化依赖的，并能决定细胞命运，抑制eIF5A 活化可阻断OXPHOS 途径，而不影响糖酵解途径，这一效应在不同细胞和物种中是保守的［19］，并且这种代谢转换对处于缺氧缺血条件下的细胞及组织存活至关重要［20］。这种代谢转换或可解释多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路在调节细胞凋亡中的不同作用。

2 多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路与衰老及年龄相关疾病

伴随增龄，年龄相关疾病的发生风险与日俱增，如糖尿病、认知功能障碍等。衰老与这些疾病发病之间存在共同发生机制，包括自噬、线粒体功能下降、代谢紊乱和炎症反应等，近年来研究显示这些细胞过程受多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路的调控。由于eIF5A 在真核细胞中普遍存在，其直接作用靶点具有广谱的细胞功能，因此eIF5A 可能参与了人类疾病的病理生理过程。本节主要介绍羟腐胺赖氨酸化修饰与这些细胞过程的联系及其在糖尿病、免疫衰老及年龄相关的神经系统功能障碍中的作用［21］。

2.1 多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路与糖尿病

2.1.1 多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路参与糖尿病胰岛炎症反应 糖尿病是一组以高血糖为特征的代谢性疾病，年龄也是2 型糖尿病（T2D）的高风险因素。糖尿病炎症反应学说认为1 型糖尿病（T1D）和T2D 的发病机制都涉及全身和局部炎症反应的激活，最终导致胰岛β 细胞功能障碍和/或死亡［22］。近年来研究观察到糖尿病发病机制中的炎症反应依赖于β 细胞和免疫细胞中多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路的活化［23-24］。有研究在炎症性糖尿病小鼠模型中观察到，胰岛β细胞核内羟腐胺赖氨酸化eIF5A与iNOS mRNA 结合，在输出蛋白exportin 1 协助下迁移到胞质，促进iNOS 的翻译，导致一氧化氮产生增加，ATP 合成减少，最终抑制胰岛素的释放；敲减eIF5A或抑制羟腐胺赖氨酸化修饰发生能显著降低小鼠胰岛β 细胞iNOS mRNA 的翻译，保护β 细胞免受链脲佐菌素（streptozotocin， STZ）毒性的影响，说明在糖尿病发病过程中发挥促炎作用的iNOS 的翻译受eIF5A-羟腐胺赖氨酸化影响［25］。之后也有研究检测到羟腐胺赖氨酸化eIF5A 会在糖尿病小鼠和人（T1D/T2D）的胰岛中表达增强，在糖尿病小鼠β 细胞eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化修饰可调控细胞因子诱导的多个转录本的翻译。因此，多胺介导的eIF5A 活化可能通过影响炎症因子mRNA 的翻译，参与了糖尿病发展过程中炎症级联反应介导的胰岛功能障碍。

2.1.2 多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路参与糖尿病免疫反应 免疫功能紊乱在T1D 和T2D 中的作用一直以来都是研究的热点。尤其是肠道中的免疫细胞包括T 细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞、树突状细胞等也被观察到参与了糖尿病的发病机制［26］。近期研究显示多胺合成增强是T 细胞活化和增殖的重要标志，多胺通过为DHPS 提供底物调控辅助性T 细胞（Th）分化，抑制多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路会导致CD4+T 细胞分化受损，三羧酸循环和组蛋白乙酰化障碍［27］。在糖尿病小鼠模型和糖尿病患者中，胰岛微环境中的T 细胞动力变化表现为辅助性T 细胞1（Th1）和辅助性T 细胞17（Th17）偏移和/或调节性T 细胞（Treg）缺陷，Th 细胞通过可溶性细胞因子如IL-1、TNF-α 等启动多条促炎通路，导致β 细胞功能障碍并最终死亡，而通过抑制DHPS 来下调eIF5A的羟腐胺赖氨酸化可以使Treg/Th17 比值增加，改善胰腺分泌功能，使糖尿病发病延迟［28］。这些研究结果提示eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化修饰参与了糖尿病发病过程中T细胞的动态变化。

但也有人持不同观点，认为抑制多胺生物合成或敲除DHPS、eIF5A会产生负面影响。有学者在对离体小鼠胰岛的研究中观察到，多胺水平降低将导致葡萄糖刺激的胰岛素分泌受损［29］。但目前尚不清楚多胺水平的降低是致糖尿病的原因还是适应性反应的结果。Kulkarni 等［30］认为，在糖尿病背景下，多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路适度活化介导的免疫调节可能有助于控制炎症反应，并可能有助于在疾病的早期阶段控制糖尿病的进程，降低疾病严重程度，但过度激活或抑制对细胞都是有害。此外，有研究显示，在T2D 小鼠模型中，每日给予外源性多胺已被证明是改善动物代谢健康的有效策略。在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，补充SPD 可降低体重、改善葡萄糖耐量和增强胰岛素敏感性；STZ诱导的糖尿病大鼠补充外源性SPD，可改善大鼠血糖，降低糖化HbA1c 水平［31］。总之，目前的研究结果为糖尿病的发生发展提供了重要的调控途径，但SPD-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路在糖尿病发病机制中的准确作用有待于进一步研究。

2.2 多胺通过eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路逆转免疫衰老 免疫衰老是指与衰老相关的免疫系统功能衰退，使老年人对感染、疫苗接种和恶性肿瘤的免疫反应下降，并伴随慢性低度炎症［32］。多项研究强调，自噬失调是细胞和组织衰老的核心机制，自噬受损的免疫细胞会表现出早衰的特征，细胞内ROS 产生增加、受损的线粒体增多。自噬是一种高度保守的细胞分解代谢过程，通过降解受损的细胞质成分维持细胞稳态。elF5A 作为SPD 诱导自噬的直接分子靶点而受到广泛关注，eIF5A 在T 淋巴细胞中有组成性低表达，在激活的T淋巴细胞和HIV-1感染的细胞中呈高表达，提示eIF5A 可能在免疫反应中发挥重要作用［33-34］。Alsaleh 等也观察到老年小鼠和人类CD8+T 细胞的自噬水平降低，内源性SPD 含量减少，补充SPD 可逆转老年CD8+T 细胞自噬流的下降，也能使老化CD8+T细胞功能和记忆反应恢复到“年轻”水平，SPD 通过影响下游的翻译因子eIF5A 和转录因子EB（TFEB）维持T 淋巴细胞的自噬水平［35］。TFEB是自噬体和溶酶体生物合成的中枢调控因子，外源性补充SPD 可以逆转年龄依赖性eIF5A-TFEB-自噬轴的衰退，改善老年小鼠和老年人B 细胞功能，逆转免疫衰老［36-37］。但也有研究观察到TFEB 并不是唯一受eIF5A 调控的自噬蛋白，eIF5A 还可通过上调自噬通路上的关键分子atg3 的翻译效率促进自噬体小体形成［38］。因此，通过活化SPD-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路可能是提高老年人疫苗接种效率的有效手段。但免疫衰老是否与 eIF5A 的翻译调控有直接关联，或者是否涉及其他转录因子或介质的中间调控，需要在未来的研究中进一步探讨。

2.3 外源性SPD 通过eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路诱导线粒体自噬改善年龄相关的认知功能障碍 认知功能障碍是大脑衰老的一个标志，但人们对其潜在机制和治疗途径仍知之甚少［39］。2008年首次报道处于神经发生、分化和突触建立较活跃的新生大鼠大脑中的eIF5A含量比成年大鼠的高80%，该研究结果提示eIF5A 的减少可能导致大脑的衰老［40］。有研究显示外源性SPD 对脑认知能力的有益作用是eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路介导的，无论是在果蝇、小鼠还是人类eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化修饰在神经系统都有明显的抗衰老作用［41-42］。外源性补充SPD可以激活自噬，改善线粒体功能，并能补充各种组织中的多胺池［43］。一项基于人群的前瞻性研究也显示，高SPD 摄入量与人类较低死亡率有关［44］。然而，SPD发挥抗衰老作用的确切机制尚未完全阐明。

线粒体是细胞ATP 产生的主要场所，也是参与调节各种重要细胞过程的细胞器，线粒体功能障碍是衰老的标志。有研究显示SPD 可通过血脑屏障到达脑内，增加海马体eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化水平，可以逆转衰老引起的线粒体功能、记忆及运动能力下降，而敲除DHPS或DOHH会抑制eIF5A 活化，取消SPD 的作用，提示SPD 降低人类认知障碍的风险与eIF5A 发生羟腐胺赖氨酸化修饰有关［45］。SPD 可以通过活化eIF5A 促进含有线粒体靶向序列的蛋白及线粒体呼吸链复合体蛋白的翻译，进而促进线粒体氧化磷酸化，阻止大脑过早衰老［41］。此外，在SPD诱导自噬延缓脑衰老的研究显示，自噬相关基因atg3的一个三肽序列的翻译也依赖eIF5A 的羟腐胺赖氨酸化修饰，抑制eIF5A 活化，会消除SPD 对atg3的诱导作用，也取消了SPD 对增龄引起的记忆力下降的改善作用［46-47］。因此，多胺对eIF5A 的翻译后修饰可以改善线粒体功能和（或）诱导自噬，这可能是SPD 发挥抗神经系统衰老的关键机制，但SPD 的这一作用是全部还是部分由eIF5A 介导的还有待进一步研究。

3 结语与展望

目前多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路在疾病中的作用是医学生物学领域新的研究课题［48］。许多研究显示多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路在衰老及其相关疾病中稳态失衡，但为什么会发生这样的改变，其机制仍需更多的研究结果来解释。有人提出将DHPS 和eIF5A 视为应激反应蛋白，认为其在炎症或其他急性应激时的增强对其调节蛋白的翻译是必需的；但随着压力持续存在，这些蛋白质触发细胞执行反应，试图减轻应激造成的损伤，因此，羟腐胺赖氨酸化eIF5A 过多或过少都有可能使平衡向细胞死亡的方向转变［49］。尽管如此，未来可能仍需要在体内或体外不同应激状态下，深入探讨eIF5A 与其它调节因子的相互作用情况，以及其影响的下游信号通路，探讨eIF5A 是否通过影响了多个基因，调控多条通路参与疾病的进程，以及其在不同细胞中的具体调控机制是否不同。总之，从基础理论的角度探讨此通路在衰老相关疾病发生、发展中的作用及机制，并着眼于未来的临床应用，针对多胺-eIF5A-羟腐胺赖氨酸化通路设计治疗化合物，以期为衰老相关疾病的干预治疗提供新的选择。