四氫生物蝶呤在糖尿病性受損內(nèi)皮細胞糖代謝中的作用

盧曉云

（華僑大學生物醫(yī)學學院，福建 泉州 362021）

四氫生物蝶呤（BH4）是治療高苯丙氨酸血癥的有效藥物[1]。近年來發(fā)現(xiàn)BH4也是高等生物體內(nèi)一氧化氮合酶發(fā)揮生物活性的關鍵輔助因子，在調(diào)控血管內(nèi)皮細胞一氧化氮（NO）的合成、維持機體血管健康方面具有重要作用。BH4充足時，eNOS耦聯(lián)成活化二聚體，催化底物L-精氨酸生成NO和L-瓜氨酸；當BH4缺乏時，eNOS脫耦聯(lián)，催化底物生成過氧化物[2]。有研究顯示，糖尿病性的動脈血管硬化及其他血管疾病有著一個共同特點：NO的生物活性降低及過氧化物生成增加，導致內(nèi)皮細胞功能性受損[3]。在高糖環(huán)境，BH4合成減少及氧化缺失是血管內(nèi)皮細胞功能性受損的一個重要因素。因此，BH4可作為修復糖尿病性內(nèi)皮細胞受損的一個治療靶點，并在糖代謝方面具有重要作用。

1 BH4是糖尿病性內(nèi)皮細胞受損的治療靶點

血管內(nèi)皮不只是血液與機體組織的簡單屏障，還在調(diào)控血管張力及結(jié)構上發(fā)揮著關鍵作用。血管內(nèi)皮細胞來源的NO，是維持血管穩(wěn)態(tài)的一個重要調(diào)控因子。BH4作為eNOS功能的重要調(diào)控者，最近被認為是治療血管內(nèi)皮受損的合理靶點。

在糖尿病患者中，高血糖引發(fā)的氧化應激及NO生物活性的降低是內(nèi)皮細胞功能性受損的主要誘發(fā)因子。高血糖通過兩種途徑減弱內(nèi)皮細胞NO生物活性：一是NO迅速與活性氧族分子發(fā)生氧化作用，生成過氧亞硝酸鹽（ONOO-）失活；二是由于胰島素耐受，PI3K/Akt信號下調(diào)，eNOS磷酸化下調(diào)及eNOS的脫耦聯(lián)，導致NO的合成受損。

BH4不足，是糖尿病環(huán)境下內(nèi)皮細胞NO生物活性降低的重要原因。研究顯示，高血糖可誘導鳥苷三磷酸環(huán)化水解酶（GTPCH）蛋白酶體依賴性的降解。GTPCH是BH4從頭合成途徑中的第一個限速酶，其降解引起B(yǎng)H4合成減少，和（或）BH4發(fā)生氧化應激，而導致內(nèi)皮細胞內(nèi)BH4供應不足，eNOS不能耦聯(lián)形成活化的二聚體結(jié)構，NO合成量下降，最終內(nèi)皮功能受損。在人動脈內(nèi)皮細胞內(nèi)高表達GTPCH基因，可有效提高細胞內(nèi)BH4及NO水平，減少過氧化物的產(chǎn)生，改善受損內(nèi)皮功能[4]。db/db小鼠長期口服BH4補充合成途徑的底物墨蝶呤，可預防內(nèi)皮受損及氧化應激[5]。長期口服BH4治療的高膽固醇血癥患者，其耐受內(nèi)皮受損及氧化應激的能力明顯增強[6]。

2 BH4影響糖代謝的作用機制

有文獻顯示，BH4能提高2型糖尿病患者的葡萄糖處理。在調(diào)控并維持機體葡萄糖的穩(wěn)態(tài)平衡方面，PI3K/Akt、MAPK及AMPK信號通路，均發(fā)揮著重要作用；它們的失調(diào)可導致肥胖和糖尿病的發(fā)生[7]。以下，將主要通過BH4介導的NO通路與三者之間的交叉談話，來闡述BH4在調(diào)控內(nèi)皮細胞糖代謝的可能機制。

2.1 PI3K/Akt：在哺乳動物體內(nèi)，PI3K/Akt信號通路被認為是胰島素作用細胞代謝的主要效應器。PI3K/Akt下游與糖代謝相關的效應器有：①AS160：GAP上的多個絲氨酸/蘇氨酸位點磷酸化失活，GTP代替GDP結(jié)合Rab形成活化結(jié)構，推動GLUT4囊泡向細胞膜上運送[8]；②mTORC1：加強依賴于缺氧誘導因子1α作用的GLUT1/3、磷酸甘油酸激酶1、乳酸脫氫酶A和丙酮酸脫氫酶激酶基因的轉(zhuǎn)錄翻譯[9]，上調(diào)糖酵解過程；③GSK-3β：磷酸化失活，恢復糖原合酶活性，促進糖原合成[10]；④FOXO1：磷酸化失活，下調(diào)6-磷酸-葡萄糖激酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶轉(zhuǎn)錄表達，抑制內(nèi)源性葡萄糖的增加[11]。

在2型糖尿病中，由于胰島素分泌不足，導致PI3K/Akt-eNOS的下調(diào)，是導致內(nèi)皮細胞功能損傷的主要原因。PI3K/Akt可活化GTPCH來加強BH4合成，促進NO生成[7]，調(diào)控內(nèi)皮功能。通過添加墨蝶呤及增強轉(zhuǎn)基因GTPCH的表達，發(fā)現(xiàn)，BH4的合成可通過活化eNOS提高NO的合成，正反饋調(diào)節(jié)PI3K/Akt通路[12]。另在人血管平滑肌細胞（hVSMC）中發(fā)現(xiàn)，NO可介導cGMP/PKG通路促進胰島素刺激下葡萄糖的轉(zhuǎn)運；加入NOS抑制劑，則能完全抑制胰島素介導的葡萄糖運送及GLUT4轉(zhuǎn)位[13]；這過程可能依賴PI3K/Akt信號通路的活化[14]。這些間接提示，BH4的合成，可介導NO調(diào)控PI3K/Akt，來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的糖代謝。

2.2 MAPK：MAPK是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，主要包括三個亞族：ERK1/2，JNK1/2和p38 MAPK。典型的MAPK/ERK通路的活化，能上調(diào)GLUT1的表達，加強葡萄糖的轉(zhuǎn)運[15]。MAPK/ERK與胰島素信號途徑存在著交叉會談：MAPK/ERK作用于特定的轉(zhuǎn)錄因子，上調(diào)胰島素樣受體基因的轉(zhuǎn)錄表達，提高胰島素敏感性[16]。而JNKs、p38 MAPK具有相反的作用，它們的活化會導致IRS絲氨酸/蘇氨酸磷酸化，產(chǎn)生胰島素抵抗效應[17]。

NO對ERK1/2的活化作用，研究發(fā)現(xiàn)：在人骨髓微血管內(nèi)皮細胞的培養(yǎng)液中加入NONOate，能促進ERK1/2的磷酸化[18]；在hVSMC中，NO通路可劑量及時間依賴性地激活ERK1/2通路[13]。這顯示，BH4具有活化ERK1/2通路，調(diào)控其下游葡萄糖代謝信號的可能。對于p38MAPK和JNK通路，BH4可通過本身具有的強還原性，及通過促進NOS耦聯(lián)，減少NOS解耦聯(lián)狀態(tài)下產(chǎn)生的大量過氧化物，來避免氧化應激引起的p38 MAPK和JNK活化。

2.3 AMPK：AMPK是種能量應激傳感器，由催化功能亞單位α和兩個調(diào)控亞單位β、γ組成異源三聚體結(jié)構。當胞內(nèi)AMP/ATP上升和（或）α亞單位Thr172磷酸化，AMPK活化：促進GLUT4向細胞膜轉(zhuǎn)位，上調(diào)葡萄糖的攝入[19]；活化6-磷酸果糖激酶2，加速2，6-二磷酸果糖的合成[20]，增強糖酵解過程、。LKB1/AMPK信號通路磷酸化TORC2，使其核輸出[21]，抑制葡萄糖內(nèi)源性再生。

精胺氮氧化加合物可促進人骨骼肌細胞葡萄糖的轉(zhuǎn)運，并伴隨AMPK-α1活性的加強[22]。內(nèi)皮細胞中，LKB1和CaMKKβ是AMPK活化的兩種蛋白激酶。研究發(fā)現(xiàn)，NO可通過上調(diào)內(nèi)皮細胞胞內(nèi)Ca2+濃度，激活CaMKKβ，活化AMPK；而ONOO-亦可依賴于磷酸化LKB1，增強LKB1-AMPK間的作用，激活AMPK[23]。這顯示，AMPK可能具有調(diào)控內(nèi)皮細胞功能的作用。AMPK也被認為是NOS的上游調(diào)控激酶。metformin和AICAR的添加，能有效抑制GTPCH Ⅰ的降解，增加BH4與NO水平[24]。

3 結(jié) 語

綜上所述，BH4已成為治療修復糖尿病性內(nèi)皮功能紊亂的重要靶點。BH4主要是通過維持eNOS的耦聯(lián)狀態(tài)，促使NO的合成及減少O2-的產(chǎn)生，來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞正常的生理功能。在糖尿病機體中，由于胰島素分泌不足或細胞胰島素抵抗，糖代謝功能是紊亂的。BH4或可通過介導上調(diào)NO合成，與糖代謝信號相關的PI3K/Akt、MAPK及AMPK通路發(fā)生交叉會談（圖1），來調(diào)控內(nèi)皮細胞的糖代謝。這可能是BH4修復糖尿病性的內(nèi)皮細胞功能受損的進一步可能機制。

圖1 BH4介導NO信號調(diào)控內(nèi)皮細胞糖代謝的可能機制

[1]Th?ny B.Tetrahydrobiopterin biosynthesis,regeneration and functions[J].Biochem Soc,2000,347(1):1-16.

[2]Katusic ZS.Vascular protection by tetrahydrobiopterin:progress and therapeutic prospects[J].Trends Pharmacol Sci,2009,30(1):48-54.

[3]Harrison DG.Cellular and molecular mechaniasms of endothelial dysfunction[J].J Clin Invest,1988,100:2153-2157.

[4]Cai S.Augmented BH4 by gene transfer restores nitric oxide synthase function in hyperglycemic human endothelial cells[J].Cardiovasc Res,2005,65(4):823-831.

[5]Pieper GM.Acute amelioration of diabetic endothelial dysfunction with a derivative of the nitric oxide synthase cofactor,tetrahydrobiopterin[J].J Cardiovasc Pharmacol,1997,29(1):8–15.

[6]Cosentino F.Chronic treatment with tetrahydrobiopterin reverses endothelial dysfunction and oxidative stress in hypercholesterolaemia[J].Heart,2008,94(4):487–492.

[7]Schulze SM.PI3K/AKT,MAPK and AMPK signaling:protein kinases in glucose bomeostasis[J].Expert Rev Mol Med,2012,14(1):1-20.

[8]Eguez L.Full intracellular retention of GLUT4 requires AS160 Rab GTPase activating protein[J].Cell Metab,2005,2(4):263-272.

[9]Bento CF.Regulation of hypoxia-inducible factor 1 and the loss of the cellular response to hypoxia in diabetes[J].Diabetologia,2011,54(8):1946-1956.

[10]Manning BD.AKT/PKB signaling: navigating downstream[J].Cell,2007,129(7):1261-1274.

[11]Nakae J.The forkhead transcription factor Foxo1 (Fkhr)confers insulin sensitivity onto glucose-6-phosphatase expression[J].J Clin Invest,2001,108(9):1359-1367.

[12]Chen L.Role of tetrahydrobiopterin in promoting tumor angiogenesis[J].Ame J Pathol,2010,177(5):2671-2680.

[13]Bergandi L.Insulin stimulates glucose transport via nitric oxide/cyclic GMP pathway in human vascular smooth muscle cells[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2003,23(12):2215-2221.

[14]Doronzo G.Nitric oxide activates PI3-K and MAPK signaling pathways in human and rat vascular smooth muscle cells: Influence of insulin resistance and oxidative stress[J].Atherosclerosis,2011,216(1):44-53.

[15]Fujishiro M.MKK6/3 and p38 MAPK pathway activation is not necessary for insulin-induced glucose uptake but regulates glucose transporter expression[J].J Biol Chem,2001,276(23):19800-19806.

[16]Zhang W.MAPK/ERK signaling regulates insulin ensitivity to control glucose metabolism in Drosophila[J].PloS Genet,2011,7(12):1-10.

[17]Bloch-Damti A.Proposed mechanisms for the induction of insulin resistance by oxidative stress[J].Antioxid Redox Signaling,2005,7(11/12):1553-1567.

[18]Cokic BB.Nitric oxide and hypoxia stimulate erythropoietin receptor via MAPK kinase in endothelial cells[J].Microvasc Res,2014,92:34-40.

[19]Kim MS.Tangeretin stimulates glucose uptake via regulation of AMPK signaling pathways in C2C12 myotubes and improves glucose tolerance in high-fat diet-induced obese mice[J].Mol Cell Endocrinol,2012,358(1):127-134.

[20]Marsin AS.Phosphorylation and activation of heart PFK-2 by AMPK has a role in the stimulation of glycolysis during ischaemia[J].Curr Biol,2000,10(20):1247-1255.

[21]Hamanaka RB.Targeting glucose metabolism for cancer therapy[J].J Exp Med,2012,209(2):211-215.

[22]Zou MH,Wu Y.AMP-activated protein kinase activation as a strategy for protecting vascular endothelial function[J].Clin Exp Pharmacol Physiol,2008,35(5/6):535-545.

[23]Deshmukh AS.Nitric oxide increases cyclic GMP levels,AMP-activated protein kinase (AMPK)α1-specific activity and glucose transport in human skeletal muscle[J].Diabetologia,2010,53(6):1142-1150.

[24]Wang S.In vivo activation of AMP-activated protein kinase attenuates diabetes-enhanced degradation of GTP cyclohydrolase I[J].Diabetes,2009,58(8):1893-1901.