神經(jīng)酰胺的功能及其在肺動(dòng)脈高壓中的作用

李發(fā)美，余再新

(中南大學(xué)湘雅醫(yī)院 心血管內(nèi)科, 湖南 長(zhǎng)沙 410008)

神經(jīng)酰胺是一類高度疏水性物質(zhì)，由鞘氨醇長(zhǎng)鏈堿基和不同碳數(shù)的脂肪酸通過酰胺鍵組成。它是鞘磷脂信號(hào)途徑的中心分子，是細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)第二信使，在細(xì)胞增殖、分化、衰老、遷移、凋亡和炎性反應(yīng)等過程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。肺動(dòng)脈高壓(pulmonary arterial hypertension，PAH)是臨床上一類以肺小動(dòng)脈重構(gòu)和肺血管阻力增加為主要特征的疾病，最終導(dǎo)致右心衰竭，其致殘率和致死率較高。神經(jīng)酰胺參與PAH的發(fā)生、發(fā)展，本文將對(duì)神經(jīng)酰胺的結(jié)構(gòu)、合成與代謝、生物學(xué)功能及其在PAH中的作用作一綜述。

1 神經(jīng)酰胺的結(jié)構(gòu)

神經(jīng)酰胺是長(zhǎng)鏈鞘氨醇第二個(gè)碳原子的氨基和脂肪酸共價(jià)結(jié)合形成的大分子，其中鞘氨醇和脂肪酸的碳鏈長(zhǎng)度、不飽和度和羥基數(shù)目都可以變化。鞘氨醇長(zhǎng)鏈?zhǔn)巧窠?jīng)酰胺的基本骨架，一般為含有不飽和雙鍵的神經(jīng)鞘氨醇、含有飽和雙鍵的二氫神經(jīng)鞘氨醇和含有3個(gè)羥基的4-羥雙氫鞘氨醇。脂肪酸碳鏈長(zhǎng)度從14～32不等，大多數(shù)為飽和脂肪酸。

2 神經(jīng)酰胺的合成與代謝

神經(jīng)酰胺是鞘脂代謝的核心，其合成與代謝(圖1)對(duì)細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

圖1 神經(jīng)酰胺的合成與代謝Fig 1 Synthesis and metabolism of ceramide

2.1 神經(jīng)酰胺的合成途徑

神經(jīng)酰胺可以通過4種途徑合成，其中從頭合成和鞘磷脂水解是主要途徑。第一途徑從頭合成主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，絲氨酸和棕櫚酰CoA在絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)的催化下縮合成3-酮基二氫鞘氨醇，后者在還原酶作用下生成二氫鞘氨醇，再由神經(jīng)酰胺合成酶(ceramide synthases，CerS)酰化二氫鞘氨醇生成二氫神經(jīng)酰胺, 最后，二氫神經(jīng)酰胺去飽和酶(dihydroceramide dehydrogenase，DES)在4～5反式位置引入雙鍵將二氫神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)化為神經(jīng)酰胺[1]。CerS是關(guān)鍵調(diào)控酶，人體中有6種CerS，不同的CerS產(chǎn)生不同長(zhǎng)度脂肪酸鏈的神經(jīng)酰胺。神經(jīng)酰胺合成后通過囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)或神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ceramide transfer protein，CERT)等載體蛋白輸送到高爾基體[2]。第二途徑鞘磷脂水解途徑，鞘磷脂酶水解質(zhì)膜或溶酶體內(nèi)的鞘磷脂產(chǎn)生神經(jīng)酰胺。鞘磷脂酶(sphingomyelin-ases，SMase)是關(guān)鍵的調(diào)控酶，根據(jù)最適pH、是否依賴金屬離子和亞細(xì)胞定位，可分為5種：酸性溶酶體SMase(acid SMase，aSMase)、鋅依賴性aSMase、中性鎂依賴性SMase(neutral SMase，nSMase)、中性鎂非依賴性SMase和堿性SMase。氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)和電離輻射等胞外信號(hào)能刺激鞘磷脂酶迅速產(chǎn)生神經(jīng)酰胺。此外，神經(jīng)酰胺還能通過補(bǔ)救途徑和回收途徑合成。補(bǔ)救途徑是溶酶體或晚期內(nèi)小體中的復(fù)雜鞘脂(如葡萄糖鞘脂)在葡萄糖苷酶和酸性神經(jīng)酰胺酶的作用下降解為鞘氨醇，然后通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的CerS生成神經(jīng)酰胺。而回收途徑中，神經(jīng)酰胺酶對(duì)外源性短鏈神經(jīng)酰胺進(jìn)行去酰化產(chǎn)生鞘氨醇，再通過CerS合成神經(jīng)酰胺[3]。

2.2 神經(jīng)酰胺的代謝

細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺主要通過神經(jīng)酰胺酶(ceramidase，CDase)降解。神經(jīng)酰胺激酶(ceramide kinases，CerK)磷酸化神經(jīng)酰胺生成的神經(jīng)酰胺-1磷酸(ceramide-1-phosphate，C1P)，經(jīng)CDase催化生成鞘氨醇，隨后在鞘氨醇激酶(sphingosine kinases，SK)的作用下生成鞘氨醇-1磷酸(sphingosine-1-phosphate，S1P)[3]。神經(jīng)酰胺還可以逆轉(zhuǎn)為鞘磷脂，即神經(jīng)酰胺和磷酸膽堿在鞘磷脂合成酶(sphingomyelin synthase，SMS)的作用下產(chǎn)生鞘磷脂。另外，從頭合成的神經(jīng)酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體后，能被葡萄糖基神經(jīng)酰胺合成酶(glucosylceramide synthase，GCS)轉(zhuǎn)化成葡萄糖基神經(jīng)酰胺(glucosylceramide，GlcCer)[4]。

3 神經(jīng)酰胺的生物學(xué)功能

神經(jīng)酰胺作為脂質(zhì)第二信使，調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、凋亡和炎性反應(yīng)等重要生命活動(dòng)。

3.1 增殖

不同種類的神經(jīng)酰胺通過不同的信號(hào)通路促進(jìn)或抑制細(xì)胞增殖，如C16-神經(jīng)酰胺促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，C2-神經(jīng)酰胺通過阻滯細(xì)胞周期抑制腫瘤細(xì)胞增殖[5]。C2-神經(jīng)酰胺通過阻滯T細(xì)胞周期抑制ConA或PMA+Ion刺激的T淋巴細(xì)胞增殖[6]。此外，神經(jīng)酰胺與血小板源性生長(zhǎng)因子(platelet-derived growth factor，PDGF)誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞增殖反應(yīng)有關(guān)。

3.2 分化

神經(jīng)酰胺能促進(jìn)多種類型細(xì)胞分化：1，25-(OH)2D3刺激神經(jīng)酰胺生成有助于誘導(dǎo)白血病HL-60細(xì)胞分化；神經(jīng)酰胺水平增加促使全反式維甲酸誘導(dǎo)的人成神經(jīng)細(xì)胞瘤SH-SY5Y 細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞分化[7]。這說明了神經(jīng)酰胺在細(xì)胞分化中的調(diào)節(jié)作用。

3.3 凋亡

細(xì)胞凋亡指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因調(diào)控的程序性細(xì)胞死亡。神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)多種細(xì)胞凋亡：神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)人白血病HL-60細(xì)胞凋亡；外源性C8-神經(jīng)酰胺通過調(diào)節(jié)超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)和超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD2)的比值增加內(nèi)源性活性氧(reactive oxygen species，ROS)，促進(jìn)人非小細(xì)胞肺癌H1299細(xì)胞凋亡[8]。而且，在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，外源性C16-神經(jīng)酰胺通過誘導(dǎo)質(zhì)膜重組激活p38MAPK通路，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[9]。

盡管神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)大多數(shù)細(xì)胞凋亡，但也具有抑制細(xì)胞凋亡的作用。C2-神經(jīng)酰胺和SMase能防止去除神經(jīng)生長(zhǎng)因子導(dǎo)致的交感神經(jīng)元細(xì)胞凋亡。CerS6生成的C16-神經(jīng)酰胺能保護(hù)頭頸部鱗癌細(xì)胞免受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的凋亡[10]；CerS2過度表達(dá)增加了C24-神經(jīng)酰胺的合成，阻止電離輻射誘導(dǎo)的HeLa細(xì)胞凋亡[11]。

3.4 炎性反應(yīng)

神經(jīng)酰胺參與多種炎性反應(yīng)。促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)刺激神經(jīng)酰胺調(diào)節(jié)小膠質(zhì)細(xì)胞中NOD樣受體家族3(NOD-like receptor 3，NLRP3)炎性小體組裝[12]。C2-神經(jīng)酰胺通過干擾脂多糖和Toll樣受體4(Toll-like receptor 4，TLR4)相互作用抑制 TLR4誘導(dǎo)的炎性反應(yīng)[13]。棕櫚酸和脂多糖處理巨噬細(xì)胞后促進(jìn)神經(jīng)酰胺的合成，促進(jìn)炎性因子IL-1β和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)釋放，也說明了神經(jīng)酰胺能調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)[13]。

4 神經(jīng)酰胺和肺動(dòng)脈高壓

PAH是一類以肺小動(dòng)脈重構(gòu)和肺血管阻力增加為特征的進(jìn)展性惡性肺血管疾病，最終導(dǎo)致右心衰竭而死亡。目前認(rèn)為內(nèi)皮功能紊亂、肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖凋亡失衡、血管舒縮因子釋放失調(diào)和免疫炎性反應(yīng)是主要的發(fā)病機(jī)制。神經(jīng)酰胺信號(hào)通路參與肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生、發(fā)展。

PAH患者神經(jīng)酰胺水平升高，產(chǎn)生脂毒性，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致右心衰竭。PAH患者循壞游離脂肪酸和長(zhǎng)鏈酰基肉堿水平顯著升高，并與脂肪酸在心肌中的積累有關(guān)[14]。PAH患者脂肪酸氧化能力降低導(dǎo)致脂質(zhì)過度堆積，而神經(jīng)酰胺作為鞘磷脂分子，在血漿和心臟組織中顯著增高。右心組織過度堆積的神經(jīng)酰胺產(chǎn)生脂毒性，誘導(dǎo)心肌細(xì)胞凋亡，最終導(dǎo)致右心衰竭。而且，PAH患者脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)體分子CD36攝取脂肪酸增加，脂肪酸氧化速率下降，使得神經(jīng)酰胺、三酰甘油等脂毒性脂質(zhì)增加，神經(jīng)酰胺通過增加Ca2+內(nèi)流、中斷線粒體網(wǎng)絡(luò)和抑制線粒體Ca2+緩沖能力激活鈣蛋白酶而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致右室功能障礙[15, 16]。另外，遺傳性PAH患者中骨形態(tài)發(fā)生蛋白受體Ⅱ(bone morphogenetic protein receptor typeⅡ，BMPR2)突變導(dǎo)致脂肪酸氧化缺陷，神經(jīng)酰胺合成增加和沉積，損害右室應(yīng)激反應(yīng)[17]。

神經(jīng)酰胺介導(dǎo)肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞增殖反應(yīng)，在PAH肺血管重構(gòu)中發(fā)揮作用。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)——線粒體相關(guān)膜(mitochondrial associated membranes，MAMs)表達(dá)神經(jīng)酰胺從頭合成和鞘磷脂水解相關(guān)的酶，低氧時(shí)平滑肌MAMs界面鞘脂類代謝通路激活，Nogo-B蛋白表達(dá)增加，參與神經(jīng)酰胺、鞘氨醇和S1P代謝及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)——線粒體鈣轉(zhuǎn)移，促進(jìn)平滑肌細(xì)胞增殖，從而參與PAH血管重構(gòu)。而抑制Nogo-B通路，能抑制低氧時(shí)平滑肌細(xì)胞增殖，進(jìn)而改善血管重構(gòu)。這為研究?jī)?nèi)質(zhì)網(wǎng)——線粒體功能、神經(jīng)酰胺和PAH的關(guān)系提供了新的方向。

神經(jīng)酰胺通過參與肺血管內(nèi)的炎性反應(yīng)導(dǎo)致PAH。大鼠和人急性肺損傷相關(guān)PAH模型中，肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中aSMase激活生成神經(jīng)酰胺和白介素-6，介導(dǎo)炎性反應(yīng)，引起肺血管收縮和PAH[18]，而應(yīng)用aSMase抑制劑D609能抑制PAH發(fā)生。這表明神經(jīng)酰胺通過參與炎性反應(yīng)致PAH，抑制SMase-ceramide-IL-6通路可能是治療急性肺損傷相關(guān)PAH的有效途徑。

另外，神經(jīng)酰胺代謝物S1P及其上游酶SK1也參與PAH發(fā)生，SK1參與低氧誘導(dǎo)的平滑肌細(xì)胞增殖及肺血管重構(gòu)。低氧性PAH小鼠和患者重構(gòu)的血管中，SK1的mRNA和蛋白水平表達(dá)增加，生成的S1P也增多，而SK1缺乏或使用SK1抑制劑的小鼠都表現(xiàn)為PAH得到改善[19]。而且，S1P呈劑量依賴性地促進(jìn)平滑肌細(xì)胞增殖。另外，在低氧性PAH小鼠中應(yīng)用SK1抑制劑PF-543能減輕右室肥厚及心肌細(xì)胞凋亡，這可能與其抑制p53表達(dá)和增強(qiáng)抗氧化核因子2表達(dá)有關(guān)[20]，提示SK1/S1P軸很有可能成為治療PAH或PAH性右心衰竭的新靶點(diǎn)。

5 問題與展望

神經(jīng)酰胺作為脂質(zhì)第二信使，激活多條信號(hào)通路，調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、衰老和凋亡等過程，通過介導(dǎo)肺血管重構(gòu)、炎性反應(yīng)過程和產(chǎn)生脂毒性參與PAH的發(fā)生、發(fā)展。雖然對(duì)于神經(jīng)酰胺在PAH中的作用得到越來越多的認(rèn)識(shí)和研究，但仍然存在許多不足，目前的研究處于起始階段，僅限于初步探究神經(jīng)酰胺與肺動(dòng)脈高壓的關(guān)系，未進(jìn)行上下游具體信號(hào)通路的深入研究，進(jìn)一步作出假設(shè)、開展實(shí)驗(yàn)以闡明神經(jīng)酰胺信號(hào)途徑參與PAH發(fā)生發(fā)展的具體作用機(jī)制，有可能發(fā)現(xiàn)PAH中神經(jīng)酰胺信號(hào)通路上的新靶點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新型藥物，給PAH的治療提供新方法。