硫酸膽固醇的生理功能及其在相關疾病中的作用

蔣悅庭，倪佳英，郭沈睿，李 菡，莊雨佳，王 鋒，2

1.上海交通大學基礎醫(yī)學院免疫與微生物學系，上海200025；2.上海交通大學醫(yī)學院上海市免疫學研究所，上海200025

硫酸膽固醇（cholesterol sulfate，CS）是人體血漿中一種主要的類固醇硫酸酯，是由膽固醇分子第3位上的氫原子被硫氧基取代后形成的［1］。其廣泛分布于人體，如皮膚、腎上腺、肝臟、肺、腦和子宮內膜等［2-4］，可通過尿液、糞便和皮膚途徑排出體外［5］。膽固醇和3-磷酸酰苷-5-磷酸硫酸在胞漿磺基轉移酶（sulfotransferase，SULT） 2B1b 的催化下合成CS，而類固醇硫酸酯酶（steroid sulfatase，STS）催化CS 脫硫，以獲得游離態(tài)的類固醇，此循環(huán)可調節(jié)類固醇含量［6］。SULT 是一類酶的超家族，其中SULT2 主要參與中性類固醇和甾醇的硫酸化［7-8］。SULT2 可分為2 個亞家族SULT2A1 和SULT2B1，其 中SULT2B1 又 由2 個 亞 型SULT2B1a 和SULT2B1b 組成［9］，SULT2B1b選擇性催化膽固醇轉化為CS［2］。

CS 參與多種生理過程（如調控角質細胞分化、參與皮膚屏障形成、調節(jié)T 細胞信號傳遞和腦代謝等），并在某些疾病甚至癌癥的發(fā)生發(fā)展中都發(fā)揮著重要的作用。本文就CS 的生理功能及其在相關疾病中的作用進行綜述。

1 CS的生理功能

1.1 調控角質細胞分化和參與皮膚屏障形成

角質細胞在表皮的基底層增生，經歷棘層、顆粒層、透明層，經過終末分化、程序性死亡而形成角質層，作為第一道免疫保護屏障［10-11］。

1.1.1 促進角化套膜形成 角質細胞在角化過程中可產生大量的脂質，如膽固醇、CS、磷脂和葡萄糖神經酰胺等［12］，這些脂質都可以作為信號分子調節(jié)角質層的形成。在角質層中，大量的兜甲蛋白（loricrin）、內披蛋白（involucrin）和其他結構蛋白互相交聯(lián)形成角化套膜，襯于細胞膜下，使皮膚維持一定的機械強度，也為胞間的脂質提供正確結合點［12］。Feingold等［12］發(fā)現，角質細胞中的脂肪酸和膽固醇可增加SULT2B1b的表達，從而進一步增加CS的含量，促進角化套膜的形成。

1.1.2 促進角質細胞分化標志物表達 Feingold 等［12］發(fā)現，CS 能增加角質細胞分化標志物如內披蛋白、聚絲蛋白 （filaggrin）、 兜 甲 蛋 白 和 轉 谷 氨 酰 胺 酶 1（transglutaminase 1，TGM1）的表達，促進角質細胞的分化。內披蛋白是角質細胞早期分化的一種標志［13］。Hanley 等［13］發(fā)現，在CS 存在的條件下，角質細胞中內披蛋白的mRNA 和蛋白水平增加了2～3 倍；進一步實驗發(fā)現，CS 可調節(jié)內披蛋白的基因轉錄，這一過程需要內披蛋白基因上完整的激活蛋白-1 （activator protein-1，AP-1）位點，而該位點基因突變會使CS 失去對內披蛋白基因轉錄的誘導性。CS 可提高Fos 相關抗原-1（Fosrelated antigen 1，Fra-1）、Fra-2 和JunD 的mRNA 和蛋白水平，這三者屬于與AP-1位點結合的AP-1蛋白家族。因此，CS 可能通過增加AP-1 蛋白的水平，然后AP-1 蛋白與AP-1 位點結合來刺激內披蛋白基因的表達，從而調控角質細胞分化。

Denning 等［14］在小鼠實驗中發(fā)現，基底層原始的角質細胞經CS 處理后，聚絲蛋白和兜甲蛋白的表達顯著增加，兩者都是與顆粒層相關的分化標志物，意味著角質細胞逐漸進入顆粒層分化階段。這一實驗結果與CS 在顆粒層中含量最高的現象相一致。

TGM1是一種鈣離子依賴性的酶，在分化末期能催化角化套膜的形成。Kawabe 等［15］證明CS 在人體角質細胞中起到了TGM1基因轉錄激活因子的作用。此外，Kuroki等［16］證明蛋白激酶Cη（protein kinase Cη，PKCη）也可誘導TGM1 的轉錄，提示CS 可通過激活PKC 的途徑進一步增加TGM1的轉錄，以促進角質細胞的晚期分化。

1.1.3 維持皮膚屏障完整性 角質細胞從表皮的顆粒層開始合成聚絲蛋白［17］。聚絲蛋白隨著角質細胞遷移過程逐漸被降解為游離氨基酸，在保濕和維持皮膚屏障完整性方面發(fā)揮重要作用［18］。聚絲蛋白原啟動子受到維甲酸相關孤兒核受體α（retinoid acid-related orphan receptor α，RORα）的調控，CS 通過增加角質細胞中RORα 的表達來促進聚絲蛋白的生成［17］。此外，在角質層中，角質細胞產生的大量脂質（如CS）可以形成層狀膜結構，防止水和電解質的過度流失，這是維持皮膚正常滲透性的基礎［12］。

1.2 調節(jié)T細胞信號傳遞和胸腺選擇

適應性免疫反應需要通過抗原多肽結合T 細胞受體（T cell receptor，TCR），特異性地激活T 細胞來發(fā)揮作用。研究［19］表明，CS對T細胞的信號傳遞和胸腺選擇有重要生理影響。首先，CS 抑制TCR 的信號傳遞。CS 通過干擾膽固醇與TCRβ 亞基結合，干擾膽固醇介導的TCR 的多聚體形成，抑制CD3 的磷酸化信號，從而調節(jié)T 細胞的活化。其次，CS/膽固醇比例直接影響T 細胞的胸腺選擇。CS 含量增加會抑制雙陽性細胞被陽性選擇的能力，導致其凋亡。在Sult2b1基因敲除的雄性小鼠體內，當CS 含量下降時，胸腺T 細胞表現為對自身抗原H-Y 的高敏感性，由此減少外周成熟H-Y 特異性T 細胞數量。因此，CS 可在胸腺選擇過程中通過調節(jié)TCR 信號，改變識別自身抗原的成熟T 細胞受體組庫。對此，我們推測在一些自身免疫性疾病中，CS可以通過調控T細胞信號，導致免疫受體組庫和免疫微環(huán)境發(fā)生變化，由此影響疾病的發(fā)生發(fā)展。

1.3 調節(jié)腦代謝和發(fā)揮神經保護效應

CS也存在于腦組織中，其中小腦的CS含量最高［20］。氧化應激、線粒體功能障礙和能量代謝障礙均會破壞中樞神經細胞的結構和功能［4］。Prah 等［4］發(fā)現，在小鼠神經細胞HT-22 中，CS 可減少谷氨酸（glutamic acid，Glu）誘導的活性氧的產生，并可破壞HT-22 的線粒體膜電位，從而抵抗HT-22的凋亡；此外，CS可增加Akt磷酸化和B淋巴細胞瘤-2（B-cell lymphoma 2，Bcl-2）表達，Akt 和Bcl-2均為重要的抗凋亡因子。此研究表明以CS為底物的硫 酸 脫 氫 表 雄 酮 （dehydroepiandrosterone sulfate，DHEAS）可通過Akt/Bcl-2 通路發(fā)揮抗凋亡作用，故推斷CS 的神經保護作用可能與DHEAS 的生成有關。另外，Prah等［4］還發(fā)現CS可增加星形膠質細胞的線粒體氧化磷酸化、ATP 和糖原儲備，有利于神經細胞在低血糖等極端條件下維持基本功能。

2 CS在相關疾病中的作用

2.1 X連鎖魚鱗病

X 連鎖魚鱗病（X-linked ichthyosis，XLI）是X 染色體連鎖隱性遺傳性魚鱗病的重要類型，有85%～90%的XLI患者存在大量基因缺失，其中STS基因缺失導致基因缺陷的比例最高［21］。由于STS 的基因缺陷，XLI 患者皮膚角質層脂類中CS 的含量可達正常人群皮膚的10 倍以上；異常增多的CS 導致皮膚異常脫屑和表皮屏障功能障礙［22-23］。其具體機制是CS 一方面抑制了絲氨酸蛋白酶的活性，導致過度角質化；另一方面，角質層中CS 和膽固醇的比例失調，破壞了滲透性屏障，刺激了表皮增生［7］。同時CS 直接抑制膽固醇合成過程的關鍵酶羥甲基戊二酸單 酰 輔 酶 A 還 原 酶 （hydroxymethylglutaryl-CoA reductase，HMG-CoAR）的活性，使膽固醇合成受限，導致角質層扁平細胞膜結構破壞，最終引起屏障功能障礙［7，24］。在此過程中，鈣離子借助缺損的屏障進入角質層的下層，在角質細胞間形成鈣橋；鈣離子充足時可與CS 的硫酸基團結合，在鄰近的角質層扁平細胞層間形成穩(wěn)固的連接，從而延緩脫屑［25］。

2.2 阿爾茨海默病

β 淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）的聚集是阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）的發(fā)病機制之一［26］。它是由淀粉樣前體蛋白依次經β 分泌酶（βsecretase）和γ 分泌酶（γ-secretase）分解得到，主要包括Aβ40和Aβ42［27］。以往研究［28］表明，膽固醇對Aβ 的形成有重要作用。膽固醇具有疏水性，可以與Aβ 上的疏水區(qū)域相結合來促進Aβ的聚集［29］。CS是膽固醇的衍生物，與其有相似的結構，故同樣能與Aβ40結合。因此，有研究［29］表明，CS 和膽固醇在高濃度條件下都能形成囊泡結構，這種結構提供了與Aβ 作用的蛋白質-囊泡界面：磷脂頭部基團電荷與Aβ 存在靜電作用，促進囊泡膜與Aβ 的結合，增加了Aβ 的局部濃度，有利于Aβ 聚集的“成核生長”；囊泡結構可顯著促進Aβ40聚集速率，但CS比膽固醇的作用更強，且CS濃度越高，Aβ40聚集越快。

2.3 糖尿病

CS和SULT2B1b是控制葡萄糖代謝的重要調節(jié)因子。2型糖尿病的特點之一是空腹血糖高，主要是由于葡萄糖來源的增加，其中主要因素是肝糖異生增加［30］。肝細胞核因子4α（hepatocyte nuclear factor 4α，HNF4α）是糖異生通路中的關鍵因子之一。CS 和SULT2B1b 通過抑制乙酰輔酶A 合成酶（acetyl coenzyme A synthetase，AceCS）的表達來抑制HNF4α 的乙?；秃宿D位，導致其無法正常發(fā)揮作用［31］。同時，HNF4α 也可以促進SULT2B1b 的表達，對肝的糖異生有負反饋調節(jié)作用［30］。Bi 等［30］合成了抗水解的CS 衍生物巰基膽固醇，發(fā)現它可以顯著降低空腹血糖水平，有望成為治療2型糖尿病的藥物。

2.4 癌癥

2.4.1 參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程 CS 與SULT2B1b 在不同癌癥中的作用不同，具體機制有待進一步研究。如在人體子宮頸癌、鱗狀細胞癌、三陰性乳腺癌和前列腺癌組織中CS 的含量升高，在小鼠卵巢癌和乳腺脂肪墊腫瘤的肺轉移灶內也同樣如此［32-34］，但CS 可能通過刺激PKCη 介導的分化途徑來抑制皮膚癌的發(fā)展［16］。研究［35］表明，SULT2B1b在晚期轉移性前列腺癌中含量最低，與前列腺癌的進程呈負相關。SULT2B1b能促進前列腺癌的發(fā)展，它既可以上調醛固酮類還原酶家族1 成員C3（aldo-keto reductase family 1 member C3，AKR1C3）的含量，從而誘導上皮細胞-間質轉化，導致晚期前列腺癌的侵襲性增加［36］，又可以增強癌細胞對腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）的抵抗性［37-38］。SULT2B1b還可以誘導肝癌細胞的轉移［39］，促進結直腸癌細胞的生長和侵襲［40］，但是也有研究［41］發(fā)現它能維持胃上皮功能從而抑制胃癌的發(fā)生，并減少轉移性非小細胞肺癌的遷移［42］。

2.4.2 誘導癌細胞聚集與轉移 基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）是錨定在細胞膜外的鋅內肽酶家族，可調節(jié)癌細胞表面蛋白并降解細胞外基質（extracellular matrix，ECM），在腫瘤侵襲和轉移過程中發(fā)揮重要作用［43］。其中，MMP-7在多種癌細胞中高表達，如前列腺癌、結腸癌、胃癌、肺癌和乳腺癌等［43］。由于CS 在細胞膜的脂筏上，可將結合的MMP-7 嵌入脂筏并固定于細胞膜表面［44-45］。MMP-7 發(fā)生構象改變使其活性位點遠離脂雙層，有利于蛋白酶與底物的結合［46］。Ishikawa 等［47］發(fā)現，與CS 結合的MMP-7 可催化細胞膜表面的肝細胞生長因子激活因子1 型抑制因子（hepatocyte growth factor activator inhibitor type 1，HAI-1）為可溶形式，可溶性的HAI-1有誘導癌細胞聚集的作用。

此外，MMP-7 與CS 的相互作用也可改變MMP-7 對ECM 中選擇性底物的親和力［44］。研究［44］推測，細胞可能通過控制CS 在細胞表面的密度來調節(jié)MMP-7 降解ECM 的能力。在CS 存在的條件下，MMP-7 降解細胞周圍ECM 中的層黏連蛋白332（laminin 332，LN332）和纖維連接蛋白（fibronectin）的速率顯著增加，而降解酪蛋白（casein）的速率降低。CS 對LN332 和纖維連接蛋白也有親和力，可將這2 個選擇性底物交聯(lián)到MMP-7 來促進蛋白酶活性。當LN332 和纖維連接蛋白降解增加時其細胞黏附作用減弱，導致癌細胞呈游離狀態(tài)。游離的癌細胞會在MMP-7 誘導下相互聚集，進而發(fā)生癌細胞的轉移。

CS、MMP-7 和HAI-1 均有可能成為癌癥的潛在治療靶點。例如由于CS 與MMP-7 的選擇性底物也有親和力，可以考慮研究與CS 結合的MMP-7 抑制劑，從而更有效地抑制MMP-7與CS結合物的活性，達到治療目的。

3 結語

本文綜述了CS 的多種重要生理作用和在相關疾病中的作用，提示調控CS 含量和其代謝通路中關鍵酶的拮抗劑、激活劑可能在相關疾病的預防及治療上發(fā)揮重要作用。如：CS 對角質細胞分化和皮膚屏障都有重要作用，而過量的CS 又會導致XLI；CS 可在胸腺選擇過程中通過調節(jié)TCR 信號改變識別自身抗原的成熟T 細胞受體組庫，故CS 對免疫的調節(jié)作用有治療自身免疫性疾病的可能性；CS 可通過調控HNF4α 而抑制糖異生，故CS 衍生物巰基膽固醇有望用于治療2 型糖尿??；CS 可誘導癌細胞聚集與轉移，故MMP-7 與CS 結合物的抑制劑有治療癌癥的前景等。因此，如何選擇性干預CS，及其對不同組織器官和系統(tǒng)的影響等值得進一步深入探討。