多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路與衰老及相關(guān)疾病的研究進(jìn)展*

劉 婷， 魏锫玲， 于 雪， 李玲旭，2， 柴囡楠，3， 趙雅君△

（1哈爾濱醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，黑龍江 哈爾濱 150081；2海南醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院腎內(nèi)科，海南 ?？?570311；3赤峰學(xué)院醫(yī)學(xué)院護(hù)理學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024099）

隨著全球人口逐漸老齡化，延緩衰老及防治其相關(guān)疾病成為迫切需要解決的社會問題。衰老是一種容易引發(fā)多種疾病的病理過程，衰老與這些疾病之間存在共同發(fā)生機(jī)制。因此，探索衰老及其相關(guān)疾病的發(fā)生機(jī)制和尋求高效的抗衰老藥物已成為當(dāng)前研究的熱點。真核翻譯起始因子5A（eukaryotic translation initiation factor 5A， eIF5A）是受羥腐胺賴氨酸化（hypusination）調(diào)節(jié)的一種翻譯起始因子，多胺中的亞精胺（spermidine， SPD）是eIF5A 發(fā)生羥腐胺賴氨酸化修飾的底物。近年來的研究顯示，活化的eIF5A（即羥腐胺賴氨酸化的eIF5A， hypusinated eIF5A）參與一系列重要細(xì)胞過程，包括細(xì)胞增殖、凋亡、自噬、線粒體功能及炎癥反應(yīng)等，這些過程與衰老進(jìn)程相關(guān)，但目前對其在疾病中作用的了解十分有限。本文綜述了多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在衰老相關(guān)疾病中的作用，以期為衰老相關(guān)疾病的治療提供參考資料。

1 多胺與eIF5A

1.1 多胺的代謝及生物學(xué)功能 多胺主要包括腐胺（putrescine）、SPD 和精胺（spermine， SP），是幾乎存在于所有動植物組織細(xì)胞中的小分子聚陽離子化合物［1］。細(xì)胞內(nèi)的多胺水平受合成、分解及轉(zhuǎn)運出胞等多種機(jī)制的精確調(diào)控，胞內(nèi)多胺可通過生物合成和分解代謝相互轉(zhuǎn)化，該過程與減輕缺血/再灌注心肌損傷［2］、心肌肥厚［3］等病理過程有關(guān)。多胺的生物合成需要精氨酸（arginine）、鳥氨酸（ornithine）和S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine）參與。精氨酸在精氨酸酶的催化生成鳥氨酸，鳥氨酸在鳥氨酸脫羧酶（ornithine decarboxylase， ODC）催化下生成腐胺，腐胺在SPD 合酶催化生成SPD，ODC 為多胺合成代謝的第一個限速酶［4］。S-腺苷甲硫氨酸脫羧酶（Sadenosylmethionine decarboxylase， SamDC）是多胺生物合成的另一限速酶，它催化S-腺苷甲硫氨酸轉(zhuǎn)化為S-腺苷-3-甲硫基丙胺，后者與SPD 一起在精胺合酶作用下生成SP［5］。SPD/SPN1-乙酰轉(zhuǎn)移酶（SPD/SPN1-acetyltransferase， SSAT）是多胺分解代謝的限速酶，SSAT 可以將SP 和SPD 分別乙酰化為N-乙酰SP和N-乙酰SPD。這些乙?；a(chǎn)物可以被多胺氧化酶（polyamine oxidase， PAO）分解成SPD 和腐胺［6］。生理pH 值條件下，細(xì)胞內(nèi)的多胺可以與帶負(fù)電荷的DNA、RNA 等生物大分子相互作用在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯、翻譯后修飾和離子通道等水平上調(diào)節(jié)細(xì)胞活動，發(fā)揮廣泛的細(xì)胞功能，包括抗炎、抗氧化、調(diào)節(jié)自噬及延緩衰老等作用。最近，SPD 作為小分子蛋白質(zhì)eIF5A發(fā)生翻譯后修飾的前體被重新認(rèn)識［7］。

1.2 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路的活化 分子量為16~18 kD 的eIF5A 是迄今為止唯一被鑒定為含有必需氨基酸——羥腐胺賴氨酸（hypusine）的必需蛋白質(zhì)。羥腐胺賴氨酸是1971 年Shiba 等首次在牛腦中分離出來的，之后檢測到其以氨基酸或蛋白質(zhì)的形式存在于哺乳動物腦、心臟、肌肉、血液等組織器官中［8-9］。SPD 能使eIF5A 發(fā)生羥腐胺賴氨酸化修飾，修飾過程通過兩步酶促反應(yīng)完成，首先，在脫氧羥腐胺合酶（deoxyhypusine synthase， DHPS）催化下SPD 分子的N-ε-（4-氨基-2-丁基）部分轉(zhuǎn)移到eIF5A 前體Lys50 的?-氨基上，隨后在脫氧羥腐胺羥化酶（deoxyhypusine hydroxylase， DOHH）的催化下將其羥基化，生成成熟的羥腐胺賴氨酸化eIF5A［10］。DHPS 和DOHH 是eIF5A 合成的限速酶。羥腐胺賴氨酸的合成對SPD 的結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格，只能由SPD 及少數(shù)結(jié)構(gòu)類似物來完成。因此，靶向多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路可能是阻止eIF5A 作用的特有手段。應(yīng)用多胺合成限速酶ODC的特異性抑制劑α-二氟甲基鳥氨耗竭細(xì)胞內(nèi)的SPD，會導(dǎo)致無活性的前體eIF5A 積累及細(xì)胞生長抑制［11-12］。相反，用多胺類似物處理細(xì)胞，能誘導(dǎo)eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化增強(qiáng)［13］，說明SPD為真核細(xì)胞eIF5A激活所必需。迄今為止觀察到的eIF5A 幾乎所有功能都依賴于羥腐胺賴氨酸化。

1.3 eIF5A 的生物學(xué)功能 eIF5A 主要定位于哺乳動物的細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)，早期eIF5A 作為翻譯起始因子因其能夠調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的起始而得名。隨后eIF5A 被證明是促進(jìn)mRNA 翻譯延伸和終止所必需的因子。eIF5A 可通過其特定序列與某些mRNA 結(jié)合，協(xié)助mRNA 從胞核穿梭到胞質(zhì)發(fā)揮作用［14］。對編碼DHPS和（或）DOHH等位基因敲除會抑制eIF5A活化，這將導(dǎo)致多種哺乳動物細(xì)胞生長停滯，證明羥腐胺賴氨酸化eIF5A 是細(xì)胞增殖、生長和存活所必需的因子［15-16］。

羥腐胺賴氨酸化eIF5A 的另一個重要的生物學(xué)功能是參與細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)，但其在凋亡中的作用存在爭議。一方面eIF5A 具有促凋亡作用。Taylor等［17］用 腫 瘤 壞 死 因 子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和抗癌藥物喜樹堿協(xié)同作用會誘導(dǎo)視乳頭篩板細(xì)胞凋亡和eIF5A 高表達(dá)，而沉默eIF5A后，細(xì)胞對藥物誘導(dǎo)凋亡的敏感性顯著下降，因此他們認(rèn)為eIF5A 可能是TNF-α 通路中一個新的促凋亡因子。但另一方面也有證據(jù)支持eIF5A 保護(hù)真核細(xì)胞免于凋亡。在人宮頸癌細(xì)胞CaSki的研究顯示，抑癌基因Mda-7能有效降低eIF5A 的合成，促進(jìn)Bax 及p53 的mRNA 和蛋白表達(dá)，提出Mda-7是通過下調(diào)eIF5A 蛋白表達(dá)抑制CaSki細(xì)胞生長的［18］?？傊?，目前關(guān)于羥腐胺賴氨酸化eIF5A 在凋亡中的準(zhǔn)確作用及機(jī)制還不完全清楚。研究顯示，巨噬細(xì)胞會根據(jù)細(xì)胞的激活狀態(tài)和需求調(diào)整氧化磷酸化（oxidative phosphorylation， OXPHOS）和糖酵解之間的代謝轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化依賴的，并能決定細(xì)胞命運，抑制eIF5A 活化可阻斷OXPHOS 途徑，而不影響糖酵解途徑，這一效應(yīng)在不同細(xì)胞和物種中是保守的［19］，并且這種代謝轉(zhuǎn)換對處于缺氧缺血條件下的細(xì)胞及組織存活至關(guān)重要［20］。這種代謝轉(zhuǎn)換或可解釋多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡中的不同作用。

2 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路與衰老及年齡相關(guān)疾病

伴隨增齡，年齡相關(guān)疾病的發(fā)生風(fēng)險與日俱增，如糖尿病、認(rèn)知功能障礙等。衰老與這些疾病發(fā)病之間存在共同發(fā)生機(jī)制，包括自噬、線粒體功能下降、代謝紊亂和炎癥反應(yīng)等，近年來研究顯示這些細(xì)胞過程受多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路的調(diào)控。由于eIF5A 在真核細(xì)胞中普遍存在，其直接作用靶點具有廣譜的細(xì)胞功能，因此eIF5A 可能參與了人類疾病的病理生理過程。本節(jié)主要介紹羥腐胺賴氨酸化修飾與這些細(xì)胞過程的聯(lián)系及其在糖尿病、免疫衰老及年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙中的作用［21］。

2.1 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路與糖尿病

2.1.1 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路參與糖尿病胰島炎癥反應(yīng) 糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病，年齡也是2 型糖尿?。═2D）的高風(fēng)險因素。糖尿病炎癥反應(yīng)學(xué)說認(rèn)為1 型糖尿?。═1D）和T2D 的發(fā)病機(jī)制都涉及全身和局部炎癥反應(yīng)的激活，最終導(dǎo)致胰島β 細(xì)胞功能障礙和/或死亡［22］。近年來研究觀察到糖尿病發(fā)病機(jī)制中的炎癥反應(yīng)依賴于β 細(xì)胞和免疫細(xì)胞中多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路的活化［23-24］。有研究在炎癥性糖尿病小鼠模型中觀察到，胰島β細(xì)胞核內(nèi)羥腐胺賴氨酸化eIF5A與iNOS mRNA 結(jié)合，在輸出蛋白exportin 1 協(xié)助下遷移到胞質(zhì)，促進(jìn)iNOS 的翻譯，導(dǎo)致一氧化氮產(chǎn)生增加，ATP 合成減少，最終抑制胰島素的釋放；敲減eIF5A或抑制羥腐胺賴氨酸化修飾發(fā)生能顯著降低小鼠胰島β 細(xì)胞iNOS mRNA 的翻譯，保護(hù)β 細(xì)胞免受鏈脲佐菌素（streptozotocin， STZ）毒性的影響，說明在糖尿病發(fā)病過程中發(fā)揮促炎作用的iNOS 的翻譯受eIF5A-羥腐胺賴氨酸化影響［25］。之后也有研究檢測到羥腐胺賴氨酸化eIF5A 會在糖尿病小鼠和人（T1D/T2D）的胰島中表達(dá)增強(qiáng)，在糖尿病小鼠β 細(xì)胞eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化修飾可調(diào)控細(xì)胞因子誘導(dǎo)的多個轉(zhuǎn)錄本的翻譯。因此，多胺介導(dǎo)的eIF5A 活化可能通過影響炎癥因子mRNA 的翻譯，參與了糖尿病發(fā)展過程中炎癥級聯(lián)反應(yīng)介導(dǎo)的胰島功能障礙。

2.1.2 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路參與糖尿病免疫反應(yīng) 免疫功能紊亂在T1D 和T2D 中的作用一直以來都是研究的熱點。尤其是腸道中的免疫細(xì)胞包括T 細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞等也被觀察到參與了糖尿病的發(fā)病機(jī)制［26］。近期研究顯示多胺合成增強(qiáng)是T 細(xì)胞活化和增殖的重要標(biāo)志，多胺通過為DHPS 提供底物調(diào)控輔助性T 細(xì)胞（Th）分化，抑制多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路會導(dǎo)致CD4+T 細(xì)胞分化受損，三羧酸循環(huán)和組蛋白乙?；系K［27］。在糖尿病小鼠模型和糖尿病患者中，胰島微環(huán)境中的T 細(xì)胞動力變化表現(xiàn)為輔助性T 細(xì)胞1（Th1）和輔助性T 細(xì)胞17（Th17）偏移和/或調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Treg）缺陷，Th 細(xì)胞通過可溶性細(xì)胞因子如IL-1、TNF-α 等啟動多條促炎通路，導(dǎo)致β 細(xì)胞功能障礙并最終死亡，而通過抑制DHPS 來下調(diào)eIF5A的羥腐胺賴氨酸化可以使Treg/Th17 比值增加，改善胰腺分泌功能，使糖尿病發(fā)病延遲［28］。這些研究結(jié)果提示eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化修飾參與了糖尿病發(fā)病過程中T細(xì)胞的動態(tài)變化。

但也有人持不同觀點，認(rèn)為抑制多胺生物合成或敲除DHPS、eIF5A會產(chǎn)生負(fù)面影響。有學(xué)者在對離體小鼠胰島的研究中觀察到，多胺水平降低將導(dǎo)致葡萄糖刺激的胰島素分泌受損［29］。但目前尚不清楚多胺水平的降低是致糖尿病的原因還是適應(yīng)性反應(yīng)的結(jié)果。Kulkarni 等［30］認(rèn)為，在糖尿病背景下，多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路適度活化介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)可能有助于控制炎癥反應(yīng)，并可能有助于在疾病的早期階段控制糖尿病的進(jìn)程，降低疾病嚴(yán)重程度，但過度激活或抑制對細(xì)胞都是有害。此外，有研究顯示，在T2D 小鼠模型中，每日給予外源性多胺已被證明是改善動物代謝健康的有效策略。在高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中，補(bǔ)充SPD 可降低體重、改善葡萄糖耐量和增強(qiáng)胰島素敏感性；STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠補(bǔ)充外源性SPD，可改善大鼠血糖，降低糖化HbA1c 水平［31］?？傊?，目前的研究結(jié)果為糖尿病的發(fā)生發(fā)展提供了重要的調(diào)控途徑，但SPD-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在糖尿病發(fā)病機(jī)制中的準(zhǔn)確作用有待于進(jìn)一步研究。

2.2 多胺通過eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路逆轉(zhuǎn)免疫衰老 免疫衰老是指與衰老相關(guān)的免疫系統(tǒng)功能衰退，使老年人對感染、疫苗接種和惡性腫瘤的免疫反應(yīng)下降，并伴隨慢性低度炎癥［32］。多項研究強(qiáng)調(diào)，自噬失調(diào)是細(xì)胞和組織衰老的核心機(jī)制，自噬受損的免疫細(xì)胞會表現(xiàn)出早衰的特征，細(xì)胞內(nèi)ROS 產(chǎn)生增加、受損的線粒體增多。自噬是一種高度保守的細(xì)胞分解代謝過程，通過降解受損的細(xì)胞質(zhì)成分維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。elF5A 作為SPD 誘導(dǎo)自噬的直接分子靶點而受到廣泛關(guān)注，eIF5A 在T 淋巴細(xì)胞中有組成性低表達(dá)，在激活的T淋巴細(xì)胞和HIV-1感染的細(xì)胞中呈高表達(dá)，提示eIF5A 可能在免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用［33-34］。Alsaleh 等也觀察到老年小鼠和人類CD8+T 細(xì)胞的自噬水平降低，內(nèi)源性SPD 含量減少，補(bǔ)充SPD 可逆轉(zhuǎn)老年CD8+T 細(xì)胞自噬流的下降，也能使老化CD8+T細(xì)胞功能和記憶反應(yīng)恢復(fù)到“年輕”水平，SPD 通過影響下游的翻譯因子eIF5A 和轉(zhuǎn)錄因子EB（TFEB）維持T 淋巴細(xì)胞的自噬水平［35］。TFEB是自噬體和溶酶體生物合成的中樞調(diào)控因子，外源性補(bǔ)充SPD 可以逆轉(zhuǎn)年齡依賴性eIF5A-TFEB-自噬軸的衰退，改善老年小鼠和老年人B 細(xì)胞功能，逆轉(zhuǎn)免疫衰老［36-37］。但也有研究觀察到TFEB 并不是唯一受eIF5A 調(diào)控的自噬蛋白，eIF5A 還可通過上調(diào)自噬通路上的關(guān)鍵分子atg3 的翻譯效率促進(jìn)自噬體小體形成［38］。因此，通過活化SPD-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路可能是提高老年人疫苗接種效率的有效手段。但免疫衰老是否與 eIF5A 的翻譯調(diào)控有直接關(guān)聯(lián)，或者是否涉及其他轉(zhuǎn)錄因子或介質(zhì)的中間調(diào)控，需要在未來的研究中進(jìn)一步探討。

2.3 外源性SPD 通過eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路誘導(dǎo)線粒體自噬改善年齡相關(guān)的認(rèn)知功能障礙 認(rèn)知功能障礙是大腦衰老的一個標(biāo)志，但人們對其潛在機(jī)制和治療途徑仍知之甚少［39］。2008年首次報道處于神經(jīng)發(fā)生、分化和突觸建立較活躍的新生大鼠大腦中的eIF5A含量比成年大鼠的高80%，該研究結(jié)果提示eIF5A 的減少可能導(dǎo)致大腦的衰老［40］。有研究顯示外源性SPD 對腦認(rèn)知能力的有益作用是eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路介導(dǎo)的，無論是在果蠅、小鼠還是人類eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化修飾在神經(jīng)系統(tǒng)都有明顯的抗衰老作用［41-42］。外源性補(bǔ)充SPD可以激活自噬，改善線粒體功能，并能補(bǔ)充各種組織中的多胺池［43］。一項基于人群的前瞻性研究也顯示，高SPD 攝入量與人類較低死亡率有關(guān)［44］。然而，SPD發(fā)揮抗衰老作用的確切機(jī)制尚未完全闡明。

線粒體是細(xì)胞ATP 產(chǎn)生的主要場所，也是參與調(diào)節(jié)各種重要細(xì)胞過程的細(xì)胞器，線粒體功能障礙是衰老的標(biāo)志。有研究顯示SPD 可通過血腦屏障到達(dá)腦內(nèi)，增加海馬體eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化水平，可以逆轉(zhuǎn)衰老引起的線粒體功能、記憶及運動能力下降，而敲除DHPS或DOHH會抑制eIF5A 活化，取消SPD 的作用，提示SPD 降低人類認(rèn)知障礙的風(fēng)險與eIF5A 發(fā)生羥腐胺賴氨酸化修飾有關(guān)［45］。SPD 可以通過活化eIF5A 促進(jìn)含有線粒體靶向序列的蛋白及線粒體呼吸鏈復(fù)合體蛋白的翻譯，進(jìn)而促進(jìn)線粒體氧化磷酸化，阻止大腦過早衰老［41］。此外，在SPD誘導(dǎo)自噬延緩腦衰老的研究顯示，自噬相關(guān)基因atg3的一個三肽序列的翻譯也依賴eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化修飾，抑制eIF5A 活化，會消除SPD 對atg3的誘導(dǎo)作用，也取消了SPD 對增齡引起的記憶力下降的改善作用［46-47］。因此，多胺對eIF5A 的翻譯后修飾可以改善線粒體功能和（或）誘導(dǎo)自噬，這可能是SPD 發(fā)揮抗神經(jīng)系統(tǒng)衰老的關(guān)鍵機(jī)制，但SPD 的這一作用是全部還是部分由eIF5A 介導(dǎo)的還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語與展望

目前多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在疾病中的作用是醫(yī)學(xué)生物學(xué)領(lǐng)域新的研究課題［48］。許多研究顯示多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在衰老及其相關(guān)疾病中穩(wěn)態(tài)失衡，但為什么會發(fā)生這樣的改變，其機(jī)制仍需更多的研究結(jié)果來解釋。有人提出將DHPS 和eIF5A 視為應(yīng)激反應(yīng)蛋白，認(rèn)為其在炎癥或其他急性應(yīng)激時的增強(qiáng)對其調(diào)節(jié)蛋白的翻譯是必需的；但隨著壓力持續(xù)存在，這些蛋白質(zhì)觸發(fā)細(xì)胞執(zhí)行反應(yīng)，試圖減輕應(yīng)激造成的損傷，因此，羥腐胺賴氨酸化eIF5A 過多或過少都有可能使平衡向細(xì)胞死亡的方向轉(zhuǎn)變［49］。盡管如此，未來可能仍需要在體內(nèi)或體外不同應(yīng)激狀態(tài)下，深入探討eIF5A 與其它調(diào)節(jié)因子的相互作用情況，以及其影響的下游信號通路，探討eIF5A 是否通過影響了多個基因，調(diào)控多條通路參與疾病的進(jìn)程，以及其在不同細(xì)胞中的具體調(diào)控機(jī)制是否不同。總之，從基礎(chǔ)理論的角度探討此通路在衰老相關(guān)疾病發(fā)生、發(fā)展中的作用及機(jī)制，并著眼于未來的臨床應(yīng)用，針對多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路設(shè)計治療化合物，以期為衰老相關(guān)疾病的干預(yù)治療提供新的選擇。