琥珀酸/GPR91軸在動脈粥樣硬化中的研究進展

李璐， 危當恒

(南華大學衡陽醫(yī)學院心血管疾病研究所 動脈硬化學湖南省重點實驗室 湖南省動脈硬化性疾病國際科技創(chuàng)新合作基地，湖南省衡陽市421001)

琥珀酸，也稱為丁二酸，在三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)過程中由琥珀酰輔酶A合成酶催化產(chǎn)生，在琥珀酸脫氫酶的作用下氧化形成富馬酸，并釋放出活性氧(reactive oxygen species，ROS)[1]。線粒體中琥珀酸通過二羧酸鹽載體和電壓依賴的陰離子選擇性通道釋放到胞質(zhì)[2]，胞質(zhì)琥珀酸通過有機陰離子/二羧酸轉(zhuǎn)運體和單羧酸轉(zhuǎn)運體以pH依賴的方式釋放到胞外[3]，胞外琥珀酸通過自分泌或旁分泌途徑激活其特異性受體G蛋白偶聯(lián)受體91(G protein coupled receptor 91，GPR91)及其下游信號通路，發(fā)揮其生物學作用[2]。

1 琥珀酸/GPR91軸及其生物學功能

近年研究發(fā)現(xiàn)，過量的琥珀酸通過動力蛋白相關(guān)蛋白1介導線粒體分裂，從而破壞神經(jīng)元線粒體完整性并加劇缺血性中風[4]。琥珀酸在缺血再灌注期間缺氧的心肌細胞中積蓄，進一步加重心肌細胞損傷[5]。肺癌患者血清琥珀酸含量升高并促進轉(zhuǎn)移，已成為肺癌病程及預后的生物標記物[6]。這些結(jié)果表明，琥珀酸參與機體多個病理生理學過程。

GPR91是琥珀酸的特異性受體，首次在巨核細胞系中發(fā)現(xiàn)并命名為琥珀酸受體1(succinate receptor 1，SUCNR1)，因為與嘌呤受體P2Y2同源，被稱為“P2U2”[7]。后來利用表達序列標簽數(shù)據(jù)挖掘策略發(fā)現(xiàn)SUCNR1基因位于人類染色體3q24～3q25上，重新命名為GPR91[8]。組織學研究表明，GPR91在骨骼肌細胞、腫瘤細胞、肝細胞、心肌細胞、肝星狀細胞、血小板、視網(wǎng)膜細胞、樹突狀細胞等多種細胞中表達，介導其增殖、遷移以及組織重塑，參與腎臟、肝臟、心臟、視網(wǎng)膜和免疫系統(tǒng)的生理及病理過程[9-11]，琥珀酸/GPR91軸是維持細胞和組織穩(wěn)態(tài)的重要信號軸。

令人感興趣的是，有研究發(fā)現(xiàn)琥珀酸促進蛋白質(zhì)的琥珀?；揎梉12]。琥珀?；揎検菍㈢牾；鶊F共價結(jié)合到底物蛋白質(zhì)賴氨酸殘基，由多種酶共同調(diào)控、動態(tài)可逆地翻譯后修飾過程，為保守的翻譯后修飾類型。當賴氨酸殘基發(fā)生琥珀?；揎椇?，其凈電荷從+1變?yōu)?1，從而影響被修飾蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能；并且由于其電荷改變高于乙?；揎?+1到0)以及甲基化修飾(電荷無變化)，而且琥珀酰基的空間結(jié)構(gòu)更大，因此，琥珀?；揎棇Φ鞍捉Y(jié)構(gòu)和功能的影響比乙?；揎椇图谆揎椄@著。琥珀?；鞍踪|(zhì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄、翻譯、應激反應、蛋白質(zhì)相互作用等多個生物學過程，在多種生理以及病理過程中發(fā)揮重要的生物學作用[13]。在小鼠懷孕期間補充琥珀酸可誘導Ppargc1a基因啟動子中的組蛋白琥珀?；せ钚∈驪pargc1a基因轉(zhuǎn)錄，增強子代小鼠棕色脂肪組織產(chǎn)熱相關(guān)基因的表達[14]。

2 琥珀酸/GPR91軸與動脈粥樣硬化

早在上世紀50年代采用琥珀酸鹽治療巴比妥酸鹽中毒時，發(fā)現(xiàn)琥珀酸可能影響人體心血管功能[15]。McCreath等[16]發(fā)現(xiàn)，GPR91在小鼠白色脂肪組織中高表達，高脂飲食GPR91-/-小鼠早期并未發(fā)生明顯肥胖，但在后期體質(zhì)量與野生型小鼠幾乎相當，但白色脂肪含量更高，表明GPR91影響肥胖背景下的新陳代謝以及代謝性疾病進程，肥胖、代謝綜合征、高血壓為動脈粥樣硬化(atherosclerosis，As)的高風險因素[17]。近來研究發(fā)現(xiàn)，高脂血癥患者和As小鼠血清琥珀酸含量均顯著升高[18]。冠心病(cardiovascular heart disease，CHD)患者動脈血清琥珀酸和白細胞介素-1β(interleukin-1β，IL-1β)含量顯著高于健康個體，且血清琥珀酸與IL-1β呈正相關(guān)，這些結(jié)果表明琥珀酸/GPR91軸與As關(guān)系密切。因琥珀酸/GPR91軸與血管內(nèi)皮細胞功能障礙、平滑肌細胞表型轉(zhuǎn)化以及巨噬細胞極化的關(guān)系已有相關(guān)文獻綜述[19]，本文主要綜述琥珀酸/GPR91軸在與As進程密切相關(guān)的血小板活化、免疫與炎癥以及高血壓中的作用，以期為As的有效防治提供新的參考。

2.1 琥珀酸/GPR91軸促血小板活化

血小板是多功能細胞，是止血和血栓形成的關(guān)鍵驅(qū)動因素。血小板介導的血栓和炎癥是As病變形成和發(fā)展的重要因素：As早期，活化的血小板黏附在受損的內(nèi)皮上，通過其旁分泌效應加重內(nèi)皮細胞損傷并誘導炎癥反應[20];As后期，血小板聚集加劇血栓形成和血管阻塞;As斑塊破裂時，血小板形成血凝塊，促進血栓形成，導致急性臨床事件。

As病變早期，活化的血小板促進中性粒細胞向As病變部位聚集和跨內(nèi)膜遷移。早在30多年前已證實琥珀酸促進血小板的激活[21]。Spath等[22]發(fā)現(xiàn)，在低水平外源ADP作用下，琥珀酸活化糖蛋白Ⅱb-Ⅲa并增加P-選擇素表達，呈濃度依賴性增強血小板聚集以及與中性粒細胞間的相互作用。此外，琥珀酸促血小板-中性粒細胞間白三烯(LT)C4的生物合成，而白三烯(LT)C4是一種強大的促炎及促血管痙攣原，因此琥珀酸的促白三烯(LT)C4生物合成作用可能導致易損斑塊的破裂和臨床事件的發(fā)生[23]。

此外，琥珀酸通過GI途徑激活ERK1/2以及磷酸肌醇途徑，刺激體外培養(yǎng)的紅系、巨核系祖細胞增殖。巨核細胞由骨髓中造血祖細胞(hematopoietic progenitor cells，HPC)分化而來，生成血小板。GPR91是人類血小板中表達水平最高的G蛋白偶聯(lián)受體之一，研究表明，琥珀酸上調(diào)巨核細胞中GPR91mRNA和蛋白質(zhì)的表達[24-25]。在化療藥物誘導的骨髓抑制小鼠模型中，GPR91增加血紅蛋白、血小板和中性粒細胞水平，刺激血細胞發(fā)育[26]。此外，GPR91促進人血小板中血栓素(TX)A2，12-羥基-二十碳四烯酸和12-羥基-十七碳三烯酸的產(chǎn)生、激活cAMP以及磷脂酰肌醇3激酶β(phosphoinositide 3-kinase β，PI3Kβ)信號，導致血小板聚集和活化[27]。這些結(jié)果表明，琥珀酸/GPR91軸可能通過促血小板活化，從而促進As病變的發(fā)生、發(fā)展，抑制琥珀酸/GPR91軸的活性可能是延緩As病變進程以及抑制As斑塊破裂的有效途徑。

2.2 琥珀酸/GPR91軸介導免疫和炎癥

免疫反應在As的發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用[28]，免疫調(diào)節(jié)因子以及細胞因子、趨化因子決定著As的進展，致As的危險因子氧化型低密度脂蛋白作為抗原激活適應性免疫反應，并通過模式識別受體途徑激活先天免疫反應。在先天免疫細胞中，代謝狀態(tài)與細胞的行為、表型以及對外界刺激反應密切相關(guān)[29]，細胞代謝產(chǎn)物或代謝中間體在免疫及炎癥中發(fā)揮重要的作用。在先天免疫系統(tǒng)中，GPR91表達于樹突狀細胞、肥大細胞和單核巨噬細胞(如骨髓源性巨噬細胞、腫瘤相關(guān)巨噬細胞、脂肪組織巨噬細胞和小膠質(zhì)細胞)，在人類未成熟樹突狀細胞表達水平最高，GPR91-/-小鼠中樹突狀細胞的遷移能力和成熟受損。琥珀酸以劑量依賴的方式激活GPR91并控制免疫細胞的趨化行為[11]，琥珀酸/GPR91軸是哺乳動物天然免疫反應重要的調(diào)節(jié)軸。

As為慢性炎癥性病理過程，免疫細胞引起的慢性炎癥反應是As病變的重要特征。巨噬細胞是As病變中的主要免疫細胞，As病變進展及其斑塊穩(wěn)定性與斑塊內(nèi)巨噬細胞的數(shù)量、極化狀態(tài)以及不同表型之間的比例密切相關(guān)。在As早期，單核細胞從血液中募集到受損的動脈血管壁，局部分化為炎性巨噬細胞(M1)，并發(fā)生能量代謝重編程：能量代謝從氧化磷酸化途徑轉(zhuǎn)化為有氧糖酵解，同時釋放出大量琥珀酸，激活巨噬細胞[30]；活化的巨噬細胞分泌大量促炎因子并刺激內(nèi)皮細胞進而加劇炎癥性血管損傷以及As病變。

研究表明，炎癥性腸病與早發(fā)性(特別是年齡低于40歲的人群)As性心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)[31]。炎癥性腸病克羅恩病(Crohn’s disease，CD)患者的血漿琥珀酸水平顯著升高，與炎癥標志物高敏C反應蛋白含量呈正相關(guān)，并且GPR91在CD患者脂肪干細胞以及脂肪組織巨噬細胞表達明顯增加，琥珀酸促脂肪干細胞中米色脂肪組織標志物解偶聯(lián)蛋白-1(uncoupling protein 1，UCP1)的表達。UCP1-/-小鼠肝組織中細胞外琥珀酸含量升高，通過GPR91與肝臟駐留星狀細胞和巨噬細胞群相互作用加劇炎癥反應，表明UCP1/琥珀酸/GPR91軸調(diào)節(jié)肝臟免疫細胞浸潤及炎癥反應[32]。這些結(jié)果表明琥珀酸是一種重要的炎癥信號分子，琥珀酸/GPR91軸信號傳導可能是介導免疫和炎癥反應的一種新機制，是炎癥性疾病(包括As性心血管疾病)共同的信號通路。

血管內(nèi)皮細胞活化是血管壁炎癥以及As發(fā)生發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。章舒蕾等[33]發(fā)現(xiàn)琥珀酸通過氧化代謝途徑上調(diào)血管內(nèi)皮細胞ROS生成，進而促進血管內(nèi)皮細胞炎性程序性死亡——焦亡。GPR91在人血管內(nèi)皮細胞表達，外源性琥珀酸激活血管內(nèi)皮細胞低氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α)表達，促進IL-1β的表達和分泌。當HIF-1α被抑制時，血管內(nèi)皮細胞中IL-1β的產(chǎn)生顯著降低[34]。這些結(jié)果表明GPR91是介導琥珀酸/HIF-1α/IL-1β信號的關(guān)鍵分子，循環(huán)血液中琥珀酸含量增加可促進血管內(nèi)皮細胞中IL-1β的產(chǎn)生和分泌。IL-1β是促As病變的重要炎癥分子，一方面通過上調(diào)血凝素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1表達，促死亡蛋白介導的血管內(nèi)皮細胞損傷；一方面通過上調(diào)CD40及其配體表達，促進平滑肌細胞增殖；此外，促進IL-6、IL-8、腫瘤壞死因子-α、細胞間黏附分子-1、血管細胞黏附分子-1、單核細胞趨化蛋白-1及C反應蛋白水平[35]。這些結(jié)果表明，As病變進程中循環(huán)血液琥珀酸水平升高，進一步激活血管內(nèi)皮細胞琥珀酸/GPR91/IL-1β信號軸，增強血管內(nèi)皮細胞活化以及血管壁炎癥反應，從而促進As病變的發(fā)生和發(fā)展。

2.3 琥珀酸/GPR91軸與高血壓

高血壓是As的重要危險因素，也是全球死亡和殘疾的主要原因。腎素-血管緊張素系統(tǒng)(renin-angiotension aldosterone system，RAS)是人體最重要的血壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，腎素是RAS的關(guān)鍵組成成分，血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ，AngⅡ)是RAS中的主要生物活性肽。高血壓患者血漿琥珀酸升高，Baumbach等[36]發(fā)現(xiàn)琥珀酸誘導大鼠腎小球腎素的釋放，靜脈注射琥珀酸鹽導致小鼠血壓升高，但在GPR91缺陷型小鼠無此效應[37]。有研究發(fā)現(xiàn)靜脈注射琥珀酸通過腎素和AngⅡ誘導小鼠高血壓，而在GPR91缺陷小鼠中該效應消失[38]，表明琥珀酸激活RAS[39-40]。此外，琥珀酸/GPR91軸通過激活ERK1/2、P38和環(huán)氧酶2促進致密斑細胞中腎素的釋放，GPR91-/-小鼠中腎素的分泌明顯減少[41]。這些結(jié)果表明琥珀酸/GPR91軸通過激活RAS系統(tǒng)從而促進血壓升高以及高血壓的發(fā)生發(fā)展。

最新研究表明，心肌肥厚的患者血清琥珀酸含量也明顯升高，心肌細胞琥珀酸/GPR91軸及其下游信號通路被激活，血壓升高[42]。Du等[43]亦證實GPR91 rs73168929基因多態(tài)性與中國北方漢族人群原發(fā)性高血壓風險密切相關(guān)。因此，琥珀酸/GPR91軸是調(diào)控高血壓的重要信號軸。有意思的是，阿莫西林重塑高血壓大鼠腸道微生物群、降低大鼠血清琥珀酸含量及血壓，抑制產(chǎn)生琥珀酸的微生物群，對高血壓易感個體具有長期益處，提示改善腸道菌群降低腸道琥珀酸從而抑制高血壓可能延緩As病變的形成和發(fā)展[44]。

3 結(jié)語與展望

TCA循環(huán)是真核細胞能量代謝的中心，琥珀酸作為其中的關(guān)鍵中間體越來越被人們所關(guān)注。正常情況下GPR91無活性，處于靜息狀態(tài)。但在病理條件下如缺氧和組織損傷，細胞外琥珀酸含量增加，激活GPR91，參與血小板活化、免疫和炎癥、高血壓等各種病理過程。心血管疾病是全球死亡和致殘的主要原因，As病變導致動脈內(nèi)膜增厚以及管腔阻塞，而斑塊破裂引發(fā)嚴重急性臨床事件，嚴重危害人類健康。目前他汀類藥物降脂治療是心血管疾病一級和二級預防的標準療法，但長期服用他汀類藥物可能引發(fā)血糖代謝異常、頭痛、肝功能異常以及肌肉酸痛等不良反應。此外，在過去30年中，心血管疾病導致的病例數(shù)、死亡數(shù)依然在增加，現(xiàn)狀令人擔憂。目前已證實琥珀酸/GPR91軸與As病變的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)，GPR被稱之為生命科學和藥物研發(fā)的“寶藏”，是近40%已批準藥物的作用位點[45]。深入探討琥珀酸/GPR91軸在As發(fā)生發(fā)展中的作用及其調(diào)控機制，將可能為As的有效防治提供新的策略和新的靶點。