劉 婷， 魏锫玲， 于 雪， 李玲旭，2， 柴囡楠，3， 趙雅君△

（1哈爾濱醫(yī)科大學基礎醫(yī)學院病理生理學教研室，黑龍江 哈爾濱 150081；2海南醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院腎內科，海南 ?？?570311；3赤峰學院醫(yī)學院護理學院，內蒙古 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)生機制。因此，探索衰老及其相關疾病的發(fā)生機制和尋求高效的抗衰老藥物已成為當前研究的熱點。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）參與一系列重要細胞過程，包括細胞增殖、凋亡、自噬、線粒體功能及炎癥反應等，這些過程與衰老進程相關，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疾病中的作用，以期為衰老相關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胞中的小分子聚陽離子化合物［1］。細胞內的多胺水平受合成、分解及轉運出胞等多種機制的精確調控，胞內多胺可通過生物合成和分解代謝相互轉化，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。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，細胞內的多胺可以與帶負電荷的DNA、RNA 等生物大分子相互作用在復制、轉錄、翻譯、翻譯后修飾和離子通道等水平上調節(jié)細胞活動，發(fā)揮廣泛的細胞功能，包括抗炎、抗氧化、調節(jié)自噬及延緩衰老等作用。最近，SPD 作為小分子蛋白質eIF5A發(fā)生翻譯后修飾的前體被重新認識［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。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 的結構要求非常嚴格，只能由SPD 及少數(shù)結構類似物來完成。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胞內的SPD，會導致無活性的前體eIF5A 積累及細胞生長抑制［11-12］。相反，用多胺類似物處理細胞，能誘導eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化增強［13］，說明SPD為真核細胞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 的生物學功能 eIF5A 主要定位于哺乳動物的細胞核和細胞質，早期eIF5A 作為翻譯起始因子因其能夠調節(jié)蛋白質合成的起始而得名。隨后eIF5A 被證明是促進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 結合，協(xié)助mRNA 從胞核穿梭到胞質發(fā)揮作用［14］。對編碼DHPS和（或）DOHH等位基因敲除會抑制eIF5A活化，這將導致多種哺乳動物細胞生長停滯，證明羥腐胺賴氨酸化eIF5A 是細胞增殖、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功能是參與細胞凋亡的調節(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)同作用會誘導視乳頭篩板細胞凋亡和eIF5A 高表達，而沉默eIF5A后，細胞對藥物誘導凋亡的敏感性顯著下降，因此他們認為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 保護真核細胞免于凋亡。在人宮頸癌細胞CaSki的研究顯示，抑癌基因Mda-7能有效降低eIF5A 的合成，促進Bax 及p53 的mRNA 和蛋白表達，提出Mda-7是通過下調eIF5A 蛋白表達抑制CaSki細胞生長的［18］?？傊?，目前關于羥腐胺賴氨酸化eIF5A 在凋亡中的準確作用及機制還不完全清楚。研究顯示，巨噬細胞會根據(jù)細胞的激活狀態(tài)和需求調整氧化磷酸化（oxidative phosphorylation， OXPHOS）和糖酵解之間的代謝轉換，這種轉換是多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化依賴的，并能決定細胞命運，抑制eIF5A 活化可阻斷OXPHOS 途徑，而不影響糖酵解途徑，這一效應在不同細胞和物種中是保守的［19］，并且這種代謝轉換對處于缺氧缺血條件下的細胞及組織存活至關重要［20］。這種代謝轉換或可解釋多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在調節(jié)細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疾病

伴隨增齡，年齡相關疾病的發(fā)生風險與日俱增，如糖尿病、認知功能障礙等。衰老與這些疾病發(fā)病之間存在共同發(fā)生機制，包括自噬、線粒體功能下降、代謝紊亂和炎癥反應等，近年來研究顯示這些細胞過程受多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路的調控。由于eIF5A 在真核細胞中普遍存在，其直接作用靶點具有廣譜的細胞功能，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胞過程的聯(lián)系及其在糖尿病、免疫衰老及年齡相關的神經(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 糖尿病是一組以高血糖為特征的代謝性疾病，年齡也是2 型糖尿病（T2D）的高風險因素。糖尿病炎癥反應學說認為1 型糖尿?。═1D）和T2D 的發(fā)病機制都涉及全身和局部炎癥反應的激活，最終導致胰島β 細胞功能障礙和/或死亡［22］。近年來研究觀察到糖尿病發(fā)病機制中的炎癥反應依賴于β 細胞和免疫細胞中多胺-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細胞核內羥腐胺賴氨酸化eIF5A與iNOS mRNA 結合，在輸出蛋白exportin 1 協(xié)助下遷移到胞質，促進iNOS 的翻譯，導致一氧化氮產(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 細胞iNOS mRNA 的翻譯，保護β 細胞免受鏈脲佐菌素（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）的胰島中表達增強，在糖尿病小鼠β 細胞eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化修飾可調控細胞因子誘導的多個轉錄本的翻譯。因此，多胺介導的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)反應介導的胰島功能障礙。

2.1.2 多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路參與糖尿病免疫反應 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胞包括T 細胞、巨噬細胞、自然殺傷細胞、樹突狀細胞等也被觀察到參與了糖尿病的發(fā)病機制［26］。近期研究顯示多胺合成增強是T 細胞活化和增殖的重要標志，多胺通過為DHPS 提供底物調控輔助性T 細胞（Th）分化，抑制多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路會導致CD4+T 細胞分化受損，三羧酸循環(huán)和組蛋白乙酰化障礙［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 細胞動力變化表現(xiàn)為輔助性T 細胞1（Th1）和輔助性T 細胞17（Th17）偏移和/或調節(jié)性T 細胞（Treg）缺陷，Th 細胞通過可溶性細胞因子如IL-1、TNF-α 等啟動多條促炎通路，導致β 細胞功能障礙并最終死亡，而通過抑制DHPS 來下調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細胞的動態(tài)變化。

但也有人持不同觀點，認為抑制多胺生物合成或敲除DHPS、eIF5A會產(chǎn)生負面影響。有學者在對離體小鼠胰島的研究中觀察到，多胺水平降低將導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性反應的結果。Kulkarni 等［30］認為，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的免疫調節(jié)可能有助于控制炎癥反應，并可能有助于在疾病的早期階段控制糖尿病的進程，降低疾病嚴重程度，但過度激活或抑制對細胞都是有害。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。在高脂飲食誘導的肥胖小鼠中，補充SPD 可降低體重、改善葡萄糖耐量和增強胰島素敏感性；STZ誘導的糖尿病大鼠補充外源性SPD，可改善大鼠血糖，降低糖化HbA1c 水平［31］?？傊?，目前的研究結果為糖尿病的發(fā)生發(fā)展提供了重要的調控途徑，但SPD-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在糖尿病發(fā)病機制中的準確作用有待于進一步研究。

2.2 多胺通過eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路逆轉免疫衰老 免疫衰老是指與衰老相關的免疫系統(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下降，并伴隨慢性低度炎癥［32］。多項研究強調，自噬失調是細胞和組織衰老的核心機制，自噬受損的免疫細胞會表現(xiàn)出早衰的特征，細胞內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胞分解代謝過程，通過降解受損的細胞質成分維持細胞穩(wěn)態(tài)。elF5A 作為SPD 誘導自噬的直接分子靶點而受到廣泛關注，eIF5A 在T 淋巴細胞中有組成性低表達，在激活的T淋巴細胞和HIV-1感染的細胞中呈高表達，提示eIF5A 可能在免疫反應中發(fā)揮重要作用［33-34］。Alsaleh 等也觀察到老年小鼠和人類CD8+T 細胞的自噬水平降低，內源性SPD 含量減少，補充SPD 可逆轉老年CD8+T 細胞自噬流的下降，也能使老化CD8+T細胞功能和記憶反應恢復到“年輕”水平，SPD 通過影響下游的翻譯因子eIF5A 和轉錄因子EB（TFEB）維持T 淋巴細胞的自噬水平［35］。TFEB是自噬體和溶酶體生物合成的中樞調控因子，外源性補充SPD 可以逆轉年齡依賴性eIF5A-TFEB-自噬軸的衰退，改善老年小鼠和老年人B 細胞功能，逆轉免疫衰老［36-37］。但也有研究觀察到TFEB 并不是唯一受eIF5A 調控的自噬蛋白，eIF5A 還可通過上調自噬通路上的關鍵分子atg3 的翻譯效率促進自噬體小體形成［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 的翻譯調控有直接關聯(lián)，或者是否涉及其他轉錄因子或介質的中間調控，需要在未來的研究中進一步探討。

2.3 外源性SPD 通過eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路誘導線粒體自噬改善年齡相關的認知功能障礙 認知功能障礙是大腦衰老的一個標志，但人們對其潛在機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%，該研究結果提示eIF5A 的減少可能導致大腦的衰老［40］。有研究顯示外源性SPD 對腦認知能力的有益作用是eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路介導的，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］。外源性補充SPD可以激活自噬，改善線粒體功能，并能補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［44］。然而，SPD發(fā)揮抗衰老作用的確切機制尚未完全闡明。

線粒體是細胞ATP 產(chǎn)生的主要場所，也是參與調節(jié)各種重要細胞過程的細胞器，線粒體功能障礙是衰老的標志。有研究顯示SPD 可通過血腦屏障到達腦內，增加海馬體eIF5A 的羥腐胺賴氨酸化水平，可以逆轉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 降低人類認知障礙的風險與eIF5A 發(fā)生羥腐胺賴氨酸化修飾有關［45］。SPD 可以通過活化eIF5A 促進含有線粒體靶向序列的蛋白及線粒體呼吸鏈復合體蛋白的翻譯，進而促進線粒體氧化磷酸化，阻止大腦過早衰老［41］。此外，在SPD誘導自噬延緩腦衰老的研究顯示，自噬相關基因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）誘導自噬，這可能是SPD 發(fā)揮抗神經(jīng)系統(tǒng)衰老的關鍵機制，但SPD 的這一作用是全部還是部分由eIF5A 介導的還有待進一步研究。

3 結語與展望

目前多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路在疾病中的作用是醫(yī)學生物學領域新的研究課題［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疾病中穩(wěn)態(tài)失衡，但為什么會發(fā)生這樣的改變，其機制仍需更多的研究結果來解釋。有人提出將DHPS 和eIF5A 視為應激反應蛋白，認為其在炎癥或其他急性應激時的增強對其調節(jié)蛋白的翻譯是必需的；但隨著壓力持續(xù)存在，這些蛋白質觸發(fā)細胞執(zhí)行反應，試圖減輕應激造成的損傷，因此，羥腐胺賴氨酸化eIF5A 過多或過少都有可能使平衡向細胞死亡的方向轉變［49］。盡管如此，未來可能仍需要在體內或體外不同應激狀態(tài)下，深入探討eIF5A 與其它調節(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，調控多條通路參與疾病的進程，以及其在不同細胞中的具體調控機制是否不同?？傊瑥幕A理論的角度探討此通路在衰老相關疾病發(fā)生、發(fā)展中的作用及機制，并著眼于未來的臨床應用，針對多胺-eIF5A-羥腐胺賴氨酸化通路設計治療化合物，以期為衰老相關疾病的干預治療提供新的選擇。