综述：谷胱甘肽与硫化氢调控在癌症中的意义：饮食、微生物组、代谢重编程与免疫健康之间的复杂互作

《Redox Report》：Significance of GSH and H2S regulation for cancer: an intricate interplay between diet, microbiota, metabolic reprogramming, and immune health

　　

由于癌细胞的增殖特性，其通过一碳代谢摄取更多膳食细胞外营养物质，用于包括合成谷胱甘肽（glutathione, GSH）与硫化氢（hydrogen sulfide, H2S）在内的多种代谢过程。已有多项研究发现，特定类型癌细胞产生的GSH与H2S水平显著高于正常健康细胞，这可能作为一种保护机制，帮助癌细胞抵抗应激、存活并生长。这种由内在与外在因素驱动的代谢异质性，造就了不同肿瘤亚型独特的代谢特征与脆弱性，可被用于开发抗癌策略。研究人员在本篇综述中系统总结了GSH与H2S在正常生理系统及癌症发生发展过程中的基础作用与调控机制，其对肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）的影响，以及在耐药形成中的作用。同时，本文讨论了饮食与肠道微生物组对GSH和H2S生成的调控，以及癌细胞如何通过代谢重编程在应激环境中过量产生GSH与H2S以维持生长与存活。

1. 背景

世界卫生组织数据显示，癌症已是发达国家首要死因与发展中国家第二死因。世界癌症研究基金会指出，饮食与营养是可改变的重要癌症风险因素。甲硫氨酸作为必需氨基酸，是体内唯一无法自行合成的一碳代谢前体，必须依赖膳食摄入，尤其是动物性食物。高甲硫氨酸饮食与癌症风险升高相关，它不仅参与蛋白质合成，还提供甲基供体参与DNA、RNA和蛋白质甲基化反应。此外，甲硫氨酸是合成关键细胞抗氧化剂GSH和H₂S的必要原料，有助于维持氧化还原平衡及相关细胞过程。GSH与H₂S均属主要非酶抗氧化物质，共享转硫途径并具有相似的抗氧化功能。由于二者在细胞稳态中的关键作用，癌细胞对其前体（主要是甲硫氨酸和半胱氨酸）的需求显著增加。虽然限制特定外源营养可能成为低毒抗癌策略，但免疫细胞同样依赖这些营养生存与增殖，这使治疗有效性变得复杂。GSH与H₂S作为核心细胞内抗氧化剂，能够清除活性氧（reactive oxygen species, ROS）与活性氮（reactive nitrogen species, RNS），并通过转硫途径内源性合成。GSH合成受底物（谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸）及关键酶（谷氨酸-半胱氨酸连接酶glutamate-cysteine ligase, GCL；谷胱甘肽合成酶glutathione synthase, GS）严格调控。其调控异常可促进癌症的发生、进展与耐药。H₂S的内源性合成主要由胱硫醚-β-合酶（cystathionine-β-synthase, CBS）、胱硫醚-γ-裂解酶（cystathionine-γ-lyase, CTH）和3-巯基丙酮酸硫转移酶（3-mercaptopyruvate sulfurtransferase, 3MST）催化，也可经非酶途径及肠道菌群生成。肠道菌群产生的H₂S量远高于宿主细胞，其来源（细菌或宿主）是解析其对癌症影响的关键因素。

2. 哺乳动物系统中GSH与H₂S的生成

GSH与H₂S的水平受膳食因素影响，包括甲硫氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、谷氨酸及维生素B6、B12等。GSH的生物合成发生在胞质，由GCL与GS分两步完成，其中GCL催化的反应为限速步骤，需要ATP与镁离子（Mg²⁺）作为辅因子。GCL由催化亚基（GCLC）与调节亚基（GCLM）组成，GCLM可受高GSH水平的反馈抑制。合成后的GSH可通过谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase, GR）与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH）再生还原型GSH，NADPH可由磷酸戊糖途径补充。GSH相对稳定，但在被多药耐药相关蛋白（multidrug resistance-associated proteins, MRPs）泵出细胞后，会被膜结合的γ-谷氨酰转肽酶（γ-glutamyl transpeptidase, γ-GT）降解为半胱氨酰甘氨酸与5-氧脯氨酸，再进一步分解为半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸。

H₂S的合成包括三条途径：酶促途径以L-半胱氨酸为底物，依赖磷酸吡哆醛（pyridoxal-5′-phosphate, PLP）为辅因子，由CBS、CTH和3MST催化；非酶途径由硫代硫酸盐、葡萄糖、无机硫和有机多硫化物在还原剂存在下生成；肠道菌群途径则通过异化硫酸盐还原和含硫氨基酸降解产生大量H₂S。结肠腔内H₂S浓度可达0.3–3.4 mM，血清浓度约34.0–36.4 μM，大部分被结肠上皮和肝脏代谢为硫代硫酸盐、硫酸盐等产物，仅少量进入体循环。

3. 哺乳动物系统中GSH与H₂S的生理功能

GSH在细胞内浓度高达1–10 mM，是核心非酶抗氧化剂，可直接清除ROS与RNS，参与谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）介导的外源物解毒，并通过可逆的谷胱甘肽化修饰保护蛋白质免受不可逆氧化损伤。GSH还可中和一氧化氮（nitric oxide, NO）生成S-亚硝基谷胱甘肽（S-nitrosoglutathione, GSNO），作为NO生物活性的储存与传递载体。H₂S在水溶液中解离为HS^?和S^2?，生理pH下主要以H₂S与HS^?形式存在，能与H₂O₂、过氧亚硝酸盐（ONOO^?）、次氯酸盐（ClO^?）等氧化剂反应生成次磺酸（HSOH），进而转化为多硫化物、单质硫和硫酸盐，从而发挥抗氧化作用。

4. GSH调控在癌症中的重要性

GSH在癌症不同阶段作用不同：在起始阶段通过抗氧化保护DNA、清除致癌物而抑制癌变；在进展阶段则被癌细胞上调以抵抗氧化应激诱导的凋亡与铁死亡（ferroptosis）。多种肿瘤（如肾透明细胞癌）因VHL功能缺失导致缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factor, HIF）-α稳定，增强GCLC与GCLM活性，提高GSH水平。癌细胞还增加磷酸戊糖途径通量以提供更多NADPH支持GSH合成。GSH的跨膜转运依赖MRPs等载体，线粒体与细胞核分别维持独立的GSH池以支持能量代谢与基因组稳定。肿瘤微环境（TME）中，GSH促进脂质积累、酸性条件下释放氧化型GSSG以维持还原态比例，并通过外泌体分泌影响转移。癌症干细胞中NRF2激活促进GSH生成，调节性T细胞（Tregs）通过降低树突状细胞半胱氨酸释放抑制T细胞活化。高GSH水平与化疗及放疗耐药密切相关，可通过抑制凋亡、增强DNA修复等机制削弱治疗效果。靶向GSH合成通路（如抑制xCT转运体）已在多个模型中恢复药物敏感性。

5. H₂S调控在癌症中的重要性

H₂S的作用呈钟形剂量效应：低浓度保护细胞，高浓度则具细胞毒性。内源性或低剂量外源性H₂S可促进血管新生、增强线粒体生物能量学及抗氧化能力，从而加速肿瘤生长。CBS在结肠癌、卵巢癌等多种肿瘤中高表达，通过产生H₂S支持代谢与增殖。外源性H₂S供体（如NaHS）可在多种癌细胞中激活PI3K/AKT、MAPK/ERK、NF-κB等信号通路，抑制凋亡并促进周期进程。H₂S还通过促进M2型巨噬细胞极化、调节Tregs分化（经由LKB1过硫化修饰及NFYβ介导的TET1/2表达上调）抑制抗肿瘤免疫。低浓度H₂S通过蛋白过硫化激活NF-κB、PI3K-AKT和NRF2等通路，增强DNA修复效率，导致化疗与免疫治疗耐药。

6. GSH与H₂S在抑制脂质过氧化与铁死亡中的作用

脂质过氧化过程中，ROS夺取膜多不饱和脂肪酸电子生成烷氧自由基，最终形成脂质过氧化物。GSH与H₂S可通过生成谷胱甘肽过硫化物（GSSH）以单电子还原方式阻断脂质过氧化链反应，同时GSH作为谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）辅因子，以双电子还原方式清除脂质过氧化物。H₂S还能螯合亚铁离子、调节铁转运蛋白（TfR1、Fpn1）表达、恢复GSH水平，从而抑制铁死亡。在结直肠癌中，CBS过表达提升内源性H₂S水平，并通过OTUB1的过硫化修饰稳定xCT，进一步抑制铁死亡。

7. 饮食对GSH与H₂S水平的调控

地中海饮食富含纤维、多酚与不饱和脂肪酸，可降低癌症负担并改善预后；西方饮食则因高红肉、精制碳水与饱和脂肪摄入增加氧化应激与致癌风险。甲硫氨酸循环将饮食输入与表观遗传调控、氧化还原状态联系起来，癌细胞对此高度依赖。限制甲硫氨酸与半胱氨酸摄入可减少GSH与H₂S合成前体，增强肿瘤对铁死亡及免疫治疗的敏感性。植物性饮食普遍降低循环GSH水平，而高蛋白饮食则增加肠道产H₂S菌群的底物供应。肠道菌群失调导致的过量H₂S可破坏黏膜屏障、抑制丁酸氧化并具有潜在基因毒性。

8. 癌症中连接GSH与H₂S生成的代谢重编程

代谢重编程是癌症标志之一，癌细胞在K-ras突变、缺氧等压力下增强一碳代谢与转硫途径，以GSH和H₂S应对氧化应激。多余同型半胱氨酸被导入转硫途径生成抗氧化分子，CBS在此过程常高表达。缺氧及假性缺氧环境通过HIF-1与NRF2上调GCL活性，促进GSH合成。Warburg效应中，H₂S在低浓度可刺激呼吸链并增强糖酵解与氧化磷酸化，为快速增殖提供能量。

9. 总结与结论

平衡宿主保护与肿瘤促进的GSH和H₂S水平需依赖适度蛋白摄入、充足膳食纤维与富含植物有机硫的饮食模式。GSH在癌前阶段具有防护作用，而在肿瘤进展期则支持增殖与耐药。H₂S呈双相作用，低至中等浓度促进肿瘤生长，高浓度则具细胞毒性。代谢异质性赋予不同肿瘤独特脆弱性，靶向转硫途径与氧化还原调控有望成为精准抗癌策略。

10. 局限性

膳食甲硫氨酸限制的临床疗效尚缺乏充分研究，H₂S血液浓度测定仍存技术局限，其在不同癌症类型中的作用机制有待进一步明确。饮食干预对肠道菌群及免疫应答的综合影响亦需深入探索。