引言
H2S和H2O2是兩種氧化還原調(diào)節(jié)分子，在許多生理和病理過程中起著重要作用。雖然它們中的每一個都有不同的生物合成途徑和信號機制，但已知這兩個物種之間的串擾會引起關(guān)鍵的生物反應(yīng)，例如蛋白質(zhì)S-過硫化。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了許多用于研究H2S和H2O2的化學工具，例如H2S和H2O2的供體和傳感器。但這些工具通常針對單一物種，因此很難用這些工具研究H2S和H2O2之間的串擾和協(xié)同效應(yīng)。 成果簡介 近日，布朗大學化學系鮮明教授在《J. Am. Chem. Soc.》上發(fā)表了題為“A Sweet H2S/H2O2 Dual Release System and Specific Protein S Persulfidation Mediated by Thioglucose/Glucose Oxidase”的科研論文，在文章中，作者報道了一個以1-硫代-β-D-葡萄糖和葡萄糖氧化酶(GOx)為底物H2S/ H2O2雙供體系統(tǒng)。這種酶促系統(tǒng)可以以緩慢且可控的方式同時產(chǎn)生H2S和H2O2而不產(chǎn)生任何對生物不友好的副產(chǎn)物，并且證明了該系統(tǒng)可以對蛋白質(zhì)產(chǎn)生有效的S-過硫化作用。 圖1. H2S和H2O2供體代表性示例。這些供體化合物存在以下局限：(1) 所有這些供體都是合成材料，會產(chǎn)生大量的有機副產(chǎn)品，可能會導致不必要的副作用; (2) 酶促供體（尤其是H2O2供體）仍然非常有限; (3) 所有可用的供體只能產(chǎn)生一種物質(zhì)（H2S或H2O2），很難模擬H2S和H2O2同時存在的情況，也無法研究它們的串擾和協(xié)同效應(yīng)。 圖2. (a) 葡萄糖氧化酶(GOx)是一種含黃素的氧化還原酶，通過氧氣催化β- D -葡萄糖氧化為D -葡萄糖-δ-內(nèi)酯，生成H2O2，常被用作外源添加H2O2的替代方法。(b) 利用硫代葡萄糖/GOx釋放H2S/ H2O2誘導蛋白S-過硫化 圖3. 在PBS緩沖液(50 mM, pH 7.4)中，GOx (10 μg/mL)存在和不存在時，硫代葡萄糖(100 μM)的H2S釋放譜。硫代葡萄糖在緩沖液中保持穩(wěn)定，在有Gox的溶液中，會觀察到顯著的H2S的釋放。 圖4. 使用H2S特異性探針WSP5進一步驗證H2S的形成。單獨用硫代葡萄糖或GOx處理WSP5沒有產(chǎn)生任何可檢測的熒光。在室溫下將探針(10 μM)與硫代葡萄糖(100 μM)和GOx (10 μg/mL)的混合物孵育1小時后觀察到顯著的熒光信號，表明硫代葡萄糖確實在GOx存在下產(chǎn)生了H2S。 圖5. 亞鐵氧化-二甲酚橙法(FOX1 assay)監(jiān)測H2O2的形成。H2O2的形成隨時間而變化，在約2 h時達到峰值(~ 20 μM)。 圖6. 用PSP-328熒光探針監(jiān)測H2Sn的生成。探針與硫代葡萄糖(100 μM)和GOx(10 μg/mL)共孵育1 h后觀察到可忽略的熒光信號，孵育8 h后，熒光信號有所增加。 圖7. SSP4在硫代葡萄糖-GOx存在下對各種低分子量生物硫醇的熒光反應(yīng)。SSP-4在用一系列底物單獨處理時非常穩(wěn)定（第1-9列）。在類似濃度的酶促系統(tǒng)（第11列）下，在硫代葡萄糖/GOx的混合物（第10列）和Na2S/ H2O2的直接混合物中觀察到的反應(yīng)可以忽略不計。將生物硫醇暴露于硫代葡萄糖-GOx或相應(yīng)量的Na2S/H2O2中沒有觀察到熒光增加（第12-17列）。作為陽性對照，SSP4對Na2S2（第18列）表現(xiàn)出高熒光響應(yīng)。這表明，硫代葡萄糖-GOx系統(tǒng)不會在小分子硫醇上誘導有效的過硫化物形成。 圖8. 硫代葡萄糖-GOx誘導的BSA S-過硫化。 圖9. 對硫代葡萄糖/GOx系統(tǒng)高效蛋白質(zhì)過硫化的解釋。蛋白質(zhì)過硫化通常是通過依次使用高濃度H2O2和H2S處理來實現(xiàn)的。這種方法第一步中的過度氧化，會產(chǎn)生蛋白質(zhì)亞磺酸(P-SO2H)或磺酸(P-SO3H)，不能被H2S轉(zhuǎn)化為P-SSH。當BSA中快速添加H2O2/H2S對處理時，可能會存在這種過度氧化，降低過硫化的效率。此外，過量的H2O2總是存在，它可以與新形成的蛋白質(zhì)過硫化物快速反應(yīng)，從而減少過硫化。而硫代葡萄糖/GOx緩慢而穩(wěn)定地產(chǎn)生H2O2/H2S可能能夠避免系統(tǒng)中存在過量的H2O2，從而防止過氧化反應(yīng)。 圖10. 在50 mM, pH 7.4的PBS緩沖液中，β-Gal (10 U/mL)和GOx (10 μg/mL)存在時，硫代乳糖(100 μM)的H2S釋放譜。證明了硫代葡萄糖-Gox的可控性。 圖11.在GSH（0 μM、50 μM、250 μM、500 μM 、1000 μM）和GOx (10 μg/mL)存在下，硫代葡萄糖二硫化物(50 μM)的H2S釋放譜，進一步證明硫代葡萄糖-GOx平臺的可調(diào)性。 總結(jié)與展望 在這項工作中，作者設(shè)計的硫代葡萄糖/Gox系統(tǒng)可實現(xiàn)H2S/H2O2雙重緩慢釋放，并且不會產(chǎn)生對生物不友好的副產(chǎn)物。該系統(tǒng)能有效地對蛋白質(zhì)進行s-過硫化。此外，作者將系統(tǒng)擴展到硫代乳糖和硫代葡萄糖二硫化物，證實了該系統(tǒng)可以引入額外的因子(β-半乳糖苷酶和細胞還原劑)來進一步控制H2S/H2O2的釋放。這種雙重釋放系統(tǒng)將成為闡明H2S/H2O2 信號傳導機制和促進基于H2S的治療應(yīng)用的有用工具。 文獻鏈接 https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c06372 作者簡介 鮮明 1995年在中國南開大學獲得學士學位，2003年在底特律韋恩州立大學獲得博士學位。2003年-2006年，賓夕法尼亞大學Amos B. Smith, III教授實驗室的DOD博士后研究員。2006年8月，華盛頓州立大學(WSU)任助理教授。2011年晉升為副教授，2015年晉升為正教授。2017年被評為首位Ralph G.Yount化學生物學特聘教授。自2016年起任華盛頓州立大學化學系副系主任。實驗室于2020年搬到了布朗大學 研究方向：有機化學、化學
