氧化应激介导的蛋白质亚磺酰化在人类疾病中的作用：过去、现在与未来
作者及机构
本综述由Baoquan Mu（四川大学华西基础医学与法医学院生物治疗国家重点实验室）、Yan Zeng（同前）、Li Luo（四川大学华西第二医院妇产科生殖医学中心/教育部出生缺陷与相关妇儿疾病重点实验室）及Kui Wang（四川大学华西基础医学与法医学院）共同完成，发表于2024年8月的期刊 *Redox Biology*（Volume 76, 103332）。
主题与背景
本文围绕活性氧物种（Reactive Oxygen Species, ROS）诱导的蛋白质半胱氨酸亚磺酰化（Sulfenylation）展开，系统阐述了其在多种疾病中的分子机制与功能。ROS是氧代谢衍生的高活性分子（如H₂O₂、O₂•⁻等），其生理水平参与信号转导，但过量ROS会引发氧化应激，导致蛋白质、核酸和脂质损伤。其中，半胱氨酸残基（Cysteine, Cys）因硫醇基（-SH）易被氧化修饰，成为ROS调控蛋白质功能的关键靶点。亚磺酰化（-SOH）是半胱氨酸氧化的初始可逆形式，可进一步转化为二硫键、磺酰化等修饰，从而影响蛋白质结构、活性和相互作用。近年来，蛋白质亚磺酰化在血栓性疾病、糖尿病、心血管疾病、神经退行性疾病及癌症中的病理作用逐渐被揭示，成为氧化还原生物学的研究热点。
主要观点与论据
1. ROS的生成与清除平衡
- 生成途径：线粒体电子传递链（ETC）、质膜NADPH氧化酶（NOXs）、内质网（ER）氧化还原酶（如ERO1）和过氧化物酶体（如ACOX）是ROS的主要来源。例如，ETC复合物Ⅰ和Ⅲ泄漏的电子与O₂反应生成O₂•⁻，经超氧化物歧化酶（SOD）转化为H₂O₂。
- 清除机制：抗氧化系统（如SOD、过氧化氢酶CAT、谷胱甘肽过氧化物酶GPx和硫氧还蛋白系统Prx/Trx）通过酶促反应维持ROS动态平衡。失衡时，ROS通过氧化翻译后修饰（oxPTMs）调控细胞信号通路。
支持证据：
- 线粒体ETC贡献约45%的细胞内ROS，质膜NOXs占40%（引文[36]）。
- 硫氧还蛋白系统通过NADPH还原氧化型Prx/Trx，维持还原态（引文[47-48]）。
2. 蛋白质亚磺酰化的化学形成与稳定性
- 形成机制：
- H₂O₂介导：Cys-SH去质子化为Cys-S⁻后亲核攻击H₂O₂，生成Cys-SOH（图2a）。
- 有机过氧化物（ROOH）和次卤酸（HOX）：氧化效率更高（如次氯酸HOCl生成磺酰卤中间体Cys-S-Cl，水解为Cys-SOH）。
- 其他途径：过氧亚硝酸（ONOOH）和NO也可诱导亚磺酰化（图2d-e）。
- 稳定性因素：
- 局部微环境：氢键、疏水区隔离或低pKa的Cys-SO⁻可抑制进一步氧化。
- 结构限制：无邻近Cys时难以形成二硫键，延长亚磺酰化寿命（引文[85-86]）。
支持数据：
- 质谱分析显示，正常条件下5-12%的蛋白Cys被氧化，氧化应激时可达40%（引文[5]）。
- GAPDH的Cys149亚磺酰化后获得酰基磷酸酶功能（引文[66-68]）。
3. 亚磺酰化检测技术的进展
- 体外检测：
- 1,3-环己二酮（Dimedone）：特异性标记Cys-SOH，但需结合质谱（MS）分析（引文[94]）。
- NBD-Cl：可逆标记，但可能与非靶标基团（如氨基）反应（引文[96]）。
- 原位检测：
- 基因编码探针（YAP1-CCRD）：通过二硫键捕获活细胞内亚磺酰化蛋白（引文[102]）。
- 荧光探针（如CPD、F-DINAP）：实时成像亚磺酰化动态（引文[110-111]）。
- 蛋白质组学筛查：
- 使用生物素化探针（如Biotin-BTD）结合LC-MS/MS，在RKO细胞中鉴定到1202个亚磺酰化蛋白（如PKM2 Cys424修饰影响四聚体形成）（引文[115, 198]）。
技术难点：亚磺酰化丰度低、半衰期短，需高灵敏度探针（如[18F]F-DCP用于PET成像肿瘤耐药性）（引文[114]）。
4. 亚磺酰化在疾病中的调控作用
- 血栓形成：
- Src激酶：Cys277和Cys185亚磺酰化解除自抑制，促进血小板活化（引文[131]）。
- 蛋白质二硫键异构酶（PDI）：氧化低密度脂蛋白（oxLDL）诱导其亚磺酰化，增强促血栓活性（引文[135]）。
- 糖尿病：
- 动力相关蛋白1（Drp1）：Cys644亚磺酰化增强线粒体分裂，导致内皮功能障碍（引文[140]）。
- 解偶联蛋白1（UCP1）：Cys253修饰促进脂肪细胞产热（引文[142]）。
- 心血管疾病：
- KV1.5通道：Cys581亚磺酰化致通道降解，引发心房颤动（引文[145]）。
- SO₂介导的修饰：如阴离子交换蛋白2（AE2）亚磺酰化降低血管平滑肌细胞内pH，抑制增殖（引文[161]）。
- 神经退行性疾病：
- GAPDH：亚磺酰化诱导寡聚化，与阿尔茨海默病（AD）淀粉样斑块相关（引文[173]）。
- 单酰基甘油脂肪酶（MGL）：Cys201/Cys208修饰抑制2-AG降解，增强神经保护（引文[176]）。
- 癌症：
- EGFR：Cys797亚磺酰化增强激酶活性并降低抑制剂敏感性（引文[106]）。
- BCAT1：CXXC基序氧化抑制后，全局蛋白亚磺酰化升高，阻滞有丝分裂（引文[185]）。
意义与价值
- 科学价值：全面梳理亚磺酰化的化学机制与生物学功能，填补氧化还原信号领域的知识空白。
- 应用前景：
- 诊断：亚磺酰化探针（如[18F]F-DCP）可区分放疗抗性肿瘤（引文[114]）。
- 治疗靶点：针对PTP1B（糖尿病/癌症）或Src（血栓）的亚磺酰化位点设计抑制剂（引文[118, 131]）。
亮点
- 系统性：首次整合亚磺酰化的化学基础、检测技术及多疾病关联。
- 技术革新：评述探针设计（如Bio-Ben比传统Dimedone效率提高）与蛋白质组学策略（引文[109, 115]）。
- 转化潜力：提出亚磺酰化作为疾病标志物或干预靶点的可行性。
注：本文为开放获取（CC BY-NC 4.0），数据可应索提供（引文[1, 76]）。