Circulation(IF=39.92)|德国心血管研究中心揭示半胱氨酸硫巯基化在血管功能的关键作用

蛋白质的翻译后修饰参与调节信号通路和生命活动。其中,基于半胱氨酸上的可逆修饰如谷胱甘肽修饰、亚硝基化修饰、次磺酸修饰等有助于维持细胞氧化还原状态。在血管内皮细胞中,半胱氨酸代谢产生的硫化氢相关化合物(H2Sn)通过半胱氨酸硫化靶蛋白发挥其生物学作用。2021年,德国心血管研究中心Ingrid Fleming团队在Circulation上在线发表了题为“Mapping the endothelial cell S-sulfhydrome highlights the crucial role of Integrin sulfhydration in vascular function”,首次描绘了介导血流反应的内皮细胞的S-巯基化组学。通过比较健康与疾病组的变化,作者发现血管疾病与内皮细胞蛋白S-巯基化的显著变化有关。口服硫化氢相关的磺胺硫化合物供体可以作为一种治疗方法改善人类血管反应性,突出了干扰这一途径治疗血管疾病的潜力。得益于标记技术的改进,质谱技术可有效鉴定更多的S-巯基化蛋白。


Circulation(IF=39.92)|德国心血管研究中心揭示半胱氨酸硫巯基化在血管功能的关键作用

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英文标题:Mapping the endothelial cell S-sulfhydrome highlights the crucial role of Integrin sulfhydration in vascular function(Circulation,IF=39.92,2021)

中文标题:内皮细胞S-巯基化组学揭示整合素硫化在血管功能中的重要作用

研究材料:人内皮细胞

组学技术:S-巯基化修饰组




01

主要研究结果


01

 内皮细胞的S-巯基化修饰


本文比较了三组配对样品,生成了三个数据集。数据集1包括从无斑块的肠系膜动脉中分离的天然人内皮细胞和含斑块的颈动脉分离的天然人内皮细胞,旨在确定血管疾病中由于半胱氨酸代谢降低而改变S-巯基化的靶标;数据集2包括静置或流体剪切应力下培养的人内皮细胞,有望确定内源产生的H2Sn的目标;数据集3将内皮细胞置于剪切应力下以降低半胱硫氨酸γ裂解酶(CSE)表达,用溶剂或缓释H2Sn供体SG1002处理,旨在识别可被外源施加H2Sn修饰的半胱氨酸残基。在所有3个数据集中,共有188个常见蛋白被CSE衍生的H2Sn或外源应用的H2Sn释放供体修饰,总体一致序列显示,带负电荷的谷氨酸和天冬氨酸与S-巯基半胱氨酸非常接近,特别是在−1、−2、−3和+1位置(图1)。

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图1. 内皮细胞S -巯基化修饰组 

(图源:Bibli et al., Circulation, 2021)


02

整合素是被高度S-巯基化的蛋白


对所有3个数据集的巯基化蛋白进行富集分析,确定了2个主要的H2Sn靶向蛋白簇(即整合素介导的信号传导和糖酵解)。基因集富集得分图也鉴定了整合素细胞表面相互作用的蛋白,得分最高的是整合素。进一步分析发现,整合素α2、α5、α6、α 1、αV、β1和β3的S-巯基化程度较高,在整合素β1和β3中检测到多个巯基化半胱氨酸残基(图1E)。荧光显微结果证实在静态条件下培养的内皮细胞以及无斑块内皮细胞处存在高水平的S-巯基化,而在剪切应力下的细胞以及含有斑块样品中几乎完全失去信号(图2)。

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图2 内皮β3整合素S-巯基化的可视化研究

(图源:Bibli et al., Circulation, 2021)


03

β3整合素的S-巯基化决定了分子内二硫键、整合素的延伸和功能


β3整合素内的S-巯基半胱氨酸残基定位于细胞外“富含半胱氨酸”或I-EGF(整合素-表皮生长因子)样结构域3和4(Cys529、532、534、593、601),以及调节配体亲和力的杂交结构域(Cys39、42、49、52),这两个结构域都包含决定β3整合素信号传导的二硫键。质谱结果表明,H2Sn存在下,Cys39、42、49、52及593有所富集, 而 Cys64、 75、527、 529、532、534、657、661及601下调,表明在H2Sn可能使β3整合素的构象和功能发生变化(图3)。

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图3 S-巯基化对β3整合素活化的影响 

(图源:Bibli et al., Circulation, 2021)


04

S-巯基化β3整合素通过RhoA依赖机制保持内皮细胞的机械转导力


β3整合素构象的改变会影响内皮细胞对血流动力学刺激的反应,如内皮细胞在血流方向上的重新排列。进一步研究发现了S-巯基化对β3整合素-Gα13-RhoA轴的影响,因为β3整合素与Gα13的结合与RhoA的抑制有关,而RhoA的抑制对于机械传感和响应流动的细胞重组是必不可少的(图4)。

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图4 CSE缺失和硫化氢相关的磺胺硫化合物补充对内皮细胞RhoA (ras同源家族成员A)激活和机械传感的影响

(图源:Bibli et al., Circulation, 2021)


05

β3整合素S-巯基化调节血流诱导的血管舒张和血压


机械感应和机械转导的缺陷导致血管舒张受损。敲除CSE的内皮细胞表现出血流诱导的血管扩张障碍,这与β1或β3整合素阻断效应相似,通过给药SG1002可有效恢复小鼠肠系膜动脉血管敏感性。接下来,作者评估了H2Sn释放化合物MSM对12名内皮功能障碍患者血流诱导的血管扩张的影响。在接受MSM的受试者中,血流诱导的扩张明显增加,MSM衍生的H2Sn靶向β3整合素的能力通过监测其在循环细胞中的S-巯基化得到证实(图5)。

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图5 补充硫化氢对人体血流诱导的血管舒张的影响

(图源:Bibli et al., Circulation, 2021)


02

小结

综上所述,作者通过对3对具有明显特征的CSE表达和H2Sn产生改变的人内皮细胞样本,采用S-巯基化修饰蛋白质组学方法共检测1591个差异表达的巯基化蛋白和3446个S-巯基化位点,结果强调了S-巯基化翻译后修饰对血管功能调节的重要性,并详细报道了与动脉粥样硬化相关的S-巯基化变化的程度。




03

拜谱小结

在这项研究中,作者通过S-巯基化修饰组学,确定了血管疾病的新型修饰位点,并提出口服H2Sn缓释剂对动脉粥样硬化患者的改善作用,具有一定的临床转化能力。拜谱生物全面升级了半胱氨酸修饰蛋白质组学产品,现可提供棕榈酰化、亚硝基化、谷胱甘肽化、次磺酸化、硫巯基化、Total 氧化还原、游离巯基蛋白质组学检测服务,欢迎大家咨询!





参考文献:

Bibli SI, Hu J, Looso M, et al. Mapping the Endothelial Cell S-Sulfhydrome  Highlights the Crucial Role of Integrin Sulfhydration in Vascular Function. Circulation. 2021;143(9):935-948. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.120.051877




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