单元格元数据。作者手稿;将于2020年12月3日在PMC上市。
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NIHMSID公司:美国国家卫生研究院1576950
选择性过硫化物检测显示S公司-硫水合物
,1,2,14 ,1,2,14 ,三 ,1,2 ,1,2 ,1,2 ,1,2 ,1,2,16 ,4 ,5 ,6 ,7 ,6 ,1,2 ,8 ,4 ,9 ,10 ,7 ,10 ,三 ,11,12,13 ,11 ,5和1,2,15,*
贾斯米娜·齐瓦诺维奇
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
14这些作者的贡献相等
艾米莉亚·库鲁西斯
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
14这些作者贡献均等
约书亚·B.科尔
三德国科隆大学生物化学研究所分子医学中心生物化学系
比卡什·阿迪卡里
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
比尔贾纳·布沙克
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
索尼娅·肖特·鲁克斯
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
Dunja Petrovic公司
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
Jan Lj公司。米利科维奇
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
16当前地址:英国剑桥大学剑桥生物医学校区医学研究委员会线粒体生物学单元,CB2 0XY Cambridge
丹尼尔·托马斯·洛佩兹
4西班牙马德里Complutense大学兽医学院和VISAVET Sanidad动物系
Youngeun Jung(荣智健)
5美国佛罗里达州朱庇特市斯克里普斯大道130号斯克里普s研究所化学系,邮编:33458
马克·米勒
6塞尔维亚贝尔格莱德大学塞尔维亚共和国国立研究所“Sinisa Stankovic”生物研究所细胞学系
莎拉·米切尔
7美国马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系
米洛舍维奇
6塞尔维亚贝尔格莱德大学塞尔维亚共和国国家研究所“Sinisa Stankovic”生物研究所细胞学系
何塞·爱德华多·戈麦斯
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
莫兰·本哈尔
8以色列海法以色列理工学院医学院拉帕波特医学科学研究所生物化学系,邮编:31096
布鲁诺·冈萨雷斯-佐恩
4西班牙马德里Complutense大学兽医学院和VISAVET Sanidad动物系
伊万娜·伊万诺维奇-伯马佐维奇
9德国埃朗根-纽伦堡弗里德里希·阿莱克山德大学化学与药学系
罗伯塔·托雷格罗萨
10英国埃克塞特大学圣卢克分校埃克塞特尔医学院
詹姆斯·米切尔
7美国马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系
马修·怀特曼
10英国埃克塞特大学圣卢克分校埃克塞特尔医学院
格恩特·施瓦兹
三德国科隆大学生物化学研究所分子医学中心生物化学系
所罗门·H·斯奈德
11美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院所罗门·H·斯奈德神经科学系,邮编:21205
12美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院药理学和分子科学系,邮编21205
13美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院精神病学系,邮编:21205
宾杜·D·保罗
11美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院所罗门·H·斯奈德神经科学系,邮编:21205
凯特·S·卡罗尔
5美国佛罗里达州朱庇特市斯克里普斯大道130号斯克里普s研究所化学系,邮编:33458
米洛斯·菲利波维奇
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
15引线触点
1CNRS,法国波尔多大学生物研究所UMR5095
2法国波尔多大学,CNRS,IBGC,UMR5095
三德国科隆大学生物化学研究所分子医学中心生物化学系
4西班牙马德里Complutense大学兽医学院和VISAVET Sanidad动物系
5美国佛罗里达州朱庇特市斯克里普斯大道130号斯克里普s研究所化学系,邮编:33458
6塞尔维亚贝尔格莱德大学塞尔维亚共和国国家研究所“Sinisa Stankovic”生物研究所细胞学系
7美国马萨诸塞州波士顿哈佛公共卫生学院遗传与复杂疾病系
8以色列海法以色列理工学院医学院拉帕波特医学科学研究所生物化学系,邮编:31096
9德国埃朗根-纽伦堡弗里德里希·阿莱克山德大学化学与药学系
10英国埃克塞特大学圣卢克分校埃克塞特尔医学院
11美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院所罗门·H·斯奈德神经科学系,邮编:21205
12美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院药理学和分子科学系,邮编21205
13美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学医学院精神病学系,邮编:21205
14这些作者贡献均等
15引线触点
16当前地址:英国剑桥大学剑桥生物医学校区医学研究委员会线粒体生物学单元,CB2 0XY Cambridge
作者贡献:MRF构思了这项研究。关键实验由JZ和EK进行,区别在于JZ进行寿命实验和EGFR激活,而EK进行应激实验和VEGF和胰岛素激活实验。JBK、BA、SS-R、DT-L、JLjM、BB、DP、MM、BDP和MRF也进行了实验。YG、KC、RT、MW、MB、VM、II-B、GS、JEG、BGZ、BP、SHS提供了工具和智力输入,并帮助进行数据分析。SM和JM提供DR小鼠肝脏,并帮助进行数据分析。MRF在所有合著者的帮助下撰写了这份手稿。
结果
dimedone开关方法的发展
为了能够使用亲核取代标记过硫化物,需要首先将PSSH转化为混合二硫化物(Wedmann等人,2016年;Zhang等人,2014年)这样,S-S键中的一个硫具有更高的亲电性(图S1A). 尽管它们在硫酸标记中具有选择性(Klomsiri等人,2010年;Paulsen和Carroll,2013年;Yang等人,2014年),基于二聚酮的探针()可能是第二步的优秀候选人,成为亲核分子。它们是另外有吸引力的候选者,因为有过多的这些探针具有不同的报告部分,并且已经过彻底的测试(Furdui和Poole,2014年;Paulsen和Carroll,2013年). 然而,对于用于PSSH标记的基于二甲基萘的探针,初始步骤需要使用一种试剂,该试剂不仅能与PSSH和硫醇反应,而且还能阻断含硫酸。4-氯-7-硝基苯并呋喃(NBF-Cl)符合这些标准。它被用作阻断和检测硫醇、胺和磺酸的工具(Bernal-Perez等人,2012年;埃利斯和普尔,1997年)在与PSSH反应时应形成混合二硫化物(). 我们通过监测低分子量过硫化物的标记来启动我们的研究,N个-甲氧羰基青霉胺过硫化物(nmc-PSSH(阿尔托和加勒登,2014年)) (). Nmc-PSSH容易与NBF-Cl反应,导致412 nm处的特征吸光度最大值(). 接下来,添加等摩尔量的dimedone导致412 nm峰快速消失,表明确实发生了转换(). 反应混合物的ESI-TOF MS/MS分析证实,两种主要产物是NBF-SH和标记为nmc-PSSH的双酮(,图S1B–F类).
探索过硫化物标签的dimedone开关策略。(A)(上)用二甲酮标记亚硫酸。(下)基于二聚酮的探针的结构。
(B)提议的dimedone过硫化物标签切换策略。在第一步中,蛋白质与4-氯-7-硝基苯并呋喃(NBF-Cl)反应,标记过硫化物、硫醇、亚硫酸和氨基。与氨基反应产生特征性的绿色荧光。在第二步中,NBF标签由一个基于十氟酮的探针进行切换,选择性标记过硫化物。
(C)与100μM N-甲氧羰基青霉胺过硫化物(nmc-PSSH)和100μM NBF-Cl的模型切换反应,然后是500μM二甲酮。MS分析显示4-硫代-7-硝基苯并呋喃(535 nm)和dimedone标记的nmc-青霉胺形成,在MS/MS条件下,其沿蓝色或红色虚线分解。括号中给出的数字表示已计算米/z观察到的离子。
(D)100μM nmc-PSSH与100μM NBF-Cl(pH 7.4,23°C)反应的时间分辨光谱。箭头显示NBF-Cl消失,nmc-PSS-NBF加合物在412 nm处出现。
(E)向反应混合物中添加200μM dimedone后的时间分辨光谱变化,如(D类)(pH 7.4,23°C)。插图:添加替米酮后412 nm最大吸光度衰减动力学。
(F-G)将23μM HSA-SSH与100μM NBF-Cl在磷酸盐缓冲液(50 mM,pH 7.4)中与1%十二烷基硫酸钠在37°C下反应30分钟,然后添加200μM地美酮。UV-Vis光谱变化(F类)和动力学痕迹(G公司)显示了422nm吸光度的衰减和535nm峰值的出现。
然后,我们以人血清白蛋白(HSA)为模型评估了dimedone开关法的选择性(Cuevasanta等人,2015年). HSA含有17个二硫化物和1个游离硫醇,因此它既是一种良好的控制手段,也是一种含有氧化半胱氨酸的蛋白质的例子。HSA-SH及其磺酰化(HSA-SOH)和过硫化(HSA-SSH)形式与NBF-Cl反应,生成具有不同最大吸光度的产品,与文献报道的产品非常吻合(埃利斯和普尔,1997年) (图S1G,我,K(K)). 随后添加dimedone仅导致HSA-SSH示例中的标记切换(,,图S1H,J型)导致HSA-SS-NBF吸光度损失,并形成HSA-S-dimedone和NBF-SH产品。电泳分离处理过的样品,然后用抗dimedone抗体进行免疫印迹(Seo和Carroll,2009年)仅为HSA-SSH发出正信号(). 为了确认天然过硫化物的标记,我们使用硫代硫酸盐硫转移酶(TST,也称为铑)作为模型,该酶在催化循环期间形成过硫化物(Filipovic等人,2018年). 抗dimedone抗体免疫印迹法()和ESI-TOF-MS()显示TST标有dimedone。
蛋白质过硫化物的标记和鉴定。(A至B)二甲基酮开关法对蛋白质过硫化物的选择性。人血清白蛋白(HSA,一)和TST(B)被用作模型。用兔抗Dimedone多克隆抗体进行dimedon标记。Ponceau S染色用于蛋白质负荷。
(C)解卷积质谱20μM铑(黑色)、用100μM NBF-Cl处理过的铑(蓝色)和先用100μM NBF-Cl-处理过的罗德(红色)。
(D)细胞PSSH水平的凝胶内检测。在添加或不添加10 mM NBF-Cl的情况下对HeLa细胞进行裂解,并在添加或未添加DAz-2的情况下探索过硫化物标记,然后使用CuAAC对Cy5-炔烃进行标记。凝胶也用考马斯亮蓝染色。火灾假彩色被用来在视觉上增强信号。绿色荧光对应于总蛋白质负荷(NBF-蛋白质加合物)。
(E)MEF细胞用或不用20 mM NBF-Cl样品进行裂解,然后用或不使用20 mM DTT进行处理,并使用CuAAC标记DAz-2/Cy5-炔烃。
(F-G公司)不同H处理的HeLa细胞蛋白质过硫化水平2S供体:200μM Na2S(高2S) 持续45分钟,200μM GYY4137持续2小时,200 nM AP39持续2小时,2 mM D-半胱氨酸(D-Cys)持续1小时。Cy5/488信号的比率用于定量(G公司). 数据显示为3个单独实验的平均值±标准偏差。**与对照组相比,p<0.01。
(H(H))用于红细胞内源性过硫化蛋白质组分析的方案的示意图。
有了这些数据,我们设想dimedone开关方法可以将各种有效载荷安装到感兴趣的蛋白质上,从而实现特定的识别/可视化。我们首先使用了DCP-Bio1,一种生物素化的双烯酮(). HSA和GAPDH的过硫化物呈阳性染色(图S2A,B类)Cy5-streptavidin检测到。用链霉亲和素磁珠分离样品,然后在凝胶内检测NBF-Cl标记氨基的绿色荧光()显示了PSSH的选择性标记,但没有显示其他oxPTM(图S2A,B类).
接下来,我们测试了该方法是否可以用于蛋白质组分析。TST过硫化物用DCP-Bio1标记开关,并进行胰蛋白酶或糜蛋白酶消化。MS/MS序列覆盖率为结构的95%(图S2C,支持数据集S1,S2系列)只有C248,在酶的活性部位以过硫化物的形式存在,被发现被DCP-Bio1标记(图S2C). 其他半胱氨酸残基和几个赖氨酸残基仅用NBF标记(支持数据S1,S2系列),根据中的反应方案.
我们还测试了通过铜(I)催化叠氮烷基环加成(CuAAC,点击化学)安装Cy5-荧光部分直接在凝胶中检测PSSH的可能性。除了标记半胱氨酸外,NBF-Cl还与氨基反应,产生特征荧光λ前任488 nm(Bernal-Perez等人,2012年). 将市售TST(已部分以过硫化物形式存在)与硫代硫酸盐(TS)或二硫苏糖醇(DTT)孵育,以分别形成完全过硫或还原TST。将20μM还原或过硫化TST与50μM NBF-Cl混合,并使用DAz-2/Cy5 CuAAC可视化过硫化物。一方面,虽然两者都未经治疗(1号车道,图S2D)和硫代硫酸盐处理(车道3,图S2D)TST显示Cy5信号,尽管负载相同,但完全过硫化酶的绿色荧光信号显著降低。另一方面,完全还原酶的绿色荧光信号更强(通道2,图S2D)这表明,在低NBF-Cl/蛋白质比率下,基于维度的探针引起的转换可能会影响绿色荧光的强度(图S2D),所以我们选择使用至少10倍的NBF-Cl(图S2E). 过量使用NBF-Cl还提供了使用绿色荧光作为总蛋白质负荷测量的机会,因此可以通过测量Cy5/488荧光信号比来量化过硫化水平。点击化学的不同成分在被NBF-Cl堵塞的样品中没有引起任何非特定标签(图S2F).
为了能够标记细胞提取物,我们必须确保该方法显示出足够的选择性。之前已经证明了dimedone探针对亚硫酸的选择性,并且与二硫化物没有交叉反应,S公司-可以观察到亚硝基硫醇、HNE修饰的半胱氨酸或任何其他亲核中心(Charles等人,2007年;Klomsiri等人,2010年;Yang等人,2014年). 事实上,对dimedone的非靶点进行盲目蛋白质组学搜索并没有发现任何不需要的标记(Yang等人,2014年). 然而,在十元开关标记中,(i)NBF-Cl对亚硫酸的不完全阻断和(ii)磺胺的潜在干扰可能代表可能的警告(图S2G).
为了确保有效和选择性标记,我们决定在变性条件下进行细胞裂解,这将允许所有半胱氨酸和胺残基快速展开并暴露于NBF-Cl。大量过量的NBF-Cl和37°C培养应为快速和完整标记和阻断提供有效的动力学推动。蛋白质的去折叠也会使环磺胺暴露于更多的水,因为它们与硫酸处于平衡状态,所以这种平衡将转向硫酸(Gupta和Carroll,2016年). 此外,NBF-Cl已被证明能与环亚砜酰胺有效反应(图S2G) (Gupta和Carroll,2016年). 尽管如此,我们还是使用了蛋白质酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)作为模型系统,PTP1B形成稳定的环亚砜酰胺(Paulsen和Carroll,2013年). 经H处理的PTP1B2O(运行)2(形成亚硫酸和环状亚砜酰胺的混合物)用DAz-2(具有双正交叠氮化合物基团)标记,然后如预期的那样通过CuAAC反应与Cy5-炔烃偶联,但如果它首先与NBF-Cl反应(通道1和2,图S2H). 然而,只有当PTP1B首先与NBF-Cl反应,然后与DAz-2/Cy5 CuAAC反应(车道3,图S2H). 当NBF-Cl步骤被省略时,标签缺失(通道4,图S2H).
在细胞裂解液中进一步证实了该方法的选择性。用NBF-Cl裂解HeLa细胞,用DAz-2/Cy5 CuAAC切换标签,只有在使用所有试剂时,才能标记和凝胶内检测到红色荧光信号(,图S2I). 在缺少NBF-Cl的对照样品中几乎检测不到任何信号(),确认裂解、孵育和蛋白质沉淀(图S2I)已经足以去除可能未被NBF-Cl覆盖的活性亚磺酸和环状亚磺酰胺。我们发现,用5mM NBF-Cl裂解已经足以产生最大的过硫化物信号(图S2J). 用DTT处理细胞裂解液,以减少NBF-Cl与过硫化蛋白反应中形成的二硫键,消除检测到的Cy5荧光(),确认了中提出的dimedone开关方法的化学机制.用dimedone溶解以捕集所有含硫酸(图S2K)然后用NBF-Cl和DCP-Bio1标记(图S2L)或DAz-2/Cy5 CuAAC(图S2M)为了切换标签过硫化物,显示了在过硫化物标记之前去除亚硫酸不会影响检测到的信号,进一步证实了我们的dimedone切换方法与亚硫酸和/或环亚砜酰胺没有交叉反应(图S2K–M(M)). 此外,用不同来源的H处理HeLa细胞2S使细胞内过硫化水平增加了几倍(,). 200 nM线粒体靶向H2S供体AP39诱导了与200μM Na相当的增加2S、 证实该化合物具有强大的药理潜力(,).
我们使用DCP-Bio1作为开关标签来鉴定人类红细胞中内源性过硫蛋白(,表S1). 在56种已鉴定的蛋白质中,超过一半的蛋白质先前被鉴定带有氧化的半胱氨酸残基。在缺乏血红蛋白的红细胞(RBC)中,这些蛋白质容易被半胱氨酸氧化(Delobel等人,2016年)或用二胺处理(Zaccarin等人,2014年),在过氧化物酶原II缺陷小鼠的红细胞中(Yang等人,2012年)或被发现直接过硫(瓦伦丁等人,1987年). 更重要的是,这两种酶都参与H2红细胞中硫的生成也被发现是过硫的:3-巯基丙酮酸硫转移酶(MPST或MST)和甲硫醇氧化酶。已知前者在催化循环中形成过硫化物(Yadav等人,2013年)而后者同时产生H2O(运行)2和H2S公司(Pol等人,2018年),促进半胱氨酸残基首先氧化为硫酸,然后形成过硫化物。此外,过氧化物酶原在催化循环中会形成一种硫酸(Wood等人,2003年),也被发现过硫。还值得注意的是,所有确定的肽,甚至那些不在选择标准范围内的肽(至少2个可靠肽和−10logP>50),都来自含半胱氨酸的蛋白质,表明这种方法具有很高的选择性。
过硫化在进化上是保守的,并由H控制2转硫途径产生S与半胱氨酸分解代谢
虽然初步研究表明细胞内过硫化物的主要来源是氢2S、 主要由CSE生产() (Filipovic等人,2018年;穆斯塔法等人,2009年;Paul和Snyder,2012年)最近的研究结果质疑了这一点,声称过硫化物是在蛋白质翻译过程中合成的,与转运途径或半胱氨酸分解代谢无关() (Akaike等人,2017年). 来自CSE的小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)的过硫化水平显著降低−/−动物(). 有趣的是,由于胱硫醚-β-合酶(CBS,图S3A,B类). 亨廷顿病(HD)是一种神经退行性疾病,由亨廷顿蛋白中多聚谷氨酰胺重复序列的扩增引发,CSE在HD中显著降低(Paul等人,2014年). HD纹状体细胞系模型(STHdh公司第7季度/第7季度和ST卫生部2011年第11季度/2011年第1季度)由于含有7个和111个聚谷氨酰胺重复序列,我们现在表明,CSE的缺乏导致ST中几乎检测不到的PSSH水平卫生部2011年第11季度/2011年第1季度单元格(). 众所周知,CSE是H的主要来源2此单元格类型中的S(Paul等人,2014年;Sbodio等人,2016年). 此外,胱氨酸转运体系统x的抑制c(c)−用橡皮素也会导致蛋白质过硫化的损失(). 此外,高尔基体应激源莫能菌素通过药物诱导CSE过度表达(Sbodio等人,2018年)另一方面,导致细胞内过硫化的增加().
细胞内过硫化在进化上是由H保守和控制的2S产生酶。(A)细胞内H2半胱氨酸γ裂解酶(CSE)和半胱氨酸β合成酶(CBS)催化硫的生成,通过通过半胱氨酸分解代谢途径中的3-巯基丙酮酸硫转移酶(MPST)。Hcy:同型半胱氨酸;半胱氨酸:半胱氨酸;3MP:3-巯基丙酮酸;CAT:半胱氨酸转氨酶;DAO:D-氨基酸氧化酶。
(B)野生型(WT)和CSE MEF细胞中的PSSH水平−/−老鼠。Cy5/488信号的比率用于量化。n=4.**p<0.01 vs.WT。数据显示为平均值±标准偏差。插图:CSE水平的Western blot分析。n=3。
(C)ST中的PSSH水平卫生部第7季度/第7季度和ST卫生部2011年第11季度/2011年第1季度细胞。n=4。**与Q7相比,p<0.01。插图:CSE蛋白表达水平的代表性蛋白质印迹。n=3。
(D)1和10μM Erastin(18.5小时)对WT MEF细胞中PSSH水平的影响。n=4.**与对照组相比,p<0.01。
(E)对照组(C)和用1μM莫能菌素(Mone)处理的WT MEF细胞中的PSSH水平(18小时)。n=3.**与对照组相比,p<0.01。插图:CSE蛋白表达水平的代表性Western blot。n=3。
(F)PSSH水平大肠杆菌没有(WT)或带有phsABC操纵子(pSB74质粒),该操纵子编码硫代硫酸盐还原酶并导致H2S生产。两株菌株均用或不用硫代硫酸盐处理(TS,37°C下4小时)。n=3.*与对照组相比,p<0.05,**p<0.01。
(G)野生型PSSH水平(N2),cth-1型和mpst-3秀丽隐杆线虫突变体。~每个样本16000条蠕虫。Cy5/488信号的比率用于量化。n=3.**与对照组相比p<0.01。
(H)野生型PSSH水平(年1w个118)黑腹果蝇以及CSE过度表达水平不同的苍蝇。每个样品3-4只苍蝇。n=3.*与WT相比,p<0.05,**p<0.01。
(一)野生型(C57BL/6J)和CSE肾脏提取物中的PSSH水平−/−老鼠。n=3只动物。**与WT相比,p<0.01。
(J)健康人体供体红细胞膜和细胞液中的蛋白质过硫化。
(K)WT和CSE细胞内过硫化蛋白水平的共焦显微镜图像−/−MEF是否经过200μM Na处理2S(高2S) 或2 mM D-Cys持续1小时。Cy5信号对应于过硫化蛋白,488 nm信号对应于NBF加合物。细胞核DAPI染色。比例尺20μm。
(左)类似抗体微阵列的方法来研究特定蛋白质的过硫化状态。所列十种蛋白质的方法示意图(下部)和实际读数(上部)。WT、CSE的细胞裂解物−/−比较用D-Cys(2 mM,1小时)处理的WT MEF。结果显示为3个独立实验的平均值±SD。
(米)人类MnSOD(PDB:1pl4)两个亚基的带状结构,突出半胱氨酸残基和含锰活性位点。
(N)过硫化MnSOD保护其免受H2O(运行)2-诱导失活。用细胞色素c作为报告分子来测量SOD活性,细胞色素c被黄嘌呤/黄嘌呤-氧化物系统产生的超氧物还原。结果显示为3个独立实验的平均值±标准偏差。
我们将筛选范围扩大到不同的门和regna,发现在所有门和rega中,内源性过硫化都由H控制2通过转硫途径或半胱氨酸分解代谢产生的S(). 我们使用了大肠杆菌用编码硫代硫酸盐还原酶的phsABC操纵子(pSB74质粒)转化的菌株,导致H增加2S生产。与对照组相比,用硫代硫酸盐处理这些细菌导致细菌蛋白质过硫化增加两倍(). 另一方面,cth-1型和最大功率标准-3的突变体秀丽线虫(分别缺少CSE和MPST,)PSSH水平较低。黑腹果蝇苍蝇过度表达CSE(Snijder等人,2015年)显示PSSH水平增加(),而CSE的肾脏−/−小鼠的过硫水平降低(). 最后,在人红细胞的膜和细胞质中都可以观察到内源性过硫化,证实了蛋白质组数据(,表S1).
dimedone开关方法也成功应用于共焦显微镜下细胞内过硫化物的可视化(,图S3C). 缺乏CSE的MEF几乎没有检测到细胞内PSSH水平,而2S和D-半胱氨酸处理使这些水平增加了几倍。独立于CSE,两个H来源2S提高了PSSH水平,强调了H的重要作用2蛋白质过硫化物形成中的硫(,图S3C). 此外,宽场荧光反褶积显微镜首次提供了细胞内过硫化的高分辨率图像(图S3D–F类). PSSH信号散布在整个细胞中,甚至在细胞核中也能观察到一些信号。半胱氨酸处理细胞中的PSSH信号似乎主要定位于线粒体,这与D-半胱氨酸是半胱氨酸通过MPST分解代谢途径的底物这一事实一致(涉谷等,2013) (图S3F).
dimedone开关方法的广泛适用性:抗体微阵列
为了进一步展示dimedone开关方法的适用性,我们使用了抗体微阵列样方法,将特定蛋白的抗体固定在NHS激活的表面上(). 由于样品同时具有绿色和红色荧光,分别反映总负荷和PSSH水平,因此可以用这种方法分析感兴趣的蛋白质,并评估其PSSH含量。我们选择了针对一系列蛋白质的抗体()已显示过硫化,或在其催化循环中形成过硫化物。总的来说,CSE的缺乏降低了靶蛋白的PSSH水平,而D-半胱氨酸处理增加了PSSH,尽管效率不同。该方法的选择性再次得到证明,据报道,酶在H2硫氧化,如硫化物:醌氧化还原酶(SQOR或SQR)和TST,在进一步的D-半胱氨酸处理后显示出较高的内源性PSSH水平,变化最小。然而,在缺乏CSE的细胞中观察到这些酶的稳态过硫化物水平显著降低。除了已经证明过硫化的蛋白质外(GAPDH、HSP70、Keap 1、β-actin、Parkin)(穆斯塔法等人,2009年;Vandiver等人,2013年;Yang等人,2013;Zhang等人,2014年)这种方法可以观察到锰超氧化物歧化酶(MnSOD)也可以被过硫(). 与原核生物不同,大多数真核生物MnSOD至少有一个半胱氨酸残基(,图S3G)并表现出H对产品的强烈抑制作用2O(运行)2(Hearn等人,2001年). 我们对人重组MnSOD的实验表明,在15分钟内暴露于3倍过量的H2O(运行)2,抑制MnSOD活性(0.15±0.06×10三U/mg vs.2.91±0.07×10三对照组U/mg),而联合治疗时H过量5倍2S挽救了酶活性(1.92±0.07×10三单位/毫克)(). H处理人重组MnSOD的MS/MS分析2O(运行)2和H2S和dimedone开关法标记(使用DCP-Bio1作为开关剂)证实C193确实过硫(图S3H,我,数据集S3,S4系列). 其他研究指出,相同的半胱氨酸残基对氧化还原敏感(Matsuda等人,1990年). 此外,与对照组(15±4%/亚单位)相比,过硫化的MnSOD对过氧亚硝酸盐引起的酪氨酸硝化反应更具弹性(每亚单位硝化反应的产率为3±2%(Szabó等人,2007年).
过硫化与H有内在联系2O(运行)2
对于H2为了能够修饰半胱氨酸残基,需要一种氧化剂——H可以发挥这种作用2O(运行)2.蛋白质亚磺酰化,作为H的结果2O(运行)2生产,代表一个重要的信号事件(Paulsen和Carroll,2013年;Poole等人,2004年). 然而,应控制PSOH的形成,以防止半胱氨酸残基过度氧化为亚硫酸盐(PSO2H) 和磺酸(PSO三H) 导致蛋白质功能丧失(). 先前的研究表明,蛋白PSOH与H的反应速度快两个数量级2S、 与pH值为7.4的谷胱甘肽相比(Cuevasanta等人,2015年)我们对红细胞中过硫化蛋白的蛋白质组学分析表明,与已知的磺酰化蛋白有显著重叠(表S1). 我们假设H的反应2带有PSOH的S可以代表H的组成部分2O(运行)2-诱导氧化还原信号和将PSOH还原为硫醇的主要途径。为了测试这一点,我们首先暴露了CSE+/+野生型(WT)和CSE−/−MEF至H2O(运行)2100μM H时2O(运行)2未诱导WT细胞中PSOH水平的明显增加,CSE中检测到磺酰化的大量增加−/−随着暴露时间的增加而减少(). 500微米高2O(运行)2需要在WT细胞中产生相同数量的PSOH(). 这种作用可以通过用100μM H预孵育细胞而完全消除2S捐赠者,GYY4137(图S4A). 相反,当用100和500μM H处理时,WT细胞中的PSSH水平随时间而增加2O(运行)2但在CSE中仍然很低−/−单元格(). 亚硫酸选择性探针(PSO)的研究进展2H)(Akter等人,2018年)使我们能够测试缺乏内源性H的细胞中亚磺化的变化2在CSE中观察到亚磺化反应的总体强烈增加−/−100μM H处理的细胞2O(运行)215分钟,但这个PSO2H在30分钟后恢复正常,表明这些半胱氨酸要么被过氧化,要么被硫氧还蛋白还原(Akter等人,2018年) (). 500微米高2O(运行)2仅对WT细胞中选定的一组蛋白质的亚磺化作用增加。CSE的磺化−/−细胞,由500μM H引起2O(运行)2,似乎略低于100μM剂量,可能是因为它们具有较高的敏感性,并且对磺酸的半胱氨酸氢氧化作用更强。
内源性H2S控制H引起的半胱氨酸氧化2O(运行)2.(A)H之间氧化还原转换的拟议机制2O(运行)2-诱导硫醇氧化和过硫化。
(B-D)WT和CSE中的半胱氨酸oxPTM水平−/−100或500μM H处理的MEF细胞2O(运行)215分钟和30分钟。(B)蛋白质磺酰化(PSOH)(用DCP-Bio1标记,用链霉亲和素488可视化)。GAPDH被用作负荷控制。n=4。(C类)蛋白质过硫化(PSSH)(标记为DAz-2:Cy5作为切换剂)。Cy5/488信号的比率用于量化。n=3。(D类)蛋白质亚磺化(PSO2H) (用BioDiaAlk标记,用链霉亲和素Cy5可视化)。GAPDH被用作负荷控制。n=5。PSOH和PSSH值归一化为未处理细胞中的水平。**与未经处理的WT细胞相比,p<0.01;#与未经治疗的CSE相比,p<0.05−/−细胞。
(E)DJ-1的过硫化、亚磺酰化、亚磺酰基化和磺酰基化。WT和CSE−/−用100μM H处理MEF细胞2O(运行)215或30分钟,标记PSSH、PSOH和PSO2H、 用固定在琼脂糖珠上的抗DJ-1抗体进行免疫沉淀,用抗生物素抗体进行免疫印迹。用于磺化DJ-1(DJ-1-SO三H) ,使用DJ-1的C106磺酸抗体选择性。n=4.**p<0.01 vs.未经治疗的体重。#p<0.05,##p<0.01.vs.未治疗的CSE−/−细胞。
解决内源性H2S控制H2O(运行)2-在分子水平上诱导半胱氨酸氧化,我们监测氧化还原敏感蛋白DJ-1(也称为PARK7)中半胱氨酸的氧化状态。已知DJ-1中的C106会氧化为亚硫酸钠(Akter等人,2018年)甚至是磺酸(Fernandez-Caggiano等人,2016年),而我们的蛋白质组学分析也将DJ-1确定为过硫化的靶标(支持表S1). WT和CSE−/−用100μM H处理MEF细胞2O(运行)2持续15分钟和30分钟,标记PSOH(使用DCP-Bio1)、PSSH(将DCP-Bio 1用作切换试剂)和PSO2H(使用BioDiaAlk)和免疫沉淀。同时,使用对DJ-1的C106磺酸有选择性的抗体,我们评估了DJ-1-SO三这些样品中的H水平(,图S4B). H(H)2O(运行)2WT细胞的处理导致DJ-1的过硫化(在15和30分钟内)增加,磺酰化和磺酰化度(PSO)增加三H) 30分钟后。然而,在CSE中−/−在用H处理的细胞中,PSSH水平已经很低的细胞继续下降2O(运行)2DJ-1-SOH、DJ-1-SO的基本水平2H和DJ-1-SO三未经治疗的CSE的H值要高得多−/−与WT相比,DJ-1-SOH随H降低2O(运行)2CSE治疗−/−电池,DJ-1-SO2H和DJ-1-SO三H水平继续增加(,图S4B)确认缺少H2S捕捉PSOH会导致半胱氨酸过氧化。综合这些数据,证实过硫化由内源性H控制2S生产,是H不可或缺的一部分2O(运行)2-诱导蛋白质的氧化还原变化。
PSSH波随PSOH形成:对RTK-H的影响2O(运行)2信号
受体酪氨酸激酶(RTK)激活最能说明PSOH信号的重要性(芬克尔,2011年;Paulsen等人,2011年;Sundaresan等人,1995年)因此,我们寻找PSOH和PSSH之间的时间相关性(). 用100 ng/ml上皮生长因子(EGF)处理的HeLa细胞,在最初的5-15分钟内,PSOH急剧上升,30分钟后降至基础值(). 然而,PSSH水平遵循相移曲线,水平最初在5分钟时下降,然后在30分钟时达到最大值(). 这与所有三个H的表达增加密切相关2含EGF的产S酶(图S4C).
RTK信号中的蛋白质过硫化波。(A)表皮生长因子受体(EGFR)激活触发的信号事件示意图。Nox:NADPH氧化酶;AQP:水通道蛋白。
(B)用100 ng/mL EGF处理HeLa细胞5、15、30或60分钟后,分析蛋白质磺酰化(用DCP-Bio1标记,用链霉亲和素488显示,用β-微管蛋白作为负荷控制计算水平)和蛋白质过硫化(使用以Cy5为报告分子的二聚酮开关法,水平以Cy5/488荧光读数的比率计算)。(顶部)PSSH水平的In-gel荧光和PSOH水平的Western blot。(底部)暴露EGF后PSSH和PSOH的时间动态变化。n≥3。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与对照(0)。
(C)在EGF处理之前,用GYY4137(100μM)预处理30分钟,在HeLa细胞中,PSSH和PSOH随着EGF暴露时间的变化而变化。n≥3。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与对照组相比。
(D)在EGF治疗之前,用2 mM抑制剂、氨基氧乙酸(AOAA)和丙炔甘氨酸(PG)混合物(1:1,30分钟)预处理HeLa细胞中,PSSH和PSOH的定量随着EGF暴露时间的变化而变化。n≥3。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与对照组相比。
(E)量化HUVEC中PSSH和PSOH的变化,作为VEGF(40 ng/mL)暴露时间的函数。n≥3。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与对照组相比。
(F)不同胰岛素浓度对神经母细胞瘤(SHSY5Y)细胞PSSH水平的影响及其与胰岛素暴露时间的关系。n≥3。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与未经治疗相比,##p<0.01 100 nM对200 nM。
(G)用100 ng/mL EGF处理HeLa细胞30分钟后EGF受体过硫化,用抗体微阵列载玻片检测两种不同抗体。每种抗体均呈五倍体。进行了2次技术复制。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01 vs.未经治疗(0)。
(H)EGF受体酪氨酸1068(Y1068)的时间依赖性磷酸化作为对EGF的反应。HeLa细胞在暴露于EGF(100 ng/mL)之前,用GYY4137(100μM)预处理2小时或不预处理。n=3.**p<0.01 GYY4137治疗组与未治疗组。
(一)用xCELLigence RTCA DP系统实时测量活细胞中EGF受体的激活。用GYY4137(100μM,30 min)或2 mM AOAA和PG的混合物(1:1,30分钟)预处理HeLa细胞。通过添加150 ng/mL EGF启动EGF受体激活。n=4。数值表示为平均值±标准偏差。**p<0.01与未经治疗的对照组相比。
(J)EGF信号传导中不同激酶过硫化的抗体微阵列分析。用100 ng/mL EGF处理HeLa细胞30分钟。每种抗体呈五倍体。进行了2次技术复制。
(K)与肌动蛋白重塑、细胞骨架调节和细胞运动有关的蛋白质靶点的示意图,发现在100 ng/mL EGF处理30分钟的细胞中,蛋白质靶点被过硫酸化。
为了证实PSOH和PSSH之间的相互作用,我们用GYY4137预处理HeLa细胞(,图S4D)或混合CSE和CBS抑制剂(丙炔甘氨酸和氨基氧乙酸,,图S4E)持续30分钟,分别增加或减少细胞内H2S和PSSH水平。GYY4137预处理确实诱导了PSSH的增加,在EGF刺激下,这些水平在30分钟内持续上升,而PSOH最初下降,并保持低水平不变(,图S4D). 相反,内源性H的药理抑制2硫的生成导致PSOH水平急剧上升,在5分钟达到峰值,并在15分钟完全消除,这可能是由于半胱氨酸过度氧化,因为PSSH水平仍然很低且没有变化(,图S4E). 这些结果强烈表明,过硫化是细胞通过磺酰化分解信号的固有机制。同时,由于这两种标记方法都使用了基于dimedone的探针(用于在切换代理中使用的PSSH),这些数据再次证实了dimedon切换方法可以区分PSSH和PSOH。
然后我们测试了其他RTK途径。用40 ng/ml的血管内皮生长因子(VEGF)处理人脐静脉内皮细胞(HUVEC)后,PSOH和PSSH的相移曲线相似,其中PSOH在5 min时达到峰值,15 min后已恢复到基础水平,而PSSH在15 min时达到高峰,即使在30 min后也保持较高水平(,图S4F). 在暴露于VEGF 15分钟的细胞中,PSSH增加了~9倍,这与高H值一致2这些细胞所具有的S生成速率(Filipovic等人,2018年;Lin等人,2013年). 用胰岛素治疗神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y),再次产生PSSH水平的明显峰值,峰值时间和变化强度与胰岛素剂量直接相关(,图S4G). 暴露于100 ng/mL胰岛素2分钟后,观察到磺酰化的急剧峰值,随后出现过硫化波,在5分钟达到峰值(,图S4G,H(H)). 当使用200 ng/mL时,检测到更大振幅的PSSH波,峰值时间为2分钟,可能是由于更强更快的H2O(运行)2较高胰岛素剂量产生的流量(,图S4G). 细胞内磺酰化动力学以相移方式先于PSSH波(图S4H). 最后,我们使用了WT和CSE−/−MEF并用100 ng/ml EGF处理。WT中PSSH的时间分布与HeLa细胞中观察到的非常相似,并且在CSE中受到抑制−/−单元格(图S4I,J型). 另一方面,CSE中的磺酰化作用更强−/−单元格(图S4I,J型).
接下来,我们将注意力转向了解这些过硫化波的生物学相关性。EGF受体活化受磺酰化调节(Paulsen等人,2011年)因此,我们重点研究过硫化是否以及如何控制EGF信号的持续时间。我们首先使用市售的EGFR途径抗体微阵列板寻找EGFR的过硫化。两种不同EGFR抗体的五聚体显示,EGF处理HeLa细胞30分钟后,EGFR过硫化显著增加(). EGFR的过硫化对下游信号传导具有功能性影响。半胱氨酸磺酰化激活的Y1068的磷酸化在GYY4137预处理的HeLa细胞中严重受损(). 相应地,在活细胞中监测到的EGF受体的激活也显示了用CSE和CBS抑制剂(PG和AOAA)预处理的细胞中更强的受体激活,GYY4137预处理可以降低这种效应(). 此外,H的抑制作用2即使在没有EGF刺激的情况下,增加EGFR磺基化半衰期的S生成也会导致细胞外信号调节激酶(ERK)磷酸化显著增加(图S4K).
许多对EGFR信号传导重要的含半胱氨酸的磷酸酶已经被证明是磺酰化的(Paulsen等人,2011年). 这对PTEN、PTP1B和SHPTP2尤其如此,我们现在发现它们也已实现(图S4L). 此外,使用EGFR通路抗体芯片,我们还评估了EGFR下游激酶的过硫化状态(,数据集S5). 暴露于EGF后,许多蛋白质靶点的过硫化状态增加。有趣的是,除了肌动蛋白外,参与细胞骨架重排和细胞运动调节的激酶也受到特别影响(,,图S4M–R(右)). 综上所述,这些数据表明,蛋白质过硫化物的形成代表了控制H启动的细胞信号的氧化还原开关2O(运行)2和PSOH的形成。
蛋白质过硫化作为半胱氨酸过氧化的解救途径
虽然蛋白质磺酰化(甚至某些蛋白质的磺化)代表一种信号事件,但H的不可控生成2O(运行)2或者任何ROS都会导致半胱氨酸过度氧化和功能丧失(). 我们最初的假设是,由于其尺寸小、扩散性强和生产流量大(Cuevasanta等人,2012年;Filipovic等人,2018年;维维茨基等人,2012年),H2S可以作为细胞防御半胱氨酸过氧化的第一道防线(). 形成的过硫化物比单独的半胱氨酸要好得多,并且可以清除(Cuevasanta等人,2015年)更多的有害氧化剂。由于它们的S-S键可还原,随后产生的S-硫胱氨酸应该很容易被二硫还原酶还原,例如硫氧还蛋白(Trx)()创造一条还原途径,将其再循环回硫醇形式。已经证明,色氨酸可以还原在3′-磷酸腺苷-5′-磷酸硫酸盐还原酶活性部位形成的S-硫胱氨酸(Palde和Carroll,2015年).
蛋白质过硫化的细胞保护作用。(A)蛋白质过硫化保护作用的拟议机制。Trx-硫氧还蛋白,TrxR-硫氧还原酶。
(B)的模型反应S公司-硫氰酸盐(SSC)与人硫氧还蛋白(hTrx)。
(C)10μM人重组Trx(黑色)和用10μM处理的Trx的去卷积MS光谱S公司-硫氰酸盐(SSC)(红色)。
(D)10μM C35S-Trx MS在与10μM SSC反应之前(黑色)和之后(红色)的反褶积,显示经SSC处理的样品中出现TrxS-S-Cys加合物。
(E)的绘图k个光突发事件
与。与人重组Trx反应的SSC浓度。通过测量因半胱氨酸氧化而在Trx中诱导的构象变化,对反应进行荧光测量。数值表示为平均值±标准偏差。n=3。
(F)H的毒性2O(运行)2WT和CSE−/−MEF公司。数值表示为平均值±标准偏差。n=3,**p<0.01,与对照组相比。
(G-H)使用碘化丙啶(FL2A通道)对细胞死亡进行流式细胞术分析。不同酿酒酵母菌株培养过夜,调整OD600=2,在没有或有10 mM和20 mM H的情况下生长27小时2O(运行)2左上象限用于测量死亡细胞。每次测量分析150000个细胞。n=2.**与同一组未经处理的细胞相比,p<0.01,##与BY4742细胞的相应治疗相比,p<0.01。
(I-J)N2的存活曲线,cth-1型和mpst-3秀丽隐杆线虫暴露于60 mM百草枯的菌株(我)和5 mM亚砷酸钠(J型). N> 80条蠕虫。实验一式三份。**与对照组相比,p<0.01。
(K)短期(3小时)预先暴露于GYY4137(500μM)或AP39(100 nM)对cth-1秀丽隐杆线虫用60 mM百草枯处理的突变体。N> 80条蠕虫。实验一式三份。**与对照组相比,p<0.01。
为了解决过硫化物氧化的可逆性,我们使用S-硫胱胺(SSC)作为模型系统(). 如左向质量位移(Δ米/z=−2),对应于二硫键的形成(). 当用相同量的SSC孵育具有催化活性的C32S突变体时,没有观察到光谱变化(图S5A); 当与C35S突变体孵育时,该突变体最初与底物反应,但不能完成催化循环,导致Trx与半胱氨酸的二硫加合物的特征(,图S5B). 估计速率常数为6.1±0.2×104M(M)−1秒−1(,S5C系列)比色氨酸与过硫化半胱氨酸反应高一个数量级,比色氨酰与胱氨酸反应高两个数量级(Wedmann等人,2016年). 与硫氧还蛋白还原酶(TrxR)结合,反应也比与胱氨酸结合更快(图S5D). 然而,硫氧还蛋白相关蛋白(TRP14)在切割SSC方面不如人类Trx有效(图S5E).
然后我们评估了不同生命系统的过硫化水平与它们抵抗压力的能力之间的关系。CSE公司−/−MEF生长较慢,对H更敏感2O(运行)2与WT电池相比();酿酒酵母事实证明也不例外。尽管半胱氨酸和H略有不同2S代谢(图S5F),的酿酒酵母突变体Δcys3(CSE)显示生长迟缓(图S5G)PSSH和H较低2S级(图S5H,我). 该突变体还被发现对H更敏感2O(运行)2比野生型(,).Δcys4另一方面,(哥伦比亚广播公司)的H值略高2S和PSSH水平(图SH,我)被认为对H有更强的抵抗力2O(运行)2().
我们还测试了秀丽线虫不同的ROS诱导应激源。cth-1型(CSE)和mpst-3秀丽隐杆线虫突变体对百草枯的敏感性增强()约50%cth-1型动物在暴露后4小时内死亡(相比之下,约80%的动物在N2下存活)。另一种ROS应激源亚砷酸钠也被证明对cth-1型与N2相比的突变体(). 增强的灵敏度cth-1型对百草枯和亚砷酸盐进行H预处理可以解救2S供体增加细胞内PSSH水平(,图S5J,K(K)). 即使是N2在暴露于百草枯或亚砷酸盐后,仅用GYY4137或AP39预处理3小时,也显示出更好的存活率(图S5J,K(K)).
蛋白质过硫化随着老化而减少
随着老化,活性氧的产生和去除之间存在不平衡,导致氧化损伤增加(Balaban等人,2005年;芬克尔和霍尔布鲁克,2000年;利奥切夫,2013;Redman等人,2018年). 此外,两项独立的定量蛋白质组学研究发现秀丽线虫,CSE在老化过程中降低(Aging等人,2015年;Narayan等人,2016年). 在这里,我们测试了细胞内PSSH的保护池随年龄下降的假设,并与特定物种内个体的寿命相关。而cth-1秀丽隐杆线虫突变体的中位/最大寿命总体上没有显著缩短,它们最初的死亡率要高得多(图S6A).Mpst-3型突变体的PSSH库更低(),寿命明显缩短(图S6A). 此外,野生型N2蠕虫的过硫化水平从成年后第1天到第7天逐渐降低(图S6B). 为了证实这种现象的进化保守性,我们观察了1、3、6、12和24个月大的Wistar大鼠。在大脑提取物中,从6个月龄开始,观察到蛋白质过硫化水平降低,24个月龄大鼠的过硫化水平比1个月龄的大鼠低约50%(). PSSH的减少与所有三个H蛋白表达的丢失相关2产S酶(,图S6C). 我们还观察到蛋白质过硫化和H2大鼠心脏S-生成酶水平(CSE,MPST)与年龄的关系()而在12个月龄和24个月龄大鼠的肝脏中,PSSH、CSE和CBS水平呈下降趋势,但无显著差异(图S6D).
蛋白质过硫化的抗老化性能。(A)1个月、3个月、6个月、12个月和24个月龄雄性Wistar大鼠脑提取物中过硫水平的变化,以Cy5/488信号的比率计算。数值表示为平均值±标准偏差。n=3/年龄组。*p<0.05,**p<0.01 vs 1个月(1m)。
(B)1月龄、12月龄和24月龄雄性Wistar大鼠皮层CSE、CBS和MST表达水平的免疫组织化学分析。图像代表3只动物/实验组,放大20倍。
(C)雄性Wistar大鼠1个月、12个月和24个月大心脏的蛋白质过硫酸水平(上图)。CSE、CBS和MPST在1、6、12和24个月龄雄性Wistar大鼠心脏中的表达水平(下图)。图像代表3只动物/实验组。
(D)PSSH和PSO2来自同一供体但在31岁和48岁时收集的人类成纤维细胞中的H水平。巯基修饰的量化,在y轴上标记为PSX,表示n=3的平均±SD。**与31岁相比,p<0.01。
(E)N2的生存曲线,吃-2,吃-2;cth-1型和吃-2;最大功率标准-3双突变体。n>100每行。N2=17.8±0.5天;吃-2=24.5±0.9天;吃-2;cth-1型=20.3±0.6天;吃-2;最大功率标准-3=20.2±0.7天。对于吃-2;cth-1型与。吃-2和吃-2;最大功率标准-3与。吃-2p<0.001。
(F)N2中的过硫化水平,吃-2,吃-2;cth-1型和吃-2;mpst-3秀丽隐杆线虫突变体。数值表示为平均值±标准偏差。每条车道使用约16000条蠕虫的蛋白质提取物。n=3.**与N2相比p<0.01,##p<0.01与。吃-2.
(G)N2和N2的存活曲线cth-1型在缺乏或存在5 mM 2-脱氧-D-葡萄糖(DOG)的情况下生长的突变体。n=每条线110。N2=14.2±0.4天,N2 5 mM DOG=17.2±1.0天;cth-1型=13.3±0.4天;cth-1型5 mM狗=13.7±1.0天。N2 vs.N2 5 mM DOG p=0.005;对于cth-1型与。cth-1型5 mM DOG p=n.s,对于N2与。cth-1型p=0.0565。
(H)喂食7月龄和20月龄小鼠的衰老诱导的PSSH变化随意(AL)和喂食热量限制饮食(CR)的小鼠。n=每组5只动物。**与7月龄AL小鼠相比,p<0.01。
(一)腹腔注射D-葡萄糖(2 g/kg体重)的2月龄和12月龄雄性小鼠肌肉组织中PSSH的时间依赖性变化。每组n≥3只动物。**对照组与2个月大的小鼠相比p<0.01,##2月龄小鼠与12月龄小鼠相比p<0.01。
(J)经1 mM硫代硫酸盐处理和未经处理的N2蠕虫的过硫化水平。n=3.**与对照组相比,p<0.01。
(K)N2的生存曲线秀丽线虫和用1 mM硫代硫酸盐处理的N2。每组n>160。N2=18.5±0.3天,1 mM硫代硫酸盐=20.3±0.4天。p<0.0001
最后,作为一个验证概念的实验,我们分析了来自同一个体但收集于不同年龄段(31岁和48岁)的人成纤维细胞中的过硫化和亚磺化水平。结果显示PSSH水平下降,PSO增加2H(H)()根据我们的假设().
饮食限制延长寿命是由于蛋白质过硫化增加所致
最近的研究表明,饮食限制(DR)会增加内源性H2S生产(Hine等人,2015年;Mitchell等人,2016年)这种增加与多种益处有关,包括延长不同物种的寿命。然而,H2S对灾难恢复益处的贡献仍然很差。我们测试了DR通过增加蛋白质过硫化部分增加寿命的假设。我们从开始秀丽线虫通过使用吃-2DR的遗传模型比N2对照组吃得少,寿命长。附加删除cth-1型或最大功率标准-3缩短了吃-2突变恢复到控制水平(). 有趣的是,这与这些蠕虫的总PSSH池非常一致;吃-2突变体的PSSH水平大约是N2的3倍,而双突变体的PSSH水平接近或甚至低于N2(). 此外,2-脱氧-D-葡萄糖(DOG)处理野生型N2蠕虫诱导的寿命延长在cth-1型和mpst-3型突变体().
接下来,我们观察了喂食7个月和20个月大的C57BL/6J小鼠随意(AL)或从2个月大开始每天限制30%的热量(CR)。肝脏过硫水平随着年龄的增长而下降,但与AL相比,这两个CR组的过硫水平更高().
考虑到葡萄糖和胰岛素耐受性受年龄影响(Fink等人,1983年)我们已经观察到过硫化是胰岛素信号传导的一个组成部分()我们监测了受攻击的年轻和老年雄性小鼠(2月龄和12月龄)的PSSH变化i.p公司.葡萄糖注射液。老年小鼠的过硫化程度降低,H降低2产S酶(图S6E)很明显。在接受葡萄糖治疗的幼鼠的肌肉组织中观察到过硫化的峰值,但在12个月大的动物中观察到了过硫化的峰()表明随着年龄的增长,过硫化能力的丧失也会影响胰岛素信号传导,CR对葡萄糖负荷的有益影响(Fontana等人,2010年)部分原因可能是过硫化增加。
最后,我们测试了增加过硫化物水平的药物干预是否可以延长寿命。我们选择测试FDA批准的治疗药物硫代硫酸钠,它不释放H2S本身,但表现出与H相似的有益效果2S公司(Snijder等人,2015年). 我们观察到,用硫代硫酸盐、TST或两者都处理细胞裂解液会使过硫化水平增加数倍(图S6F).秀丽线虫在添加1 mM硫代硫酸盐的培养基上生长,显示出较高的过硫化水平()因此,我们决定测试它对寿命的影响。事实上,在添加1 mM硫代硫酸盐的培养基上生长的蠕虫的中位寿命显著增加(约15%)().
讨论
dimedone开关法的通用性和选择性
通过结合商用和特性良好的化学品,我们的新型dimedone开关方法是一种简单、通用和稳健的方法,用于选择性标记蛋白质过硫化物,从而能够在蛋白质上安装各种基团,并使用各种检测方法。此外,我们的化学方法允许对可通过过硫化控制的代谢途径进行大规模分析,并识别新的氧化还原开关。基于dimedone的探针的多功能性也允许通过质谱以位点为中心识别和定量过硫化物,就像蛋白质磺酰化一样(Yang等人,2014年). 通过CuAAC安装不同的荧光团以及显微镜分析中几乎无法检测到的非选择性背景也有可能进一步探索组织切片中的蛋白质过硫化。最后,使用简单的凝胶内检测可以避免与柱分离和蛋白质印迹转移相关的所有问题,这些问题通常用于其他过硫化物检测方法。
过硫化是H的组成部分2O(运行)2信号或/和作为拯救半胱氨酸的进化保守途径
当生命在H中出现时2富硫环境(奥尔森和斯特劳布,2016年)在广泛辐射的条件下,水的光解形成ROS(Liang等人,2006年)保护半胱氨酸残基是必要的。过硫化物的形成是最简单的答案。在过硫化物中,硫原子被氧化,但同时硫被脱质子和高度亲核,ROS的还原速度比相应的硫氧化物快至少一个数量级(Cuevasanta等人,2015年;Filipovic等人,2018年). 换句话说,当半胱氨酸被氧化形成过硫化物时,它同时形成一种强还原剂。
H(H)2O(运行)2现在被广泛认为是一种信号分子(2007年杜特雷和托莱达诺;Holmström和Finkel,2014年;Yang等人,2014年). 已经发现大约1000个半胱氨酸位点被磺酰化,这就提出了如何拯救这些位点的问题。在我们的研究中,在磺酰化后观察到过硫化波,作为对RTK激活的响应,证实过硫化是RTK信号传导的一个组成部分。最近的一项研究表明,大量蛋白质也会进一步氧化为亚硫酸(Akter等人,2018年). 我们的结果表明,没有H2S/过硫化蛋白质即使在H2O(运行)2在正常细胞中不引起变化的浓度。这个被忽视的现象质疑了H是否在哪个浓度范围内2O(运行)2作为不含H的信号分子2秒。
我们证明,随着细胞年龄的增长,由于H的丢失,其过硫化水平降低2S产生酶。与ROS反应,过硫化物将形成S公司-我们发现硫氧还蛋白可以很容易地将磺酸盐还原为硫代酯(). 这种用于保存蛋白质中半胱氨酸残基并防止其功能丧失的拯救环可能是一种进化残余物,在所有生命形式中用作一般保护机制。最能证明这一点的是,低PSSH水平的不同生命形式对氧化应激源的敏感性增强,以及一旦细胞内PSSH池增加,即使通过短期预处理H2S捐赠者。这种统一机制解释了DR的有益作用,已知DR会导致H2S生产过剩(Hine等人,2015年)以及蛋白质过硫化的药理学增加导致的寿命延长。因此,我们的结果进一步加强了ROS衰老理论(Redman等人,2018年).
值得一提的是,除了一般的保护外,特定蛋白质的过硫化还可能导致其功能的改变(Filipovic等人,2018年;保罗和斯奈德,2015年;Vandiver等人,2013年)正如我们观察到的MnSOD的情况,其活性在过硫化后保持不变。DR可能导致ROS减少(Redman等人,2018年)也可能部分与ROS去除酶的更好活性有关。
除衰老外,蛋白质过硫化的一般保护作用也可能转化为许多其他疾病状态。HD和神经退行性变与CSE表达密切相关,通过药物干预提高CSE水平,如莫能菌素治疗,显示出良好的治疗效果(Paul等人,2014年;Sbodio等人,2016年,2018). 我们的研究报告显示,HD细胞中的过硫减少以及通过上调CSE表达而增加的PSSH水平可以对此提供一般性解释。总的来说,我们的数据为微调靶向治疗方法以提高健康寿命和寿命提供了一个良好的起点。
研究的局限性
在这项研究中,我们报告了一种新的化学选择性方法来标记蛋白质过硫化及其广泛的适用性。我们证明过硫化具有保护作用,可将半胱氨酸从过氧化中解救出来。然而,这种修改在多大程度上只是保护性的,还是监管性的,目前尚不清楚。定量、以位点为中心的蛋白质组学分析结合过硫化蛋白质的代谢组学和靶向结构分析,将阐明这种翻译后修饰的功能影响。
此外,H的交织性质2O(运行)2和H2我们的工作中描述的S信号值得进一步调查。我们证明这是受体酪氨酸激酶信号传导的情况,但H2O(运行)2信号转导与许多其他生理过程有关。H的作用2为了将PSOH/PSSH开关定位在信号方案中的全局位置,仍需进一步研究这些路径中S通过过硫化的情况。
最后,我们证明过硫化物会随着年龄的增长而减少,增加过硫化物的药物或饮食干预可以延长寿命。如何和为什么H2产硫酶随着年龄的增长而减少,以及过硫化增加与寿命甚至健康寿命延长相关的确切机制仍有待了解。然而,我们在这里描述的dimedone开关方法允许我们进一步挖掘这些似乎只是更清晰画面的开始的过程。