線粒體硫化物氧化關鍵酶硫雙加氧酶研究進展

張立濤

(濟寧醫學院生物科學學院，山東 日照 276862)

·博士論壇·

線粒體硫化物氧化關鍵酶硫雙加氧酶研究進展

張立濤

(濟寧醫學院生物科學學院，山東 日照 276862)

張立濤，男，漢族，1987年7月出生于山東省臨沂市。2014年6月畢業于中國海洋大學海洋生命學院細胞生物學專業，獲博士學位，主要定位于單環刺螠硫化物代謝分子機制方面的研究。2014年8月到濟寧醫學院生物科學學院工作。目前以第一作者發表SCI文章2篇，分別發表在“PloS One”和“Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom”，累計影響因子4.554。

硫雙加氧酶在線粒體硫化物氧化過程中催化過硫化物、氧氣和水反應形成亞硫酸鹽，其功能喪失會導致體內硫化物積累產生多種疾病。本文通過對國內外文獻的研究分析對硫雙加氧酶的基因結構特征，催化活性和催化機制等進行了全面的綜述，為進一步研究硫雙加氧酶和拓展人們對硫化物代謝分子機制提供了有價值的參考。

硫雙加氧酶；線粒體；硫化物氧化

硫化物是H2S，HS-和S2-的統稱。由于硫化物與細胞色素aa3血紅素卟啉環鐵離子的可逆性結合進而阻止氧氣與其結合[1]；此外高濃度的硫化物可以導致細胞色素氧化酶構象的不穩定和亞基的降解[2]；因此，硫化物能夠破壞線粒體氧化呼吸鏈中電子傳遞，抑制ATP的產生。所以最初人們認為硫化物是生物體的一種有毒物質，然而最近發現生物體內可以產生內源性的硫化物[3]，能調節生物體的一系列活動[4]。線粒體硫化物氧化幾乎存在于從無脊椎動物到脊椎動物所有的動物體內，被認為是調節生物體內硫化物濃度的關鍵通路[5]。

1 硫雙加氧酶在線粒體硫化物氧化中的功能

圖1 線粒體硫化物氧化的兩種模型

2 硫雙加氧酶的基因結構功能研究進展

2.1 硫雙加氧酶基因的發現

在線粒體硫化物氧化模型最先提出時，硫醌氧化還原酶和硫轉移酶都已經確定為哪個基因編碼的，而硫雙加氧酶只是在組織總蛋白中檢測到其催化酶活，但是不能確定是哪個基因編碼的[8]。2009年Tiranti等首先確定在人體中確定基因ETHE1(ethylmalonic encephalopathy 1)編碼的蛋白質行使硫雙加氧酶的功能[12]。這個基因最先是2002年在肝癌細胞消減文庫中發現表達量明顯升高，并且能夠與NF-κB相結合抑制細胞凋亡的一個新基因，當時被命名為HSCO(hepatoma subtracted-cDNA library clone one)；2004年發現HSCO基因的突變能夠導致乙基丙二酸腦病變(ethylmalonic encephalopathy)，因此將該基因重命名為ETHE1，并確定是位于人染色體19q13上的一個編碼線粒體蛋白基因[11]；之后該團隊又發現在乙基丙二酸腦病變的病人體內和ETHE1基因敲除的小鼠體內均不能檢測到硫雙加氧酶的活性；而在大腸桿菌和Hela細胞中過表達ETHE1基因時，硫雙加氧酶的活性明顯增加，最終確定ETHE1蛋白就是硫雙加氧酶[12]。在ETHE1基因敲除的小鼠中還發現肌肉、腦和結腸黏膜中存在嚴重的細胞色素c氧化酶缺陷[2]，機體還將出現持續性的神經損傷、出血性腦損傷、慢性出血腹瀉、血管瘀斑和直立性手足發紺等癥狀[14]；而這些癥狀均是由體內高濃度硫化物導致的[15]，這一系列的研究進一步確定ETHE1基因編碼的線粒體蛋白就是硫雙加氧酶，并在人體內線粒體硫化物氧化過程中發揮重要作用。

2.2 硫雙加氧酶的基因和結構特征

硫雙加氧酶的基因目前僅在動物人與單環刺螠和植物擬南芥中有明確的研究[11,16-17]，其他物種均是在其基因組研究中發現編碼硫雙加氧酶蛋白，如牡蠣[18]。硫雙加氧酶屬于金屬β-內酰胺酶超家族成員，含有其代表性序列HXHXDH(圖3中黑框標出)，通常含有兩個金屬結合位點：金屬結合位點I在圖3中以#標出，以單環刺螠為例序列為H113,H115,H169和D188，金屬結合位點II在圖3中以▽標出，其在單環刺螠中的序列為D117,H118,H169和H229，這兩個金屬結合位點共用一個組氨酸。單環刺螠硫雙加氧酶的分段表達實驗驗證，兩個金屬結合位點的重要性不同，結合生物信息學預測證明硫雙加氧酶和β內酰胺酶超家族其他成員不同，雖然含有完整的兩個金屬結合位點，但是金屬離子僅僅結合在第一個金屬位點上，被認為是金屬β內酰胺酶超家族的一個新成員[17]。Pettinati等在2015年解析出人類硫雙加氧酶基因的三維結構，確定唯一的金屬離子Fe2+與氨基酸H79,H135和D154相連，位于金屬結合位點I上，為硫雙加氧酶的催化活性中心，氨基酸163-166和226-232形成一個通道能夠讓活性中心與底物結合[19]。

相同和相似的氨基酸顯示為黑色和灰色，β-內酰胺酶家族的標簽序列用黑框標出，金屬結合位點I以#標出，金屬結合位點II以▽標出。GenBank 注冊號：擬南芥(NP_974018.3)，人(NP_055112.2)，單環刺螠 (AEV92813.1)

2.3 硫化物加氧酶的活性及催化機制

從小鼠肝臟和沙蠋的體壁中純化出的硫雙加氧酶最大比酶活為(0.87 ± 0.04)和(0.85 ± 0.24)U mg protein-1[8]，而體外表達的單環刺螠硫雙加氧酶為比酶活0.80 U mg protein-1[17]。此外擬南芥硫雙加氧酶催化過硫化物的氧化反應其氧氣的消耗率為(7.95 ± 0.71)μmol min-1mg protein-1[16]。對于底物的結合能力，單環刺螠硫雙加氧酶的KM值(82.5 ± 9.9)μM[17]，而人類為(340 ± 30)μM[20]，耐硫生物的Km值明顯低于不耐硫的人類，這從一個側面解釋了單環刺螠能夠耐受硫化物的原因。

根據半胱氨酸雙加氧酶的催化機制[21]以及單亞鐵核心加氧酶的催化機制[22]，Kabil和Banerjee提出了硫雙加氧酶的催化機制(圖4)，在這個機制模型中，活性中心的Fe2+離子與2個組氨酸和1個天冬氨酸相連，剩余的3個位點被水占據(圖4[1])；在催化反應過程中3個水分子被底物過硫化物代替(圖4[2])，并在氧氣的作用下形成Fe3+離子的超氧復合體(圖4[3])；與Fe3+離子結合底物中的硫離子通過共振作用獲得部分正電荷，因此Fe2+超氧復合體恢復(圖4[4])，隨后形成一個環狀的過氧化物中間體(圖4[5])；隨著O-O鍵裂開，形成了硫氧正基團和金屬活性中心結合的活化氧離子(圖4[6])；最后該金屬活性中心結合的活化氧離子傳遞到硫氧正基團，致使后者發生裂解反應，進而形成亞硫酸；由此硫雙加氧酶恢復到初始的狀態，并開始催化新一輪的反應；然而該催化機制還有待于光譜學的研究以進一步驗證[20]。

圖4 硫雙加氧酶的催化機制

3 結語

本文對硫雙加氧酶在線粒體硫化物氧化過程中的功能及硫雙加氧酶基因的發現歷程，基因結構和功能進行了綜述。主要介紹了硫雙加氧酶在線粒體硫化物氧化過程中催化過硫化物和氧氣，水生成亞硫酸，為硫化物氧化過程中必不缺少的一步，并對其基因的結構和蛋白的三維結構進行綜述，并根據其結構推測其催化機制。硫雙加氧酶的研究能夠加深人們對于硫化物代謝通路的認識，拓展人們對硫化物代謝分子機制的認識。此外，硫雙加氧酶的功能異常會導致多種疾病，對于硫雙加氧酶的研究進對于揭示這些疾病的起因以及治療起著重要的意義。

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Advances of sulfur dioxygenase-a key enzyme in the mitochondrial sulfide oxidation

ZHANGLitao

(Department of Biological Sciences,Jining Medical University,Rizhao 276826,China)

In the mitochondrial sulfide oxidation,the function of sulfur dioxygenase (SDO) is to oxidize persulfide to sulfite using O2and H2O.The loss of its function results in the accumulation of sulfide in vivo,which leads to many diseases.This paper reviews the SDO gene characteristics,SDO catalytic activity and catalytic mechanisms,which is willing to offer valuable references for the further study of SDO and extensional understanding of sulfide metabolism mechanisms.

Sulfur dioxygenase;Mitochondria;Sulfide oxidation

10.3969/j.issn.1000-9760.2015.02.002

Q55

A

1000-9760(2015)04-082-04

2015-04-12)