气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展.pdf

生物技术进展生物技术进展 2023 年 第 13 卷 第 4 期 499 508Current Biotechnology ISSN 20952341进展评述进展评述Reviews气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展李骏，宋怡菲，仪杨，马晨，张黄子怡，杜琳琳，李峻宇，谢飞*，马雪梅*北京工业大学环境与生命学部，北京 100124摘要：气体信号分子包括一氧化氮、一氧化碳和硫化氢等，在调节血管扩张、神经传递、血小板凝集、免疫、细胞增殖和线粒体呼吸等生理过程中起着至关重要的作用。已有研究表明细胞中的血红素蛋白是气体信号分子的主要受体之一，它们都有共同的辅因子血红素。血红素由4个吡咯类亚基组成的环状结构，中心螯合了1个亚铁离子的基团，是血红蛋白、肌红蛋白、过氧化物酶、细胞色素等蛋白质的辅基，中间的亚铁离子可以和气体信号分子配位结合，广泛地参与生物体内各项生理活动。对气体信号分子作用的血红素蛋白种类以及下游通路进行了综述，以期为深入研究其作用机制提供参考。关键词：血红素蛋白；一氧化氮；一氧化碳；硫化氢；氢气DOI：10.19586/j.20952341.2023.0044 中图分类号：Q51 文献标志码：AResearch Progress on Heme Protein Targets of Gas Signaling MoleculesLI Jun，SONG Yifei，YI Yang，MA Chen，ZHANGHUANG Ziyi，DU Linlin，LI Junyu，XIE Fei*，MA Xuemei*Faculty of Environment and Life，Beijing University of Technology，Beijing 100124，ChinaAbstract：Gas signaling molecules，including nitric oxide，carbon monoxide，and hydrogen sulfide，play crucial roles in regulating physiological processes such as vasodilation，neurotransmission，platelet aggregation，immunity，cell proliferation，and mitochondrial respiration.Studies have shown that heme protein in cells is one of the main receptors of gas signal molecules，and they all have the same cofactorheme.Heme is a ring composed of four pyrrole subunits，with a center chelating a ferrous ion group.It is a co-group of proteins such as hemoglobin，myoglobin，peroxidase and cytochrome.The intermediate ferrous ion can coordinate and bind with gas signaling molecules，widely participating in various physiological activities of organisms.In this paper，the types of heme proteins and downstream pathways involved in the action of gas signaling molecules were reviewed，with a view to providing reference for further study of their mechanisms.Key words：heme sensors；nitric oxide；carbon monoxide；hydrogen sulfide；hydrogen气体信号分子是由生物体细胞内产生的、具有生物学效应的气态分子1。目前，生物学领域确定的气体信号分子有一氧化氮（nitric oxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）2。最早人们发现NO由乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）刺激内皮细胞释放，可引起大鼠主动脉舒张3。后来人们发现CO也可以像NO一样调节环鸟苷酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）发挥神经递质的作用4。在20世纪90年代，研究人员发现鼠、牛及人大脑中均存在相对高浓度的H2S，在哺乳动物的疼痛机制中发挥作用5-7。此后，气体信号分子广泛的生收稿日期：20230331；接受日期：20230504基金项目：军委后勤保障部开放研究重点项目（BHJ17L018)。联系方式：李俊E-mail:L*通信作者 谢飞 E-mail:；马雪梅 E-mail:生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology理功能研究成为热点，例如，H2S可以调节植物对硫酸盐的代谢8，CO能够抑制动物丝裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activited protein kinases，MAPK）发挥抗炎作用 9，CO氧化可促进细菌的甲烷、乙酸、氢气生成及硫酸盐还原等反应 10。气体信号分子本身不直接参与生理反应，而是负责与相应的受体结合进而引发相应的生理功能。信号分子细胞内的受体种类有很多，包括激酶类、血红素蛋白和转录因子等。血红素蛋白是广泛存在于各种生物体内的一类含有血红素辅基的蛋白质11-12。在结构方面，血红素蛋白由不同结构域组成，其中至少包含一个含有血红素辅因子的输入结构域和参与生物反应的输出结构域。目前发现的所有能够稳定结合血红素的结构域都被证明能够参与信号转导，例如可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）13、血红素与NO结合（heme NO binding，HNOB）14、CO氧化激活剂（CO oxidation activator，CooA）15、血红蛋白（hemoglobin，Hb）、肌红蛋白（myoglobin，Mb）14、过氧化物酶（peroxidase，POD）、细胞色素（cytochrome）16等。在功能方面，血红素蛋白参与调节生物体的血压、生物节律、气体信号分子代谢、休眠、共生、生物膜形成或扩散等（表1）。血红素蛋白结合的血红素辅基是自身的活性中心，中间螯合的Fe2+负责与气体信号分子结合，并对多种气体信号分子作出响应而产生构型变化，进而参与后续的信号转导（表2）17。本文将对气体信号分子作用的血红素蛋白种类以及血红素蛋白如何调控气体信号分子的下游通路进行综述，同时展望了氢分子（hydrogen，H2）作为第4个气体信号分子的可能性，以期为深入气体信号分子机理的相关研究提供参考。表1血红素蛋白参与的相关生理过程Table 1The involvement of heme proteins in related physiological processes蛋白名称CLOCK/BMAL1异源二聚体组氨酸激酶鸟苷酸环化酶血红蛋白、肌红蛋白细胞色素类蛋白参与的生理学过程调节生物体节律调节细菌休眠调控血管内壁压力负责在体内运输氧气负责传递电子，参与生物氧化蛋白分布情况哺乳动物细菌哺乳动物动物动物、植物发挥作用的方式通过蛋白质之间相互作用通过磷酸化的传递通过胞内信使传导信号通过血红素中的铁离子可逆结合通过血红素中铁离子的还原态和氧化态之间的可逆变化表2气体信号分子对血红素蛋白的识别Table 2Recognition of heme protein by gas signal molecules气体信号分子NOCOH2S结合的血红素蛋白鸟苷酸环化酶(sGC)血红素一氧化氮/氧结合蛋白(HNOX)NO敏感蛋白(NosP)sGCCO氧化激活剂(CooA)RcoM胱硫醚合酶(CBS)未发现结合位点血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+血红素中的Fe2+未知如何诱导构象变化2个亚基的催化结构域之间发生了扭转，底物结合口袋打开，并催化GTP形成cGMP引起蛋白质N端半部分的移位，导致HNOX整体的构象发生变化未知2个亚基的催化结构域之间发生了扭转，底物结合口袋打开，并催化GTP形成cGMPN末端经过大的重新定位未知未知未知产生的生理功能激活sGC活性，调节生物体血压调控细菌生物膜形成调控细菌生物膜扩散激活sGC活性激活负责CO氧化的酶转录参与细菌内CO氧化功能抑制CBS活性动物：舒张血管、降低血压；植物：调节气孔运动、促进根的发育、种子萌发、光合作用等500李骏，等：气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展1响应NO的血红素蛋白NO 血红素蛋白是细胞中能够响应 NO 信号的靶点，包括可溶性鸟苷酸环化酶sGC、血红素一氧化氮/氧结合蛋白以及 NO 敏感蛋白（NO-sensing protein，NosP）。1.1可溶性鸟苷酸环化酶1.1.1sGC的结构组成可溶性鸟苷酸环化酶是存在于动物体内的一种基于血液的血红素类蛋白质，在多组织中均可以表达。sGC由2个亚基1和1组成，质量约为80 kD，是一种异二聚体酶，每个酶结合一个血红素分子18。虽然2个亚基的表达具有组织特异性，但是也存在一些序列同源性19-20。从N端开始，2个亚基各自分别为H-NOX（heme nitric oxide oxygen binding）结构域、Per/Arnt/Sim（PAS）结构域、螺旋线圈（CC）结构域和C-末端催化结构域，其中PAS和CC 2个结构域介导1和1相互作用21。1亚基的His105和血红素分子中心的铁离子紧密结合，使1亚基的H-NOX处于失活构象，而1亚基H-NOX的血红素结合口袋被N端螺旋所占据，因此不能结合血红素。通过紫外/可见光谱扫描小鼠的sGC，发现血红素分子结合在1亚基的前194个氨基酸上，其中His105是血红素的配体22，可以响应NO气体信号分子。1.1.2NO影响sGC的构象并激活下游通路NO通过结合sGC中的血红素分子发挥自身的生理学功能。sGC不与NO结合时，血红素中心的Fe处于二价还原状态；当sGC与血液中的NO结合时形成5配位的Fe2+-NO复合物，此时sGC处于激活状态。在sGC中间靠近N端部分有一个近似90的弯曲，这种弯曲构象通过1亚基的H-NOX与PAS及CC结构域复杂的相互作用来保持稳定。在无活力状态下，位于C端的催化模块的底物结合口袋处于关闭状态，底物无法结合。在NO的激活下，1亚基的 His105与血红素中 Fe离子的结合被NO打破，导致1亚基中H-HOX结构域发生了构象变化，其中sGC构成传导模块的CC结构域从直角弯曲螺旋的无活力状态变成了2根完整的伸展螺旋。CC结构域2个螺旋之间还发生了70的相对转动，导致与CC结构域直接相连的催化模块构象变化，即2个亚基的催化结构域之间发生了扭转，底物结合口袋打开，并催化GTP形成cGMP23。激 活 状 态 下 的 sGC 可 以 将 GTP 环 化 为cGMP，而cGMP作为胞内信使激活信号通路下游的生理变化，包括扩张血管、聚集血小板等18，24。血红素与NO的结合十分灵敏，血液当中含有皮摩级的NO就能引起相应的生理过程25。1.2血红素氧化氮/氧结合蛋白1.2.1HNOX结构域的发现研究大鼠的sGC一级结构发现，其与细菌中一个血红素蛋白家族的一级序列具有15%40的相似性26，该家族包括真核生物sGC以及来自细菌基因组的数百个预测开放阅读框（open reading frame，ORF）。已有研究证明，无毒浓度的NO可以调节细菌的生理生化过程进而引发细菌相关的行为发生改变，因此早期将他们命名为HNOB。随着研究的深入，研究者发现这些细菌血红素结构域的长度约为190个氨基酸，并且有几个绝对保守的氨基酸。因此，人们推测在细菌当中也会存在着和动物体内相似的血红素蛋白。此后，H-NOX作为广泛存在的基于血红素的细菌NO受体家族27，逐渐走进人们的视野。1.2.2HNOX结构域的组成最早被结晶且得到原子水平结构的H-NOX结构域来自嗜热厌氧杆菌，分辨率为1.7 28。嗜热厌氧杆菌的H-NOX家族是由7个-螺旋和1个四股反平行片组成的蛋白质。蛋白的 N-末端区域由 5个螺旋组成（A-D和G），位于血红素的远端；C-末端区域位于血红素的近端，由片、F螺旋和单圈的螺旋E组成29。H-NOX结构域除了与血红素结合的His外，还有Tyr135、Ser137、Arg139组成的YxS/TxR基序以及距离C末端约10个氨基酸的Pro，它们均是保守的。其中，YxS/TxR基序和Pro残基目前被认为对维持家族中独特的血红素结构很重要。另外，与真核生物不同的是，由于Pro的挤压作用，导致其中的血红素发生了扭曲30-31。1.2.3HNOX结构域对NO的响应H-NOX结构域在响应气体信号分子时，血红素中的Fe2+与His结合形成Fe-His键。NO可以与His竞争结合Fe2+，在 NO与 Fe2+结合时，Fe-His发生断裂，导致血红素产生畸变，其中Fe从组氨酸端移向血红素的远端，血红素中吡咯环在平面上方向血红素口袋的远端移动，连同其连接的丙酸基团一起，通过吡咯环与 A的相互作用，引起蛋白质 N端部分的移位，进而导致H-NOX整体的构象发生变化，最终催化下游的相关信号蛋白。501生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology不同的细菌体内下游信号也不完全相同，有部分兼性需氧细菌编码的H-NOX结构域与环状di-GMP合成酶和磷酸二酯酶位于同一操纵子中。这些酶被称为H-NOX依赖的环状di-GMP加工酶（H-NOX-associated cyclic-di-GMP processing enzyme，HaCE），其中环状 di-GMP是细菌中调节生物膜形成的第二信使分子。另一部分细菌中的二鸟苷酸环化酶（diguanylate cyclase，DGC）、磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）则是分开表达的。细菌通过这些酶来调节环状di-GMP的产生，最终影响细菌生物膜的形成26（图1）。1.3NO敏感蛋白（NOsensing protein，NosP）1.3.1NosP结构域的发现在大部分细菌中都存在 H-NOX 结构域，但也有部分不编码 H-NOX结构域的细菌仍然能对低浓度的NO作出群体感应和生物膜形成等生理反应，例如铜绿假单胞菌，这说明存在其他的NO感受机制32。随着研究深入，这种新的NO结合蛋白被鉴定出来，将其命名为 NO 敏感蛋白（NosP）。目前已经鉴定出含有NosP的细菌如表3。目前，NosP结构域属于一个未表征的蛋白质家族，以最早发现的铜绿假单胞菌NosP为例，其大小为 42 kD。可见光内的吸收峰在 413 nm，而真核生物中的血红素蛋白通常在403 nm处有吸收峰，例如辣根过氧化物酶。与sGC不同的是，在NosP中检测到的血红素却是扭曲的。目前已知的所有NosP在N末端与一个血红素结合，并检测到和它配位的组氨酸33，遗憾的是并没有解析NosP的三级结构。在一级结构水平上，NosP由N端和C端的FIST（F-box和细胞内信号转导）2个结构域组成。1.3.2NosP 对 NO 的响应NosP 定位在细胞溶胶中。NO通过自由扩散方式跨膜进入细胞，与NosP的铁离子配位，导致NosP构象变化，使NosP依赖的组氨酸激酶（histidine kinases，NahK）自磷酸化增加，NahK将磷酸盐转移下游的环状di-GMP代谢反应调节因子（cyclic-di-GMP metabolizing response regulator，NarR）。磷酸化的 NarR 表现出DGC降低和PDE增加的活性，DGC催化GTP形成环状 di-GMP 过程被抑制；PDE 催化环状 di-GMP形成5-磷酸鸟苷基-（3，5）-鸟苷 5-phosphoguanylyl-（3，5）-guanosine，pGpG，最终导致环状di-GMP的降低，使细菌中生物膜扩散（图2）32。2响应CO的血红素蛋白2.1sGC本节主要讨论 sGC 对 CO 的响应以及与 NO响应的区别。图1细菌生物膜形成的调控途径26Fig.1Regulatory pathways for bacterial biofilm formation26表3目前已知含有NosP的细菌种类Table 3Currently known bacterial species containing NosP细菌名称铜绿假单胞菌霍乱弧菌希瓦氏菌嗜肺军团菌拉丁文名Pseudomonas aeruginosaVibrio choleraeShewanella oneidensisLegionella pneumophilaNosP种类1211氨基酸数目387405/395395388结合血红素数目11/111是否含有HNOX否否否是图2嗜肺军团菌、霍乱弧菌体内NosP对NO的信号转导通路32Fig.2Signal transduction pathway of NosP to NO in Legionella pneumophila and Vibrio cholerae32502李骏，等：气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展2.1.1CO影响sGC的构象并激活下游通路sGC不但能够对 NO 作出响应，也是 CO 的靶点。CO在生物体内主要通过激活sGC升高cGMP来介导效应。在哺乳动物体内，CO也通过激活sGC来发挥和NO类似的生理功能，例如降血压、聚集血小板等。CO未与亚铁血红素 Fe2+结合前，Fe2+突出于卟啉环外以高自旋形式存在；当CO与Fe2+结合时，Fe2+以低自旋结构进入卟啉环面内，构型变化与NO是一致的34，sGC的主体结构改变被激活，从而促进cGMP水平升高。2.1.2CO和NO对sGC构象的区别CO与NO对sGC构象影响仅有小部分是不同的。通过对比NO和CO 2种气体对sGC H-NOX结构域的影响，发现NO通过形成5配位Fe-NO键状态，然后血红素中Fe-His键发生断裂，形成激活的sGC，而CO与Fe2+形成6配位化学键，NO血红素铁位移为0.20.3，CO结合时铁位移为0.80.9，推测可能是由于碳原子的半径相比氮原子更大，这也解释了为什么CO对血红素辅基的亲和力要低于NO。此外，在与CO结合的同时，sGC的血红素发生枢转，将丙酸基团保持在吡咯环上。与CO不同的是，NO通常以一定角度与血红素结合，而CO更倾向于垂直于血红素平面结合。这说明CO由于碳原子半径更大的缘故，比NO对sGC构象的影响更大，通常变化有以下几点：残基的His105及其相邻残基会移位；由于肽链与血红素的丙酸盐相互作用，H-NOX结构域的肽链会与血红素有相对滑动。此外，Glu41附近的侧翼肽链也有约0.5 的位移。最后，由于血红素的转移，Phe112附近的区域变成了无序状态，最终打开底物结合域。2.2CO 氧化激活剂（CO oxidation activator,CooA）CooA蛋白家族是一类含血红素的原核CO感应转录因子，它负责激活一系列有关 CO氧化的酶，其Km值约为1 mol L-1 35。人们最早在深红红螺菌（Rhodospirillum rubrum）时发现并确定了它的结构。2.2.1CooA结构域的组成CooA蛋白家族是含有2个血红素的同源二聚体蛋白，由A、B 2条单链构成。每个单体具有N端血红素结合域和C端DNA结合域，该结构域包含经典的螺旋-转-螺旋DNA 结合基序36。在无 CO 结合状态下，单体 A链的N末端Pro2与单体B链的血红素配位，反之相同。同之前提到的血红素受体蛋白一样，CooA的血红素也会与自身亚基的His77配位结合。2.2.2CooA对CO的响应CO与CooA中血红素结合，通过改变DNA结合结构域使其重新定向导致被激活，进而识别特异性的DNA。CooA对CO具有微摩尔亲和力，仅当其血红素中存在Fe2+时才能够与 CO 结合，而氧化的 CooA 对 CO 没有作用37。CooA处于关闭状态时，单体A链的N末端与单体B链的血红素铁配位；在打开状态下，由于空间的排斥作用，N末端与血红素结合的Pro配体发生分离，并移动了约20，从而使CO能够结合 38。释放的N末端经过重新定位15，在血红素结合结构域和DNA结合结构域之间形成了一个桥梁，可以成功将DNA结合结构域稳定在与特定DNA结合所需的方向上，并通过CooA和RNA聚合酶之间的接触激活一系列负责 CO 氧化的酶发生转录39。此外，血红素也收紧了与CO结合的口袋，保证了CO的稳定结合。2.3CO代谢调节因子通过基因组分析推测存在不同于CooA的CO感应细菌转录调节因子。随后在能够氧化CO的异养需氧细菌伯克霍尔德菌中发现了第二类基于血红素的CO代谢调节因子（regulator of CO metabolism，RcoM）40。遗憾的是目前还没有关于RcoM空间构型的报道，所以我们在这里只讨论RcoM已经确定的结构情况以及如何对CO作出响应。RcoM是在细菌中发现的第二类基于血红素的CO反应转录调节因子，且与CooA没有同源性。在伯克霍尔德菌（Burkholderia xenovorans）中首先鉴定到RcoM，该蛋白是由2种高度同源的血红素蛋白RcoM-1和RcoM-2组成的同源二聚体35。每个单体都含有一个血红素结合PAS结构域和一个DNA结合的 LytTR结构域，这 2个结构域非常保守41。通过研究该蛋白的突变体，发现PAS结构域残基 His74 和 Met104 充当血红素 Fe2+的配体，Met104在与气态效应物结合时发生位移 42。RcoM-1对CO有着非常高的亲和力，但是对DNA的亲和力不强，RcoM-2则与之相反43。据此推测，对于RcoM-1蛋白而言，高CO亲和力与低DNA亲和力共同构成了一个转录“积累开关”，可以感知较低但持久的CO水平。2种RcoM在体内作为CO的受体蛋白，参与细菌内的CO氧化功能。目前，已经在不同的细菌体内鉴定出了13种RcoM（表4），503生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology它们均参与细菌体内CO的有氧或无氧代谢。2.4胱硫醚合酶（cystathione synthase,CBS）2.4.1CBS 的结构CBS 主要在大脑细胞中表达，定位于细胞溶胶，质量约为63 kD，由551个氨基酸组成，是一种同源四聚体44。CBS也是一个血红素蛋白，属于磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate，PLP）依赖酶的蛋白家族。目前，已经被鉴定出的CBS多达20万种，每个亚基包括一个血红素结合域、一个催化结构域和一个调节结构域（AdoMet）45。每个亚基分别与一个血红素和一个PLP相结合，是一种广泛存在于动物和微生物体内参与硫代谢调节的酶46。辅因子血红素结合在血红素结合域，位于N端约前 70个氨基酸，其中 Cys52和 His65负责结合血红素；催化结构域是高度保守的，位于第40413个氨基酸，结构域中Lys119与PLP相结合，负责结合丝氨酸与同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）作为底物合成胱硫醚、水和H2S47；AdoMet位于C端末尾的140个氨基酸，对形成四聚体蛋白以及酶的活化有重要的作用，同时也是CBS的变构激活剂。2.4.2CO影响CBS的活性有证据显示，CBS的血红素并不参与催化反应过程，但是血红素中Fe离子的价态可以影响酶活性。在CO作用下与亚铁血红素结合对酶活性产生负调节作用。当外源CO与Fe2+配位结合，亚基中Cys52与血红素分离，形成了亚铁CBS的特定6配位结构，并抑制其酶活性48-49。2.5其他CO感受器在生物体内对于CO的识别也不仅仅只有这几种蛋白。以动物为例，血红素类蛋白有很多类别：第一类是部分含有血红素的结构蛋白，例如血红蛋白、肌红蛋白，它们可以利用血红素转运、储存氧气50；第二类是以血红素为辅基的酶，负责转移电子，或者催化氧化、分解、脱水、异构等各种化学反应，如血红素加氧酶（heme oxygenase，HO）、一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）、过氧化物酶、细胞色素C（cytochrome C）、细胞色素P450（cytochrome P450）等16，51-53。它们参与生物体内各种各样的生理反应，尤其涉及电子转移类的氧化还原反应。CO作为可以和血红素Fe2+配位的气体信号分子，可以与相关的蛋白结合进而影响生物体的生理功能54。表5列出了CO对相关血红素类蛋白的结构及功能的影响。3响应硫化氢（H2S）的血红素蛋白传统上被称为有毒气体的 H2S 是继 NO、CO发现的第3个气体信号分子55。它在哺乳动物、鱼类和无脊椎动物体内，都可以生成内源性H2S气体，并且可以通过作用于靶蛋白来调节生物过程，发挥类似神经递质的中枢调节作用5。表4目前已经报道的RcoMTable 4Currently reported RcoM名称艾氏碱菌异种伯克霍尔德菌皮氏地杆菌硫还原土杆菌还原铀地杆菌甲醇假单胞菌茎瘤固氮根瘤菌自养黄杆菌磁性磁螺菌格瑞菲斯瓦尔德磁螺菌磁螺菌深红红螺菌拉丁文名Alcinella ehrlicheiBurkholderia xenovoransGeobacter sp.strain FRC32Geobacterium sulfurreducensG.uraniumreducensPseudomonas carbinolinicusAzorhizobium caulinodansXanthobacter autotrophicusMagnetospirillum magneticumMagnetospirillum magnetotacticumMagnetospirillum gryphiswaldenseRhodospirillum rubrum呼吸类型需氧需氧厌氧厌氧厌氧厌氧需氧需氧兼性厌氧兼性厌氧兼性厌氧厌氧含有RcoM的种类121111111111生理功能参与CO氧化功能参与CO氧化功能参与CO氧化功能参与CO氧化功能参与CO氧化功能参与CO氧化功能功能未知功能未知功能未知功能未知功能未知功能未知504李骏，等：气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展到目前为止，尚未发现H2S具有生物效应的单一蛋白靶点，但存在较多H2S间接调控血红素蛋白的证据（表6）。例如，H2S与细胞色素C氧化酶的相互作用与激活ATP钾敏感通道、调节肌肉松弛有关56。H2S对细胞色素C氧化酶的抑制也与诱导类似冬眠的状态有关。尽管H2S可能通过与血红素蛋白相互作用来诱导各种反应，但由于目前缺少结构研究导致这些相互作用的基础机制尚不清楚。值得注意的是，硫醌氧化还原酶（sulfide-quinone oxidoreductase，SQR）能够不可逆地氧化H2S。已有研究发现，SQR介导了H2S氧化驱动线粒体复合物处的反向电子传输（reverse electron transport，RET），这个过程将电子进行反向运输，由线粒体基质运输至膜间空间，促进线粒体产生超氧化物。此外，RET也可以诱导超氧化物依赖性线粒体解偶联和下游腺苷激活蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的激活，因此推测SQR是H2S的一个直接作用靶点 57，但遗憾的是SQR并不是血红素类蛋白。生理浓度的H2S可直接或与NO协同舒张血管、降低血压58，对心脏具有负性肌力作用59。在植物中，H2S可以调节气孔运动，促进根的发育、种子萌发、光合作用等60-62。此外，细菌体内也对H2S有相应的反应，例如用作光合作用和呼吸的电子供体，细菌体内的醌氧化还原酶、过硫酸盐双加氧酶等也是H2S的同化和解毒途径63。4展望不同的生物体自身受体蛋白并不相同，虽然感知气体最直接的结构是血红素中的Fe2+，但血红素包括很多蛋白质，特别是酶类的辅基，因此不表6H2S对相关血红素类蛋白功能的影响Table 6Effects of H2S on the function of related heme proteins蛋白名称血红蛋白肌红蛋白细胞色素C血红蛋白I(来自蛤蜊Lucina pectinata)结构组成2个亚基和2个亚基组成异二聚体球形/单条肽链球形/单条肽链二聚体结合血红素数4122生理功能运输生物体内氧气和二氧化碳细胞内储存和分配氧气在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链，传递电子与H2S结合并将其运输到硫化物氧化自养细菌上，以维持共生关系并保护软体动物免受H2S毒性H2S作用产生硫血红蛋白复合物，与降解H2S有关产生硫肌红蛋白复合物，与降解H2S有关低浓度（1 mol）可以刺激氧气消耗，高浓度抑制细胞色素C功能可以作为与蛤蜊体内共生细菌的能量来源表5CO对相关血红素类蛋白功能的影响Table 5Effects of CO on the function of related heme proteins蛋白名称血红蛋白肌红蛋白血红素加氧酶1一氧化氮合酶细胞色素C细胞色素P450结构组成2个亚基和2个亚基组成异二聚体球形/单条肽链单条肽链二聚体球形/单条肽链单条肽链结合血红素数411111生理功能运输生物体内氧气和二氧化碳细胞内储存和分配氧气负责生物体内血红素分解的诱导酶，并产生CO在体内催化L精氨酸生成NO在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链，传递电子参与生物合成和许多生理有效物质的代谢CO作用与氧气竞争血红素的结合位点，使血红蛋白失去运输氧气的能力与氧气竞争影响肌细胞内供氧未知通过钙和磷脂酰肌醇3激酶/Akt机制激活一氧化氮合酶抑制细胞色素 C功能，直接抑制细胞内呼吸抑制细胞色素P450活性505生物技术进展生物技术进展 Current Biotechnology同的蛋白构象产生的变化也不同，这也解释了气体信号分子生理作用的多样性。有研究表明，氢分子也可以和血红素中的Fe2+结合生成氢化血红素64，而氢分子也具有广泛的生理功能，例如抗炎65、降低血压、减轻再灌注损伤等66-68，因此有人推测氢分子可能是第4个人们发现的气体信号分子。但是目前人们还没有在哺乳动物的体内检测到产生氢气的氢化酶，已发现的内源性氢气都是由体内肠道当中的微生物产生的69，所以氢分子是否作为一种气体信号分子还有待进一步研究。目前为止，绝大部分的信号分子受体都是在动物或原核生物内发现的，对于植物而言，大部分关于气体信号分子的研究都停留在生理的宏观水平，鉴定到植物内的靶点对于植物的生理研究有重要的意义。气体分子具有独特的理化性质和特殊的信号转导方式，例如分子体积小、可以自由扩散、不依赖对应的膜受体等，这为调节生理活动及代谢提供了新的思路。目前来说，气体信号分子大部分的生理功能都已经研究清楚，但作为气体信号分子的部分受体血红素蛋白的结构研究较少，尤其是结合气体分子后的构象如何变化方面。期望随着研究的深入，可以彻底在原子水平上揭示气体信号分子的作用机制。参考文献 1 WAREHAM L K,SOUTHAM H M,POOLE R K.Do nitric oxide,carbon monoxide and hydrogen sulfide really qualify as gasotransmitters in bacteria?J.Biochem.Soc.Trans.,2018,46(5):1107-1118.2 CUI Q,YANG Y,JI N,et al.Gaseous signaling molecules and their application in resistant cancer treatment:from invisible to visibleJ.Future Med.Chem.,2019,11(4):323-336.3 DE PAULA T D,SILVA B R,GRANDO M D,et al.Relaxation induced by the nitric oxide donor and cyclooxygenase inhibitor NCX2121 in renal hypertensive rat aortasJ.Eur.J.Pharm.Sci.Off.J.Eur.Fed.Pharm.Sci.,2017,107:45-53.4 KASHFI K.Carbon monoxide in cell signaling and potential therapeuticsJ/OL.Biochem.Pharmacol.,2022,204:1152312022-08-19.https:/doi.org/10.1016/j.bcp.2022.115231.5 SHAN H,QIU J,CHANG P,et al.Exogenous hydrogen sulfide offers neuroprotection on intracerebral hemorrhage injury through modulating endogenous H2S metabolism in miceJ/OL.Front.Cell.Neurosci.,2019,13:3492019-08-07.https:/doi.org/10.3389/fncel.2019.00349.6 YANG S Q,JIANG L,LAN F,et al.Inhibited endogenous H2S generation and excessive autophagy in hippocampus contribute to sleep deprivation-induced cognitive impairmentJ/OL.Front.Psychol.,2019,10:532019-01-24.https:/doi.org/10.3389/fpsyg.2019.00053.7 KULKARNI-CHITNIS M,MITCHELL-BUSH L,BELFORD R,et al.Interaction between hydrogen sulfide,nitric oxide,and carbon monoxide pathways in the bovine isolated retinaJ.AIMS Neurosci.,2019,6(3):104-115.8 AUSMA T,DE KOK L J.Atmospheric H2S:impact on plant functioningJ/OL.Front.Plant Sci.,2019,10:7432019-06-11.https:/doi.org/10.3389/fpls.2019.00743.9 LIN C C,YANG C C,HSIAO L D,et al.Heme oxygenase-1 induction by carbon monoxide releasing molecule-3 suppresses interleukin-1-mediated neuroinflammationJ/OL.Front.Mol.Neurosci.,2017,10:3872017-11-20.https:/doi.org/10.3389/fnmol.2017.00387.10 MENDES S S,MIRANDA V,SARAIVA L M.Hydrogen sulfide and carbon monoxide tolerance in bacter