Suppression of mitochondrial respiration by hydrogen sulfide in hibernating 13-lined ground squirrels

硫化氫對(duì)冬眠 13 線地松鼠線粒體呼吸的抑制

來(lái)源：Free Radical Biology and Medicine 169 (2021) 181–186

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究揭示硫化氫（H?S）在13紋地松鼠冬眠代謝抑制中的關(guān)鍵作用：

 

冬眠深眠期（torpor），肝臟線粒體呼吸被H?S顯著抑制，而夏季（summer）和冬眠覺(jué)醒期（IBE）影響微弱。

 

機(jī)制核心：深眠期肝臟硫醌氧化還原酶（SQR）活性降低→H?S降解受阻→H?S蓄積（圖1B）→抑制細(xì)胞色素c氧化酶（Complex IV）（圖1E-F）。

 

 

驗(yàn)證數(shù)據(jù)：深眠期肝臟H?S水平升高（圖1B），離體線粒體H?S氧化速率降低（圖2A-C），SQR活性下降（圖2E）。

 

 

科學(xué)意義：首次提出SQR是調(diào)控冬眠期線粒體功能的關(guān)鍵開(kāi)關(guān)，為哺乳動(dòng)物冬眠代謝機(jī)制提供新視角。

 

2. 研究目的

 

探究H?S是否參與冬眠代謝抑制及其分子機(jī)制：

 

量化冬眠不同階段（深眠期torpor、覺(jué)醒期IBE、夏季）血漿/肝臟H?S水平變化。

 

驗(yàn)證H?S對(duì)離體線粒體呼吸的抑制作用及階段特異性。

 

解析SQR活性調(diào)控與H?S代謝的關(guān)聯(lián)性。

 

3. 研究思路

 

采用多階段對(duì)照策略：

 

動(dòng)物模型：13紋地松鼠分三組——夏季活躍期、冬眠深眠期（Tb≈5℃）、冬眠覺(jué)醒期（Tb≈37℃）。

 

體內(nèi)H?S檢測(cè)：

 

單溴二胺熒光法（HPLC）測(cè)血漿/肝臟生物可利用H?S（圖1A-B）。

 

離體線粒體功能：

 

Oxygraph-2K呼吸儀測(cè)H?S對(duì)呼吸的抑制（圖1C-F）。

 

安培法H?S微傳感器（丹麥Unisense）量化線粒體H?S氧化速率（圖2A-D）。

 

酶活分析：

 

比色法測(cè)SQR活性（圖2E）。

 

4. 測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

（1）關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)源與意義

 

指標(biāo)          數(shù)據(jù)來(lái)源                研究意義

 

血漿H?S水平  圖1A  夏季顯著高于冬眠期（無(wú)季節(jié)差異），提示循環(huán)H?S非代謝抑制主因。

 

肝臟H?S水平  圖1B  深眠期顯著高于覺(jué)醒期/夏季，定位H?S蓄積于肝臟（抑制呼吸關(guān)鍵位點(diǎn)）。

 

線粒體呼吸抑制  圖1C-F  H?S對(duì)深眠期線粒體抑制更強(qiáng)（80%抑制率）、更持久（>70 min），揭示階段特異性。

 

線粒體H?S氧化速率  圖2A-C  深眠期氧化速率最低，依賴完整膜結(jié)構(gòu)（超聲/抗霉素A抑制活性）。

 

SQR活性  圖2E     深眠期活性最低（較夏季降幅顯著），直接關(guān)聯(lián)H?S降解能力下降。

 

5. 核心結(jié)論

 

H?S是深眠期代謝抑制的關(guān)鍵介質(zhì)：

 

肝臟H?S蓄積（深眠期↑）直接抑制Complex IV，降低線粒體呼吸70%。

 

SQR是代謝轉(zhuǎn)換的分子開(kāi)關(guān)：

 

深眠期SQR活性↓→H?S降解↓→H?S蓄積↑→呼吸抑制。

 

覺(jué)醒期/夏季SQR活性恢復(fù)→H?S降解→呼吸正常。

 

調(diào)控機(jī)制：SQR活性可能受翻譯后修飾（如乙酰化）調(diào)控，而非基因表達(dá)（低溫抑制轉(zhuǎn)錄）。

 

6. Unisense電極（安培法H?S微傳感器）的詳細(xì)解讀

 

技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)：

 

原理：基于H?S在電極表面氧化產(chǎn)生的電流信號(hào)（H?S → S? + 2H? + 2e?），實(shí)時(shí)量化H?S濃度變化。

 

靈敏度：可檢測(cè)nM級(jí)H?S，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（如線粒體H?S氧化速率）。

 

研究中的關(guān)鍵作用：

 

量化線粒體H?S氧化能力（圖2A-C）：

 

直接證明深眠期線粒體氧化H?S速率最低（較IBE/夏季↓50%），揭示SQR功能受抑。

 

驗(yàn)證氧化依賴完整線粒體膜（超聲破碎后活性消失）及電子傳遞鏈（抗霉素A抑制）。

 

解析SQR作用機(jī)制：

 

結(jié)合抑制劑實(shí)驗(yàn)（圖2D），確證SQR（位于Complex I下游、III上游）是H?S氧化的核心酶。

 

支撐核心模型：

 

"Unisense微傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)證明，深眠期線粒體氧化H?S的能力下降并非Complex IV敏感性改變所致，而是SQR活性降低導(dǎo)致H?S蓄積的結(jié)果。"（正文）

 

科學(xué)意義：

 

克服傳統(tǒng)終點(diǎn)法局限，首次實(shí)現(xiàn)線粒體H?S代謝動(dòng)力學(xué)的連續(xù)觀測(cè)。

 

為"深眠期SQR活性抑制→H?S蓄積→呼吸抑制"模型提供直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)（圖2F）。

 

注：所有結(jié)論均嚴(yán)格基于文檔數(shù)據(jù)，Unisense電極的核心價(jià)值在于揭示線粒體H?S代謝的動(dòng)態(tài)過(guò)程，推動(dòng)冬眠代謝機(jī)制研究進(jìn)入動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)代。