Hydrogen Sulfide Is a Regulator of Hemoglobin Oxygen-Carrying Capacity via Controlling 2,3-BPG Production in Erythrocytes

硫化氫通過(guò)控制紅細(xì)胞中 2,3-BPG 的產(chǎn)生來(lái)調(diào)節(jié)血紅蛋白攜氧能力

來(lái)源：Oxidative Medicine and Cellular Longevity Volume 2021, Article ID 8877691, 16 pages

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究首次揭示內(nèi)源性硫化氫（H?S） 是紅細(xì)胞內(nèi) 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG） 產(chǎn)生的關(guān)鍵抑制因子，通過(guò)調(diào)節(jié)血紅蛋白（Hb）與細(xì)胞膜的錨定狀態(tài)，控制雙磷酸甘油酸變位酶（BPGM）的亞細(xì)胞定位，從而影響Hb-O?結(jié)合親和力。主要發(fā)現(xiàn)：

 

H?S缺失導(dǎo)致2,3-BPG升高：胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）基因敲除（Cse?/?）小鼠紅細(xì)胞中2,3-BPG水平顯著增加，50%氧飽和度（P50）值升高（圖1a-c）。

 

 

H?S直接作用于紅細(xì)胞：體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)H?S供體GYY4137可降低2,3-BPG并增強(qiáng)Hb-O?親和力（圖3）。

 

 

分子機(jī)制：H?S通過(guò)促進(jìn)Hb從膜釋放至胞質(zhì)，增強(qiáng)BPGM膜錨定（圖4-6），該過(guò)程與Hb的S-硫磺化修飾（Cys104位點(diǎn)）相關(guān)（圖7）。

 

 

 

 

 

缺氧適應(yīng)性：缺氧降低循環(huán)H?S水平，增加2,3-BPG，而GYY4137可逆轉(zhuǎn)此效應(yīng)（圖8）。

 

 

2. 研究目的

 

探究H?S是否及如何調(diào)節(jié)紅細(xì)胞內(nèi)2,3-BPG代謝和Hb-O?親和力，特別是在缺氧適應(yīng)中的作用，為紅細(xì)胞氧運(yùn)輸調(diào)控提供新機(jī)制。

3. 研究思路

 

基因模型→代謝組學(xué)→機(jī)制解析→缺氧驗(yàn)證：

 

動(dòng)物模型：

 

比較Cse?/?小鼠與野生型（WT）紅細(xì)胞代謝差異（代謝組學(xué)分析，圖1）。

 

骨髓移植實(shí)驗(yàn)區(qū)分H?S來(lái)源（外周組織 vs. 紅細(xì)胞自身，圖2）。

 

 

體外驗(yàn)證：

 

人/鼠紅細(xì)胞培養(yǎng)體系，添加H?S供體（GYY4137）或抑制劑（碘乙酰胺）。

 

檢測(cè)2,3-BPG、P50、BPGM亞細(xì)胞定位（圖3-5）。

 

分子機(jī)制：

 

免疫共沉淀（Co-IP）和質(zhì)譜分析Hb與BPGM的相互作用（圖6）。

 

S-硫磺化修飾檢測(cè)（生物素轉(zhuǎn)換法，圖7）。

 

缺氧模型：

 

10% O?處理小鼠，監(jiān)測(cè)H?S水平與2,3-BPG動(dòng)態(tài)變化（圖8）。

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

（1）H?S缺失增加2,3-BPG與P50（圖1）

 

數(shù)據(jù)：Cse?/?小鼠紅細(xì)胞2,3-BPG升高40%，P50增加4-6 mmHg（圖1a-c）。

 

意義：首次證明內(nèi)源性H?S是2,3-BPG的生理性抑制因子，維持正常Hb-O?親和力。

 

（2）H?S調(diào)控BPGM膜-胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)（圖4-5）

 

數(shù)據(jù)：

 

Cse?/?小鼠胞質(zhì)BPGM活性升高2倍，膜錨定BPGM減少（圖4a-b）。

 

GYY4137處理逆轉(zhuǎn)BPGM膜定位（免疫熒光，圖4c）。

 

意義：揭示H?S通過(guò)控制BPGM亞細(xì)胞分布調(diào)節(jié)2,3-BPG合成，突破傳統(tǒng)代謝酶活性調(diào)控認(rèn)知。

 

（3）Hb S-硫磺化修飾的關(guān)鍵作用（圖7）

 

數(shù)據(jù)：

 

MS鑒定Hb α鏈Cys104為S-硫磺化位點(diǎn)（圖7e-g）。

 

H?S缺失降低修飾水平，增加Hb膜錨定（膜血紅素含量升高，圖6b-d）。

 

意義：提出 H?S-Hb-BPGM軸新機(jī)制——S-硫磺化促進(jìn)Hb胞質(zhì)游離，減少與BPGM競(jìng)爭(zhēng)性膜結(jié)合。

 

（4）缺氧通過(guò)H?S下調(diào)適應(yīng)氧運(yùn)輸（圖8）

 

數(shù)據(jù)：缺氧24小時(shí)，循環(huán)H?S下降50%，2,3-BPG升高35%，P50增加15%（圖8a-c）。

 

意義：闡明缺氧適應(yīng)性新通路——低H?S→高2,3-BPG→Hb氧親和力降低→優(yōu)化組織氧釋放。

 

5. 核心結(jié)論

 

H?S是紅細(xì)胞氧親和力核心調(diào)節(jié)因子：通過(guò)抑制2,3-BPG合成維持正常Hb-O?結(jié)合。

 

分子機(jī)制依賴Hb-BPGM空間競(jìng)爭(zhēng)：H?S通過(guò)S-硫磺化修飾（Cys104）促進(jìn)Hb胞質(zhì)游離，增強(qiáng)BPGM膜錨定，抑制2,3-BPG生成。

 

缺氧適應(yīng)性關(guān)鍵環(huán)節(jié)：缺氧降低H?S水平，解除對(duì)2,3-BPG的抑制，提升氧釋放能力。

 

轉(zhuǎn)化潛力：H?S供體（如GYY4137）可干預(yù)缺氧相關(guān)病理狀態(tài)。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)：

 

微呼吸傳感器（H?S-MRCh）：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)H?S生成動(dòng)力學(xué)（方法2.11）。

 

高靈敏度與實(shí)時(shí)性：檢測(cè)限達(dá)微摩爾級(jí)，動(dòng)態(tài)追蹤H?S生成速率（圖S2）。

 

關(guān)鍵科學(xué)貢獻(xiàn)：

 

量化紅細(xì)胞H?S生成能力：

 

直接證實(shí)小鼠紅細(xì)胞存在CSE依賴性H?S合成（Cse?/?小鼠生成率降低60%，圖S2）。

 

發(fā)現(xiàn)人紅細(xì)胞H?S生成速率與2,3-BPG負(fù)相關(guān)（圖3d-f）。

 

揭示缺氧對(duì)H?S代謝的即時(shí)影響：

 

Unisense動(dòng)態(tài)曲線顯示：缺氧1小時(shí)內(nèi)H?S生成速率下降40%，為"缺氧→H?S↓→2,3-BPG↑"鏈條提供時(shí)間分辨證據(jù)（圖8c）。

 

解析H?S供體藥效動(dòng)力學(xué)：

 

GYY4137處理后H?S生成速率緩升，持續(xù)>6小時(shí)（圖3a），解釋其長(zhǎng)效調(diào)控2,3-BPG的機(jī)制。

 

領(lǐng)域突破性價(jià)值：

 

克服傳統(tǒng)終點(diǎn)法（亞甲基藍(lán)法）的低通量局限，實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞H?S代謝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

 

為氣體信號(hào)分子研究提供動(dòng)態(tài)量化工具，推動(dòng)紅細(xì)胞代謝調(diào)控向?qū)崟r(shí)化、精準(zhǔn)化發(fā)展。