硫化氢通过增加细胞内氧气抑制HIF反应：氧气感知与信号传导的新调控机制

《Journal of Biological Chemistry》：Hydrogen sulfide increases intracellular oxygen and inhibits the HIF response

本研究揭示了硫化氢(H2S)通过抑制线粒体复合物IV增加细胞内氧气浓度，从而抑制缺氧诱导因子(HIF)信号通路的新机制。研究人员发现H2S能剂量依赖性地破坏HIF-1α稳定性，并通过SQOR酶活性调节这一过程。该研究为理解氧气感知与信号传导提供了新视角，对氧气毒性相关疾病具有重要启示。

　　

在生物体漫长的进化历程中，氧气的出现彻底改变了能量代谢的格局。如今，氧气已成为代谢组中最常用的底物，甚至超过了ATP和NADH。然而，人体组织中的氧气水平存在显著差异，从肺泡的约14%到肠腔的小于0.1%。在这种氧气梯度环境中，缺氧诱导因子(HIF)作为主要的氧气传感器，激活适应性转录程序以确保细胞在低氧环境下的生存。

肠道微环境特别复杂，结肠细胞位于微生物群密集、几乎无氧的肠腔和高度血管化的固有层之间的临界区域。慢性病理性缺氧是活动性炎症性肠病的标志，如果得不到控制，会导致疾病进展。硫化氢(H₂S)作为宿主和微生物代谢的产物，其对氧气代谢的影响机制尚不完全清楚。

在这项发表于《Journal of Biological Chemistry》的研究中，密歇根大学的研究团队深入探讨了H₂S如何影响细胞内氧气水平和HIF反应。他们发现了一个令人惊讶的现象：H₂S实际上能增加细胞内氧气浓度，从而抑制缺氧感应机制。

研究人员采用了一系列先进的技术方法开展本研究，包括：利用定制硫化氢生长室模拟慢性H₂S暴露环境；通过基因编码的荧光缺氧传感器(UnaG和dUnaG)定量评估细胞内氧气水平；使用蛋白质免疫印迹分析HIF稳定性；应用PL-OxICAT平台评估线粒体半胱氨酸氧化还原状态；并通过小鼠模型(Villin^CreSqor^fl/fl)验证生理相关性。

缺氧恢复被H₂S破坏的铁硫簇蛋白

研究发现，H₂S暴露导致脂质过氧化增加，并引起线粒体基质蛋白质组中半胱氨酸硫醇的广泛氧化转变。特别值得注意的是，铁硫蛋白如NDUFS8和SDHB的簇配位半胱氨酸发生了氧化转变。在21%氧气和100 ppm H₂S条件下，HT-29细胞中LIAS、ACO2、NDUFS8和UQCRFS1的表达显著降低。令人惊讶的是，缺氧条件(2% O₂)能够保护这些铁硫蛋白免受H₂S触发的消耗，这表明在低氧条件下金属簇的合成和/或稳定性得到增强。

H₂S在缺氧条件下 destabilizes HIF-1α

急性暴露于Na₂S(0.03-1 mM, 1 h)可在2% O₂条件下诱导HIF-1α稳定性的剂量依赖性降低。通过定制生长室模拟慢性暴露的实验进一步证实，25 ppm H₂S(培养基中溶解的硫化物为4 μM)即可观察到HIF-1α的统计学显著减少，而在100 ppm H₂S(20 μM溶解的硫化物)下，HIF-1α稳定被完全消除。RT-qPCR分析显示HIF-1α靶基因CA9、GLUT1、HK1和VEGFA1的mRNA水平降低，与转录因子在100 ppm H₂S下的不稳定一致。

H₂S改变缺氧感应的阈值

通过UnaG和dUnaG荧光缺氧传感器的校准，研究人员提供了H₂S调节HIF依赖性缺氧感应阈值的半定量估计。在2% O₂条件下，25或100 ppm H₂S的存在使细胞感知到的等效氧气浓度分别为5%或15% O₂。这一发现揭示了H₂S对细胞内氧气水平的强大调节能力。

SQOR水平与HIF-1α对H₂S的敏感性呈负相关

不同细胞系对H₂S的敏感性差异与SQOR表达水平呈负相关，表明该酶在调节细胞内H₂S和氧气水平中的主要作用。当SQOR被敲低时(HT-29^{SQOR KD})，H₂S效应加剧，这些细胞比乱序对照组(HT-29^Scr)更慢恢复稳定的HIF-1α表达。

H₂S激活PHD destabilize HIF-1α

研究发现H₂S对HIF-1α的不稳定作用需要PHD活性，因为PHD抑制剂roxadustat或FG4592以及铁螯合剂deferoxamine都能阻断这一效应。在蛋白酶体抑制剂bortezomib存在的情况下，H₂S处理增加了羟基化HIF-1α相对于总HIF-1α池的比例，表明H₂S增强了PHD活性。

LbNOX抵消H₂S对HIF-1α的影响

通过表达Lactobacillus brevisNADH oxidase (LbNOX)来促进氧气消耗，研究人员发现线粒体靶向的LbNOX能部分逆转H₂S诱导的HIF不稳定，这进一步支持了H₂S通过增加细胞内氧气水平来 destabilize HIF-1α的模型。

研究结论表明，H₂S通过抑制复合物IV增加细胞内氧气浓度，从而改变缺氧感应阈值并 destabilize HIF。慢性H₂S暴露在环境缺氧条件下诱导线粒体半胱氨酸蛋白质组的氧化转变，并破坏参与氧化能量代谢的铁硫蛋白。在肠道上皮细胞中SQOR的缺失使组织易受氧化变化的影响，揭示了硫化物氧化能力缓冲氧气细胞毒性的重要性。

这项研究的重大意义在于揭示了H₂S是细胞内氧气可用性的强大调节剂，对氧气感应和氧化还原代谢具有重要影响，特别是在生理氧气水平较低的组织中。研究为理解与H₂S超载相关的病理提供了基础，包括SQOR、ETHE1或亚硫酸盐氧化酶缺乏症，以及以高氧为特征的疾病，如急性呼吸窘迫综合征和炎症。此外，增加H₂S合成或减少其氧化，可能对以缺氧为特征的疾病，包括代谢和心血管疾病有益。