近日，北京大學第一醫院金紅芳教授團隊與國家蛋白質中心（北京，鳳凰中心）楊靖研究員團隊合作在氧化還原領域權威期刊Redox Biology（影響因數=9.986）線上發表題為“Endogenous“SO2-dependent Smad3 redox modification controls vascular remodeling”的研究論文，首次揭示了內源性SO2調控血管病理生理學的新機制。該文章的第一作者為北京大學第一醫院黃婭茜副教授，通訊作者為金紅芳及楊靖。
論文發表在Redox Biology
二氧化硫（sulfur dioxide，SO2）以往被認為是廢氣，對人類健康造成有害影響。研究發現，SO2可在含硫氨基酸代謝途徑中經天冬氨酸轉氨酶（aspartate aminotransferase，AAT）催化生成，在調節血管功能中起著重要作用。然而，在體內生理和病理條件下，血管平滑肌細胞產生的內源性SO2是否影響血管穩態及其分子機制一直未完全闡明。
該研究發現，血管平滑肌細胞敲除AAT1的小鼠主動脈SO2含量降低，呈現出血管重構和血壓升高。在血管緊張素II（angiotensin II，AngII）誘導的高血壓小鼠模型中，研究者同樣觀察到血管重構的主動脈中SO2水准下降；而在血管平滑肌細胞AAT1轉基因小鼠中，發現血管平滑肌細胞來源的SO2可抑制AngII誘導的血管重構和高血壓形成。
SO2獨特的化學性質使其可能活化生物體內一種至關重要的訊號分子—過氧化氫（H2O2），形成氧化能力更强的過氧單亞硫酸陰離子，進而快速地將蛋白質半胱氨酸巰基氧化為次磺化形式（Sulfenylation）。利用楊靖課題組最新研發的定量化學蛋白質組學科技，研究團隊在SO2處理的血管平滑肌細胞658個蛋白分子1137個半胱氨酸位點檢測到特异性的次磺化反應，其中372個蛋白中有42%的BTD標記的次磺化位點在SO2處理後發生改變。採用DAVID進行GO和KEGG分析，結果顯示，受SO2動態調控的次磺化蛋白在涉及中心代謝、氧化還原穩態、細胞骨架組構和應對缺血或高氧應激的細胞反應等生物學過程和通路中富集。
在所有受SO2動態調控的蛋白質中，研究人員發現了參與血管平滑肌細胞發育和疾病過程的關鍵轉錄因數——Smad3，在Smad3分子第64比特半胱氨酸（cysteine 64，C64）被SO2次磺化修飾。在表達野生型Smad3的血管平滑肌細胞中，SO2顯著增加Smad3次磺化水准；而在表達C64S（Smad3第64比特半胱氨酸突變為絲氨酸）突變型Smad3的血管平滑肌細胞中，SO2則不影響Samd3的次磺化水准。為了證實Smad3次磺化的生理意義，研究發現AAT1過表達顯著增加Smad3次磺化，抑制Smad3核轉位，降低I型和III型膠原的表達；反之，AAT1基因敲低减少Smad3次磺化，促進Smad3核轉位和下游I型和III型膠原蛋白的表達。在AngII誘導的血管重構動物模型中進一步證實了血管平滑肌細胞AAT1轉基因小鼠的主動脈Smad3次磺化水准較野生型小鼠顯著增加，也更能抵抗AngII誘導的Smad3磷酸化。
Smad3 C64是一個保守的鋅配比特半胱氨酸，參與形成DNA結合所必需的鋅指結構。在表達野生型Smad3的血管平滑肌細胞中，SO2抑制Smad3-DNA結合活性，下調膠原表達；而在表達C64S突變型Smad3的血管平滑肌細胞中，SO2不影響Smad3的DNA結合活性以及膠原表達。在動物水准，研究人員採用CRISPR-Cas9科技構建了Smad3 C64S敲入小鼠，給予AngII誘導高血壓模型。結果顯示，儘管AngII顯著增加Samd3WT/WT小鼠和Smad3C64S/WT小鼠主動脈Smad3磷酸化，誘導膠原沉積、血管重構和高血壓形成，但只有在Samd3WT/WT小鼠中SO2能够逆轉AngII誘導的這些效應，而在Smad3C64S/WT小鼠中，SO2不影響AngII誘導的上述效應。
SO2次磺化修飾Smad3抑制血管重構
總之，本文作者通過基因調控體內AAT1水准，證明了內源性SO2抑制AngII誘導的血管重構和高血壓。SO2通過活化H2O2，導致血管平滑肌細胞蛋白質組中半胱氨酸殘基位點特异性的氧化還原變化。上述研究進一步了揭示血管平滑肌細胞來源的SO2次磺化修飾Samd3 C64，抑制Smad3-DNA結合活性，最終抑制AngII誘導的血管重構和高血壓，發揮血管保護效應。上述結果提示，通過上調AAT1/SO2來調節Smad3次磺化可能是一種潜在的血管疾病臨床干預策略，而SO2和H2O2的相互作用可能為氧化還原信號轉導機制提供新的見解。
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