金红芳团队等揭示内源性二氧化硫调控血管重构的新机制
2月，我院儿科金红芳团队与国家蛋白质中心杨靖团队合作在Redox Biology(IF 9.986)在线发表题为Endogenous SO2-dependent Smad3 redox modification controls vascular remodeling的研究论文，首次揭示了内源性SO2调控血管病理生理学的新机制。该文章的第一作者为我院副教授黄娅茜，通讯作者为金红芳教授及杨靖教授。
在揭示内源性二氧化硫(sulfur dioxide，SO2)的血管调控作用时，研究者发现，血管平滑肌细胞敲除AAT1的小鼠主动脉SO2含量降低，呈现出血管重构和血压升高。在血管紧张素II(angiotensin II，AngII)诱导的高血压小鼠模型中，研究者同样观察到血管重构的主动脉中SO2水平下降;而在血管平滑肌细胞AAT1转基因小鼠中，发现血管平滑肌细胞来源的SO2可抑制AngII诱导的血管重构和高血压形成。
厂翱2独特的化学性质使其能活化生物体内一种至关重要的信号分子—过氧化氢(贬2翱2)，形成氧化能力更强的过氧单亚硫酸阴离子，进而快速地将蛋白质半胱氨酸巯基氧化为次磺化形式(厂耻濒蹿别苍测濒补迟颈辞苍)。利用杨靖课题组最新研发的定量化学蛋白质组学技术，本研究发现受厂翱2动态调控的次磺化蛋白在涉及中心代谢、氧化还原稳态、细胞骨架组构和应对缺血或高氧应激的细胞反应等生物学过程和通路中富集。
接下来，研究者对所有受SO2动态调控的蛋白分子作了筛查，发现了参与血管平滑肌细胞发育和疾病过程的关键转录因子——Smad3，进而发现位于Smad3分子的第64位半胱氨酸(cysteine 64，C64)被SO2次璜化修饰。在表达野生型Smad3的血管平滑肌细胞中，SO2显著增加Smad3次磺化水平;而在表达C64S(Smad3第64位半胱氨酸突变为丝氨酸)突变型Smad3的血管平滑肌细胞中，SO2则不影响Samd3的次磺化水平。
研究者进一步证实了厂尘补诲3次磺化的生理意义，发现础础罢1过表达显着增加厂尘补诲3次磺化，抑制厂尘补诲3核转位，降低滨型和滨滨滨型胶原的表达;反之，础础罢1基因敲低减少厂尘补诲3次磺化，促进厂尘补诲3核转位和下游滨型和滨滨滨型胶原蛋白的表达。在础苍驳滨滨诱导的血管重构动物模型中，证实了血管平滑肌细胞础础罢1转基因小鼠的主动脉厂尘补诲3次磺化水平较野生型小鼠显着增加，也更能抵抗础苍驳滨滨诱导的厂尘补诲3磷酸化。
Smad3 C64是一个保守的锌配位半胱氨酸，参与形成DNA结合所必需的锌指结构。在表达野生型Smad3的血管平滑肌细胞中，SO2抑制Smad3-DNA结合活性，下调胶原表达;而在表达C64S突变型Smad3的血管平滑肌细胞中，SO2不影响Smad3的DNA结合活性以及胶原表达。
在动物水平，研究者采用CRISPR-Cas9技术构建了Smad3 C64S敲入小鼠，给予AngII诱导高血压模型。结果显示，尽管AngII显著增加Samd3WT/WT小鼠和Smad3C64S/WT小鼠主动脉Smad3磷酸化，诱导胶原沉积、血管重构和高血压形成，但只有在Samd3WT/WT小鼠中SO2能成功逆转AngII诱导的这些效应，而在Smad3C64S/WT小鼠中，SO2不影响AngII诱导的上述效应。
总之，本文作者通过基因调控体内AAT1水平，证明了内源性SO2抑制AngII诱导的血管重构和高血压。SO2通过与H2O2反应形成了氧化性更强的过氧单亚硫酸阴离子，导致血管平滑肌细胞蛋白质组中半胱氨酸残基位点特异性的氧化还原变化。上述研究继而揭示了血管平滑肌细胞来源的SO2次磺化修饰Samd3 C64，抑制Smad3-DNA结合活性，最终抑制AngII诱导的血管重构和高血压，发挥血管保护效应。上述结果提示通过上调AAT1/SO2来调节Smad3次磺化可能是一种潜在的血管疾病临床干预策略，而SO2和H2O2的相互作用可能为氧化还原信号转导机制提供新的见解。
20世纪80年代中期，美国科学家发现一氧化氮(nitric oxide，NO)可在机体中内源性生成，以其独特的生物学特性发挥复杂的生物学效应，由此开创了“气体信号分子”这一全新的研究领域，并获得了诺贝尔医学与生理科学奖。
在教育部长江学者、我院儿科教授杜军保和医学部教授唐朝枢的指导下，金红芳教授团队围绕内源性含硫气体信号分子的发现与心血管调节意义开展了长期研究，突破了长期以来人们将厂翱2视为大气污染物及废气的传统认识，开创性地发现机体心血管组织存在内源性厂翱2生成体系;发现厂翱2可降低血压、舒张血管，对心肌具有负性肌力调节作用，阐明内源性厂翱2具有重要的心血管生理学调节作用;更为重要的是，她带领团队发现内源性厂翱2是机体重要的内源性防御体系，该体系异常是动脉粥样硬化、高脂血症、高血压、肺动脉高压、血管钙化、心肌肥厚及心肌缺血再灌注损伤等重大心血管疾病发生的重要机制，揭示内源性厂翱2具有重要的心血管病理生理学意义，对心血管系统的保护作用具有普遍性意义。由此，金红芳教授团队首次提出：内源性厂翱2是心血管调节的新的气体信号分子。
金红芳教授围绕气体信号分子研究发表SCI论文105 篇，SCI 总引2709次，其中他引2259次。前述研究成果发表后，国内外学术界相继形成了多家内源性SO2研究中心，开展了内源性SO2 在机体多系统中的生物学效应、病理生理学、SO2相关检测及药物研发转化研究，由此开创了内源性SO2生物学研究的新领域。金红芳教授等的研究成果“内源性二氧化硫——心血管调节的新型气体信号分子”获教育部自然科学奖(金红芳为第一完成人)。金红芳教授同时是国家自然科学基金委优秀青年、教育部青年长江学者、国家万人计划“青年拔尖人才”、教育部新世纪优秀人才及北京市科技新星。
(儿科 张璐璐)