专访施松涛:利用气体治疗疾病

【字体: 时间:2015年09月01日 来源:生物通

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  当我们走进制革厂或者制糖厂时,会闻到一种臭鸡蛋的气味,这就是硫化氢气体。这种无色、酸性的气体被认为有剧毒,进入体内后,“高浓度的硫化氢与线粒体细胞色素氧化酶中铁离子结合形成复合体,抑制细胞呼吸而产生毒性作用”,来自美国宾州大学的施松涛教授(Songtao Shi)解释道。

  

 

 

当我们走进制革厂或者制糖厂时,会闻到一种臭鸡蛋的气味,这就是硫化氢气体。这种无色、酸性的气体被认为有剧毒,进入体内后,“高浓度的硫化氢与线粒体细胞色素氧化酶中铁离子结合形成复合体,抑制细胞呼吸而产生毒性作用”,来自美国宾州大学的施松涛教授(Songtao Shi)解释道。

但矛盾的是,人类的生存离不开硫化氢:人体本身就会产生微量的硫化氢,而且越来越多的研究表明硫化氢与心血管系统疾病,炎症反应密切相关。近期施松涛教授研究组与北京大学的周彦恒教授研究组合作发现了这种气体的分子奥秘——硫化氢能通过调节性T细胞(Tregs)影响免疫调控,而且这项研究也找到了几个新的潜在治疗干预靶点,这对于自身免疫性疾病及癌症和高血压等其他的疾病具有重要意义。

施松涛教授是国际口腔医学界知名科学家,再生医学研究权威,他曾首次分离和培养了牙髓干细胞,婴儿牙齿干细胞,牙周膜干细胞,根尖乳头干细胞等。这些具有开创性和里程碑意义的研究成果,给口腔及颌面部科学家研究口腔组织干细胞以及将它们用于组织工程和疾病建模提供了可能性。为了深入了解最新这项研究成果,生物通特联系了施教授,就读者感兴趣的问题请教了他。

 

气体信号分子

生命体系中存在各种各样的气体分子, 这些气体分子在体内扮演着重要角色. 其中, 一氧化氮、一氧化碳和硫化氢是目前已经被广泛认可的三大气体信号分子, 具有传导信号通路的功能。

其中硫化氢就是那种被称为有臭鸡蛋气味的气体,虽然硫化氢很少用于工业生产中,但经常存在于多种生产过程中以及自然界中,如采矿和有色金属冶炼,煤的低温焦化,含硫石油开采、提炼,制革、染料、制糖等工业中都有硫化氢产生。对于这些行业的工作人员来说,这种气体已成为引发职业病的首要因素。

然而,过去十年间,科学家发现在人体的很多生理过程中,硫化氢都起着不可或缺的作用,比如调节血压和新陈代谢。一些研究表明硫化氢可以对抗缺氧、缺血引起的心肌损伤,内源性的硫化氢还能保护大鼠心脏对抗缺血-再灌注引起的损伤。

正如施教授所说的那样,“低浓度硫化氢通过离子通道(钙、钾等)、信号通路或蛋白修饰而调控细胞的作用。如硫化氢所特有的介导的蛋白巯基化,调控细胞的信号通路和生物学特性。高浓度的硫化氢除了调控细胞分子信号通路外,与线粒体细胞色素氧化酶中铁离子结合形成复合体,抑制细胞呼吸而产生毒性作用。”

 

硫化氢意想不到的作用

此前施教授研究组曾发现间充质干细胞能生成并依赖于硫化氢来正常发挥功能。“我们前期研究结果表明硫化氢通过调节钙离子通道,调控骨髓间充质干细胞的增殖和分化功能。当硫化氢降低时,导致间充质干细胞成骨分化能力降低而引起小鼠骨质疏松,”施教授说。

“这些研究显示自身免疫性疾病,例如关节炎、肠炎和系统性红斑狼疮等,癌症和高血压等疾病与机体硫化氢水平相关。但硫化氢在这些疾病中的作用及其机制尚待进一步的研究。自身免疫性疾病及癌症均与机体的免疫调节尤其是T细胞密切相关。”


    在最新这项研究中,施教授等人检测了培养的调节性T细胞(Tregs),发现它们也产生硫化氢。他们培育出的硫化氢表达缺陷小鼠,这些小鼠体内的调节性T细胞数量也异常低,因此形成了累及多个器官的自身免疫疾病。如果给予小鼠一些可释放硫化氢的化合物,就能部分程度上缓解了这些症状,小鼠寿命也能延长。

同时研究人员也深入地阐明硫化氢影响免疫系统的分子机制。他们发现硫化氢缺陷T细胞具有较低水平的调节性T细胞标记物Foxp3,但硫化氢似乎并没有影响Foxp3目前已知的信号通路。因此他们推测硫化氢可能存在另一条信号通路,调控Foxp3的表达。

通过一系列的实验,研究人员发现了这一信号通路:硫化氢生成减少的小鼠Foxp3基因上有大量的甲基,这些标签抑制了基因的表达。

由此研究人员指出,硫化氢能通过硫氢化过程(sulfhydration)添加一个硫原子到转录因子NFYB上,调控了Tet1酶和Tet2酶。降低硫化氢水平可导致T细胞中Tet1Tet2表达下降,由此损害了调节性T细胞的发育和功能。同样研究人员也证实可以通过添加硫化氢部分逆转这些影响。

对于气体信号研究,研究人员也有不同的实验方法。

“不同于传统的配体受体相结合的分子信号通路,气体分子可以快速扩散。不同的研究技术方法主要包括气体浓度的测定和调控维持,以及硫化氢特有的蛋白巯基化修饰。

由于我们实验室早期对蛋白相关作用研究较少,对于巯基化的相关研究经过长时间摸索,参考文献并与专业实验室合作,运用液相色谱质谱分析法结合荧光标记马来酰亚胺巯基化分析法来确定硫化氢对蛋白巯基化修饰及其作用位点。”施教授解释道。

 




利用气体治疗疾病

这一新发现有两项重要意义,其一就在于对于临床治疗的指导意义,“已有临床相关研究表明提高内源性硫化氢合成可能降低关节炎中软骨破坏以及炎症反应。此项研究可能为自身免疫性疾病及癌症和高血压治疗提供新的干预方法及其作用机制”,施教授表示。

不过施教授也表示,“外源性硫化氢和内源性硫化氢可以引起同样的细胞反应和信号通路。同时,硫化氢具有快速扩散的特点,内源性硫化氢可以根据机体的状态动态调控其浓度和梯度以及作用。而加入外源性硫化氢其浓度难以精准维持,会随着时间迅速降低。此研究中应用硫化氢缓释剂来控制和维持机体硫化氢浓度,但仍与内源性的存在差异,其作用可能会存在一定程度差异。”

但总体而言,硫化氢进入临床值得期待,这期间还需要更多的实验进行验证,“个别临床报道低剂量的硫化氢可减轻高同型半胱氨酸血症症状。关于硫化氢在免疫相关细胞的作用大多集中于体外实验和动物研究,临床应用可能需要进一步的研究和信息。目前我们尚在进行相关研究,”施教授说。

 

硫化氢的深层次分子机制

这项研究也第一次将硫氢化与Tet1Tet2,以及Foxp3联系到一起。众所周知,通过两种酶Tet1Tet2Foxp3可发生去甲基化,而Tet1Tet2也正是目前热点研究领域的一个关键中心点。

哺乳动物TET蛋白家族有Tet1蛋白、Tet2蛋白和Tet3蛋白3个成员。Tet蛋白是重新编程已经分化的细胞的一种重要功能蛋白,人类和小鼠都拥有Tet蛋白,研究发现这种蛋白在DNA脱甲基过程和干细胞重新编程方面起关键作用。如果Tet蛋白失去活性的话,就会导致各种疾病的发生。

施教授前期研究结果表明硫化氢通过调节钙离子通道调控骨髓间充质干细胞的增殖和分化功能。当硫化氢降低时,导致间充质干细胞成骨分化能力降低而引起小鼠骨质疏松(2014 Cell Stem Cell)。同时,初步的实验结果显示硫化氢调节干细胞的Tet1Tet2表达,施教授表示,“其在干细胞发育等的作用还有待深入研究。”

同时对于类似类风湿性关节炎等自身免疫疾病,施教授认为,“中国古代哲学认为:(阴阳)‘二气交感,化生万物’。在我看来,自身免疫性疾病多是由于机体的阴阳平衡和稳态偏移程度超出了机体自我调整的能力范围。基于此,有效的治疗手段应该需要根据机体的状态动态地做出反应而发挥作用,例如调控机体内源性变化的分子,或者干细胞,最近研究发现输入机体的干细胞可以根据机体的状态发挥不同作用,调控机体平衡。”

The authors for this study includes: Ruili Yang, CunyeQu, Yu Zhou, Joanne Konkel, Shihong Shi, Yi Liu, Chider Chen, Shiyu Liu, Dawei Liu, Yibu Chen, EbrahimZandi, Wanjun Chen, Yanheng Zhou, Songtao Shi

如需更多的了解施教授研究组,请参看:

https://dent-web10.usc.edu/ccmb/faculty_detail.asp?RS=6

 

作者简介:

施松涛教授

国际口腔医学界知名科学家、再生医学研究权威,国家教育部****特聘教授,国家杰出青年基金获得者,美国南加州大学奥斯特鲁夫牙科学院教授,美国南加州大学牙科学院颅面分子生物学研究中心教授。分别于1983年和1986年北京医科大学口腔学院口腔学学士、口腔学硕士,并1994年毕业于美国南加利福尼亚大学获头面生物学博士。

施松涛博士首次在2000年辨认和分离了牙髓干细胞(DPSCs) (ProcNatlAcadSci U S A 2000)。然后他的实验室从人的剥落的乳齿(SHED)中分离出了干细胞,分离牙周韧带干细胞(PDLSCs)以及从顶端孔头(SCAP)分离出干细胞(ProcNatlAcadSci U S A 2003; Lancet 2004; PLoS ONE 2006)。并已经使用这些干细胞再生各种各样的口面组织,包括口面骨,牙周组织和生物根。另外,还设法确定骨髓间叶干细胞(BMMSCs)对人的疾病的病理性过程的作用,例如骨质疏松症和系统红色狼疮,并且探索BMMSCs潜力及使用它治疗这些疾病。其研究集中于了解与干细胞有关的人类疾病以及如何使用干细胞到临床治疗。

Nat Medicine, Cell Stem Cell, Immunity, J Exp. Med., Cell Metabolism, Lancet, J Clin Invest, Nat Biotechnol, ProcNatlAcadSci U S A, Blood, J Bone Miner Res, Stem Cells等世界顶级和权威杂志发表论文160余篇,获国际专利10项;作为负责人主持5NIH研究项目、1项加州再生医学研究院项目;担任PLoS ONE Scientific EditorOral Diseases杂志副主编,首届国际口腔及颅颌前沿研究研讨会大会主席,美国牙髓病学协会顾问委员,Nat BiotechThe Lancet等杂志审稿专家。

 

(生物通:王蕾)

原文摘要:

Hydrogen Sulfide Promotes Tet1- and Tet2-Mediated Foxp3 Demethylation to Drive Regulatory T Cell Differentiation and Maintain Immune Homeostasis

Regulatory T (Treg) cells are essential for maintenance of immune homeostasis. Here we found that hydrogen sulfide (H2S) was required for Foxp3+ Treg cell differentiation and function and that H2S deficiency led to systemic autoimmune disease. H2S maintained expression of methylcytosinedioxygenases Tet1 and Tet2 by sulfhydrating nuclear transcription factor Y subunit beta (NFYB) to facilitate its binding to Tet1 and Tet2 promoters. Transforming growth factor-β (TGF-β)-activated Smad3 and interleukin-2 (IL-2)-activated Stat5 facilitated Tet1 and Tet2 binding to Foxp3. Tet1 and Tet2 catalyzed conversion of 5-methylcytosine (5mC) to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) in Foxp3 to establish a Treg-cell-specific hypomethylation pattern and stable Foxp3 expression. Consequently, Tet1 and Tet2 deletion led to Foxp3 hypermethylation, impaired Treg cell differentiation and function, and autoimmune disease. Thus, H2S promotes Tet1 and Tet2 expression, which are recruited to Foxp3 by TGF-β and IL-2 signaling to maintain Foxp3 demethylation and Treg-cell-associated immune homeostasis.

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