蛋白质过硫化修饰：调控植物生命过程的普遍机制与功能解析

《Journal of Experimental Botany》：Protein persulfidation: A ubiquitous modification regulating a broad spectrum of biological processes

本研究系统阐述了蛋白质过硫化这一普遍存在的翻译后修饰在植物中的关键调控作用。为解决H2S信号传导机制不明确的问题，研究人员通过多组学分析发现植物中存在超过11,700种过硫化蛋白，并首次证实硫氧还蛋白(TRX)系统介导的去过硫化过程对维持氧化还原稳态至关重要。该研究揭示了过硫化修饰通过调控代谢通路、自噬过程和应激响应等机制，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

在植物王国中，一种被称为"硫化氢(H₂S)"的气体分子正在掀起一场静默的革命。这种曾经被认为只是有毒气体的物质，如今被证实是调控植物生长发育和环境适应的关键信号分子。就像人类的神经系统依靠神经递质传递信息一样，植物细胞通过H₂S这种气体信使来协调复杂的生命活动。然而，长期以来科学家们一直困惑：这种易挥发的分子是如何在细胞中精确传递信号的？

答案隐藏在一种精巧的分子修饰机制中——蛋白质过硫化(persulfidation)。这种翻译后修饰通过在蛋白质的半胱氨酸残基上添加一个硫原子，像分子开关一样改变蛋白质的功能。随着研究的深入，科学家发现这种修饰不仅普遍存在，而且动态可逆，但关于其"关闭开关"的机制却一直模糊不清。正是这个谜题，促使西班牙塞维利亚大学的Luis C. Romero团队展开了深入探索。

研究人员综合运用蛋白质组学分析、生化验证和遗传学方法，系统阐明了过硫化修饰的调控网络。通过对拟南芥(Arabidopsis thaliana)等多种植物的研究，团队发现硫氧还蛋白(thioredoxin, TRX)系统特别是线粒体TRXo1具有前所未有的去过硫化活性。这一发现如同找到了调控过硫化修饰的"总开关"，为理解H₂S信号的动态平衡提供了关键机制。

过硫化的多重形成途径

蛋白质过硫化修饰的形成并非单一途径，而是通过多种机制协同完成。最经典的途径是H₂S与氧化的半胱氨酸物种相互作用，特别是与磺酸(Cys-SOH)反应形成过硫化物。这一过程揭示了活性氧(ROS)与活性硫物种(RSS)信号之间的重要对话，其中H₂O₂介导的磺酰化成为过硫化的前提条件。

转硫作用是过硫化的另一重要途径。硫转移酶如3-巯基丙酮酸硫转移酶能够催化硫原子从一个过硫化物转移到另一个硫醇基团。拟南芥中的硫转移酶1(STR1)和硫转移酶2(STR2)被确认为重要的硫转移酶，贡献于细胞H₂S和硫烷硫的库容。

金属蛋白结合位点，特别是锌指结构域，成为过硫化的主要靶标。锌指蛋白的特征是通过半胱氨酸和/或组氨酸残基配位一个或多个锌离子(Zn²⁺)。这些携带硫醇的配体与金属离子的接近使它们成为过硫化的理想靶点。过硫化直接影响锌离子的结合，引发指状基序的重排，进而影响蛋白质与DNA、RNA或其他蛋白质的结合能力。

硫氧还蛋白介导的去过硫化分子机制

由于蛋白质过硫化的多方面作用，其动态调控需要有效的逆转机制。虽然蛋白质过硫化物的生成已被广泛研究，但调控其去除或去过硫化的机制却较少被探索。然而，过硫化和去过硫化对于维持细胞氧化还原稳态和H₂S信号的时空动态同样重要。

最近的研究强调了TRX系统在蛋白质去过硫化中的关键作用。在动物系统中，使用改进的tag-switch方法证明了TRX在去过硫化中的核心作用。硫氧还蛋白的特异性与其独特的底物识别有关，这不仅由一级或三级结构决定，还受到静电相似性的强烈影响。

在植物中，对蛋白质去过硫化机制的理解相对滞后。最近的研究首次提供了植物界TRX介导的去过硫化的全面证据。这项工作表明植物中的线粒体硫氧还蛋白o1(TRXo1)具有去过硫化酶活性，能够从过硫化蛋白质中去除硫。研究人员优雅地证明了重组TRXo1能够还原模型底物中过硫化的半胱氨酸残基。

过硫化组学揭示的广泛调控网络

对拟南芥的7项蛋白质组学研究的分析显示，植物系统中的蛋白质过硫化是一种普遍存在的翻译后修饰，目前鉴定出的可过硫化多肽数量达到11,700种。在拟南芥中，在各种生理条件下（如营养缺乏、干旱胁迫、光 regime、光呼吸和诱导自噬）鉴定的蛋白质数量达到7,328种。

这些过硫化蛋白的功能分析显示，高比例参与初级代谢途径，如糖酵解/糖异生、三羧酸循环(TCA循环)、卡尔文-本森循环的碳固定或氨基酸生物合成。次级代谢物的生物合成是第二大代表性功能途径，占总蛋白质的12%。这些过程的过度表征表明，H₂S和蛋白质过硫化基础性地调节细胞的初级和能量代谢，方式类似于其他氧化还原修饰。

H₂S通过增加叶绿素含量、促进叶绿体生物发生和上调Rubisco活性来增强光合作用。Rubisco大亚基(RBCL)或小亚基(RBCS)1A、1B、2B或3B已被鉴定为可过硫化。这些蛋白质的过硫化水平也受光 regime 条件的影响，在黑暗中，这些RBCS亚基1A、1B和3B以及TCA和糖酵解的酶（如丙酮酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶SDH1-1、SDH2-1）和几个ATP酶亚基更容易被过硫化。

蛋白质降解调控中的功能

蛋白质降解是一个重要的细胞过程，作为质量控制和调控系统，确保细胞的正常功能和健康。过硫化蛋白在这一功能类别中包含真核生物中负责蛋白质降解的两个主要途径的成员：自噬途径和泛素-蛋白酶体系统(UPS)。

在植物细胞中，自噬过程受到发育阶段和环境变化的精确调控。在拟南芥中首次描述了H₂S信号调控真核细胞自噬的机制，观察到在基础生长条件下硫化物通过蛋白质过硫化抑制该过程。参与自噬调控或过程本身的已鉴定过硫化蛋白数量非常多，包括丝氨酸/苏氨酸激酶TOR、其效应蛋白RAPTOR 1和LST8，以及几个自噬相关(ATG)蛋白。

泛素-蛋白酶体系统的许多成员也被广泛过硫化修饰，包括所有酶组：Ub激活酶E1、Ub结合酶E2和Ub连接酶E3（HETC、U-box、单RING-finger和多亚基RING-finger/Cullin类型）。至少20S和26S蛋白酶体的41个亚基也容易被过硫化修饰。事实上，在光照条件下，最过度表征的过程是蛋白酶体蛋白质分解代谢过程，已被证明在氧化胁迫下通过增强从26S到20S的转换而被诱导。

在防御反应中的参与

许多过硫化蛋白在各种植物防御过程或对非生物胁迫、氧化胁迫或激素反应中具有相关功能。一般的防御反应亚组包含230种与植物免疫相关的蛋白质，包括几个(10个)核苷酸结合位点(NBS)和富含亮氨酸重复(LRR)蛋白质受体，参与检测多种病原体；1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶(ACO2至5)；半胱氨酸蛋白酶抑制剂(CYS1至5)；许多内切几丁质酶和内切-1,3-β-葡糖苷酶；以及参与免疫的充分表征的蛋白质。

过硫化还影响关键的抗氧化酶。过氧化氢酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)的过硫化已在多种植物物种中被检测到。在菠菜中，H₂S处理增加了CAT活性，而在番茄中，SICATc234的过硫化降低了其酶活性。SOD酶的过硫化已在拟南芥和菜豆中检测到，虽然过硫化对SOD酶活性的影响尚不清楚，但先前的研究表明它抑制了蛋白质的酪氨酸硝化，保护SOD免受不可逆的硝化氧化修饰。

过硫化在脱落酸和冷反应中的作用

目前有大量证据表明H₂S与ABA在植物气孔运动中的相互作用。至少5个ABA受体被鉴定为可过硫化，包括PYR1、PYL1、2、8和9。在多种物种中，H₂S被证明是ABA诱导的气孔关闭所必需的，表明它是保卫细胞ABA信号通路的一个组成部分。事实上，已经证明了ABA诱导的过硫化对该信号通路几个组分特定半胱氨酸残基的影响。

与冷胁迫反应相关的蛋白质也是富集的过硫化蛋白质组之一。H₂S已被证明在植物的不同生长阶段缓解冷胁迫。H₂S熏蒸或L-半胱氨酸脱巯基酶(DES1)基因的功能丧失已被证明通过上调促分裂原活化蛋白激酶4(MPK4)基因表达来调节参与冷和冷害胁迫反应的基因的表达。除了调节它们的表达，这些蛋白质也容易被过硫化。

H₂S调控的发育过程

尽管研究不多，但有一些证据表明H₂S调节植物发育的各种过程，如胚胎发生、种子休眠和萌发。大量过硫化蛋白被分类在胚胎发育最终导致种子休眠、根发育以及花粉发育和萌发的生物学功能中。在拟南芥中，至少32个该组的过硫化蛋白被指定为EMB蛋白质。

H₂S参与植物胚胎发生的最直接证据来自对拟南芥中乙基丙二酸脑病1(ETHE1)和硫转移酶1(STR1)基因的研究。ETHE1是一种硫双加氧酶，负责在线粒体中解毒H₂S，具有非功能性ETHE1基因的植物在发育的早期心形阶段胚胎停滞，最终无法存活。STR1是一种线粒体3-巯基丙酮酸硫转移酶，参与生成H₂S（与硫氧还蛋白耦合）或其解毒（与ETHE1耦合）。它的突变也导致与胚胎发育延迟相关的皱缩种子表型。

H₂S对甲基化功能过程的贡献

尽管缺乏关于H₂S调节植物甲基化水平的证据，但有趣的是，有许多过硫化蛋白被分类在甲基化过程功能中。这些蛋白质中包括钴胺素非依赖性甲硫氨酸合成酶1(MS1)以及同工型MS2和MS3、几种S-腺苷-L-甲氨酸依赖性甲基转移酶和组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶。这一观察表明H₂S可以调节这些酶的活性并改变DNA或组蛋白中的甲基化。

最近的研究表明，用低浓度H₂S预处理植物可以保护植物免受后续胁迫过程的影响，表明H₂S可能作为诱导启动的化学诱导剂。DNA或蛋白质的表观遗传修饰可能是启动机制的其中之一，可能在植物中携带对生物和非生物胁迫的短期或长期防御和驯化反应。

研究结论与展望

该研究系统揭示了H₂S通过蛋白质过硫化修饰在植物中的广泛调控作用，确立了TRX系统特别是TRXo1作为去过硫化关键酶的新功能。这一发现不仅完善了植物氧化还原调控网络的理论框架，还为作物抗逆育种提供了新的分子靶标。

研究证实过硫化修饰通过动态调控代谢酶活性、自噬过程和应激响应通路，成为植物适应环境变化的核心机制。蛋白质组学分析显示的11,700种过硫化靶标蛋白，证明这种修饰的普遍性和重要性堪比磷酸化和糖基化等经典修饰。

特别值得注意的是，过硫化与磺酰化等氧化修饰之间的相互转化，构成了精细的氧化还原传感网络。TRX系统对这一动态平衡的调控，为理解植物如何精确响应环境信号提供了新视角。线粒体TRXo1的去过硫化活性的发现，更是将H₂S信号与能量代谢中心直接联系起来。

该研究的突破性发现为未来作物改良提供了新思路。通过调控H₂S信号通路和过硫化修饰，可能增强作物对干旱、盐碱等胁迫的耐受性。同时，过硫化在胚胎发育和根系建成中的重要作用，为作物高产育种提供了新的分子工具。

随着气候变化对农业生产的挑战日益严峻，深入解析H₂S信号网络的功能机制，将为开发抗逆高产作物品种奠定理论基础。这项研究不仅推动了植物信号转导领域的发展，也为可持续农业提供了新的解决方案。