Bacillithiol、Mycothiol和谷胱甘肽与硝基氧（HNO）的差异反应性：结构决定因素及其潜在的生物学意义

《Redox Biology》：Differential Reactivity of Bacillithiol, Mycothiol and Glutathione with Nitroxyl (HNO): Structural Determinants and Potential Biological Implications

研究低分子量硫醇（GSH、BSH、MSH）与硝酰（HNO）的反应机制，发现BSH因含有游离氨基和α-构型甲酸基团，与HNO反应生成6:1的磺酰亚胺与二硫键比例，而GSH和MSH产物比例显著不同。通过合成硫醇类似物和酶动力学分析，揭示氨基和硫醇的酸碱特性对反应路径的关键调控作用，并证实芽孢杆菌硫氧还蛋白系统（Trx）可有效还原BSH磺酰亚胺（BSSB），但无法还原磺酰亚胺类产物。研究为靶向硫醇的抗生素开发及HNO生物学功能提供新依据。

　　低分子量（LMW）硫醇在维持生物体正常的氧化还原缓冲系统中起着关键作用。这些分子不仅参与细胞内的氧化还原反应，还在多种生物过程中发挥重要作用，例如抗氧化、信号传导以及维持细胞内硫代谢平衡。在自然界中，谷胱甘肽（GSH）是最常见的LMW硫醇，然而，革兰氏阳性菌则使用不同的硫醇，如bacillithiol（BSH）和mycothiol（MSH）。这些硫醇在结构和功能上具有显著差异，这使得它们对HNO（硝基一氧化氮）的反应也表现出不同的特性。HNO作为一种具有强反应性的氮物种（RNS），能够通过形成过硫化物（persulfide）来影响细菌的转录调控，这促使研究者进一步探讨HNO与这些LMW硫醇之间的反应机制。

本研究利用了多种分析方法，包括比色法、酶促反应（如Bacillus subtilis的硫氧还蛋白系统）以及质谱分析，以研究HNO与GSH、BSH和MSH的反应特性。这些方法提供了互补的视角，有助于理解不同硫醇在HNO反应中的行为差异。例如，BSH与HNO反应时，主要形成稳定的磺胺（sulfinamide）加合物，而MSH则主要生成二硫化物（disulfide）。相比之下，GSH与HNO的反应产物则在磺胺和二硫化物之间几乎均等分布。这一差异揭示了BSH在结构上的独特性，使其在HNO反应中表现出偏好性，能够快速生成稳定的磺胺产物。这种特性可能为开发针对BSH相关细菌的抗生素提供新的思路，也可能揭示HNO在生物体内的其他潜在功能。

研究中还制备了一系列BSH和MSH的类似物，以探讨化学结构对反应路径的影响。通过这些类似物的实验，研究人员发现，BSH和MSH中自由的氨基基团在磺胺加合物的形成中起到了关键作用。同时，硫醇和氨基的pKa值也被认为是影响磺胺生成的重要因素。硫醇基团在反应中作为亲核试剂，与HNO发生反应，而氨基则通过提供质子，帮助N-羟基磺酰胺中间体失去水分，从而形成最终的磺胺产物。这种反应机制不仅解释了BSH与HNO反应的偏好性，还揭示了其他LMW硫醇如GSH和MSH在反应中的不同表现。

在酶促反应中，B. subtilis的硫氧还蛋白系统（Trx）被用来检测BSH和MSH反应产物的还原性。研究发现，该系统能够有效地将BSH反应生成的BSSB（BSH磺胺）还原为BSH，但对BSH磺胺本身没有还原能力。这表明BSH磺胺可能具有独特的化学稳定性，使其在细胞内保持一定的氧化状态。此外，该系统也能有效地将MSH反应生成的MSSM（MSH磺胺）还原为MSH，说明Trx系统在维持这些硫醇的氧化还原平衡中具有重要作用。

通过分析不同浓度的HNO与BSH和MSH的反应，研究人员进一步探讨了反应条件对产物分布的影响。实验结果显示，随着HNO浓度的增加，BSH的磺胺加合物比例显著上升，而MSH的反应则主要生成二硫化物。这种反应特性的差异不仅与分子结构有关，还可能与生物体内的特定酶促系统和代谢路径相关。例如，BSH的结构使其能够通过其氨基基团的酸性特性，促进HNO反应中水分的释放，从而形成稳定的磺胺产物。

本研究的发现对理解HNO在生物体内的作用具有重要意义。HNO与硫醇的反应不仅影响氧化还原平衡，还可能通过改变转录调控来影响细菌的生理状态。例如，HNO处理Staphylococcus aureus时，能够增加BSH的过硫化物（BSSH）水平，进而影响硫代谢相关的转录调控。这种反应机制可能为开发针对特定细菌的治疗策略提供新的方向。此外，HNO在植物和巨噬细胞中的内源性生成，以及其在临床应用中的潜力，也提示了进一步研究其生物功能的必要性。

研究还揭示了不同硫醇与HNO反应的多样性。例如，N-乙酰化BSH与HNO反应时，仅生成二硫化物，而脱乙酰化MSH则能够形成磺胺加合物。这表明，氨基基团的存在与否是决定反应产物类型的关键因素。类似地，GSH虽然含有自由的氨基，但由于其结构中氨基与硫醇的距离较远，因此对反应的调控作用有限。这些发现为设计具有特定反应特性的硫醇类似物提供了理论基础，并可能为开发新的药物靶点和生物标记物提供支持。

通过这些实验，研究人员不仅揭示了HNO与不同硫醇反应的机制，还进一步探讨了这些反应对生物体红ox平衡的影响。例如，BSH磺胺的形成可能导致细胞内硫醇水平的降低，而Trx系统则通过有效还原BSSB来维持正常的BSH/BSH磺胺比例。这种机制可能在细菌应激反应中发挥重要作用，帮助细胞应对氧化损伤。此外，BSH磺胺的化学稳定性也引发了关于其在细胞内长期存在可能性的讨论，这可能为研究其在生物过程中的具体功能提供新的视角。

本研究的结论表明，BSH、GSH和MSH在HNO反应中的不同行为，挑战了它们在生物功能上相似的传统观念。BSH的独特结构使其能够通过其酸碱平衡特性，高效地生成磺胺加合物，这可能与其在细菌中的特定生理角色有关。此外，研究还揭示了Trx系统在维持这些硫醇的氧化还原平衡中的重要性，表明其不仅是BSH的还原剂，也是MSH的还原系统之一。这些发现不仅加深了对HNO与硫醇反应机制的理解，还为未来在生物化学和药物开发领域提供了新的研究方向。