功能性S-亚磺酰化研究揭示了HNF1α的一种新型调控机制

《Redox Biology》：Functional S-persulfidation Exploration Reveals a Novel Regulatory Mechanism of HNF1α

本研究整合多物种S-聚硫化修饰数据，发现转录因子HNF1α在Cys241位点被H2S诱导的S-聚硫化修饰，导致DNA结合能力下降，抑制PCSK9表达，改善脂代谢并减轻动脉粥样硬化。首次揭示S-聚硫化通过结构重塑调控TF功能的新机制。

　　### 解读：S-过硫化修饰与转录因子调控的新视角

在生命科学研究中，蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification, PTM）一直是探索其功能和调控机制的重要领域。S-过硫化（S-persulfidation）作为一种由硫化氢（H?S）介导的可逆修饰，近年来在细胞氧化还原平衡和代谢适应中显示出重要作用。然而，当前基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的分析方法主要检测高丰度蛋白质，常常忽略低丰度但功能重要的调控因子，如转录因子（transcription factors, TFs）。本文通过整合多个物种的S-过硫化数据，揭示了TFs在S-过硫化组中的显著缺失，并结合Oximouse数据库中的氧化蛋白组数据，发现HNF1α可能是一个关键的S-过硫化靶点。通过一系列实验，包括分子动力学模拟、表面等离子体共振（SPR）和电泳迁移率变动分析（EMSA），研究者证实了H?S诱导的HNF1α Cys241位点的过硫化修饰，以及其对DNA结合能力的抑制作用。这一发现不仅揭示了S-过硫化在调控基因表达中的新机制，还为探索其在代谢和心血管疾病中的潜在治疗价值提供了新方向。

#### 一、S-过硫化修饰与代谢调控

S-过硫化修饰是H?S作用于半胱氨酸残基的一种重要方式，其在维持细胞氧化还原稳态和适应代谢变化中发挥着关键作用。研究表明，这种修饰能够防止半胱氨酸的不可逆过氧化，从而保护蛋白质功能。然而，由于传统分析方法的局限性，许多低丰度的蛋白质，尤其是TFs，常常被忽视。因此，本文通过整合多物种数据，包括人类、小鼠和拟南芥，发现了TFs在S-过硫化组中的显著不足，这与它们在生物功能中的重要性形成了鲜明对比。

在人类、小鼠和拟南芥的S-过硫化数据集中，尽管TFs在功能研究中被高度重视，但在实际的蛋白质组数据中仅占极小比例。例如，在人类数据中，TFs仅占约4%，在小鼠数据中为2%，而在拟南芥中则仅为1%。这种现象提示我们，现有的S-过硫化研究可能未能全面揭示TFs在调控基因表达中的作用。因此，研究者提出了一种跨物种分析策略，结合Oximouse数据库中的氧化蛋白组数据，寻找那些在传统S-过硫化分析中被遗漏的TFs。

#### 二、HNF1α作为S-过硫化靶点的发现

HNF1α是一种在肝脏中高度表达的转录因子，其结构包括N端的二聚化结构域（DD）、中央的DNA结合结构域（DBD）和C端的转录激活结构域（TAD）。其中，DBD是HNF1α识别并结合特定DNA序列的关键区域。通过Oximouse数据库的分析，研究者发现HNF1α在年龄相关的氧化过程中表现出显著的氧化趋势，特别是在肝脏中。这一发现结合了S-过硫化作为保护性修饰的化学原理，提示HNF1α可能是一个潜在的S-过硫化靶点。

为了验证这一假设，研究者使用“Tag-Switch”方法检测了HNF1α的S-过硫化情况，并通过LC-MS/MS分析了不同处理条件下的蛋白质修饰情况。结果显示，HNF1α的Cys241位点是H?S诱导S-过硫化的主要靶点。进一步的实验表明，当HNF1α的Cys241被替换为丝氨酸（C241S突变体）时，其S-过硫化水平显著降低，说明该位点是关键的修饰位点。此外，通过分子动力学（MD）模拟，研究者揭示了Cys241的过硫化如何通过改变氢键网络和结构域的构象，削弱HNF1α的DNA结合能力，从而影响其转录活性。

#### 三、HNF1α过硫化对PCSK9表达和脂质代谢的影响

PCSK9是HNF1α的一个已知靶基因，其表达增加会导致低密度脂蛋白受体（LDLR）的降解，从而升高血浆低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）水平，增加动脉粥样硬化的风险。通过CSE基因敲除小鼠模型，研究者发现HNF1α的S-过硫化水平显著降低，同时PCSK9的表达上调，进一步支持了HNF1α对PCSK9的调控作用。

在HCD（高胆固醇饮食）诱导的动脉粥样硬化模型中，研究者发现HNF1α的S-过硫化能够显著降低PCSK9的表达水平，同时增加LDLR的表达，从而改善脂质谱。此外，S-过硫化还有效减轻了动脉粥样硬化斑块的形成，表明其在心血管保护中的潜在作用。这些结果不仅揭示了HNF1α在调控脂质代谢中的重要性，还提供了新的治疗思路，即通过调控HNF1α的S-过硫化状态，可能成为干预PCSK9表达的新途径。

#### 四、S-过硫化修饰的机制与意义

研究者通过SPR和EMSA实验，进一步验证了HNF1α的S-过硫化对其DNA结合能力的影响。结果显示，S-过硫化显著抑制了HNF1α与DNA的结合，这一效应在C241S突变体中被完全阻断，说明Cys241是关键的修饰位点。此外，MD模拟显示，Cys241的过硫化通过改变氢键网络和结构域的构象，导致HNF1α的DNA结合能力下降。

在更广泛的背景下，S-过硫化修饰不仅影响蛋白质的结构，还可能通过调控其与其他蛋白的相互作用，如转录共激活因子p300/CBP，来进一步影响基因表达。因此，HNF1α的S-过硫化可能不仅仅局限于DNA结合能力的改变，还可能涉及更复杂的转录调控网络。

#### 五、研究的启示与未来展望

本文的研究不仅揭示了S-过硫化修饰在调控基因表达中的新机制，还强调了当前S-过硫化研究在检测低丰度蛋白质方面的局限性。通过整合多物种数据和Oximouse数据库，研究者提供了一种新的策略，以识别那些在传统分析中被忽视的潜在靶点。这种跨物种分析方法有助于更全面地理解S-过硫化修饰在不同生物系统中的功能。

此外，本文还强调了S-过硫化修饰在年龄相关代谢调控中的重要性。Oximouse数据库显示，某些蛋白质的氧化水平在衰老过程中降低，这可能反映了细胞对氧化应激的适应性变化。这种选择性的氧化重编程可能涉及特定的硫醇还原系统，如硫氧还蛋白和谷氧还蛋白通路，以维持关键蛋白的氧化还原状态。

随着数据非依赖性采集（DIA）质谱技术、化学富集策略和单细胞蛋白质组学的发展，未来的研究有望更深入地揭示S-过硫化修饰的全面图谱，包括那些传统方法难以检测的低丰度蛋白。这些技术的结合还可能通过机器学习指导的结构建模，预测特定半胱氨酸修饰对蛋白质功能的影响，从而加速对新型调控机制的发现。

#### 六、研究的贡献与意义

本文通过整合多物种数据，揭示了HNF1α作为S-过硫化靶点的重要性，并阐明了其对PCSK9表达和脂质代谢的调控作用。这一发现不仅拓展了我们对S-过硫化修饰在代谢调控中的理解，还为开发新的治疗策略提供了依据。例如，目前已有针对PCSK9的单克隆抗体药物，但其使用受限于成本和副作用。而通过调控HNF1α的S-过硫化状态，可能为开发新型的PCSK9抑制剂提供新的方向。

同时，本文也强调了在衰老过程中，氧化应激和蛋白质氧化的动态变化。Oximouse数据库显示，某些蛋白质的氧化水平随年龄降低，这可能反映了细胞对氧化应激的适应性反应。这种选择性的氧化重编程可能涉及多种PTMs，以保护关键蛋白质的结构和功能。

#### 七、结论

综上所述，本文通过整合多物种数据和Oximouse数据库，揭示了S-过硫化修饰在调控转录因子功能中的新机制，并强调了其在代谢和心血管疾病中的潜在治疗价值。这一研究不仅填补了当前S-过硫化研究在低丰度蛋白质检测方面的空白，还为未来探索S-过硫化修饰在多种生物过程中的作用提供了新的思路和方法。随着技术的进步，我们有望更全面地理解S-过硫化修饰的生物学意义，并开发出更加精准的调控策略，以应对与氧化应激和代谢紊乱相关的疾病。