文摘
Gasotransmitters在生理上产生的气体信号分子。与强大的生物活性气体,它们有毒空气污染物,含硫化合物用作熏蒸剂。大多数调查关注的医疗方面gasotransmitter生物学而不是对无脊椎动物毒性农业害虫。事实上,含硫气体的代谢通路的低等生物尚未被描述。为了解决这个赤字,我们使用蛋白质序列智人查询同源蛋白质的基因库秀丽隐杆线虫,黑腹果蝇,酿酒酵母。在秀丽隐杆线虫,我们发现所有哺乳动物基因的合成和分解代谢通路包含gasotransmitters三硫,H2年代,所以2,因为。H基因的2合成实际上增加了数量秀丽隐杆线虫。有趣的是,d .腹节肢动物门一般,缺乏基因3-mercaptopyruvate sulfurtransferase, enzym H2年代在减少的条件下合成。
1。介绍
尽管最初被认为是有毒的气体,只有硫化氢(H2S)、一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)是现在公认的重要内生产生信号分子称为gasotransmitters。王形容gasotransmitters小型气体分子膜渗透,从内部生成,在生理功能相关的浓度(1]。前两个gasotransmitters被发现没有(2)和(3]。H2年代确定的第三gasotransmitter [1,4- - - - - -7]。如没有和公司,H2年代也是一种有毒空气污染物(8- - - - - -10]。二氧化硫(所以2)和羰基硫(COS)是气态的毒素,直到最近被证明是开生产和生物信号传输(11]。在这篇文章中,我们将讨论硫的生物毒素包含gasotransmitters和参考使用。我们的首要目标是与已知哺乳动物的理解这些化合物的作用在无脊椎动物农业害虫。因此,我们增强了纸比较的合成和分解代谢相关基因的生物信息学H2年代,所以2,因为。这将促进未来详细的遗传研究的模式行动的这些gasotransmitters /硫磺熏蒸剂
所以最有力的证据2和因为gasotransmitters来自于他们对平滑肌细胞的影响。扩张血管平滑肌是由内皮释放引起的血管扩张的物质称为内皮衍生放松因素(EDRF) [2]。没有是一个主要的中介EDRF-induced血管舒张(12),和H2年代被建议作为一个次要EDRF组件(13]。然而,EDRF导致平滑肌细胞超极化,但是没有和H2造成这种效果。有人建议,EDRF包含多个组件,导致超极化,指定内皮衍生超极化因子(EDHFs) [14,15]。两个所以2,因为是由猪冠状动脉(PCA),和两个短的半衰期1 - 2秒,类似于EDHF [11,16,17]。因此,所以2和因为潜在候选人EDHF [18]。
硫在生物学中占据特殊地位,由于其电子转移和基质的能力。硫是一种氧化还原变色龙,大约有十个不同的氧化状态(19]。这些范围从- 2硫醇在硫酸盐阴离子(RSH) + 6 (),包括部分氧化态如−0.5,二硫化物激进的阴离子(RSSR中找到−)[20.]。这种独特的化学硫可以参与一个广泛范围的氧化还原事件(21]。它也会影响催化和金属绑定元素的特征(22)以及含硫gasotransmitters的活动。例如,暴露于含硫气体对细胞代谢和氧化还原系统产生深远的影响23- - - - - -25]。
我们将讨论每个H2年代,所以2,因为,包括它们的化学性质,他们的新陈代谢,和运输。我们还将确定基因的同源基因硫代谢和运输易处理的生物模型秀丽隐杆线虫(秀丽隐杆线虫)以及黑腹果蝇(d .腹),酿酒酵母(酿酒酵母)。秀丽隐杆线虫orthologues哺乳动物基因的硫酸盐化作用最近回顾,本文将不讨论26]。
我们建议熏蒸剂毒药特别有效,因为它们能够破坏内源性气体信号。这一假设有密切的必然结果,熏蒸剂或其近衍生品可能医用价值影响gasotransmitters亚致死的剂量的修饰符。本文将促进这些假设的未来基因调查。
2。硫化氢
H2年代是一种无色、有气味的,易燃,水溶性天然气(27]。也是剧毒是它的使用在第一次世界大战中作为化学战剂(28]。H2年代也是一个重要的空气污染物,尤其是在污水处理厂,它可以积累到危险水平(10]。这些气体的毒性最初认为是由可逆抑制细胞色素c氧化酶(COX),电子传递链的末端电子受体(等)29日]。
现在认识到,H2年代有广泛的生物学作用。因此,虽然H2年代并抑制COX在高浓度的大约80 ppm氰化物相似,在低浓度H2年代实际上刺激耗氧量(30.]。H2年代发现有效地竞争与其他电子给体。当H2年代在colonocytes浓度高,复杂的我从醌等逆向运作模式和接受电子,以减少NAD NADH (31日]。引起的呼吸抑制H2S是伴随着降级等复杂的二世(32]。
暴露在150 ppm的H2年代已被证明导致老鼠这样的假死状态(33]。秀丽隐杆线虫适应在50 ppm的H2在耐热的结果和寿命的增加34]。耐高温秀丽隐杆线虫常常与寿命的增加(35]。致死量为100%秀丽隐杆线虫是150 ppm H2然而,美国的环境适应秀丽隐杆线虫能够生存下来接触500 ppm (36]。H2年代也会影响心血管(37,神经4)、消化、呼吸、内分泌(38),免疫系统在生理浓度(39)(表1)。H2S是内生的新陈代谢过程中产生的含硫氨基酸,在溶液中H2年代的能级HS−和H+(40]。这些生物活动导致了H2年代被承认为第三gasotransmitter之后没有和有限公司1,4- - - - - -7]。
2.1。H的合成2年代
H2S是通过半胱氨酸的desulfhydration保持酶的生成两个吡哆醛磷酸盐(PLP)依赖酶胱硫醚-β合酶(CBS) (47)和胱硫醚-γ裂合酶(CSE /车车)(48]。以及PLP-independent酶3-mercaptopyruvate sulfurtransferase (3 mst / MPST) [49]。哥伦比亚广播公司和CSE都位于胞质(50),而3 mst存在于细胞质和线粒体51]。H的生物合成途径2S是依赖于组织的位置。CBS是大脑的主要来源52而CSE H的主要来源2年代在血管41]。CSE中断导致海拔血压(53]。
哥伦比亚广播公司和CSE不仅影响H的水平2年代,还含硫氨基酸的代谢和细胞的氧化还原状态通过他们对谷胱甘肽(GSH)的可用性的影响。哥伦比亚广播公司和CSE都参与homocysteine-dependent transsulfuration途径。哥伦比亚广播公司(CBS)催化第一步分解代谢的同型半胱氨酸胱硫醚,而CSE催化胱硫醚的合成半胱氨酸(图1(一))54,55]。
含硫氨基酸半胱氨酸的可用性是一个关键因素在谷胱甘肽(GSH)的合成56,57]。大约一半的肝脏中谷胱甘肽来源于transsulfuration通路(58]。二硫化谷胱甘肽,谷胱甘肽(GSSG)是主要的硫醇和二硫化物夫妇参与细胞氧化还原维护(2谷胱甘肽(GSSG) (59,60]。H2年代的增加γ-Glutamylcysteine,谷胱甘肽的前体,导致经济复苏的半胱氨酸运输(42,43]。
CBS的血红素酶redox-active并能可逆地调节酶的活性氧化还原状态。胱硫醚减少条件下产量下降了大约1.7折(54]。而在氧化条件下胱硫醚生产增加1.6至2.1折(58]。此外,CSE基因的表达也诱导氧化条件下(61年]。的氧化还原反应这两个通路可能是重要的为了维持一个适当的细胞内谷胱甘肽池(58,62年]。
第三个酶,3 mst,参与一个两步途径的H2合成。首先,天冬氨酸转氨酶(AAT / ASAT / AspAT /(谷氨酸草酰乙酸的转氨酶))(63年]脱氨基半胱氨酸的存在α酮戊二酸生成3-mercaptopyruvate和谷氨酸64年]。其次,3-mercaptopyruvate desulfhydrated丙酮酸和H2年代3 mst(图1(b))。然而3 mst活动是减少在氧化条件下,与哥伦比亚广播公司(CBS)或CSE (65年]。抑制的结果从氧化的催化活性位点的半胱氨酸3 mst sulfenate [66年]。这有助于保护抑制半胱氨酸在细胞,导致细胞氧化还原体内平衡的维护。
2.2。分解代谢的H2年代
paralogue 3 mst叫Rhodanese (RHOD)原则的解毒酶参与H2在线粒体(67年]。RHOD也参与解毒氰化物(68年]。H2年代迅速氧化为硫代硫酸盐(),然后转化为亚硫酸盐()和硫酸()[69年]。脊椎动物3 mst,同源性59% RHOD可能还可以解毒氰化物和H2年代(67年,70年]。
2.3。秀丽隐杆线虫:基因在H2代谢和解毒
2.3.1。胱硫醚-β合酶(CBS) /半胱氨酸合成酶
的酿酒酵母蛋白质CYS4 / YGR155W,秀丽隐杆线虫序列ZC373.1 F54A3.4,智人(哥伦比亚广播公司)和d .腹(CBS / CG4840)形成一个集群同源序列的系统发育树(图2)。这些序列,但是秀丽隐杆线虫序列特征和哥伦比亚广播公司(CBS)。还有一个更发散酵母序列(YGR012W)定义了一个包含四个同源集群秀丽隐杆线虫paralogues但没有从其他两个生物体(图序列2)。YGR012W是半胱氨酸合成酶位于线粒体外膜(71年]。
2.3.2。胱硫醚-γ裂合酶(CSE)
的酿酒酵母蛋白质CYS3 / YAL012Wd .腹Eip55E / CG5345,智人(CSE),秀丽隐杆线虫序列CTH-2 / ZK1127.10和CTH-1 / F22B8.6集群形成一个同源序列的系统发育树(图3)。酿酒酵母蛋白质MET17,催化反应O-acetylhomoserine和硫化物之间,导致同型半胱氨酸的生产(72年,73年]。酿酒酵母蛋白质STR3和IRC7胱硫醚-β裂合酶蛋白中没有智人,参与生物合成蛋氨酸(74年,75年]。的秀丽隐杆线虫序列CBL-1 / C12C8.2表单第二个同源集群酿酒酵母蛋白质IRC7(图3)。
2.3.3。3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase (3 mst)和Rhodanese (RHOD)
的酿酒酵母蛋白质TUM1 / YOR251C,智人RHOD和3 mst以及七秀丽隐杆线虫paralogues MPST-1通过MPST-7集群形成一个同源序列的系统发育树(图4)。有趣的是,尽管基因存在细菌、酵母、线虫和哺乳动物,没有同源序列中存在d .腹在基因库基因组或任何节肢动物门序列。
2.3.4。天冬氨酸转氨酶(AAT)
天冬氨酸转氨酶序列的系统发育树自然分裂成两个演化支。一个进化枝包含酿酒酵母AAT1 / YKL106W和智人AAT-m蛋白质,这两者都是已知的位于线粒体。另一个进化枝包含酿酒酵母AAT2 / YLR027C和智人AAT-c蛋白质的胞质(76年]。的d .腹2个/ CG4233和蛋白质秀丽隐杆线虫有- 2.1 / C44E4.3和有- 2.2 / C14F11.1蛋白质与线粒体orthologues(图5),这表明这些蛋白质是线粒体。d .腹蛋白1 / CG8430和秀丽隐杆线虫有- 1.1 / T01C8.4,有- 1.2 / T01C8.5, 1.3 / C14E2.2蛋白质分为细胞质分化枝(图5),这表明这些蛋白是胞质。
3所示。羰基硫
羰基硫在1841年首次描述(77年]。它是一种空气污染物,也被用作熏蒸消毒剂(78年,79年]。因为也自然存在于大气,水,土壤,植物(80年]。因为生物生成硫氰酸细菌通过酶水解酶,但这种酶不存在在真核生物81年]。有趣的是,因为是检测猪冠状动脉(PCA)和心肌和能够诱导动脉扩张18]。作为本文的写作因为生物合成的真核途径尚不清楚。它已被证明,但是刺激PCA与乙酰胆碱的合成增加,因为在冠状动脉内。这表明,毒蕈碱的乙酰胆碱受体(mAChRs)而不是烟碱乙酰胆碱受体(乙酰)参与调节因为合成18),因为mAChRs但不是乙酰胆在冠状动脉(82年]。
因为通过转换α碳酸脱水酶(α儿童和青少年卫生与发育司)H2年代和有限公司2。在真核生物中,α儿童和青少年卫生与发育司主要负责调节pH值(83年]。这种酶广泛分布于哺乳动物血液和组织(84年]。因为是由H的毒性2年代的抑制αcah活动减少COS的毒性85年]。有趣的是α儿童和青少年卫生与发育司活动可以通过H抑制2年代(86年]。因为暴露后,细胞的氧化还原平衡破坏,基因对氧化应激,如谷胱甘肽还原酶和超氧化物歧化酶调节(23]。接触因为相似的基因表达影响的磷化氢接触(87年]。
3.1。秀丽隐杆线虫:因为代谢和解毒基因
合成的基因负责因为尚未被确认,但是众所周知,α碳酸脱水酶(α儿童和青少年卫生与发育司)负责因为转换成二氧化碳和硫化氢。的秀丽隐杆线虫α研究了碳酸脱水酶基因家族。它有六个家庭成员,其中两个(CAH-3和CAH-4)已经证明编码功能α儿童和青少年卫生与发育司酶(表2)[88年]。另外秀丽隐杆线虫,酿酒酵母,d .腹还包含一个β类CAH的没有找到智人(89年,90年]。
4所示。二氧化硫
像先前提到的气体,所以2是一种有毒空气污染物(91年,92年]。它也有区别的最古老的记录化学熏蒸消毒剂,被古埃及人,希腊人,罗马人(93年]。也用作化学战剂雅典人之间的冲突,大约在公元前431年伯罗奔尼撒[94年)以及在罗马这座城市围攻,(在公元256年95年]。亚硫酸盐,分离的产物2,被用作防腐剂在饮料和食品96年]。
所以2可能是一个信号分子从内部生产的含硫氨基酸的代谢97年]。此外,所以2被发现在生理浓度产生生物效应(18),如孤立的血管舒张大鼠主动脉环(98年),雄性老鼠的血压下降99年,One hundred.]。由于这些原因,所以2被认为是一个gasotransmitter [98年]。
所以2也可以在溶液中分离到其衍生品,这也可能是生物活性。例如,所以2解离成亚硫酸盐(亚硫酸氢)和()3:1比在中性溶液(101年]。此外,这两个和可以氧化通过亚硫酸盐氧化酶(袜)102年]。通过所以血管舒张2然而,被发现要大于扩张引起的2衍生品(103年]。因此,不太可能归因于这样的活动2实际上是由于衍生化合物的作用。
4.1。代的所以2
所以2通过生成两个不同的路径,一个酶和非酶的一种。通过分解代谢酶代谢发生的半胱氨酸49]。半胱氨酸cysteinesulfinate分解代谢是依赖于半胱氨酸加双氧酶(CDO) [97年,104年]。CDO浓度由蛋氨酸和半胱氨酸或蛋白质的可用性105年]。因此,CDO是一种酶,调节自由半胱氨酸水平(106年]。的关键酶的生成2AAT,不断表示(图1(c))107年]。然而,通过糖皮质激素(AAT的表达增加11,108年]。AAT表达在细胞溶质和线粒体109年]。非酶的一代的2发生在中性粒细胞的氧化应激,导致H的转换2年代亚硫酸盐(110年]。
4.2。毒性
没有信息的机制2毒性。它可能涉及自由基引起的氧化损伤中形成亚硫酸盐氧化(111年]。接触所以2被发现导致脂质过氧化以及增加酶的水平,保护细胞免受氧化损伤引起的活性氧物种,包括超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶(112年]。接触所以2也引起染色体畸变,染色单体即和微核形成,见培养人血淋巴细胞(113年,114年]。亚硫酸盐氧化酶(SOX)是参与亚硫酸盐的氧化解毒102年,115年]。缺乏袜证明,已经增加2,,毒性(116年,117年]。袜活动已被证明是显著不同在不同哺乳动物组织(118年]。预计接触造成的氧化损伤2将特定组织。然而发现暴露2近相等的氧化损伤引起的,建议2毒性是系统性119年]。
4.3。秀丽隐杆线虫:基因参与2代谢和解毒
进行系统发育分析没有涉及的其他蛋白质的合成或分解2没有基因重复发生,导致线虫和人类之间的一个简单的一一对应序列。半胱氨酸的人类基因加双氧酶(cdo-1)进行二氧化硫的最初一步合成半胱氨酸。秀丽隐杆线虫有一个同行也叫什么cdo-1(表3)。第二步在二氧化硫合成天冬氨酸氨基转移酶,也在其他地方使用硫代谢图的主题5。二氧化硫的合成的最后一步是sulfinyl-pyruvate的非酶的分解二氧化硫和丙酮酸。二氧化硫的氧化是由SOX-1人类同源秀丽隐杆线虫基因是H13N06.4(表3)。
5。相声Gasotransmitters之间
H2年代,所以2被发现与没有协同作用,增强vasorelaxant效应(One hundred.,120年]。H的vasorelaxant效应2在大鼠主动脉环可以减少切除内皮,中断没有合酶或阻塞的Ca2 +端依赖K+渠道(121年]。这表明没有和潜在EDHF vasorelaxant效应的H2s .然而,其他人没有观察到协同血管舒张时H2年代,没有治疗相结合,而是看到一个减少血管舒张(122年]。这可能是由于H之间的反应2年代,没有生成nitrosothiol [123年]。
H的合成2年代当暴露在没有增加是由于环鸟苷酸通路的激活,这可能增加了活动CSE (124年]。也没有增加CSE的表达参与H2年代合成(37]。它也被发现,新陈代谢的公司也增强暴露在H2年代(125年]。此外,没有和H2年代可能导致增加半胱氨酸吸收(42,126年]。胱氨酸吸收的增加可以提高H的合成2年代(127年]。相比之下,H2年代在老鼠没有发现抑制合成调节主动脉L-arginine-dependent没有通路(128年]。接触所以2发现增加没有通路(129年]。尽管穷人gasotransmitters之间的相互理解,很明显,他们的功能是紧密集成。
6。存储、发布和传输
从内部产生的含硫气体之后,他们可以立即释放或存储供以后释放在回应一个生理信号。与短半衰期的因为所以2H的半衰期2在哺乳动物血浆是大约30分钟130年]。硫的含硫气体可以存储在两种形式,acid-labile硫或绑定sulfane-sulfur。体内H2吸收和存储为绑定sulfane-sulfur [131年]。从绑定sulfane-sulfur硫释放减少谷胱甘肽和半胱氨酸,或在pH值高于8.4 [131年,132年]。Acid-labile硫通常被发现是iron-sulfur线粒体的酶。硫是释放acid-labile硫的pH值< 5.4,很少或根本没有H2年代在pH值≤6 (131年]。
绑定sulfane-sulfur通常位于细胞质中虽然也有长途运输的证据(131年,133年]。交通已经决定机制之一鲁西娜pectinata血红素组的血红蛋白I (HbI)结合硫化和传输(97年,134年]。在C1 HbRiftia pachyptila硫化,势必锌离子(135年]。HbI和C1 Hb中发现秀丽隐杆线虫退出,不过其他球状蛋白质可能与硫化物结合,提供一个机制来硫化长途运输。
H2年代因为所以2能够自由的在疏水多孔膜扩散通过膜渠道不便利(136年- - - - - -138年]。此外,没有证据表明活性膜运输H2年代被发现(137年]。这种情况类似氨的运输,也可以自由扩散穿过细胞膜。尽管这种能力,然而,三个不同的交通系统存在积极跨细胞膜运输氨(139年]。
7所示。未来的发展方向
三个含硫气体H2年代,所以2在脊椎动物,因为作为gasotransmitters。主要的生物测定,用于研究的三个化合物是血管舒张,虽然代谢逮捕的案例中也得到了证实2年代和所有三个化合物是影响细胞的氧化还原状态。虽然化合物几乎没有研究在无脊椎动物中,H2年代已被证明调解寿命扩展和耐热性秀丽隐杆线虫(34以及脱水耐性d .腹(140年]。暴露的秀丽隐杆线虫所以2诱发卵胎生[141年),这是一种应激反应秀丽隐杆线虫(142年]。化学品管理时的毒性浓度大于正常内生水平可能反映了他们作为强有力的神经和生理信号分子。毒性已经利用商业通过使用这些化合物作为熏蒸剂。
描述这些分子的生物模型的角色,秀丽隐杆线虫,将促进其功能的遗传分析和毒理学在农业和医学与好处。遗传分析的第一步是确定的程度主要代谢途径存在于真核基因生物模型;酿酒酵母,秀丽隐杆线虫,d .腹。我们的分析表明,所有的代谢基因存在于酵母。研究这种生物将价值有限的了解化合物法在多细胞动物,然而。d .腹事实上所有昆虫是失踪的一个代谢基因,这将限制可以被认为是在这个物种的研究。该模型系统秀丽隐杆线虫包含所有的哺乳动物基因参与新陈代谢的含硫气体。秀丽隐杆线虫有一个额外的有趣的属性。大多数基因合成的H2一直在重复秀丽隐杆线虫尽管单个基因存在于其他生物。这种情况可能反映了生物学的刻板秀丽隐杆线虫在特定的基因在特定的细胞类型在更大程度上比其他生物。这可能提供一个研究优势遗传操作可能允许gasotransmitter信号中断比其他生物更具体地说。
秀丽隐杆线虫是理想的遗传调查gasotransmitter行动和毒性的线虫琼脂培养基上培养促进同时暴露于化学物质和溶解气体。秀丽隐杆线虫繁殖迅速作为自我加肥雌雄同体,促进突变株的创建。也有定义良好的转换和遗传操纵基因表达的技术。此外,刻板的发展秀丽隐杆线虫成人意味着每个细胞的起源是已知的和每一个细胞的生理作用是可再生的。因为生物是透明的,单个细胞在生物体的生理也通常可以使用荧光探针研究显微镜下。
基因分析可以进行“转发”的方向,指传统的诱变方法的基因变异个体的基因组,后跟一个屏幕展示特定的影响(例如,抗H2。然后分析揭示了突变基因和表型是如何介导的。遗传分析也可以进行相反的方向,指破坏特征基因的分子遗传学方法应该影响过程,然后分析结果。一个例子是单独每个CSE基因抑制秀丽隐杆线虫看到这其中导致表型相关的H2合成。遗传分析也可以组合,这种方法大大地促进了基因生物模型,通常有大集合的特征突变株的请求分发给研究人员。组合方法是确定的一个例子的影响H2年代在寿命损耗菌株携带长寿突变。这将表明是否H的效果2年代的寿命与任何先前描述的寿命提高突变。
重大问题仍有待调查关于角色的含硫气体在生物学,特别是无脊椎动物。这些包括独特的角色的可能性的气体在特定亚细胞车厢,在开发过程中在特定的组织或在特定的时期。基因分析可以用来识别气体信号和其他信号通路之间的相互作用以及氧化还原状态的影响活动的气体。理解行动的机制也可以用来识别小说熏蒸剂或熏蒸增效剂的商业的重要性。模式生物遗传学还可用于生理参数的识别和基因操作的医学意义控制的含硫气体。这些生理状态包括耐热性、脱水耐性,可逆代谢被捕,和低氧预处理。可以有效地解决所有这些研究的目标和意义等遗传生物模型秀丽隐杆线虫。