硫双加氧酶的基因结构功能研究进展

　　硫化物是H2S,HS-和S2-的统称。由于硫化物与细胞色素aa3血红素卟啉环铁离子的可逆性结合进而阻止氧气与其结合[1];此外高浓度的硫化物可以导致细胞色素氧化酶构象的不稳定和亚基的降解[2];因此，硫化物能够破坏线粒体氧化呼吸链中电子传递，抑制ATP的产生。所以最初人们认为硫化物是生物体的一种有毒物质，然而最近发现生物体内可以产生内源性的硫化物[3],能调节生物体的一系列活动[4].线粒体硫化物氧化几乎存在于从无脊椎动物到脊椎动物所有的动物体内，被认为是调节生物体内硫化物浓度的关键通路[5].

　　1 硫双加氧酶在线粒体硫化物氧化中的功能
　　
　　线粒体硫化物氧化最先是在富硫环境生活中的生物如无尾蚌和沙蠋等硫化物应激解毒研究中发现的[6-7],被认为是硫化物解毒的最主要途径。

　　Hildebrandt和Grieshaber在2008年正式提出了线粒体硫化物氧化第一个模型（如图1Model A），即由3种酶硫醌氧化还原酶（SQR），硫双加氧酶（SDO）和硫转移酶（ST）的顺序作用而实现，SQR将硫化物（HS-）氧化成过硫化物（GSS-），形成的过硫化物（GSS-）在SDO作用下与氧气和水形成亚硫酸盐（SO2-3），随后SDO催化形成的亚硫酸盐（SO2-3）和SQR催化形成的过硫化物（GSS-）在ST的催化作用下形成硫代硫酸盐（S2O2-3），完成由有毒硫化物的变成低毒无毒的硫代硫酸盐转变，实现硫化物的氧化解毒[8].随后在研究人类的硫醌氧化还原酶功能时发现，SQR催化硫化物（HS-）和亚硫酸盐（SO2-3）形成硫代硫酸盐（S2O2-3）效率要明显高于SQR催 化 硫 化 物 （HS-）氧 化 成 过 硫 化 物（GSS-），因此，Jackson等提出了线粒体硫化物氧化的第二个模型（如图1 Model B），在该模型中SQR作为线粒体硫化物氧化催化的第一个酶催化硫化物（HS-）和亚硫酸盐（SO2-3）形成硫代硫酸盐（S2O2-3），形成的硫代硫酸盐（S2O2-3）在ST作用下形成亚硫酸盐（SO2-3）和过硫化物（GSS-），之后过硫化物（GSS-）再在SDO的作用下形成新的亚硫酸盐（SO2-3），并且重新被SQR氧化而进入下一个线粒体硫化物氧化的循环，在这个模型中作者认为线粒体硫化物氧化的反应效率更高[9-10].无论在哪个模型中，硫双加氧酶都发挥着共同的不可替代的作用，即催化过硫化物氧化形成亚硫酸。在人体中发现硫双加氧酶功能的缺失会导致乙基丙二酸脑病变（ethylmalonic encephalopathy），这是一种毁灭性的婴幼儿代谢疾病，影响大脑，肠道和外围血管 的 功 能，患 病 的 婴 幼 儿 会 在10岁 之 前 死亡[11-12].因此，对于硫化加氧酶的研究引起人们的兴趣。
　　
　　2 硫双加氧酶的基因结构功能研究进展
　　
　　2.1硫双加氧酶基因的发现
　　
　　在线粒体硫化物氧化模型最先提出时，硫醌氧化还原酶和硫转移酶都已经确定为哪个基因编码的，而硫双加氧酶只是在组织总蛋白中检测到其催化酶活，但是不能确定是哪个基因编码的[8].2009年Tiranti等首先确定在人体中确定基因ETHE1（ethylmalonic encephalopathy 1）编码的蛋白质行使硫双加氧酶的功能[12].这个基因最先是2002年在肝癌细胞消减文库中发现表达量明显升高，并且能够与NF-κB相结合抑制细胞凋亡的一个新基因，当 时 被 命 名 为HSCO（hepatoma subtracted-cDNA library clone one）；2004年发现HSCO基因的突变能够导致乙基丙二酸脑病变（ethylma-lonic encephalopathy），因 此 将 该 基 因 重 命 名 为ETHE1,并确定是位于人染色体19q13上的一个编码线粒体蛋白基因[11];之后该团队又发现在乙基丙二酸脑病变的病人体内和ETHE1基因敲除的小鼠体内均不能检测到硫双加氧酶的活性；而在大肠杆菌和Hela细胞中过表达ETHE1基因时，硫双加氧酶的活性明显增加，最终确定ETHE1蛋白就是硫双加氧酶[12].在ETHE1基因敲除的小鼠中还发现肌肉、脑和结肠黏膜中存在严重的细胞色素c氧化酶缺陷[2],机体还将出现持续性的神经损伤、出血性脑损伤、慢性出血腹泻、血管瘀斑和直立性手足发绀等症状[14];而这些症状均是由体内高浓度硫化物导致的[15],这一系列的研究进一步确定ETHE11氧酶，并在人体内线粒体硫化物氧化过程中发挥重要作用。

　　2.2硫双加氧酶的基因和结构特征
　　
　　硫双加氧酶的基因目前仅在动物人与单环刺螠和植物拟南芥中有明确的研究[11,16-17],其他物种均是在其基因组研究中发现编码硫双加氧酶蛋白，如牡蛎[18].硫双加氧酶属于金属β-内酰胺酶超家族成员，含有其代表性序列HXHXDH（图3中黑框标出），通常含有两个金属结合位点：金属结合位点I在图3中以#标出，以单环刺螠为例序列为H113,H115,H169和D188,金属结合位点II在图3中以▽标出，其在单环刺螠中的序列为D117,H118,H169和H229,这两个金属结合位点共用一个组氨酸。单环刺螠硫双加氧酶的分段表达实验验证，两个金属结合位点的重要性不同，结合生物信息学预测证明硫双加氧酶和β内酰胺酶超家族其他成员不同，虽然含有完整的两个金属结合位点，但是金属离子仅仅结合在第一个金属位点上，被认 为 是 金 属β内 酰 胺 酶 超 家 族 的 一 个 新 成员[17].Pettinati等在2015年解析出人类硫双加氧酶基因的三维结构，确定唯一的金属离子Fe2+与氨基酸H79,H135和D154相连，位于金属结合位点I上，为硫双加氧酶的催化活性中心，氨基酸163-166和226-232形成一个通道能够让活性中心与底物结合[19].
　　
　　2.3硫化物加氧酶的活性及催化机制
　　
　　从小鼠肝脏和沙蠋的体壁中纯化出的硫双加氧酶最大比酶活为（0.87 ± 0.04）和（0.85 ± 0.24）U mg protein-1[8],而体外表达的单环刺螠硫双加氧酶为比酶活0.80U mg protein1[17].此外拟南芥硫双加氧酶催化过硫化物的氧化反应其氧气的消耗率为（7.95 ± 0.71）μmol min-1mg pro-tein-1[16].对于底物的结合能力，单环刺螠硫双加氧酶的KM值（82.5±9.9）μM[17],而人类为（340±30）μM[20],耐硫生物的Km值明显低于不耐硫的人类，这从一个侧面解释了单环刺螠能够耐受硫化物的原因。

　　根据半胱氨酸双加氧酶的催化机制[21]以及单亚铁核心加氧酶的催化机制[22],Kabil和Banerjee提出了硫双加氧酶的催化机制（图4），在这个机制模型中，活性中心的Fe2+离子与2个组氨酸和1个天冬氨酸相连，剩余的3个位点被水占据（图4[1]）；在催化反应过程中3个水分子被底物过硫化物代替（图4[2]），并在氧气的作用下形成Fe3+离子的超氧复合体（图4[3]）；与Fe3+离子结合底物中的硫离子通过共振作用获得部分正电荷，因此Fe2+超氧复合体恢复（图4[4]），随后形成一个环状的过氧化物中间体（图4[5]）；随着O-O键裂开，形成了硫氧正基团和金属活性中心结合的活化氧离子（图4[6]）；最后该金属活性中心结合的活化氧离子传递到硫氧正基团，致使后者发生裂解反应，进而形成亚硫酸；由此硫双加氧酶恢复到初始的状态，并开始催化新一轮的反应；然而该催化机制还有待于光谱学的研究以进一步验证[20].
　　
　　3 结语
　　
　　本文对硫双加氧酶在线粒体硫化物氧化过程中的功能及硫双加氧酶基因的发现历程，基因结构和功能进行了综述。主要介绍了硫双加氧酶在线粒体硫化物氧化过程中催化过硫化物和氧气，水生成亚硫酸，为硫化物氧化过程中必不缺少的一步，并对其基因的结构和蛋白的三维结构进行综述，并根据其结构推测其催化机制。硫双加氧酶的研究能够加深人们对于硫化物代谢通路的认识，拓展人们对硫化物代谢分子机制的认识。此外，硫双加氧酶的功能异常会导致多种疾病，对于硫双加氧酶的研究进对于揭示这些疾病的起因以及治疗起着重要的意义。