Suppression of mitochondrial respiration by hydrogen sulfide in hibernating 13-lined ground squirrels

硫化氫對冬眠 13 線地松鼠線粒體呼吸的抑制

來源：Free Radical Biology and Medicine 169 (2021) 181–186

 

1. 摘要核心內容

 

本研究揭示硫化氫（H?S）在13紋地松鼠冬眠代謝抑制中的關鍵作用：

 

冬眠深眠期（torpor），肝臟線粒體呼吸被H?S顯著抑制，而夏季（summer）和冬眠覺醒期（IBE）影響微弱。

 

機制核心：深眠期肝臟硫醌氧化還原酶（SQR）活性降低→H?S降解受阻→H?S蓄積（圖1B）→抑制細胞色素c氧化酶（Complex IV）（圖1E-F）。

 

 

驗證數據：深眠期肝臟H?S水平升高（圖1B），離體線粒體H?S氧化速率降低（圖2A-C），SQR活性下降（圖2E）。

 

 

科學意義：首次提出SQR是調控冬眠期線粒體功能的關鍵開關，為哺乳動物冬眠代謝機制提供新視角。

 

2. 研究目的

 

探究H?S是否參與冬眠代謝抑制及其分子機制：

 

量化冬眠不同階段（深眠期torpor、覺醒期IBE、夏季）血漿/肝臟H?S水平變化。

 

驗證H?S對離體線粒體呼吸的抑制作用及階段特異性。

 

解析SQR活性調控與H?S代謝的關聯性。

 

3. 研究思路

 

采用多階段對照策略：

 

動物模型：13紋地松鼠分三組——夏季活躍期、冬眠深眠期（Tb≈5℃）、冬眠覺醒期（Tb≈37℃）。

 

體內H?S檢測：

 

單溴二胺熒光法（HPLC）測血漿/肝臟生物可利用H?S（圖1A-B）。

 

離體線粒體功能：

 

Oxygraph-2K呼吸儀測H?S對呼吸的抑制（圖1C-F）。

 

安培法H?S微傳感器（丹麥Unisense）量化線粒體H?S氧化速率（圖2A-D）。

 

酶活分析：

 

比色法測SQR活性（圖2E）。

 

4. 測量數據及研究意義

（1）關鍵數據來源與意義

 

指標          數據來源                研究意義

 

血漿H?S水平  圖1A  夏季顯著高于冬眠期（無季節差異），提示循環H?S非代謝抑制主因。

 

肝臟H?S水平  圖1B  深眠期顯著高于覺醒期/夏季，定位H?S蓄積于肝臟（抑制呼吸關鍵位點）。

 

線粒體呼吸抑制  圖1C-F  H?S對深眠期線粒體抑制更強（80%抑制率）、更持久（>70 min），揭示階段特異性。

 

線粒體H?S氧化速率  圖2A-C  深眠期氧化速率最低，依賴完整膜結構（超聲/抗霉素A抑制活性）。

 

SQR活性  圖2E     深眠期活性最低（較夏季降幅顯著），直接關聯H?S降解能力下降。

 

5. 核心結論

 

H?S是深眠期代謝抑制的關鍵介質：

 

肝臟H?S蓄積（深眠期↑）直接抑制Complex IV，降低線粒體呼吸70%。

 

SQR是代謝轉換的分子開關：

 

深眠期SQR活性↓→H?S降解↓→H?S蓄積↑→呼吸抑制。

 

覺醒期/夏季SQR活性恢復→H?S降解→呼吸正常。

 

調控機制：SQR活性可能受翻譯后修飾（如乙酰化）調控，而非基因表達（低溫抑制轉錄）。

 

6. Unisense電極（安培法H?S微傳感器）的詳細解讀

 

技術原理與優勢：

 

原理：基于H?S在電極表面氧化產生的電流信號（H?S → S? + 2H? + 2e?），實時量化H?S濃度變化。

 

靈敏度：可檢測nM級H?S，實現動力學過程實時監測（如線粒體H?S氧化速率）。

 

研究中的關鍵作用：

 

量化線粒體H?S氧化能力（圖2A-C）：

 

直接證明深眠期線粒體氧化H?S速率最低（較IBE/夏季↓50%），揭示SQR功能受抑。

 

驗證氧化依賴完整線粒體膜（超聲破碎后活性消失）及電子傳遞鏈（抗霉素A抑制）。

 

解析SQR作用機制：

 

結合抑制劑實驗（圖2D），確證SQR（位于Complex I下游、III上游）是H?S氧化的核心酶。

 

支撐核心模型：

 

"Unisense微傳感器的實時監測證明，深眠期線粒體氧化H?S的能力下降并非Complex IV敏感性改變所致，而是SQR活性降低導致H?S蓄積的結果。"（正文）

 

科學意義：

 

克服傳統終點法局限，首次實現線粒體H?S代謝動力學的連續觀測。

 

為"深眠期SQR活性抑制→H?S蓄積→呼吸抑制"模型提供直接實驗證據（圖2F）。

 

注：所有結論均嚴格基于文檔數據，Unisense電極的核心價值在于揭示線粒體H?S代謝的動態過程，推動冬眠代謝機制研究進入動態監測時代。