Mycobacterium tuberculosis H2S Functions as a Sink to Modulate Central Metabolism, Bioenergetics, and Drug Susceptibility

結核分枝桿菌H 2 S 作為調節中樞代謝、生物能和藥物敏感性的水槽

來源：Antioxidants 2021, 10, 1285.

 

1. 摘要核心內容

 

本研究首次揭示結核分枝桿菌通過Cds1酶（Rv3684）產生內源性H?S，并解析其多維度生理功能：

 

H?S產生機制：臨床耐藥/敏感株均產H?S，主要依賴PLP依賴性半胱氨酸脫巰基酶Cds1（Km=11.26 mM，kcat=78.71 s?1），將半胱氨酸轉化為H?S、丙酮酸和氨（圖2）。

 

 

核心功能：

 

能量代謝開關：H?S劑量依賴性刺激呼吸鏈（通過細胞色素bd氧化酶），維持OXPHOS與糖酵解平衡（圖5,7）；

 

 

 

硫循環樞紐：H?S作為硫原子“緩沖池”，緩解半胱氨酸毒性，維持硫代謝穩態（圖6）；

 

 

氧化還原調控：低濃度H?S抗氧化，高濃度促氧化（圖8）；

 

 

藥物敏感性：內源性H?S增強CFZ（氯法齊明）和RIF（利福平）敏感性（圖8e-i）。

 

技術突破：Unisense微電極實現H?S實時動態監測，精度達μM級（圖1j-m）。

 

 

2. 研究目的

 

揭示Mtb內源性H?S的生理功能與機制：

 

驗證Mtb產H?S能力及關鍵酶（Cds1）；

 

解析H?S對呼吸鏈、中心代謝和氧化還原平衡的調控；

 

探究H?S對結核藥物敏感性的影響。

 

3. 研究思路

 

多技術聯用策略：

 

H?S檢測：

 

鉛乙酸試紙法（定性）：篩選產H?S菌株（圖1a-b）；

 

鉍鹽比色法（定量）：量化H?S產量（圖1c-e）；

 

Unisense安培微電極：實時監測動力學（圖1j-m）。

 

遺傳操作：

 

構建Δcds1突變株及回補株（圖3），驗證Cds1功能。

 

 

功能解析：

 

呼吸鏈：Seahorse細胞能量分析儀測氧耗速率（OCR）（圖5）；

 

代謝組學：13C標記示蹤硫代謝流（圖6-7）；

 

氧化應激：流式細胞術檢測活性氧（ROI）（圖8a-d）。

 

藥敏評價：CFU法評估藥物殺傷效應（圖8e-i）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）H?S產生與Cds1功能驗證

 

圖1j-m（Unisense電極）：

 

直接捕獲H?S動態釋放（Cys添加后3分鐘達峰），Δcds1突變體產量↓60%（*p<0.01）；

 

意義：推翻“Mtb不產H?S”傳統認知，確立Cds1為核心酶。

 

圖2g：酶動力學顯示Cds1高效轉化Cys（Km=11.26 mM），解釋臨床株H?S產量差異（MDR株>DS株）。

 

（2）H?S調控呼吸與代謝

 

圖5a：Δcds1基礎呼吸↓40%，證實H?S激活呼吸鏈（*p<0.01）；

 

圖7b-c：Δcds1糖酵解/TCA代謝物積累，ATP↑30%（p<0.05），揭示H?S抑制糖酵解、促進OXPHOS*；

 

圖6：Δcds1硫代謝物（Cys、Met等）積累，證明H?S維持硫原子循環（Cys→H?S→再合成Cys）。

 

（3）氧化還原與藥敏調控

 

圖8a-d：Δcds1在氧化應激（CHP）下存活率↑25%（p<0.01），揭示H?S高濃度促氧化*；

 

圖8e-f：Δcds1對CFZ耐藥性↑2倍，外源H?S恢復殺傷效應（p<0.01），表明H?S增敏抗生素*。

 

5. 核心結論

 

Cds1是Mtb核心H?S合成酶：PLP依賴性催化Cys脫巰基，維持硫穩態。

 

H?S雙相調控能量代謝：

 

低濃度→激活細胞色素bd→增強呼吸鏈效率；

 

高濃度→抑制糖酵解→代謝流向OXPHOS傾斜。

 

H?S是氧化還原開關：

 

生理濃度抗氧化，過量誘導ROS→加劇氧化損傷。

 

臨床意義：

 

H?S增強CFZ/RIF療效→靶向Cds1或可逆轉耐藥；

 

菌株H?S產量差異（MDR>DS）或成耐藥標志物。

 

6. 丹麥Unisense電極（H?S微傳感器）的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

安培檢測法：H?S在電極表面氧化產生電流信號→nM級靈敏度+秒級時間分辨率（方法2.6）。

 

原位實時監測：直接插入培養液/裂解液，避免采樣誤差（圖1j-m）。

 

關鍵科學貢獻：

 

精準量化H?S動力學：

 

首次捕獲Mtb H?S快速釋放特征（Cys刺激后3分鐘達峰），推翻“緩慢累積”假設；

 

揭示Δcds1突變體殘留H?S產量（40%），提示存在次要途徑（圖1j）。

 

解析酶活調控機制：

 

實時監測AOAA（抑制劑）對Cds1的完全抑制效應（圖1m），確證PLP依賴性；

 

發現PLP添加使H?S產率↑80%（圖1e），指導體外酶活優化。

 

支撐呼吸-代謝關聯模型：

 

“Unisense數據證實：Cys誘導的H?S釋放與呼吸爆發（OCR↑150%）同步發生，為‘H?S-細胞色素bd軸’提供直接證據”（圖5c）。

 

領域突破性價值：

 

克服傳統終點法（鉍鹽法/試紙法）局限→動態解析H?S代謝網絡；

 

為靶向H?S的抗結核策略提供關鍵參數（如閾值濃度、時間窗）。

 

注：Unisense電極是貫穿研究的關鍵工具，其高時空分辨率數據為H?S的“氣體信號分子”功能提供不可替代的證據鏈。