Hydrogen Sulfide Is a Regulator of Hemoglobin Oxygen-Carrying Capacity via Controlling 2,3-BPG Production in Erythrocytes

硫化氫通過控制紅細胞中 2,3-BPG 的產生來調節血紅蛋白攜氧能力

來源：Oxidative Medicine and Cellular Longevity Volume 2021, Article ID 8877691, 16 pages

 

1. 摘要核心內容

 

本研究首次揭示內源性硫化氫（H?S） 是紅細胞內 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG） 產生的關鍵抑制因子，通過調節血紅蛋白（Hb）與細胞膜的錨定狀態，控制雙磷酸甘油酸變位酶（BPGM）的亞細胞定位，從而影響Hb-O?結合親和力。主要發現：

 

H?S缺失導致2,3-BPG升高：胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）基因敲除（Cse?/?）小鼠紅細胞中2,3-BPG水平顯著增加，50%氧飽和度（P50）值升高（圖1a-c）。

 

 

H?S直接作用于紅細胞：體外實驗證實H?S供體GYY4137可降低2,3-BPG并增強Hb-O?親和力（圖3）。

 

 

分子機制：H?S通過促進Hb從膜釋放至胞質，增強BPGM膜錨定（圖4-6），該過程與Hb的S-硫磺化修飾（Cys104位點）相關（圖7）。

 

 

 

 

 

缺氧適應性：缺氧降低循環H?S水平，增加2,3-BPG，而GYY4137可逆轉此效應（圖8）。

 

 

2. 研究目的

 

探究H?S是否及如何調節紅細胞內2,3-BPG代謝和Hb-O?親和力，特別是在缺氧適應中的作用，為紅細胞氧運輸調控提供新機制。

3. 研究思路

 

基因模型→代謝組學→機制解析→缺氧驗證：

 

動物模型：

 

比較Cse?/?小鼠與野生型（WT）紅細胞代謝差異（代謝組學分析，圖1）。

 

骨髓移植實驗區分H?S來源（外周組織 vs. 紅細胞自身，圖2）。

 

 

體外驗證：

 

人/鼠紅細胞培養體系，添加H?S供體（GYY4137）或抑制劑（碘乙酰胺）。

 

檢測2,3-BPG、P50、BPGM亞細胞定位（圖3-5）。

 

分子機制：

 

免疫共沉淀（Co-IP）和質譜分析Hb與BPGM的相互作用（圖6）。

 

S-硫磺化修飾檢測（生物素轉換法，圖7）。

 

缺氧模型：

 

10% O?處理小鼠，監測H?S水平與2,3-BPG動態變化（圖8）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）H?S缺失增加2,3-BPG與P50（圖1）

 

數據：Cse?/?小鼠紅細胞2,3-BPG升高40%，P50增加4-6 mmHg（圖1a-c）。

 

意義：首次證明內源性H?S是2,3-BPG的生理性抑制因子，維持正常Hb-O?親和力。

 

（2）H?S調控BPGM膜-胞質轉運（圖4-5）

 

數據：

 

Cse?/?小鼠胞質BPGM活性升高2倍，膜錨定BPGM減少（圖4a-b）。

 

GYY4137處理逆轉BPGM膜定位（免疫熒光，圖4c）。

 

意義：揭示H?S通過控制BPGM亞細胞分布調節2,3-BPG合成，突破傳統代謝酶活性調控認知。

 

（3）Hb S-硫磺化修飾的關鍵作用（圖7）

 

數據：

 

MS鑒定Hb α鏈Cys104為S-硫磺化位點（圖7e-g）。

 

H?S缺失降低修飾水平，增加Hb膜錨定（膜血紅素含量升高，圖6b-d）。

 

意義：提出 H?S-Hb-BPGM軸新機制——S-硫磺化促進Hb胞質游離，減少與BPGM競爭性膜結合。

 

（4）缺氧通過H?S下調適應氧運輸（圖8）

 

數據：缺氧24小時，循環H?S下降50%，2,3-BPG升高35%，P50增加15%（圖8a-c）。

 

意義：闡明缺氧適應性新通路——低H?S→高2,3-BPG→Hb氧親和力降低→優化組織氧釋放。

 

5. 核心結論

 

H?S是紅細胞氧親和力核心調節因子：通過抑制2,3-BPG合成維持正常Hb-O?結合。

 

分子機制依賴Hb-BPGM空間競爭：H?S通過S-硫磺化修飾（Cys104）促進Hb胞質游離，增強BPGM膜錨定，抑制2,3-BPG生成。

 

缺氧適應性關鍵環節：缺氧降低H?S水平，解除對2,3-BPG的抑制，提升氧釋放能力。

 

轉化潛力：H?S供體（如GYY4137）可干預缺氧相關病理狀態。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術原理與優勢：

 

微呼吸傳感器（H?S-MRCh）：實時監測H?S生成動力學（方法2.11）。

 

高靈敏度與實時性：檢測限達微摩爾級，動態追蹤H?S生成速率（圖S2）。

 

關鍵科學貢獻：

 

量化紅細胞H?S生成能力：

 

直接證實小鼠紅細胞存在CSE依賴性H?S合成（Cse?/?小鼠生成率降低60%，圖S2）。

 

發現人紅細胞H?S生成速率與2,3-BPG負相關（圖3d-f）。

 

揭示缺氧對H?S代謝的即時影響：

 

Unisense動態曲線顯示：缺氧1小時內H?S生成速率下降40%，為"缺氧→H?S↓→2,3-BPG↑"鏈條提供時間分辨證據（圖8c）。

 

解析H?S供體藥效動力學：

 

GYY4137處理后H?S生成速率緩升，持續>6小時（圖3a），解釋其長效調控2,3-BPG的機制。

 

領域突破性價值：

 

克服傳統終點法（亞甲基藍法）的低通量局限，實現活細胞H?S代謝實時監測；

 

為氣體信號分子研究提供動態量化工具，推動紅細胞代謝調控向實時化、精準化發展。