Redox regulation

一、Redox regulation

Redox signaling, a mode of signal transduction that involves the transfer of electrons from a nucleophilic to electrophilic molecule, has emerged as an essential regulator of inflammatory macrophages. Redox reactions are driven by reactive oxygen/nitrogen species (ROS and RNS) and redox-sensitive metabolites such as fumarate and itaconate, which can post-translationally modify specific cysteine residues in target proteins.

1. ROS和RNS的来源

活性氧 (Reactive Oxygen Species，ROS)是生物有氧代谢过程中的副产物，是一类含氧并且性质活泼的物质的总称。ROS 的主要来源之一是线粒体内膜的呼吸链底物端。在有氧呼吸中，线粒体中的电子传递链复合物将电子传递给 O2，有一部分 O2 被还原，主要包括：超氧化物 (O2-), 过氧化氢(H2O2), 单线态氧(1O2), 羟基自由基(HO.), 氢过氧自由基 (ROO.), 氧化物过氧亚硝基阴离子 (ONOO-) 等。

ROS活性氧主要来源于线粒体呼吸链的蛋白酶复合体Ⅰ、Ⅲ（90%）和NADPH化酶。

RNS的主要分子包括：NO（信号分子）、N₂O₃（亚硝基化）、ONOO⁻（强氧化/硝化）、NO₂•（硝化反应）。NO由NOS 产生，包括eNOS, nNOS和iNOS。NO 本身不是很强的氧化剂，但可以进一步反应：

• 路径1：和 ROS 反应（最关键，RNS 的核心来源）
  NO + O₂•⁻ → ONOO⁻（过氧亚硝酸）

• 路径2：形成亚硝基化物种（用于：S-nitrosylation（Cys–SNO））
  NO + O₂ → N₂O₃

• 路径3：与硫醇反应
  NO → GSNO / protein-SNO（RsNO）

2. GSH和GSSG系统

ROS homeostasis is counterbalanced by enzymatic and non-enzymatic antioxidant systems

酶类系统

• SOD（Superoxide dismutase）：把超氧变成过氧化氢（2 O₂•⁻ → H₂O₂ + O₂）
  特点：第一道防线；反应非常快，减少超氧毒性。
  问题：生成了 H₂O₂（还需要继续处理）

• Catalase（过氧化氢酶）：直接分解 H₂O₂ （2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂）
  特点：效率极高（高通量），不需要还原剂（不像GPx）
  主要位置：peroxisome（过氧化物酶体）
  适用场景：H₂O₂浓度高时快速清除

• GPx（glutathione peroxidases）⭐
  作用：H₂O₂ + 2 GSH → 2 H₂O + GSSG 或：Lipid-OOH + 2 GSH → Lipid-OH + GSSG
  特点：需要 GSH（谷胱甘肽）。能处理：H₂O₂和脂质过氧化物（非常重要！）
  优势：比 catalase 更“精细”，可以在低浓度 ROS 下工作。

非酶类系统

glutathione（GSH）⭐
vitamin C / E

GSH 是细胞内最重要的“还原缓冲系统”，作用是维持蛋白巯基（–SH）、抗氧化、调控 redox 状态。

二、Reversible post-translational modification of cysteine residues

Cys修饰的“加上去”很多是化学驱动，而“去掉它”往往是酶决定的（Trx、Grx、GSNOR等）。

可以把半胱氨酸修饰分成两大类：
✅ 1. “信号型修饰”（多为非酶促）如：S-nitrosylation, S-sulfhydration, 氧化修饰。
特点：
依赖小分子（NO、ROS、H₂S）
不是特异酶加上去的

✅ 2. “结构/定位型修饰”（酶促）：如 palmitoylation, ubiquitination.
特点：
高度特异
需要明确的酶系统

1. S-sulfenylation / sulfinylation / sulfonylation（氧化）

👉 是氧化应激标志性修饰
Cys–SOH（亚砜酸）
Cys–SO₂H
Cys–SO₃H

该过程主要是ROS直接氧化，
相关酶主要参与逆转过程：
sulfiredoxin（部分可逆，如SO₂H → SOH）
thioredoxin / peroxiredoxin系统

2. S-nitrosylation（S-亚硝基化）

亚硝基化修饰（S-nitrosylation）是一种由一氧化氮（NO）介导的可逆性蛋白质翻译后修饰。它通过将NO基团与蛋白质中的半胱氨酸巯基共价连接形成稳定的亚硝基硫醇，从而影响蛋白质的功能。这种修饰在细胞稳态中发挥重要作用，并与多种疾病（如心血管疾病、阿尔茨海默氏病等）密切相关，调节蛋白质的活性、稳定性和相互作用。亚硝基化修饰的机制和影响在生理和病理过程中都具有重要意义。

• 修饰：Cys–SH → Cys–SNO

2.1 eNOS和iNOS

eNOS 和 iNOS 都属于一氧化氮合酶（NOS）

2.2 GSNO

RSNO = R–S–NO，也就是半胱氨酸巯基（–SH）被NO修饰后的产物，所有 S-nitrosylation 的产物本质上都是 RsNO。
R：任意含硫有机基团（通常来自蛋白或小分子）
S：硫（来自半胱氨酸）
NO：亚硝基（nitroso group）
常见的RSNO包括GSNO和Protein-SNO（蛋白S-亚硝基化）

GSNO是由 glutathione（谷胱甘肽, GSH） 的巯基（–SH）被 NO 修饰形成。也就是GSH 的 S-nitrosylation，GSH → GSNO（G–S–NO）。
GSNO 的核心作用：

1. NO“储存库”（reservoir）：NO 本身非常不稳定（秒级），GSNO 可以稳定保存 NO 生物活性。相当于NO的“稳定版本”。
2. 转亚硝基化（transnitrosylation）：GSNO 可以把 NO 转移给蛋白：
   GSNO + Protein–SH → GSH + Protein–SNO
   这是蛋白 S-nitrosylation 的重要来源！
3. 调控信号通路：GSNO通过 S-nitrosylation可以调节酶活性、调节离子通道、影响转录因子等。

GSNOR（S-nitrosoglutathione reductase）是GSNO 的调控最重要的酶（关键酶）
GSNOR可以催化 GSNO → GSSG + NH₃（间接降解）

AKR1A1 也可以还原 GSNO（S-nitrosoglutathione）反应逻辑：GSNO → GSNHOH / GSH 等（被还原）

2.3 3-nitrotyrosine

3-nitrotyrosine（3-硝基酪氨酸） 是一种蛋白质翻译后修饰产物，通常被当作 nitrosative stress（亚硝化/硝化应激）的经典标志物。
其本质结构是在氨基酸 tyrosine（酪氨酸） 上苯环的 3位（meta位） 加上一个 –NO₂（硝基）：Tyrosine → 3-nitrotyrosine (Tyr–NO₂)

其反应路径：
1️⃣ 最经典路径：NO + ROS
NO + O₂⁻ → ONOO⁻（过氧亚硝酸，强氧化/硝化剂）
2️⃣ 然后发生酪氨酸硝化
Tyrosine → Tyrosyl radical → 3-nitrotyrosine

• 和 S-nitrosylation 的本质区别

其升高表示NO 不再用于正常信号（cGMP），而是被“劫持”去形成 ONOO⁻，导致蛋白质被不可逆损伤，提示NO代谢从“信号分子”转向“毒性反应”。

2.4 酶的调控

S-Nitrosylation过程多数情况下不需要专一酶（非经典酶促），但受酶系统强烈调控。
👉 形成：多为化学反应（NO/GSNO驱动）
👉 去除：需要酶（Trx系统、GSNOR间接）
相关酶：
NO来源：nitric oxide synthase（NOS）
去修饰（denitrosylation）：thioredoxin（Trx / Trx2）
间接调控：GSNOR（降解GSNO），AKR1A1

Transnitrosylases mediate the addition of the NO moiety
onto the cysteine residue, whereas denitrosylases remove
the NO moiety to effectively regulate the extent of protein s-nitrosylation.
Common transnitrosylases include hemoglobin, GAPDH, and caspase-3, whereas common denitrosylases consist of GSNOR (S-nitrosoglutathione reductase), Trx (thioredoxin), and AKR1a1 (α-keto reductase family 1–member 1)
Depending on the target proteins, certain enzymes such as Trx, exert dual enzymatic effects as either denitrosylase or transnitrosylase.

2.5 NADPH

NADPH 是 S-nitrosylation 的“总调控电源”：它通过支持去亚硝基化系统和调控氧化还原环境，间接决定 SNO 是增加还是减少。

• Thioredoxin（Trx）系统依赖 NADPH

Trx 把蛋白Cys–SNO → Cys–SH，在这个过程中 Trx 自己被氧化。而NADPH的功能是把 TrxR 还原成 Trx。NADPH 的作用：TrxR → Trx
也就是说：NADPH ↑ → Trx活性 ↑ → 去SNO ↑ → S-nitrosylation ↓

• NADPH 也能促进 SNO
  NADPH 也是 ROS 的来源，通过NADPH oxidase（NOX），也就是 NADPH → NOX → O₂⁻，然后 NO + O₂⁻ → ONOO⁻。
  导致：nitrosative stress ↑，3-nitrotyrosine ↑，SNO可能异常 ↑。

2.6 HBB / hemoglobin beta 与 S-nitrosylation

HBB 是血红蛋白β链。它和 S-nitrosylation 的关系主要有两层：

1. 血红蛋白本身可以携带/参与NO相关化学

血红蛋白不仅运输氧，也参与 NO 的代谢和平衡，可以发挥“transnitrosylation 载体/介体”的作用，即血红蛋白可以以亚硝基化形式储存或转运 NO 生物活性。

血红蛋白（尤其β链的Cys93）可以形成：SNO-Hb（S-nitrosohemoglobin），也就是Hb–SH → Hb–SNO。

• HBB能做什么？
  🟢 1️⃣ NO“储存和运输”
  在血液中携带NO生物活性
  随氧合状态变化释放NO相关信号
  🟢 2️⃣ 可以进行“类 transnitrosylation”
  在某些条件下：Hb–SNO 可以把 NO 转移给：低分子硫醇（如GSH）或其他蛋白
  如：Hb–SNO + GSH → Hb–SH + GSNO
  再进一步：GSNO → Protein–SNO

2. HBB可能成为S-nitrosylation研究中的靶蛋白或关联分子

HBB 本身某些半胱氨酸位点可参与 S-亚硝基化/反亚硝基化相关过程
血红蛋白参与 NO、亚硝基硫醇、氧化还原状态 的调节
在疾病状态下，HBB 的异常可能反映 NO信号和S-nitrosylation失衡

3. S-glutathionylation（S-谷胱甘肽化）

👉 修饰：Cys–SH → Cys–SSG

✔ 是否需要酶？
可自发发生（氧化应激下）
也可酶促
🔧 相关酶
促进形成
glutathione S-transferase（GST）
去修饰
glutaredoxin（Grx）
📌 总结

👉 形成：化学 + GST辅助
👉 去除：Grx是核心酶

4, 5. Disulfide bond（二硫键形成）

👉 修饰：Cys–SH → Cys–S–S–Cys

✔ 是否需要酶？
可以自发
但在细胞内高度依赖酶系统
🔧 相关酶
protein disulfide isomerase（PDI）
Ero1（内质网氧化酶）
📌 总结

👉 典型“氧化折叠”反应，尤其在内质网

6. S-palmitoylation（棕榈酰化）

👉 修饰：Cys–SH → Cys–S–palmitoyl

✔ 是否需要酶？

✅ 严格酶促

🔧 相关酶
添加
DHHC palmitoyltransferases（PATs）
去除
acyl-protein thioesterase（APT1/2）
PPT（palmitoyl protein thioesterase）
📌 总结

👉 是典型的“可逆脂修饰”

7. S-acylation（泛脂酰化）

类似 palmitoylation，但脂肪酸种类更广

👉 也是：

添加：DHHC家族
去除：thioesterases

8. S-sulfhydration（也叫 persulfidation）

👉 修饰：Cys–SH → Cys–SSH

✔ 是否需要酶？
多为化学反应（H₂S驱动）
但H₂S来源依赖酶
🔧 相关酶
cystathionine β-synthase（CBS）
cystathionine γ-lyase（CSE）
3-MST
📌 总结

👉 类似 S-nitrosylation：
形成非酶促，但受代谢酶控制

9. S-ubiquitination（较少见）

严格来说泛素通常连到 Lys，但某些情况下可连到 Cys

✔ 是否需要酶？

✅ 需要经典泛素系统：

E1（激活酶）
E2（结合酶）
E3（连接酶）