تنظیم مکانی و زمانی سیگنالینگ سولفید هیدروژن در کلیه

مخاطب:tina.xiang@wecistanche.com

A B S T R A C T

سولفید هیدروژن (H2S) به مدت طولانی به عنوان یک گاز سمی و فاسد شناخته شده است. با این حال، در نتیجه تحقیقات بیوشیمیایی فشرده در دو دهه گذشته، H2S اکنون به عنوان سومین انتقال دهنده گاز در کنار اکسید نیتریک (NO) و مونوکسید کربن (CO) در سیستم های پستانداران در نظر گرفته می شود. آنزیم های تولید کننده H2S در همه اندام ها بیان می شوند و نقش مهمی در فیزیولوژی آنها ایفا می کنند. درکلیه، H2S یک تنظیم کننده حیاتی برای عملکرد عروقی و سلولی است، اگرچه مکانیسم هایی که بر سطوح (زیر) سلولی HS تأثیر می گذارد دقیقاً درک نشده است. H2S جریان خون سیستمیک و کلیوی، سرعت فیلتراسیون گلومرولی و محور رنین-آنژیوتانسین را از طریق مهار مستقیم سنتز اکسید نیتریک تعدیل می کند. علاوه بر این، H2S با تعدیل فعالیت پروتئین از طریق اصلاح پروتئین پس از ترجمه بر عملکرد سلولی تأثیر می گذارد: فرآیندی که به آن سولفیداسیون می گویند. پرسولفیداسیون فعالیت پروتئین، محلی سازی پروتئین و برهمکنش های پروتئین-پروتئین را تعدیل می کند. علاوه بر این،آسیب حاد کلیه(AKD به دلیل اختلال عملکرد میتوکندری، که در طول هیپوکسی یا ایسکمی خونرسانی مجدد (IR) رخ می دهد، توسط H2S ضعیف می شود. بینش فعلی در تنظیم (زیر) سلولی آنابولیسم H2S، احتباس، و کاتابولیسم، با ارتباط با تنظیم فضایی و زمانی سطوح H2S کلیوی. H2S با هم یک گازوترنسمیتر همه کاره با اثرات پلیوتروپیک بر رویعملکرد کلیهو محافظت در برابر AKI را ارائه می دهد. کشف مکانیسم هایی که سیگنال دهی (زیر) سلولی H2S را تعدیل می کند، نه تنها بینش اساسی را در مورد تنظیم اثرات عملکردی با واسطه H2S گسترش می دهد، بلکه می تواند اهداف درمانی جدیدی را برای جلوگیری از آسیب کلیه به دلیل آسیب هیپوکسیک یا ایسکمیک فراهم کند.

کلید واژه ها: سولفید هیدروژن گازوترنسمیتر پرسولفیداسیون کلیه ایسکمی-آسیب خونرسانی مجدد هیپوکسی

برای دریافت اطلاعات بیشتر کلیک کنید

1. مقدمه

Representing the simplest sulfur-containing molecule, hydrogen sulfide(HS)-also known as sulfane(according to recent nomenclature)[1]-is a flammable colorless gas that has been mainly recognized as a toxic compound. Toxicity occurs already at low concentrations, upon prolonged exposure to concentrations above 2-5 parts per million or acute exposure to 100 parts per million or higher. The major toxicity of H2S occurs through inhibition of mitochondrial cytochrome c oxidase, leading to metabolic acidosis associated with cardiovascular and respiratory collapse and sudden loss of consciousness [2]. Endogenous H2S synthesis in mammalian cells, however, produces much lower, non-toxic concentrations and is recognized to have important physiological functions. H2S is enzymatically synthesized by cystathionine-β-synthase (CBS)[3], cystathionine Y-lyase(CSE), 3-mercaptopyruvate sulfur-transferase (3-MST), and indirectly by p-amino acid oxidase (DAO)[3-5]. Following nitric oxide (NO) and carbon monoxide(CO), H2S was recently recognized as the third gasotransmitter: signaling molecules that can freely diffuse through membranes to transmit information [5-8]. Given the pleiotropic effect of H>S در مسیرهای مختلف فیزیولوژیکی حیاتی، تنظیم فضایی و زمانی HS برای اجازه دادن به ویژگی هدف سلولی بسیار مهم است [9].

H2S با تعدیل جریان خون کلیوی، عملکرد غدد درون ریز و متابولیسم نقش مهمی در فیزیولوژی کلیه ایفا می کند. اول، خواص وازواکتیو وابسته به غلظت HS تأثیر عمده ای بر روی داردکلیهجریان خون [10،11]. علاوه بر این، H2S بر عملکرد غدد درون ریز کلیه از طریق تنظیم سطوح گیرنده رنین و آنژیوتانسین I و القای آزادسازی نوراپی نفرین و آلدوسترون تأثیر می گذارد، همانطور که در مدل موشی نارسایی قلبی نشان داده شده است [12]. علاوه بر این، H2S می‌تواند آسیب‌های ایسکمی/پرفیوژن مجدد را از طریق کاهش استرس اکسیداتیو کاهش دهد، که با مشاهده نشان داده می‌شود که موش‌هایی که فاقد CBS، CSE یا 3-MST هستند، مقاومت شدیداً کاهش‌یافته‌ای در برابر آسیب ایسکمی/ریپرفیوژن مجدد در چندین اندام دارند. 13-15]. از این رو، به نظر می رسد تنظیم دقیق H2S درون زا برای حفظ هموستاز کلیوی، از طریق مکانیسم های مختلف که بر عملکردهای فیلتراسیون، غدد درون ریز و متابولیک کلیوی تأثیر می گذارد، حیاتی است.کلیه. این تنظیم مکانی و زمانی خاص سیگنال دهی H2S کلیه با تنظیم سوبسترا و در دسترس بودن کوفاکتور و همچنین تعدیل سطوح، فعالیت آنزیمی و محلی سازی آنزیم های تولید کننده H2S به دست می آید. در کلیه، H2S در درجه اول توسط CBS و CSE سنتز می شود. در حالی که هر دو CBS و CSE عمدتاً در لوله های پروگزیمال بیان می شوند [16،17]، CSE نیز در گلومرول بیان می شود [18،19]. در مقایسه با CBS و CSE، سطوح 3-MST و DAO در کلیه بسیار کمتر است و نقش دقیق آنها در فیزیولوژی کلیه نامشخص است [20،21].

در این بررسی، ما تنظیم (زیر) سلولی و زمانی H2S در کلیه و نحوه اعمال اثرات H2S در اندامک‌های مختلف مانند هسته، ER و میتوکندری را شرح می‌دهیم. علاوه بر این، ما بررسی می کنیم که چگونه آنابولیسم و ​​کاتابولیسم HS درون سلولی بر فیزیولوژی (پاتو) کلیه تأثیر گذاشته است. علاوه بر این، اصلاح پس از ترجمه باقی‌مانده‌های پروتئین سیستئین از طریق پرسولفیداسیون نیز نوید زیادی برای توضیح خواص مفید H2S با ارتباط بالقوه برای درمان بیماری‌های مرتبط با کلیه، مانند فشار خون بالا، ایسکمی/خونرسانی مجدد، وآسیب حاد کلیه. بنابراین، تعدیل سطوح، فعالیت آنزیمی یا محلی‌سازی آنزیم‌های تولیدکننده H2S می‌تواند اهداف دارویی قابل بهره‌برداری برای تعدیل سطوح درون‌زای H2S باشد.

2. تنظیم تولید H2S

2.1. محلی سازی آنزیم درون سلولی بر ویژگی فضایی سطوح H2S تأثیر می گذارد

One mode of regulation of H2S signaling specificity consists of the multiple H2S-producing enzymes that have both unique as well as redundant functions. Regulation of H2S production on the organelle level is achieved by (trans)localization of the H2S-producing enzymes in the cell. Natively, CBS and CSE reside mostly in the cytosol, while 3-MST mostly resides in the mitochondrion. The translocation of these enzymes into different organelles allows for subcellular control of H2S levels, as each enzyme has specific cellular localization signals and cues. CBS has a C-terminal mitochondrial targeting sequence which is recognized by Hsp70 under hypoxic conditions, while CSE requires the mitochondrial outer membrane transporter protein Tom20 to translocate to the mitochondrial lumen upon treatment with the ionophore calcimycin [22,23]. Specificity is also achieved by differences in the optimal pH of the H2S synthesizing enzymes. The optimal pH for H2S production by CBS and CSE is pH8.5-9.0 [24,25], which is closer to the slightly alkaline pH of 8.0 within the lumen of the mitochondria as compared to the pH of 7.0-7.4 of the cytosol [26]. The optimal pH for H2S production by3-MST is 7.4 [27], close to the pH of the cytosol. The optimal pH for H>تولید پیش نشانگر S توسط DAOis 8.4 برای ال-سیستئین به عنوان یک سوبسترا، اما 7.4 برای D-سیستئین به عنوان یک سوبسترا. CBS و CSE عمدتاً در سیتوزول و همچنین در وزیکول‌ها، هسته‌ها [28] و میتوکندری‌ها موضعی می‌شوند.{8}}MST است.

در میتوکندری [29] و در سیتوزول [30] موضعی شده است. در نهایت، DAO -به تولید H2S از طریق 3-MST کمک می کند- در میتوکندری و پراکسی زوم ها موضعی می شود [21،31]. با هم، نه تنها در دسترس بودن سوبسترا، تولید آنزیم، و جابجایی، بلکه pH محلی و pHoptima ویژه سوبسترا نیز بر فعالیت آنزیمی و در نتیجه، سطح H2S تأثیر می‌گذارند.

2.2. تولید H2S از طریق در دسترس بودن سوبسترا و کوفاکتور تنظیم می شود

Spatiotemporal regulation of H2S is also achieved by modulating substrate availability for H.S production, of which the most important are L-cysteine, L-homocysteine, and 3-mercaptopyruvate, and to a lesser extent i-cystine and D-cysteine [32]. The canonical pathways of H>سنتز S در شکل 1 نشان داده شده است، با L-سیستئین و L-homocysteine ​​به عنوان بسترهای اصلی برای CBS و CSE. غلظت درون سلولی L-سیستئین توسط تعدادی فرآیند مستقل کنترل می شود: جذب از پلاسما در سلول های اندوتلیال، پروتئولیز (افزایش در دسترس بودن L-سیستئین)، مسیر ترانس سولفوراسیون (L-سیستئین به عنوان بستری برای سنتز H2S) و سرعت الحاق به گلوتاتیون (کاهش یا تعلیق در دسترس بودن ال سیستئین) [33]. ال سیستین از طریق ضد پورتر گلوتامات/سیستین که تحت کنترل مثبت H2S است جذب می شود که یک حلقه بازخورد مثبت برای تولید H2S را تشکیل می دهد [34]. دی هیدرولیپوئیک اسید (DHLA) یک آنتی اکسیدان قوی مشتق شده از اسید لیپوئیک رژیمی (LA) است که با کاهش ال سیستین نشان داده شد که ال سیستئین آزاد آزاد می کند [35] که برای تولید H2S استفاده می شود. غلظت درون سلولی L-homocysteine ​​هنوز مشخص نشده است، احتمالاً به این دلیل که یک ماده واسطه سمی است که به طور موثر توسط CBS مصرف می شود، یا به این دلیل که غلظت آن کمتر از حد تشخیص روش های تحلیلی فعلی است. p-سیستئین مورد نیاز برای DAO در درجه اول از متابولیسم مواد مغذی در دستگاه گوارش می آید [21]. CBS و CSE به کوفاکتور پیریدوکسال-5-فسفات (PLP) که به عنوان ویتامین B6 نیز شناخته می‌شود، برای تولید H2S.H2S توسط 3-MST بسته به تیوردوکسین (Trx) و دی هیدرولیپوئیک اسید نیاز دارند: دو تعادل ردوکس مهم -نگهداری مولکولها[36]. به نوبه خود، بیان Trx توسط عوامل رونویسی درگیر در پاسخ آنتی اکسیدانی، مانند Nrf2 [37] تنظیم می شود. سیستم‌هایی که در دسترس بودن بستر و کوفاکتور را تنظیم می‌کنند، پیچیده هستند، با حلقه‌های بازخورد مثبت و منفی، و با حفظ تعادل ردوکس همراه هستند. بنابراین، سوبسترا، در دسترس بودن کوفاکتور و فراوانی آنزیم مولد H2S آنابولیسم HS را کنترل می کند.

2.3. کلیرانس H2S هم به صورت آنزیمی و هم به صورت غیر آنزیمی به دست می آید

While substrate availability, enzyme levels, and subcellular localization contribute to spatiotemporal regulation of local H>سطح S از طریق تأثیر بر سنتز، کاتابولیسم، بازدم و دفع آن، کاهش سطح H2S را تنظیم می کند. حساب بازدم برای<1% of="" h="">حذف S در بدن، زیرا دفع اصلی ترین راه مسئول پاکسازی HS است [38]. قبل از اینکه H2S دفع شود، ابتدا باید به صورت متابولیکی تبدیل شود. کاتابولیسم H2S هم به صورت آنزیمی و هم به صورت غیر آنزیمی رخ می دهد که کاتابولیسم آنزیمی مهمترین مسیر کاتابولیک را نشان می دهد [3]. در میتوکندری، HS توسط سیستم سولفید کینون اکسیدوردوکتاز (SQR) کاتابولیز می‌شود تا سیستئین پرسولفیدهای متصل به SQR را تشکیل دهد [39،40]. سیستئین پرسولفید متصل به SQR سپس به تیوسولفات کاتابولیز می شود، که برگشت پذیر است و یک مخزن دهنده درون زا را ارائه می دهد که قادر به بهبود بیماری فشار خون کلیوی و دیابت است [41،42]. علاوه بر این، سیستئین پر سولفید متصل به SQR به سولفیت و سولفات کاتابولیز می شود که از طریق ادرار دفع می شوند. H2S از طریق پروتئین اتیل مالونیک انسفالوپاتی 1 (ETHE1) که در ماتریکس میتوکندری قرار دارد، به سولفیت کاتابولیز می شود [43]. متیلاسیون متوالی H2S توسط تیول S-متیل ترانسفراز (TMT) و تیو اتر S-متیل ترانسفراز (TEMT) یون تری متیل سولفونیوم را تشکیل می دهد که از طریق ادرار نیز دفع می شود [44]. در نهایت، H2S به متهموگلوبین متصل می‌شود تا سولفهموگلوبین را در گلبول‌های قرمز تشکیل دهد، که در هنگام جداسازی گلبول‌های قرمز به طحال، به عنوان سینک H2S عمل می‌کند[45].

2.4. واسطه های متابولیسم H2S امکان سیگنال دهی تاخیری H2S را با ذخیره سازی و رهاسازی فراهم می کند.

متابولیسم H2S همیشه یک جاده یک طرفه نیست، زیرا واسطه های کاتابولیک خاصی اجازه انتشار معلق H2S را می دهند. سه مخزن مختلف H2S تاکنون پیشنهاد شده است: گونه سولفان سولفور، H2S حساس به اسید

و پلی سولفیدها اول، H2S را می توان به شکل گونه های سولفات سولفات ذخیره کرد: ترکیباتی که حاوی یک اتم گوگرد با شش الکترون ظرفیت هستند که به دو یا چند اتم گوگرد دیگر (RS-Sn-SR) متصل هستند، مانند: پرسولفیدها (RSSH)، پلی تیونات ها. (-SO3-Sn-SO3)، پلی سولفان های آلی (HSSnSH، RSSS، R، RSSnSH) و تیوسولفات (S2O3-/-s-SO3)[5]. H2S از ترکیبات سولفور سولفان می تواند در شرایط کاهشی یا با فعالیت تیوردوکسین/تیوردوکسین ردوکتاز که یک بازیگر کلیدی در کاتابولیسم یا سولفان سولفور است، که عمدتاً در پرسولفیدهای پروتئینی گنجانده شده است، آزاد شود [46،47]. تنها آنزیمی که برای تولید ترکیبات سولفان سولفان از HS گزارش شده است 3-MST است، اما مکانیسم ناشناخته باقی مانده است [48،49]. مانند HS، گونه‌های گوگرد سولفان نیز دارای ظرفیت‌های آنتی‌اکسیدانی قوی هستند [50] که به اثر محافظتی سلولی طولانی مدت H2S و تولید سولفان سولفان توسط 3-MST کمک می‌کند. دوم، H2S را می توان به شکل گوگرد حساس به اسید ذخیره کرد که می تواند تحت شرایط اسیدی (pH) آزاد شود.<5.4), usually="" in="" the="" iron-sulfur="" center="" of="" mitochondrial="" enzymes="" [51,52].="" third,="" h="">S همچنین می تواند به شکل پلی سولفیدها ذخیره شود که توسط آنزیم های 3-MST و سیستئین آمینوترانسفراز (CAT) تسهیل می شود[53]. سیگنال دهی تاخیری H2S از طریق رهاسازی از استخرهای H2S تحت شرایط ردوکس خاص به دست می آید. با هم، آنابولیسم H2S به شدت توسط محلی سازی آنزیم، ویژگی سوبسترا و سطوح pH بهینه کنترل می شود، در حالی که متابولیسم آنزیمی و غیر آنزیمی H2S منجر به واسطه های عملکردی و در نهایت، دفع مشتقات H2S می شود.

2.5. سیگنالینگ H2S در فیزیولوژی کلیه

2.5.1. اثرات وازواکتیو H2S بر فشار خون سیستمیک و جریان خون کلیوی تأثیر می گذارد

تولید HS در سلول‌های اندوتلیال، اثرات وازواکتیو وابسته به دوز هورمتیک (یعنی دو فازی) را با تأثیرگذاری بر عملکرد اندوتلیال و وازوموتور کنترل می‌کند. H2S درون‌زا در سلول‌های اندوتلیال توسط CSE[54]، 3-MST[55] و CBS [56] تولید می‌شود و منجر به غلظت‌های درون‌زای H2S در خون شریانی در محدوده 0 می‌شود.{{ 8}}.0 μM【57,58]. در آزمایش‌های کوتاه‌مدت، تجویز اگزوژن NaHS باعث اتساع عروق در شریان‌های مزانتریک انسان و آئورت سینه‌ای موش صحرایی می‌شود [59،60]. در موش‌ها، تزریق بولوس H2S به طور موقت فشار خون را کاهش داد که نشان‌دهنده اتساع عروق است. در موش‌های ناک اوت CSE، افزایش فشار خون در مقایسه با موش‌های نوع وحشی مشاهده شد که نشان‌دهنده فقدان اتساع عروقی با واسطه H2S است [54]. در مقابل، نتایج یک مطالعه اخیر عدم وجود فشار خون بالا با واسطه H2S را در موش CSE-/موش و همچنین افزایش سطح NO درون زا در مقایسه با حیوانات نوع وحشی CSE نشان داده است. این مشاهدات بر واکنش شیمیایی مستقیم بین H2S و NOWHERE NO با H2S و همچنین مشارکت متقابل آنها در تنظیم تون عروقی تأکید می کند [61].

تجویز NaHS، اهداکننده H2S در داخل بدن منجر به افزایش فشار خون در 10 میکرومولک در دقیقه{3}} شد، در حالی که 25 میکرومول بر کیلوگرم-ایمین-1 NaHS منجر به کاهش فشار خون شد [62]. این اثرات هورمتیک H2S را به‌طور قابل تصور از طریق مهار NO سنتاز اندوتلیال نشان می‌دهد [62].

عملکرد لوله ای توسط H2S از طریق تعدیل جریان خون کلیوی (RBF) و در نتیجه، نرخ فیلتراسیون گلومرولی (GFR) تنظیم می شود. افزایش سطح H2S لوله ای با مهار ناقل ناقل Na*/K'/2Cl (NKCC) در موش های صحرایی مزمن با نمک، دیورز، ناتریورز و کالیورز را تحریک می کند [63،64]. هر دو NaHS دهنده HS و L-سیستئین پیش ساز H، S GFR را به صورت وابسته به دوز در موش ها افزایش می دهند که با مهار همزمان CBS و CSE لغو شد. مهار هر دو CBS و CSE به تنهایی (به ترتیب توسط AOAA و PPG) منجر به کاهش سطح HS و کاهش عملکرد لوله می شود [63]. جالب توجه است که در موش‌های مبتلا به ایسکمی حاد دو طرفه کلیه، افزودن NaHS بازسازی سلول‌های لوله‌ای آسیب‌دیده را تسریع می‌کند، در حالی که تجویز PPG باعث کاهش سرعت بازسازی آنها می‌شود [65]. از این رو، تولید H2S درون‌زا در سلول‌های اندوتلیال کلیه منجر به کاهش فشار خون می‌شود، در حالی که میزان فیلتراسیون گلومرولی و عملکرد لوله‌ای را افزایش می‌دهد.

2.5.2. تعدیل بیان ژن توسط H2S برای تنظیم فشار خون مرتبط است

مدل موش خود به خودی با فشار خون بالا (SHR) با پرورش انتخابی موش‌های دارای فشار خون طبیعی [66] ایجاد شد. شروع فشار خون بالا با کاهش فعالیت CSE در شریان ها همراه است، همانطور که در آئورت قفسه سینه نشان داده شده است [67]. علاوه بر این، سطوح پلاسمایی HS قبل از شروع فشار خون بالا کاهش می یابد، در حالی که تجویز NaHS (تا حدی) از شروع فشار خون بالا جلوگیری می کند [68]. از آنجایی که سطوح پایین H2S درون زا باعث اتساع عروق می شود و فقدان CSE با فشار خون بالا در موش ها مرتبط است، احتمالاً سطوح کاهش یافته H2S نقشی در پاتوفیزیولوژی فشار خون در مدل SHR ایفا می کند. علاوه بر این، تجویز NaHS در مدل SHR بیان اجزای مهم سیستم RAS، از جمله رنین (Ren)، آنژیوتانسینوژن (Agt)، آنزیم مبدل آنژیوتانسین (ace)، و گیرنده آنژیوتانسین II، نوع 1a (Agtrla) را کاهش می‌دهد. به سطوحی کمتر از سطوح مشاهده شده در موش های کنترل دارای فشار خون نرمال [69]. به طور مشابه، تجویز NaHS بیان رن را کاهش می دهد و سطح رنین پلاسما را در مدل موش دو کلیه-یک کلیپ (2K1C) برای فشار خون بالا کاهش می دهد [70]. در مدل 2K1Crat، فشار خون بالا با محدود کردن موقت جریان خون به یک نفر ایجاد می شود.کلیهکه محور رنین-آنژیوتانسین را فعال می کند و فشار خون را القا می کند [71]. در مدل موشی فشار خون بالا که با درمان با آنژیوتانسین II القا شده است، سطوح کاهش یافته miR{2}} (تنظیم کننده اپی ژنتیک) با یک پاسخ التهابی مرتبط است [72] ]. درمان با GYY4137 (یک مولکول آزادکننده H2S) بیان miR-129 را به حالت طبیعی بازگرداند و در نتیجه التهاب کلیه را کاهش داد. به طور بالقوه، تغییرات بیان ژن توسط تنظیم اپی ژنتیک توسط H2S کنترل می شود. موش‌های پرفشار خون مادری تحت درمان با NaHS با افزایش متیلاسیون Agtrlb (گیرنده آنژیوتانسین I، نوع 1b) و کاهش سطوح گیرنده آنژیوتانسین II AT1R، فرزندانی تولید می‌کنند [73]. بنابراین، H2S بر بیان ژن‌ها (به عنوان مثال Ren، Agt و Agtrla) که نقش‌های اساسی در تنظیم فشار خون دارند، تأثیر می‌گذارد، که به طور بالقوه از طریق تنظیم اپی ژنتیکی و همچنین بیان miRNA انجام می‌شود.

2.5.3. H2S از طریق سولفیداسیون پروتئین در برابر آسیب کلیه محافظت می کند

پرسولفیداسیون، همچنین به عنوان "S-sulfhydration" شناخته می شود، نشان دهنده اصلاح اکسیداتیو یک گروه سولفیدریل سیستئین است که در آن قسمت تیول دیگری (منشاء دهنده H2S، H2S یا پرسولفید دیگر) به طور کووالانسی به گروه سولفیدریل سیستئین مربوطه متصل می شود و در نهایت پرسولفید را تشکیل می دهد. 5،74] (شکل 2). پرسولفیداسیون عملکرد پروتئین را تغییر می دهد و برهمکنش پروتئین-پروتئین را تغییر می دهد. اولا، سولفیداسیون می تواند عملکرد و فعالیت پروتئین های هدف را افزایش یا کاهش دهد. سولفیداسیون باقیمانده سیستئین C150 گلیسرآلدئید میتوکندری 3-فسفات دهیدروژناز (GAPDHD، فعالیت آنزیمی آن را افزایش می‌دهد [74]، در حالی که سولفیداسیون روی C156 یا C152 منجر به کاهش شدید فعالیت می‌شود. دوم، پروتئین pro سینتیک اتصال و در نتیجه محلی سازی پروتئین، همانطور که در فاکتور رونویسی Nrf2 وجود دارد. سولفیداسیون C150 سیتوزولی Keapl باعث جداسازی فاکتور رونویسی محدود Nrf2 می شود و امکان انتقال Nrf2 به هسته و افزایش بیان ژن های کد کننده پروتئین های پروتئین را فراهم می کند.آنتی اکسیدانپاسخ استرس [76]. Nrf2 برای محافظت در نظر گرفته شده استآسیب کلیهپس از IR تجربی در چندین مطالعه [77،78]. در نهایت، سولفیداسیون همچنین پروتئین ها را در برابر تغییرات مضر پس از ترجمه، مانند S-nitrosylation یا اکسیداسیون در طول شرایط استرس اکسیداتیو و/یا نیتروزاتیو محافظت می کند [79]. سولفیداسیون بیشتر بر روی باقیمانده های پروتئین سیستئین رخ می دهد و این بخش را از اکسید شدن توسط ROS محافظت می کند، بنابراین از عملکرد پروتئین محافظت می کند. S-nitrosylation GAPDH در C150 فوق الذکر فعالیت آنزیمی را باطل می کند و منجر به کاهش قابل توجه تولید ATP می شود [80]. با سولفیداسیون GAPDH و همچنین ATP5a، H2S می تواند تولید ATP را نجات دهد. مشخص است که در AKI، حفظ تولید ATP برای بازیابی مناسب عملکرد کلیه بسیار مهم است [81]. با هم، H2S از عملکرد کلیه پس از آسیب از طریق سولفیداسیون پروتئین محافظت می کند (شکل 3 را ببینید).

2.5.4. H2S هموستاز ردوکس، دفع سدیم و فشار خون را از طریق سولفیداسیون پروتئین تعدیل می کند.

در کلیه، سولفیداسیون پروتئین ها فشار خون و کنترل سدیم کلیه را تنظیم می کند. سولفیداسیون گیرنده فاکتور رشد اندوتلیال (EGFR) سیستئین باقیمانده C797/C798 باعث ایجاد اندوسیتوز Nat/K به علاوه -ATPase می‌شود که منجر به از دست دادن عملکرد Na plus/K به علاوه -ATPase در سلول‌های اپیتلیال لوله‌های کلیوی می‌شود [64]. از طریق این مکانیسم ها، H2S باعث ترشح آب و سدیم در موش ها می شود و فشار خون را کاهش می دهد [64]. علاوه بر این، سولفیداسیون گیرنده آنژیوتانسین II، AT1R، توسط NaHS یا L-سیستئین، فشار خون بالا را در موش‌های پرفشار خون ناشی از آنژیوتانسین I کاهش می‌دهد [82]. بنابراین، سولفیداسیون پروتئین ناشی از H2S بر فعالیت پروتئین تأثیر می‌گذارد، اما همچنین می‌تواند بیان ژن را با تأثیر بر تعامل پروتئین-پروتئین و بیان miRNA‌ها تعدیل کند. اثر خالص این لایه‌های سیگنالینگ نامشخص است، اما در حفظ هموستاز ردوکس و همچنین تنظیم عملکرد کلیوی سدیم و فشار خون ضروری است.

2.5.5. HS با تعدیل اتوفاژی، هموستاز سلولی را در اثر استرس پروتئوتوکسیک حفظ می کند

پروتئین های تاخورده نادرست به طور بالقوه از طریق استرس ER و مرگ بیش از حد سلولی سمی هستند، همانطور که در آسیب حاد کلیه وجود دارد [83]. اندامک‌های آسیب‌دیده و پروتئین‌های تاشده نادرست توسط اتوفاژی (ماکرو) پاک می‌شوند که توسط H2S تعدیل می‌شود. H2S اگزوژن (NaHS) اتوفاژی را در کاردیومیوسیت‌های موش‌های صحرایی در یک مدل هیپوکسی- اکسیژن‌رسانی مجدد (HR) در شرایط آزمایشگاهی، از طریق سیگنال‌دهی PI3K/GSK3 [84] و همچنین در سلول‌های سرطان کبد (HCC) مهار می‌کند، همانطور که در تنظیم پایین ژن‌ها نشان داده شده است. مسیر /AKT/mTOR[85]. در مقابل، در یک مدل موش از ایسکمی-پرفیوژن مجدد (IR)، افزودن NaHS ژن‌ها را در مسیر AMPK/mTOR تنظیم می‌کند، در نتیجه باعث افزایش اتوفاژی و محافظت در برابر آسیب IR می‌شود [85،{11}}]. می توان تصور کرد که در شرایط عادی، سیگنال دهی H2S میزان اتوفاژی را در محدوده فیزیولوژیکی نگه می دارد، در حالی که تحت شرایط استرس پروتئوتوکسیک شدید، H2S می تواند شار اتوفاژیک را به شدت افزایش دهد. با محافظت از سلول ها از آسیب IR از طریق تعدیل اتوفاژی، سیگنال دهی H2S آسیب کلیه را پس از IR کاهش می دهد.

2.5.6. H2S استرس پروتئوتوکسیک را از طریق سولفیداسیون پروتئین کاهش می دهد

The endoplasmic reticulum (ER)is indispensable for synthesis, folding, post-translational modification, and transport of proteins, and is the first line of defense in protein folding defects [87]. In addition to regulating autophagy, H2S can both induce and inhibit proteasomal degradation of proteins to attenuateproteotoxic stress in response to a sustained unfolded protein response(UPR). The proteasome selectively degrades misfolded,ubiquitin-tagged proteins, with Nrf2 as a regulator of the UPR [88,89]. Treatment with Na2S partly rescues ischemia-induced heart failure in wild-type mice, but not in mice lacking Nrf2. Presumably, the effects of Naz are mediated by inducing translocation of Nrf2 after persulfidation of Keapl, as described above [76]. Thus, H>S enhances cardiac proteasome activity and thereby attenuates ER stress with cytoprotective effects [90]. On the other hand, in human umbilical vein endothelial cells (HUVECs), H2S prevents the proteasomal degradation of eNOS via persulfidation of eNOS [91]. Notably, proteotoxic stress upregulates CSE at low concentrations of doxorubicin and H2O, in H9c2 myoblasts, while the expression of CSE decreases upon exposure to higher concentrations of doxorubicin and H2O2. The addition of NaHS, but also N-acetylcysteine (NAC), rescues cell viability and diminishes ROS accumulation through rescuing CSE expression and H2S production [92]. In line with these results, the addition of NaHS reduced proteotoxic stress-induced by formaldehyde in PC12 cells, but also in nucleus pulposus(NP)cells challenged with IL-1β [93]. Thus, H>S هر دو قادر به تقویت کل سیستم تخریب پروتئازومی است، اما در عین حال از تجزیه پروتئین های خاص توسط همان سیستم تخریب پروتئازومی جلوگیری می کند. در کنار اتوفاژی مدولاسیون و فعالیت پروتئازومی، H2S استرس پروتئوتوکسیک را با افزایش مسیرهای سیگنالینگ حفاظتی با سولفیداسیون فاکتورهای رونویسی خاص کاهش می دهد.

2.5.7. H2S استرس پروتئوتوکسیک را با سولفیداسیون اصلاح‌کننده‌های اپی ژنتیک و فاکتورهای رونویسی کاهش می‌دهد.

افزودن NaHS استرس پروتئوتوکسیک را کاهش می‌دهد و احتمالاً از طریق تنظیم مثبت تنظیم‌کننده اطلاعات نوع جفت‌گیری بی‌صدا 2 همولوگ 1 (SIRT{2}}) زنده‌مانی سلولی را نجات می‌دهد. افزایش فعالیت SIRT{4}} می تواند از طریق سولفیداسیون [95] رخ دهد. یک توضیح جایگزین برای افزایش فعالیت SIRT-1 تغییر تنظیم کننده رونویسی SIRT-1 است. به این ترتیب، سولفیداسیون NF-k، یک تنظیم‌کننده رونویسی بالادستی SIRT-1 [96] منجر به افزایش فعالیت رونویسی NF-k و در نتیجه SIRT{12}} [97] می‌شود. علاوه بر این، H2S مسیرهای PI3K/Akt، ERK1/2 و ATF4 را فعال می‌کند، برای مثال از طریق سولفیداسیون پروتئین‌ها در این مسیرها، که استرس ER را کاهش می‌دهد (شکل 2) [98،99]. مطالعات اخیر نشان می دهد که سولفیداسیون SIRT1 و در نتیجه کاهش فعالیت استیلاسیون آن نقش عمده ای در تنظیم عملکرد اپی ژنتیک آن ایفا می کند [95]. بنابراین، H2S نقش مهمی در تنظیم عملکرد ER با تعدیل فعالیت پروتئازوم و القای مسیرهای حفاظتی بر استرس پروتئوتوکسیک با سولفیداسیون عوامل رونویسی بالادست و اصلاح‌کننده‌های اپی ژنتیک ایفا می‌کند.

اینکه آیا H2S استرس پروتئوتوکسیک را توسط H2S در داخل ER کاهش می دهد یا از طریق سایر واسطه ها هنوز به طور دقیق مشخص نیست. با این حال، نتایج به‌دست‌آمده در سلول‌های HeLa، کبد موش و گورخرماهی با استفاده از کاوشگر H2S با هدف ER، محلی‌سازی خاص H2S را در ER نشان می‌دهد [100]. هنوز باید بررسی شود که آیا سطوح محلی H2S در ER توسط در دسترس بودن بستر مدولاسیون خاص یا انتقال آنزیم های تولید کننده H2S به ER تنظیم می شود یا خیر. جالب توجه است، به نظر می رسد آنزیم های مختلف تولید کننده H2S نقش های مختلفی را در کاهش استرس پروتئوتوکسیک ایفا می کنند. در طول استرس ER ناشی از تاپسیگارگین در سلول‌های HEK293، تولید مونوکسید کربن (CO) CBS را با اتصال به گروه هِم آن مهار می‌کند که تولید سیستاتیونین را کاهش می‌دهد. از آنجایی که سیستاتیونین یک مهارکننده عملکرد CSE است، کاهش آن باعث می شود که CSE H2S بیشتری تولید کند تا استرس پروتئوتوکسیک را کاهش دهد [101]. در مجموع، این شواهد نشان می‌دهد که H2S یک تعدیل‌کننده قوی استرس پروتئوتوکسیک از طریق مدولاسیون انتخابی پروتئازوم و باقی مانده‌های پروتئین سیستئین مربوطه از طریق سولفیداسیون است که منجر به تنظیم مثبت مسیرهای سیگنال‌دهی محافظ می‌شود.

2.5.8. H2S با حفظ عملکرد میتوکندری آسیب کلیه را کاهش می دهد

Maintaining ATP production during IR or in AKI is crucial for renal function and recovery. Most ATP is produced by oxidative phosphorylation in mitochondria, with substrates derived from the citric acid cycle to fuel the electron transport chain. Alternatively, H2S can also serve as an electron donor in oxidative phosphorylation. Gobern et al. [102]revealed that HS is a substrate of oxidative phosphorylation at nano-molar concentrations. CBS, CSE, and 3-MST either reside in the mitochondrion or can translocate there under specific conditions, to contribute to ATP production directly [103]. As such, hypoxia triggers CBS translocation to mitochondria [22,104]. Mitochondrial CBS levels increase 6-fold within 1 h of hypoxia [22]. Another consequence of hypoxia is the suppression of oxygen-dependent mitochondrial catabolism (e.g. CoQ-dependent SQR activity) of H2S that leads to the accumulation of H S in cells. This observation was recently demonstrated by using mass spectrometry-based H>کاوشگرهای شیمیایی انتخابی S در بافت حیوانی ایسکمیک و در سیستم مدل حفظ اندام [105] و همچنین با استفاده از حسگر فلورسنت حساس به H2S در کشت سلولی بدون اکسیژن [106].

In hypoxia, both CSE and CBS activity are associated with elevated ATP production [104,107]. Blockade of CBS or CSE by AOAA/shRNA or PPG, respectively, abrogates the effects of these enzymes on ATP production [107,108]. Stimulating 3-MST function by adding its substrate 3-mercaptopyruvate, increases intramitochondrial H2S levels and stimulates the production of ATP [29]. Apart from electron donation of H2S, persulfidation of ATP synthase and GAPDH increases their activity, thereby stimulating ATP production. Mice lacking CSE have profoundly lowered levels of ATP synthase and GADPH persulfides, associated with reduced ATP production [74,103]. Thus, H2S can stimulate ATP production by donating electrons and by the persulfidation of enzymes involved in mitochondrial ATP production. Furthermore, H2S reduces cytochrome c very efficiently to stimulate the electron flow through the respiratory chain [106]. The same study shows that both endogenous and exogenously applied H2S were able to induce cytochrome c dependent protein persulfidation that suppresses the apoptotic response by persulfidation of a catalytically active cysteine residue of caspase-9 and inhibiting its pro-apoptotic function. In contrast to low levels of endogenous H2S, administration of exogenous H2S profoundly reduce mitochondrial function by inhibiting cytochrome oxidase(complex IV)through binding to ferric iron (Fe3+), thereby halting aerobic ATP generation at alveolar concentrations of >100 پی پی ام [2]. احتمالاً از طریق این مکانیسم، قرار گرفتن در معرض غلظت 80 پی پی ام H2S می تواند (به طور برگشت پذیر) سرعت متابولیک و در نتیجه سمیت را در موش سرکوب کند[109].

با هم، در حالی که سطوح پایین H2S (درون زا) می تواند با اهدای الکترون به زنجیره انتقال الکترون و تعدیل فعالیت آنزیمی، تولید ATP را تحریک کند، سطوح بالای H2S (برون زا) ممکن است با مهار سیتوکروم c اکسیداز اثرات سمی داشته باشد. بنابراین، H2S تولید ATP را حفظ می کند، که برای عملکرد کلیه پس از آسیب کلیه ضروری است.

2.5.9. H2S تولید آنتی اکسیدان را تحریک می کند، که التهاب ناشی از ROS را کاهش می دهد

در اثر استرس متابولیک، H2S می تواند با تحریک تولید ATP و اعمال اثرات آنتی اکسیدانی با از بین بردن رادیکال های آزاد، محافظت از باقی مانده های پروتئین از اکسید شدن از طریق سولفیداسیون و تنظیم مجدد مکانیسم های آنتی اکسیدانی، بر اثرات مضر اختلال عملکرد میتوکندری غلبه کند. استرس اکسیداتیو ناشی از H2O2 در سلول های اپیتلیال کلیه Xenopus laevis با (پیش) درمان با NaHS لغو شد [110]. در حالی که H2S مستقیماً رادیکال‌های آزاد را از بین می‌برد - به عنوان مثال پراکسی نیتریت - سولفینیل نیتریت (HSNO2) را تشکیل می‌دهد، H2S همچنین مکانیسم‌های آنتی اکسیدانی مهم از جمله گلوتاتیون، یک آنتی اکسیدان اصلی را تنظیم می‌کند [111]. H2S سیستئین خارج سلولی را به سیستئین کاهش می دهد و به دنبال آن جذب سلولی توسط آنتی پورتر سیستین/گلوتامات [34] انجام می شود. علاوه بر این، H2S فعالیت r-گلوتامیل سیستئین سنتتاز (y-GCS)، یکی از دو آنزیم مورد نیاز برای تولید گلوتاتیون را افزایش می دهد [112، 113]. مکانیسم تأثیر H2S بر فعالیت آنها-GCS کاملاً مشخص نیست، با این حال، بیان y-GCS و سطوح پروتئین تحت تأثیر H2S قرار نمی گیرند، و احتمالاً، اصلاح پس از ترجمه توسط سولفیداسیون، فعالیت بالاتر y-GCS در تحریک H2S را نشان می دهد. . در کنار از بین بردن رادیکال های آزاد و افزایش سطح گلوتاتیون، H2S اثرات محافظتی خود را از طریق القای پاسخ استرس آنتی اکسیدانی از طریق Nrf2 اعمال می کند[14]. از این رو، H2S علاوه بر تحریک تولید ATP، اثرات مخرب اختلال عملکرد میتوکندری را با کاهش استرس اکسیداتیو کاهش می دهد.

اثرات H2S بر عملکرد میتوکندری ممکن است اثرات محافظتی آن را در برابر آسیب IR کلیوی توضیح دهد، در نتیجه التهاب را کاهش می دهد و آسیب ساختاری ناشی از IR را کاهش می دهد [115]. موش های فاقد CSE بیشتر مستعد آسیب حاد کلیه ناشی از IR هستند که با کاهش بقا همراه است [18]. بیان ژن های التهابی و آزادسازی سیتوکین ها از طریق افزایش سولفیداسیون فاکتورهای رونویسی مانند NF-k در IR کلیه کاهش می یابد. بنابراین، H2S از طریق افزایش سطح آنتی اکسیدان گلوتاتیون و تنظیم مثبت پاسخ استرس آنتی اکسیدانی به عنوان یک آنتی اکسیدان عمل می کند. جالب توجه است، یک مطالعه اخیر اثرات متضاد و وابسته به CSE پیش التهابی را در مدل موش آسیب حاد ایسکمیک کلیه نشان داده است. در اینجا، کاهش آسیب سلولی و کاهش سطوح اینترلوکین‌های پیش التهابی و سیتوکین‌ها در موش‌های CSE مشاهده شد [16]. تفاوت های مشاهده شده در نتایج تجربی بین مطالعات مشابه ممکن است تا حدی با تفاوت در زمینه ژنتیکی گونه های جانوری و فنوتیپ های مربوط به آنها توضیح داده شود.

در نهایت، استرس اکسیداتیو نه تنها بر هموستاز سلولی و بقای سلولی تأثیر می‌گذارد، بلکه با اکسید کردن فسفاتاز و همولوگ تنسین (PTEN) بر کنترل سدیم کلیوی نیز تأثیر می‌گذارد و در نتیجه فعالیت کانال سدیم اپیتلیال (ENaC) را افزایش می‌دهد که جذب سدیم به علاوه تسهیل می‌کند [117] . اثر استرس اکسیداتیو بر ENaC با پیش تیمار با NaHS [117]، به طور بالقوه با محافظت از PTEN در برابر اکسیداسیون با سولفید کردن پروتئین، از بین می‌رود، مشابه اینکه چگونه پرسولفیداسیون با واسطه H2S می‌تواند از از دست دادن عملکرد آنزیمی PTEN ناشی از S-nitrosylation جلوگیری کند [118]. ]. با هم، جلوگیری از اختلال عملکرد میتوکندری (یعنی تحریک تولید ATP و کاهش استرس اکسیداتیو) از اختلال عملکرد کلیه و آسیب ناشی از استرس اکسیداتیو جلوگیری می کند.

3. نتیجه گیری

تولید H2S هم از نظر کمی و هم از نظر مکانی توسط فرآیندهای کاتابولیک و آنابولیک به شدت کنترل می شود. عواملی مانند در دسترس بودن سوبسترا، فراوانی پروتئین، pH محلی و ظرفیت ذخیره سازی آنابولیسم H2S را کنترل می کنند، در حالی که غلظت اکسیژن، مکانیسم های آنزیمی و غیر آنزیمی کاتابولیسم H2S را کنترل می کنند. متابولیت‌های H2S، مانند H2S که به‌عنوان سولفان سولفان یا مخازن حساس به اسید H2S متصل می‌شوند، همچنان می‌توانند عملکردهای سیگنالینگ را اعمال کنند. H2S با تأثیر بر سطوح NO و در نتیجه بر عملکرد عروقی و همچنین تنظیم بیان ژن های مسئول فشار خون موضعی و سیستمیک و دفع سدیم بر جریان خون کلیوی تأثیر می گذارد. تنظیم تولید پروتئین و استرس پروتئوتوکسیک از طریق تعدیل شار اتوفاژیک، فعالیت پروتئازوم، پاکسازی پروتئین های تجمع یافته و UPR از طریق سیگنال دهی H2S، که مربوط به تضعیف AKI است، به دست می آید. H2S یک آنتی اکسیدان مهم با از بین بردن مستقیم رادیکال های آزاد است، اما علاوه بر این، با استفاده به عنوان بستری برای تولید گلوتاتیون، پاسخ آنتی اکسیدانی سلولی را افزایش می دهد. با تشکیل پرسولفیدهای پروتئینی، HS فعالیت آنزیمی را تعدیل می کند، اما همچنین فعالیت فاکتور رونویسی را با تأثیر بر برهمکنش پروتئین-پروتئین در سیتوزول، که باعث انتقال فاکتور رونویسی به هسته می شود، تعدیل می کند. در شرایط هیپوکسیک، H2S سنتز ATP را با عمل به عنوان یک اهداکننده الکترون جایگزین حفظ می‌کند. با توجه به اثرات محافظتی استرس متابولیک H2Supon در کلیه، اهداف دارویی H2S ممکن است برای درمان فشار خون بالا، یا جلوگیری از آسیب در هنگام آسیب حاد کلیه، که به عنوان مثال در طول ایسکمی/خونرسانی مجدد، پیوند کلیه، یا سپسیس رخ می دهد، مورد استفاده قرار گیرند.