Vesiniksulfiidi signaalimise ruumiline reguleerimine neerus

Kontakt:tina.xiang@wecistanche.com

A B S T R A C T

Vesiniksulfiidi (H2S) on pikka aega peetud mädaks ja mürgiseks gaasiks. Viimase kahe aastakümne intensiivsete biokeemiliste uuringute tulemusena peetakse aga H2S-i nüüdseks imetajate süsteemides lämmastikoksiidi (NO) ja süsinikmonooksiidi (CO) kõrval kolmandaks gaasitransmitteriks. H2S-i tootvad ensüümid ekspresseeruvad kõigis elundites, mängides olulist rolli nende füsioloogias. Aastalneerud, H2S on veresoonte ja raku funktsiooni kriitiline regulaator, kuigi mehhanisme, mis mõjutavad HS (sub)rakulist taset, ei mõisteta täpselt. H2S moduleerib süsteemset ja neerude verevoolu, glomerulaarfiltratsiooni kiirust ja reniin-angiotensiini telge, inhibeerides otseselt lämmastikoksiidi sünteesi. Lisaks mõjutab H2S raku funktsiooni, moduleerides valgu aktiivsust translatsioonijärgse valgu modifitseerimise kaudu: protsessi, mida nimetatakse persulfidatsiooniks. Persulfideerimine moduleerib valgu aktiivsust, valgu lokaliseerimist ja valkude-valgu interaktsioone. Lisaksäge neerukahjustus(Mitokondrite düsfunktsioonist tingitud AKD, mis tekib hüpoksia või isheemia-reperfusiooni (IR) ajal, nõrgestab H2S. H2S suurendab ATP tootmist, hoiab ära vabade radikaalide põhjustatud kahjustused ja reguleerib endoplasmaatilise retikulumi stressi IR ajal. Selles ülevaates käsitleme praegused teadmised H2S-i anabolismi, retentsiooni ja katabolismi (sub)rakulise reguleerimise kohta, mis on seotud neerude H2S-i tasemete spatiotemporaalse reguleerimisega. Üheskoos on H2S mitmekülgne gaasitransmitter, millel on pleiotroopne toimeneerufunktsioonja pakub kaitset AKI eest. H2S-i (sub)rakulist signaalimist moduleerivate mehhanismide lahtiharutamine mitte ainult ei laienda põhjapanevat ülevaadet H2S-i vahendatud funktsionaalsete mõjude reguleerimisest, vaid võib pakkuda ka uudseid terapeutilisi sihtmärke, et vältida hüpoksilisest või isheemilisest kahjustusest tingitud neerukahjustusi.

Märksõnad: Vesiniksulfiid Gaasitransmitter Neer Persulfidatsioon Isheemia-reperfusioonikahjustus Hüpoksia

Lisateabe saamiseks klõpsake

1. Sissejuhatus

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 erinevatel kriitilistel füsioloogilistel radadel on HS-i spatiotemporaalne regulatsioon ülimalt oluline, et võimaldada raku sihtmärgi spetsiifilisust [9].

H2S mängib olulist rolli neerude füsioloogias, moduleerides neerude verevoolu, endokriinset funktsiooni ja ainevahetust. Esiteks mõjutavad HS kontsentratsioonist sõltuvad vasoaktiivsed omadusedneeru-verevool [10,11]. Lisaks mõjutab H2S neerude endokriinset funktsiooni, reguleerides reniini ja angiotensiin I retseptorite taset ning indutseerides norepinefriini ja aldosterooni vabanemist, nagu on näidatud südamepuudulikkuse hiiremudelis [12]. Lisaks võib H2S nõrgendada isheemia-/reperfusioonikahjustust oksüdatiivse stressi vähendamise kaudu, mida illustreerib tähelepanek, et hiirtel, kellel puudub CBS, CSE või 3-MST, on mitmete organite resistentsus isheemia/reperfusioonikahjustuse suhtes oluliselt vähenenud. 13-15]. Seetõttu näib endogeense H2S-i range reguleerimine olevat kriitilise tähtsusega neerude homöostaasi säilitamiseks erinevate mehhanismide kaudu, mis mõjutavad nii neerude filtreerimist, endokriinseid kui ka metaboolseid funktsioone.neerud. See neerude H2S signaaliülekande spetsiifiline spatiotemporaalne regulatsioon saavutatakse substraadi ja kofaktori kättesaadavuse reguleerimise ning H2S-i tootvate ensüümide tasemete, ensümaatilise aktiivsuse ja lokaliseerimisega. Neerudes sünteesivad H2S peamiselt CBS ja CSE. Kui nii CBS-i kui ka CSE-d ekspresseeritakse valdavalt proksimaalsetes tuubulites [16,17], siis CSE-d ekspresseeritakse ka glomerulites [18,19]. Võrreldes CBS-i ja CSE-ga on 3-MST ja DAO tasemed neerudes palju madalamad ning nende täpne roll neerufüsioloogias jääb ebaselgeks [20,21].

Selles ülevaates kirjeldame H2S (sub)rakulist ja ajalist regulatsiooni neerudes ning seda, kuidas H2S avaldab oma mõju erinevates organellides, nagu tuum, ER ja mitokondrid. Lisaks vaatame üle, kuidas subtsellulaarne HS-i anabolism ja katabolism on mõjutanud neerude (pato)füsioloogiat. Lisaks on valgu tsüsteiinijääkide translatsioonijärgne modifitseerimine persulfideerimise teel palju lubadusi, et selgitada H2S kasulikke omadusi, mis võivad olla olulised neerudega seotud haiguste, nagu hüpertensioon, isheemia/reperfusioon jaäge neerukahjustus. Seetõttu võib H2S-i tootvate ensüümide tasemete, ensümaatilise aktiivsuse või lokaliseerimise moduleerimine olla H2S endogeense taseme moduleerimiseks farmakoloogiliselt kasutatav sihtmärk.

2. H2S tootmise reguleerimine

2.1. Subtsellulaarne ensüümi lokaliseerimine mõjutab H2S taseme ruumilist spetsiifilisust

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>S-eelkursori tootmine DAO poolt on 8,4 L-tsüsteiini kui substraadi jaoks, kuid 7,4 D-tsüsteiini substraadi jaoks. CBS ja CSE paiknevad peamiselt tsütosoolis, aga ka vesiikulites, tuumades [28] ja mitokondrites.3-MST on

Lokaliseeritud mitokondrites [29] ja tsütosoolis [30]. Lõpuks aitab DAO kaasa H2S tootmisele 3-MST-i kaudu, mis paikneb mitokondrites ja peroksisoomides [21,31]. Koos ei mõjuta ensümaatilist aktiivsust ja sellest tulenevalt ka H2S taset mitte ainult substraadi kättesaadavus, ensüümide tootmine ja translokatsioon, vaid ka lokaalne pH ja substraadispetsiifilised pHoptimad.

2.2. H2S tootmist reguleeritakse substraadi ja kofaktorite saadavuse kaudu

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>S süntees on kujutatud joonisel fig 1, kusjuures L-tsüsteiin ja L-homotsüsteiin on CBS ja CSE peamised substraadid. L-tsüsteiini intratsellulaarset kontsentratsiooni kontrollivad mitmed sõltumatud protsessid: omastamine plasmast endoteelirakkudes, proteolüüs (suurendab L-tsüsteiini kättesaadavust), transsulfuratsioonirada (L-tsüsteiin H2S sünteesi substraadina) ja kiirus. glutatiooni lisamine (L-tsüsteiini kättesaadavuse vähendamine või peatamine)[33]. L-tsüstiin imendub glutamaadi/tsüstiini antiporteri kaudu, mis on H2S positiivse kontrolli all, mis moodustab positiivse tagasiside ahela H2S tootmiseks [34]. Dihüdrolipoehape (DHLA) on võimas antioksüdant, mis on saadud toidust saadavast lipohappest (LA), mis L-tsüstiini redutseerimisel vabastab vaba L-tsüsteiini [35], mida kasutatakse H2S tootmiseks. L-homotsüsteiini rakusisest kontsentratsiooni ei ole veel kindlaks määratud, võib-olla seetõttu, et see on toksiline vaheühend, mida CBS tõhusalt tarbib, või seetõttu, et kontsentratsioon jääb alla praeguste analüütiliste meetodite avastamispiiri. DAO jaoks vajalik p-tsüsteiin pärineb peamiselt toitainete metabolismist seedetraktis [21]. CBS ja CSE vajavad kofaktorit püridoksaal-5-fosfaati (PLP), tuntud ka kui vitamiin B6, et tekitada H2S. H2S tootmine 3-MST poolt sõltuvalt tioredoksiinist (Trx) ja dihüdrolipoehappest: kahest olulisest redokstasakaalu - säilitavad molekulid[36]. Trx ekspressiooni omakorda reguleerivad antioksüdantse vastusega seotud transkriptsioonifaktorid, näiteks Nrf2 [37]. Substraadi ja kofaktori kättesaadavust reguleerivad süsteemid on keerulised, positiivse ja negatiivse tagasisideahelaga ning on seotud redoks-tasakaalu säilitamisega. Seega kontrollivad substraat, kofaktorite kättesaadavus ja H2S-i tootvate ensüümide arvukus HS-i anabolismi.

2.3. H2S kliirens saavutatakse nii ensümaatiliselt kui ka mitteensümaatiliselt

While substrate availability, enzyme levels, and subcellular localization contribute to spatiotemporal regulation of local H>S tasemed reguleerivad selle sünteesi, katabolismi, väljahingamise ja eritumise kaudu H2S taseme alandamist. Väljahingamine moodustab<1% of="" h="">S eritumine organismis, kuna eritumine on HS kliirensi peamine tee [38]. Enne kui H2S saab erituda, tuleb see esmalt metaboolselt muundada. H2S katabolism toimub nii ensümaatiliselt kui ka mitteensümaatiliselt, millest ensümaatiline katabolism on kõige olulisem kataboolne rada [3]. Mitokondrites kataboliseerib HS sulfiidkinooni oksidoreduktaasi süsteem (SQR), moodustades SQR-iga seotud tsüsteiini persulfiidid [39, 40]. Seejärel kataboliseeritakse SQR-ga seotud tsüsteiinpersulfiid tiosulfaadiks, mis on pöörduv ja pakub endogeenset doonorikogumit, mis on võimeline leevendama hüpertensiivset neeruhaigust ja diabeeti [41,42]. Lisaks kataboliseeritakse SQR-ga seotud tsüsteiin per-sulfiid sulfitiks ja sulfaadiks, mis erituvad uriiniga. H2S kataboliseeritakse sulfitiks läbi etüülmaloonse entsefalopaatia 1 valgu (ETHE1), mis asub mitokondriaalses maatriksis [43]. H2S järjestikune metüülimine tiool-S-metüültransferaasi (TMT) ja tioeeter-S-metüültransferaasi (TEMT) toimel moodustab trimetüülsulfooniumiooni, mis eritub samuti uriiniga [44]. Lõpuks seostub H2S methemoglobiiniga, moodustades erütrotsüütides sulfhemoglobiini, mis toimib H2S neeldajana erütrotsüütide sekvestreerimisel põrna[45].

2.4. H2S metabolismi vaheühendid võimaldavad H2S signaali edasilükkamist säilitamise ja vabastamise teel

H2S metabolism ei ole alati ühesuunaline, kuna teatud kataboolsed vaheühendid võimaldavad H2S peatatud vabanemist. Seni on välja pakutud kolm erinevat H2S kogumit: sulfaanväävli liigid, happelabiilne H2S

ja polüsulfiidid. Esiteks saab H2S-i säilitada sulfaatväävliliikidena: ühendid, mis sisaldavad väävliaatomit kuue valentselektroniga, mis on seotud kahe või enama väävliaatomiga (RS-Sn-SR), näiteks persulfiidid (RSSH), polütionaadid. (-SO3-Sn-SO3), orgaanilised polüsulfaanid (HSSnSH, RSSS, R, RSSnSH) ja tiosulfaat (S2O3-/-s-SO3)[5]. H2S sulfaanväävliühenditest võib vabaneda redutseerivates tingimustes või tioredoksiini/tioredoksiini reduktaasi toimel, mis on katabolismis võtmetegur ehk sulfaanväävliga, mis sisaldub enamasti valgu persulfiidides [46,47]. Ainus teadaolevalt HS-st sulfaanväävliühendeid tootnud ensüüm on 3-MST, kuid mehhanism jääb teadmata [48,49]. Sarnaselt HS-iga on sulfaanväävliliikidel ka tugev antioksüdantne võime [50], mis aitab kaasa H2S ja sulfaanväävli tootmise pikaajalisele tsütoprotektiivsele toimele 3-MST poolt. Teiseks saab H2S-i säilitada happelabiilse väävlina, mis võib vabaneda happelistes tingimustes (pH<5.4), usually="" in="" the="" iron-sulfur="" center="" of="" mitochondrial="" enzymes="" [51,52].="" third,="" h="">S-i saab säilitada ka polüsulfiidide kujul, mida soodustavad ensüümid 3-MST ja tsüsteiini aminotransferaas (CAT)[53]. Hilinenud H2S-i signaalimine saavutatakse H2S-i kogumitest vabanemisega konkreetsetes redokstingimustes. Koos kontrollib H2S anabolismi tihedalt ensüümi lokaliseerimine, substraadi spetsiifilisus ja optimaalne pH tase, samas kui H2S ensümaatiline ja mitteensümaatiline metabolism viib funktsionaalsete vaheühenditeni ja lõpuks H2S derivaatide eritumiseni.

2.5. H2S signaalimine neerufüsioloogias

2.5.1. H2S vasoaktiivne toime mõjutab süsteemset vererõhku ja neerude verevoolu

HS tootmine endoteelirakkudes reguleerib hormeetilisi (st kahefaasilisi) annusest sõltuvaid vasoaktiivseid toimeid, mõjutades endoteeli ja vasomotoorset funktsiooni. Endogeenset H2S-i endoteelirakkudes toodavad CSE[54], 3-MST[55] ja CBS [56] ning see põhjustab H2S endogeense kontsentratsiooni arteriaalses veres vahemikus 0.{{ 8}}.0 μM【57,58]. Lühiajalistes katsetes kutsub eksogeenne NaHS-i manustamine esile vasodilatatsiooni inimese isoleeritud mesenteriaalsetes arterites ja roti rindkere aordis [59,60]. Rottidel langes H2S boolussüst ajutiselt vererõhku, mis viitab vasodilatatsioonile. CSE knockout hiirtel täheldati metsikut tüüpi hiirtega võrreldes suurenenud vererõhku, mis viitab H2S-vahendatud vasodilatatsiooni puudumisele [54]. Vastupidi, hiljutise uuringu tulemused on näidanud H2S-vahendatud hüpertensiooni puudumist CSE-/hiirtel ning endogeense NO suurenenud taset võrreldes CSE metsiktüüpi loomadega. See tähelepanek rõhutab otsest keemilist reaktsiooni H2S ja NOWHERE NO vahel H2S-ga, samuti nende vastastikust panust veresoonte toonuse reguleerimisse [61].

NaHS-i, H2S-doonori manustamine in vivo põhjustas vererõhu tõusu 10 μmolkg-'min-1 juures, samas kui 25 μmol kg-Imin-1 NaHS tõi kaasa vererõhu languse [62]. See näitab H2S hormeetilist toimet, mis on mõeldav endoteeli NO süntaasi inhibeerimise kaudu [62].

Tubulaarset funktsiooni reguleerib H2S neerude verevoolu (RBF) ja sellest tulenevalt glomerulaarfiltratsiooni kiiruse (GFR) moduleerimise kaudu. Torukujulise H2S taseme tõus stimuleerib diureesi, natriureesi ja kaliureesi, inhibeerides Na*/K'/2Cl kotransporterit (NKCC) kroonilise soolasisaldusega rottidel [63,64]. Nii HS-i doonor NaHS kui ka H, ​​S prekursor L-tsüsteiin suurendavad rottidel GFR-i annusest sõltuval viisil, mis kaotati CBS ja CSE samaaegse inhibeerimisega. Ainuüksi nii CBS-i kui ka CSE inhibeerimine (vastavalt AOAA ja PPG poolt) põhjustab HS-i taseme languse ja tubulaarse funktsiooni vähenemise [63]. Huvitav on see, et ägeda kahepoolse neeruisheemiaga hiirtel kiirendas NaHS-i lisamine kahjustatud torukujuliste rakkude regeneratsiooni, samas kui PPG manustamine aeglustas nende regeneratsiooni [65]. Seega põhjustab endogeense H2S teke neerude endoteelirakkudes vererõhu langust, suurendades samal ajal glomerulaarfiltratsiooni kiirust ja tubulite funktsiooni.

2.5.2. Geeniekspressiooni moduleerimine H2S-ga on vererõhu reguleerimiseks oluline

Spontaanselt hüpertensiivse roti (SHR) mudel töötati välja looduslikult hüpertensiivsete rottide selektiivse aretamise teel [66]. Hüpertensiooni tekkimine on seotud CSE aktiivsuse vähenemisega arterites, nagu on näidatud rindkere aordis [67]. Lisaks väheneb HS-i tase plasmas enne hüpertensiooni algust, samas kui NaHS-i manustamine (osaliselt) välistab hüpertensiooni tekke [68]. Kuna endogeense H2S madal tase kutsub esile vasodilatatsiooni ja CSE puudumist seostatakse hiirte hüpertensiooniga, on tõenäoline, et H2S vähenenud tase mängib rolli hüpertensiooni patofüsioloogias SHR mudelis. Lisaks reguleerib NaHS-i manustamine SHR-mudelis alla RAS-süsteemi oluliste komponentide, sealhulgas reniini (Ren), angiotensinogeeni (Agt), angiotensiini konverteeriva ensüümi (ace) ja 1a tüüpi angiotensiin II retseptori (Agtrla) ekspressiooni. tasemeni, mis on madalam kui normotensiivsetel kontrollrottidel [69]. Samamoodi vähendab NaHS-i manustamine Ren ekspressiooni ja vähendab plasma reniini taset hüpertensiooni kahe neeru-üks-klipi (2K1C) rotimudelis [70]. 2K1Crati mudelis indutseeritakse hüpertensioon, piirates ajutiselt verevoolu üheleneerud, mis aktiveerib reniin-angiotensiini telje ja kutsub esile hüpertensiooni [71]. Angiotensiin II-ga ravist põhjustatud hüpertensiooni hiiremudelis seostatakse miR-129 (epigeneetiline regulaator) vähenenud tasemeid põletikulise vastusega [72]. ]. Ravi GYY4137-ga (H2S-i vabastav molekul) taastas miR-129 ekspressiooni normaalseks, leevendades seeläbi neerupõletikku. Potentsiaalselt reguleerib geeniekspressiooni muutusi H2S epigeneetiline regulatsioon. NaHS-iga ravitud emased hüpertensiivsed rotid toodavad järglasi, kellel on suurenenud Agtrlb (angiotensiin I retseptor, tüüp 1b) metüülimine ja angiotensiin II retseptori AT1R vähenenud tase [73]. Seega mõjutab H2S geenide (näiteks Ren, Agt ja Agtrla) ekspressiooni, mis mängivad olulist rolli vererõhu regulatsioonis, mis on potentsiaalselt vahendatud epigeneetilise regulatsiooni, aga ka miRNA ekspressiooni kaudu.

2.5.3. H2S kaitseb neerukahjustuste eest valkude persulfideerimise kaudu

Persulfideerimine, tuntud ka kui "S-sulfhüdrüül", kujutab endast tsüsteiinsulfhüdrüülrühma oksüdatiivset modifikatsiooni, kus teine ​​tioolosa (mis pärineb H2S-st, H2S-i doonoritest või muust persulfiidist) on kovalentselt seotud vastava tsüsteiinsulfhüdrüülrühmaga, moodustades lõpuks persulfiidi [ 5,74] (joonis 2). Persulfideerimine muudab valgu funktsiooni ja muudab valkude ja valkude interaktsioone. Esiteks võib persulfideerimine kas suurendada või vähendada sihtvalkude funktsiooni ja aktiivsust. Mitokondriaalse glütseraldehüüdi 3-fosfaatdehüdrogenaasi (GAPDHD) tsüsteiinijäägi C150 persulfideerimine suurendab selle ensümaatilist aktiivsust [74], samal ajal kui persulfidatsioon C156 või C152 korral põhjustab aktiivsuse tugevat vähenemist [75]. seondumise kineetika ja seeläbi valgu lokaliseerimine, nagu see on transkriptsioonifaktori Nrf2 puhul. Tsütosoolse Keapli C150 persulfideerimine käivitab seotud transkriptsioonifaktori Nrf2 dissotsiatsiooni ja võimaldab Nrf2 translokatsiooni tuuma ja suurendada valke kodeerivate geenide ekspressiooniantioksüdantstressireaktsioon [76]. Nrf2 on seotud kaitsmiseganeerukahjustuspärast eksperimentaalset IR-d mitmes uuringus [77,78]. Lõpuks kaitseb persulfideerimine valke ka kahjulike translatsioonijärgsete modifikatsioonide eest, nagu S-nitrosüülimine või oksüdatsioon nitrosatiivsete ja/või oksüdatiivsete stressitingimuste ajal [79]. Persulfidatsioon toimub enamasti valgu tsüsteiini jääkidel, kaitstes seda osa ROS-i poolt oksüdeerumise eest, kaitstes seega valgu funktsiooni. GAPDH S-nitrosüülimine ülalmainitud C150 juures nullib ensümaatilise aktiivsuse, mis viib ATP tootmise märgatava vähenemiseni [80]. GAPDH, aga ka ATP5a persulfideerimisega võib H2S päästa ATP tootmist. On teada, et AKI puhul on ATP tootmise säilitamine neerufunktsiooni õigeks taastumiseks ülioluline [81]. Üheskoos kaitseb H2S neerufunktsiooni pärast vigastust valgu persulfideerimise kaudu (vt joonis 3).

2.5.4. H2S moduleerib valgu persulfideerimise kaudu redoks-homöostaasi, naatriumi eritumist ja vererõhku

Neerudes reguleerib valkude persulfideerimine vererõhku ja neerude naatriumi käitlemist. Endoteeli kasvufaktori retseptori (EGFR) tsüsteiinijääkide C797/C798 persulfideerimine kutsub esile Nat/K pluss -ATPaasi endotsütoosi, mille tulemuseks on Na plus /K pluss -ATPaasi funktsiooni kadumine neerutuubulite epiteelirakkudes [64]. Nende mehhanismide kaudu indutseerib H2S rottidel vee ja naatriumi eritumist, alandades vererõhku [64]. Veelgi enam, angiotensiin II retseptori AT1R persulfideerimine NaHS-i või L-tsüsteiiniga nõrgendab hüpertensiooni angiotensiin I-indutseeritud hüpertensiivsetel hiirtel [82]. Seega mõjutab H2S-i poolt indutseeritud valgu persulfidatsioon valgu aktiivsust, kuid võib ka moduleerida geeniekspressiooni, mõjutades valkude ja valkude interaktsioone ja miRNA-de ekspressiooni. Nende signaalikihtide puhasmõju on ebaselge, kuid on hädavajalik redoks-homöostaasi säilitamiseks ning neerude naatriumi käitlemise ja vererõhu reguleerimiseks.

2.5.5. HS säilitab raku homöostaasi proteotoksilise stressi korral, moduleerides autofagiat

Valesti volditud valgud on potentsiaalselt toksilised ER stressi ja liigse rakusurma tõttu, nagu see on ägeda neerukahjustuse korral [83]. Kahjustatud organellid ja valesti volditud valgud puhastatakse (makro) autofagia abil, mida moduleerib H2S. Eksogeenne H2S (NaHS) inhibeerib autofagiat vastsündinute roti kardiomüotsüütides in vitro hüpoksia-reoksügenatsiooni (HR) mudelis PI3K/GSK3 signaalimise kaudu [84] ja ka hepatotsellulaarse kartsinoomi (HCC) rakkudes, mida illustreerib geenide allareguleerimine PI3K-s. /AKT/mTOR rada[85]. Seevastu roti isheemia-reperfusiooni (IR) mudelis reguleerib NaHS-i lisamine AMPK/mTOR raja geene, soodustades seeläbi autofagiat ja kaitstes IR-kahjustuse eest [85,86]. On mõeldav, et normaalsetes tingimustes hoiab H2S signaalimine autofagia kiirust füsioloogilistes piirides, samas kui tõsise proteotoksilise stressi tingimustes võib H2S autofagilist voogu oluliselt suurendada. Kaitstes rakke IR-kahjustuse eest autofagia moduleerimise kaudu, nõrgendab H2S-i signaalimine neerukahjustust pärast IR-i.

2.5.6. H2S nõrgendab proteotoksilist stressi valkude persulfideerimise kaudu

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 on mõlemad võimelised tugevdama kogu proteasoomi lagunemissüsteemi, kuid samal ajal takistab spetsiifiliste valkude lagundamist sama proteasoomi lagunemissüsteemi poolt. Lisaks modulatsiooni autofagiale ja proteasoomi aktiivsusele vähendab H2S proteotoksilist stressi, suurendades kaitsvaid signaaliülekandeteid spetsiifiliste transkriptsioonifaktorite persulfideerimise teel.

2.5.7. H2S nõrgendab proteotoksilist stressi epigeneetiliste modifikaatorite ja transkriptsioonifaktorite persulfideerimisega

NaHS-i lisamine vähendab proteotoksilist stressi ja päästab rakkude elujõulisuse arvatavasti vaikse paaritumise tüüpi teaberegulaatori 2 homoloogi 1 (SIRT-1)[94] ülesreguleerimise kaudu. SIRT-1 aktiivsuse suurenemine võib toimuda persulfidatsiooni tõttu [95]. Alternatiivne selgitus SIRT-1 aktiivsuse suurenemisele on SIRT-1 transkriptsiooniregulaatori modifikatsioon. Sellisena põhjustab NF-k, SIRT-i -1 [96] ülesvoolu transkriptsiooniregulaatori, persulfideerimine NF-k ja seeläbi SIRT-1 [97] transkriptsioonilise aktiivsuse suurenemist. Lisaks aktiveerib H2S PI3K/Akt, ERK1/2 ja ATF4 radasid, näiteks nendes radades valkude persulfideerimise kaudu, mis vähendab ER stressi (joonis 2)[98,99]. Hiljutised uuringud näitavad, et SIRT1 persulfideerimine ja seeläbi selle deatsetüülimisaktiivsuse vähenemine mängib selle epigeneetilise funktsiooni reguleerimisel olulist rolli [95]. Seega mängib H2S olulist rolli ER funktsiooni reguleerimisel, moduleerides proteasoomi aktiivsust ja indutseerides proteotoksilise stressi korral kaitsvaid radu ülesvoolu transkriptsioonifaktorite ja epigeneetiliste modifikaatorite persulfideerimise teel.

Kas H2S leevendab proteotoksilist stressi H2S-i poolt ER-s või teiste vahendajate kaudu, pole veel täpselt teada. Kuid tulemused, mis on saadud HeLa rakkudes, hiire maksas ja sebrakalas, kasutades ER-sihitud H2S-sondi, näitavad H2S spetsiifilist lokaliseerumist ER-i [100]. Jääb veel uurida, kas ER-i kohalikke H2S tasemeid reguleerib spetsiifiline modulatsioonisubstraadi kättesaadavus või H2S-i tootvate ensüümide translokatsioon ER-sse. Huvitav on see, et erinevad H2S-i tootvad ensüümid näivad täitvat proteotoksilise stressi leevendamisel erinevaid rolle. Thapsigargin-indutseeritud ER stressi ajal HEK293 rakkudes inhibeerib süsinikmonooksiidi (CO) teke CBS-i, seondudes selle heemirühmaga, mis vähendab tsüstationiini tootmist. Kuna tsüstationiin on CSE funktsiooni inhibiitor, põhjustab selle ammendumine CSE-s rohkem H2S tootmist, et leevendada proteotoksilist stressi [101]. Need tõendid viitavad ühiselt sellele, et H2S on võimas proteotoksilise stressi modulaator proteasoomi ja vastavate valgu tsüsteiinijääkide selektiivse moduleerimise kaudu persulfideerimise kaudu, mis viib kaitsvate signaaliradade ülesreguleerimiseni.

2.5.8. H2S nõrgendab neerukahjustusi, säilitades mitokondriaalse funktsiooni

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>S-selektiivsed keemilised sondid isheemilises loomakoes ja elundite säilitamise mudelisüsteemis [105], samuti H2S-tundliku fluorestsentsanduri kasutamine anoksilises rakukultuuris [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 ppm [2]. Arvatavasti võib selle mehhanismi kaudu kokkupuude H2S kontsentratsiooniga 80 ppm (pöörduvalt) pärssida ainevahetuse kiirust ja seeläbi toksilisust hiirtel[109].

Kuigi (endogeense) H2S madal tase võib stimuleerida ATP tootmist, annetades elektrone elektronide transpordiahelasse ja moduleerides ensümaatilist aktiivsust, võib (eksogeense) H2S kõrge tase avaldada toksilist toimet, inhibeerides tsütokroom c oksüdaasi. Seega säilitab H2S ATP tootmist, mis on pärast neerukahjustust neerufunktsiooni jaoks ülioluline.

2.5.9. H2S stimuleerib antioksüdantide tootmist, mis summutab ROS-i põhjustatud põletikku

Metaboolse stressi korral võib H2S ületada mitokondriaalse düsfunktsiooni kahjulikud mõjud, stimuleerides ATP tootmist ja avaldades antioksüdantset toimet, eemaldades vabu radikaale, kaitstes valgujääke persulfidatsiooni kaudu oksüdeerumise eest ja reguleerides antioksüdantide mehhanisme. H2O2 poolt põhjustatud oksüdatiivne stress Xenopus laevise neeruepiteelirakkudes kaotati (eel)töötlemisega NaHS-iga [110]. Kui H2S püüab otseselt vabu radikaale, näiteks peroksünitritit, moodustades sulfinüülnitriti (HSNO2), reguleerib H2S ka olulisi antioksüdantide mehhanisme, sealhulgas glutatiooni, mis on peamine antioksüdant [111]. H2S redutseerib rakuvälise tsüsteiini tsüsteiiniks, millele järgneb tsüstiini/glutamaadi antiporteri rakkude omastamine [34]. Lisaks suurendab H2S r-glutamüültsüsteiini süntetaasi (y-GCS) aktiivsust, mis on üks kahest glutatiooni tootmiseks vajalikest ensüümidest [112, 113]. Mehhanism, mille abil H2S mõjutab nende GCS aktiivsust, ei ole täiesti selge, kuid H2S ei mõjuta y-GCS ekspressiooni ja valgu taset ning tõenäoliselt põhjustab translatsioonijärgne modifikatsioon persulfideerimisega H2S stimuleerimisel kõrgemat y-GCS aktiivsust. . Lisaks vabade radikaalide eemaldamisele ja glutatiooni taseme ülesreguleerimisele avaldab H2S oma kaitsvat toimet, kutsudes esile antioksüdantse stressireaktsiooni Nrf2 kaudu[14]. Seega lisaks ATP tootmise stimuleerimisele leevendab H2S mitokondriaalse düsfunktsiooni kahjustavat mõju, vähendades oksüdatiivset stressi.

H2S-i mõju mitokondriaalsele funktsioonile võib seletada selle kaitsvat toimet neerude IR-kahjustuse vastu, vähendades seeläbi põletikku ja vähendades IR-i poolt põhjustatud struktuurikahjustusi [115]. Hiirtel, kellel puudub CSE, on suurem kalduvus IR-st põhjustatud ägedale neerukahjustusele, mis on seotud elulemuse vähenemisega [18]. Põletikuliste geenide ekspressioon ja tsütokiinide vabanemine vähenevad transkriptsioonifaktorite, nagu NF-k, suurenenud sulfideerimise kaudu neerude IR-s. Seetõttu toimib H2S antioksüdandina, suurendades antioksüdantse glutatiooni taset ja reguleerides antioksüdantide stressireaktsiooni. Huvitav on see, et hiljutine uuring on näidanud vastupidist, põletikueelset CSE-st sõltuvat toimet ägeda isheemilise neerukahjustuse hiiremudelis. Siin täheldati CSE{9}}hiirtel rakukahjustuste vähenemist ja põletikueelsete interleukiinide ja tsütokiinide taseme langust [16]. Täheldatud erinevusi sarnaste uuringute katsetulemustes võib osaliselt seletada loomaliigi ja neile vastavate fenotüüpide geneetilise tausta erinevusega.

Lõpuks, oksüdatiivne stress ei mõjuta mitte ainult rakkude homöostaasi ja rakkude ellujäämist, vaid mõjutab ka neerude naatriumi käitlemist oksüdeeriva fosfataasi ja tensiini homoloogi (PTEN) kaudu, suurendades seeläbi epiteeli naatriumikanali (ENaC) aktiivsust, mis hõlbustab Na pluss imendumist [117]. . Oksüdatiivse stressi mõju ENaC-le kaob eeltöötlemine NaHS-iga [117], potentsiaalselt kaitstes PTEN-i oksüdatsiooni eest valgu sulfideerimise teel, sarnaselt sellele, kuidas H2S-vahendatud persulfideerimine võib ära hoida S-nitrosüülimisest põhjustatud PTEN-i ensümaatilise funktsiooni kadu [l18] ]. Üheskoos välistab mitokondriaalse düsfunktsiooni välistamine (st ATP tekke stimuleerimine ja oksüdatiivse stressi alandamine) neerufunktsiooni häired ja oksüdatiivsest stressist põhjustatud kahjustused.

3. Järeldus

H2S tootmist kontrollitakse rangelt nii kvantitatiivselt kui ka ruumiliselt kataboolsete ja anaboolsete protsesside kaudu. Sellised tegurid nagu substraadi kättesaadavus, valkude arvukus, lokaalne pH ja säilitusvõime kontrollivad H2S anabolismi, samas kui hapniku kontsentratsioon, ensümaatilised ja mitteensümaatilised mehhanismid kontrollivad H2S katabolismi. H2S metaboliidid, nagu sulfaanväävlina seotud H2S või H2S happelabiilsed kogumid, võivad siiski avaldada signaalimisfunktsioone. H2S mõjutab neerude verevoolu, mõjutades NO taset ja seeläbi veresoonte funktsiooni, samuti lokaalse ja süsteemse vererõhu ning naatriumi eritumise eest vastutavate geenide ekspressiooni reguleerimist. Valgu tootmise ja proteotoksilise stressi reguleerimine saavutatakse autofagilise voo, proteasoomi aktiivsuse, agregeerunud valkude kliirensi ja UPR-i moduleerimise kaudu H2S signaaliülekande kaudu, mis on oluline AKI nõrgendamiseks. H2S on oluline antioksüdant, püüdes otseselt vabu radikaale, kuid lisaks suurendab see raku antioksüdantide vastust, toimides glutatiooni tootmise substraadina. Moodustades valgu persulfiide, moduleerib HS ensümaatilist aktiivsust, aga ka transkriptsioonifaktori aktiivsust, mõjutades valgu-valgu interaktsioone tsütosoolis, mis kutsub esile transkriptsioonifaktori translokatsiooni tuuma. Hüpoksilistes tingimustes säilitab H2S ATP sünteesi, toimides alternatiivse elektronidoonorina. Arvestades H2Supon metaboolse stressi kaitsvat toimet neerudes, võib H2S farmakoloogilisi sihtmärke kasutada hüpertensiooni raviks või kahjustuste vältimiseks ägeda neerukahjustuse korral, mis esineb näiteks isheemia/reperfusiooni, neerusiirdamise või sepsise ajal.