李駿 ， 宋怡菲 ， 儀楊 ， 馬晨 ， 張黃子怡 ， 杜琳琳 ， 李峻宇 ， 謝飛 ，馬雪梅

北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與生命學(xué)部，北京 100124

氣體信號(hào)分子是由生物體細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的、具有生物學(xué)效應(yīng)的氣態(tài)分子［1］。目前，生物學(xué)領(lǐng)域確定的氣體信號(hào)分子有一氧化氮（nitric oxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氫（hydrogen sulfide，H2S）［2］。最早人們發(fā)現(xiàn)NO 由乙酰膽堿（acetylcholine，Ach）刺激內(nèi)皮細(xì)胞釋放，可引起大鼠主動(dòng)脈舒張［3］。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)CO 也可以像NO 一樣調(diào)節(jié)環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）發(fā)揮神經(jīng)遞質(zhì)的作用［4］。在20 世紀(jì)90 年代，研究人員發(fā)現(xiàn)鼠、牛及人大腦中均存在相對(duì)高濃度的H2S，在哺乳動(dòng)物的疼痛機(jī)制中發(fā)揮作用［5-7］。此后，氣體信號(hào)分子廣泛的生理功能研究成為熱點(diǎn)，例如，H2S 可以調(diào)節(jié)植物對(duì)硫酸鹽的代謝［8］，CO 能夠抑制動(dòng)物絲裂原活化的蛋白激酶（mitogen-activited protein kinases，MAPK）發(fā)揮抗炎作用［9］，CO氧化可促進(jìn)細(xì)菌的甲烷、乙酸、氫氣生成及硫酸鹽還原等反應(yīng)［10］。

氣體信號(hào)分子本身不直接參與生理反應(yīng)，而是負(fù)責(zé)與相應(yīng)的受體結(jié)合進(jìn)而引發(fā)相應(yīng)的生理功能。信號(hào)分子細(xì)胞內(nèi)的受體種類(lèi)有很多，包括激酶類(lèi)、血紅素蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等。血紅素蛋白是廣泛存在于各種生物體內(nèi)的一類(lèi)含有血紅素輔基的蛋白質(zhì)［11-12］。在結(jié)構(gòu)方面，血紅素蛋白由不同結(jié)構(gòu)域組成，其中至少包含一個(gè)含有血紅素輔因子的輸入結(jié)構(gòu)域和參與生物反應(yīng)的輸出結(jié)構(gòu)域。目前發(fā)現(xiàn)的所有能夠穩(wěn)定結(jié)合血紅素的結(jié)構(gòu)域都被證明能夠參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，例如可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（soluble guanylate cyclase，sGC）［13］、血紅素與NO 結(jié)合（heme NO binding，HNOB）［14］、CO 氧化激活劑（CO oxidation activator，CooA）［15］、血紅蛋白（hemoglobin，Hb）、肌紅蛋白（myoglobin，Mb）［14］、過(guò)氧化物酶（peroxidase，POD）、細(xì)胞色素（cytochrome）［16］等。在功能方面，血紅素蛋白參與調(diào)節(jié)生物體的血壓、生物節(jié)律、氣體信號(hào)分子代謝、休眠、共生、生物膜形成或擴(kuò)散等（表1）。血紅素蛋白結(jié)合的血紅素輔基是自身的活性中心，中間螯合的Fe2+負(fù)責(zé)與氣體信號(hào)分子結(jié)合，并對(duì)多種氣體信號(hào)分子作出響應(yīng)而產(chǎn)生構(gòu)型變化，進(jìn)而參與后續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（表2）［17］。本文將對(duì)氣體信號(hào)分子作用的血紅素蛋白種類(lèi)以及血紅素蛋白如何調(diào)控氣體信號(hào)分子的下游通路進(jìn)行綜述，同時(shí)展望了氫分子（hydrogen，H2）作為第4個(gè)氣體信號(hào)分子的可能性，以期為深入氣體信號(hào)分子機(jī)理的相關(guān)研究提供參考。

表1 血紅素蛋白參與的相關(guān)生理過(guò)程Table 1 The involvement of heme proteins in related physiological processes

表2 氣體信號(hào)分子對(duì)血紅素蛋白的識(shí)別Table 2 Recognition of heme protein by gas signal molecules

1 響應(yīng)NO的血紅素蛋白

NO 血紅素蛋白是細(xì)胞中能夠響應(yīng)NO 信號(hào)的靶點(diǎn)，包括可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶sGC、血紅素一氧化氮/氧結(jié)合蛋白以及NO 敏感蛋白（NO-sensing protein，NosP）。

1.1 可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶

1.1.1sGC 的結(jié)構(gòu)組成 可溶性鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶是存在于動(dòng)物體內(nèi)的一種基于血液的血紅素類(lèi)蛋白質(zhì)，在多組織中均可以表達(dá)。sGC 由2 個(gè)亞基α1和β1組成，質(zhì)量約為80 kD，是一種異二聚體酶，每個(gè)酶結(jié)合一個(gè)血紅素分子［18］。雖然2 個(gè)亞基的表達(dá)具有組織特異性，但是也存在一些序列同源性［19-20］。從N 端開(kāi)始，2個(gè)亞基各自分別為H-NOX（heme nitric oxide oxygen binding）結(jié)構(gòu)域、Per/Arnt/Sim（PAS）結(jié)構(gòu)域、螺旋線(xiàn)圈（CC）結(jié)構(gòu)域和C-末端催化結(jié)構(gòu)域，其中PAS和CC 2個(gè)結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)α1和β1 相互作用［21］。β1 亞基的His105 和血紅素分子中心的鐵離子緊密結(jié)合，使β1亞基的H-NOX處于失活構(gòu)象，而α1亞基H-NOX的血紅素結(jié)合口袋被N 端螺旋所占據(jù)，因此不能結(jié)合血紅素。通過(guò)紫外/可見(jiàn)光譜掃描小鼠的sGC，發(fā)現(xiàn)血紅素分子結(jié)合在β1 亞基的前194 個(gè)氨基酸上，其中His105 是血紅素的配體［22］，可以響應(yīng)NO氣體信號(hào)分子。

1.1.2NO 影響sGC 的構(gòu)象并激活下游通路 NO通過(guò)結(jié)合sGC中的血紅素分子發(fā)揮自身的生理學(xué)功能。sGC不與NO結(jié)合時(shí)，血紅素中心的Fe處于二價(jià)還原狀態(tài)；當(dāng)sGC與血液中的NO結(jié)合時(shí)形成5配位的Fe2+-NO復(fù)合物，此時(shí)sGC處于激活狀態(tài)。在sGC 中間靠近N 端部分有一個(gè)近似90°的彎曲，這種彎曲構(gòu)象通過(guò)β1亞基的H-NOX與PAS及CC 結(jié)構(gòu)域復(fù)雜的相互作用來(lái)保持穩(wěn)定。在無(wú)活力狀態(tài)下，位于C 端的催化模塊的底物結(jié)合口袋處于關(guān)閉狀態(tài)，底物無(wú)法結(jié)合。在NO 的激活下，β1 亞基的His105 與血紅素中Fe 離子的結(jié)合被NO 打破，導(dǎo)致β1 亞基中H-HOX 結(jié)構(gòu)域發(fā)生了構(gòu)象變化，其中sGC構(gòu)成傳導(dǎo)模塊的CC結(jié)構(gòu)域從直角彎曲螺旋的無(wú)活力狀態(tài)變成了2 根完整的伸展螺旋。CC 結(jié)構(gòu)域2 個(gè)螺旋之間還發(fā)生了70°的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致與CC結(jié)構(gòu)域直接相連的催化模塊構(gòu)象變化，即2個(gè)亞基的催化結(jié)構(gòu)域之間發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，底物結(jié)合口袋打開(kāi)，并催化GTP形成cGMP［23］。激活狀態(tài)下的sGC 可以將GTP 環(huán)化為cGMP，而cGMP 作為胞內(nèi)信使激活信號(hào)通路下游的生理變化，包括擴(kuò)張血管、聚集血小板等［18，24］。血紅素與NO 的結(jié)合十分靈敏，血液當(dāng)中含有皮摩級(jí)的NO就能引起相應(yīng)的生理過(guò)程［25］。

1.2 血紅素-氧化氮/氧結(jié)合蛋白

1.2.1H-NOX結(jié)構(gòu)域的發(fā)現(xiàn) 研究大鼠的sGC一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，其與細(xì)菌中一個(gè)血紅素蛋白家族的一級(jí)序列具有15%～40%的相似性［26］，該家族包括真核生物sGC以及來(lái)自細(xì)菌基因組的數(shù)百個(gè)預(yù)測(cè)開(kāi)放閱讀框（open reading frame，ORF）。已有研究證明，無(wú)毒濃度的NO可以調(diào)節(jié)細(xì)菌的生理生化過(guò)程進(jìn)而引發(fā)細(xì)菌相關(guān)的行為發(fā)生改變，因此早期將他們命名為HNOB。隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)這些細(xì)菌血紅素結(jié)構(gòu)域的長(zhǎng)度約為190 個(gè)氨基酸，并且有幾個(gè)絕對(duì)保守的氨基酸。因此，人們推測(cè)在細(xì)菌當(dāng)中也會(huì)存在著和動(dòng)物體內(nèi)相似的血紅素蛋白。此后，H-NOX 作為廣泛存在的基于血紅素的細(xì)菌NO受體家族［27］，逐漸走進(jìn)人們的視野。

1.2.2H-NOX 結(jié)構(gòu)域的組成 最早被結(jié)晶且得到原子水平結(jié)構(gòu)的H-NOX 結(jié)構(gòu)域來(lái)自嗜熱厭氧桿菌，分辨率為1.7 ?28］。嗜熱厭氧桿菌的H-NOX家族是由7 個(gè)α-螺旋和1 個(gè)四股反平行β 片組成的蛋白質(zhì)。蛋白的N-末端區(qū)域由5 個(gè)螺旋組成（αA-αD 和αG），位于血紅素的遠(yuǎn)端；C-末端區(qū)域位于血紅素的近端，由β 片、αF 螺旋和單圈的螺旋αE 組成［29］。H-NOX 結(jié)構(gòu)域除了與血紅素結(jié)合的His外，還有Tyr135、Ser137、Arg139組成的YxS/TxR 基序以及距離C末端約10個(gè)氨基酸的Pro，它們均是保守的。其中，YxS/TxR 基序和Pro 殘基目前被認(rèn)為對(duì)維持家族中獨(dú)特的血紅素結(jié)構(gòu)很重要。另外，與真核生物不同的是，由于Pro 的擠壓作用，導(dǎo)致其中的血紅素發(fā)生了扭曲［30-31］。

1.2.3H-NOX結(jié)構(gòu)域?qū)O的響應(yīng) H-NOX結(jié)構(gòu)域在響應(yīng)氣體信號(hào)分子時(shí)，血紅素中的Fe2+與His結(jié)合形成Fe-His鍵。NO可以與His競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合Fe2+，在NO 與Fe2+結(jié)合時(shí)，F(xiàn)e-His 發(fā)生斷裂，導(dǎo)致血紅素產(chǎn)生畸變，其中Fe 從組氨酸端移向血紅素的遠(yuǎn)端，血紅素中吡咯環(huán)在平面上方向血紅素口袋的遠(yuǎn)端移動(dòng)，連同其連接的丙酸基團(tuán)一起，通過(guò)吡咯環(huán)與αA 的相互作用，引起蛋白質(zhì)N 端部分的移位，進(jìn)而導(dǎo)致H-NOX 整體的構(gòu)象發(fā)生變化，最終催化下游的相關(guān)信號(hào)蛋白。

不同的細(xì)菌體內(nèi)下游信號(hào)也不完全相同，有部分兼性需氧細(xì)菌編碼的H-NOX 結(jié)構(gòu)域與環(huán)狀di-GMP 合成酶和磷酸二酯酶位于同一操縱子中。這些酶被稱(chēng)為H-NOX 依賴(lài)的環(huán)狀di-GMP 加工酶（H-NOX-associated cyclic-di-GMP processing enzyme，HaCE），其中環(huán)狀di-GMP 是細(xì)菌中調(diào)節(jié)生物膜形成的第二信使分子。另一部分細(xì)菌中的二鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶（diguanylate cyclase，DGC）、磷酸二酯酶（phosphodiesterase，PDE）則是分開(kāi)表達(dá)的。細(xì)菌通過(guò)這些酶來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)狀di-GMP的產(chǎn)生，最終影響細(xì)菌生物膜的形成［26］（圖1）。

圖1 細(xì)菌生物膜形成的調(diào)控途徑[26]Fig. 1 Regulatory pathways for bacterial biofilm formation[26]

1.3 NO敏感蛋白（NO-sensing protein，NosP）

1.3.1NosP 結(jié)構(gòu)域的發(fā)現(xiàn) 在大部分細(xì)菌中都存在H-NOX 結(jié)構(gòu)域，但也有部分不編碼H-NOX結(jié)構(gòu)域的細(xì)菌仍然能對(duì)低濃度的NO 作出群體感應(yīng)和生物膜形成等生理反應(yīng)，例如銅綠假單胞菌，這說(shuō)明存在其他的NO 感受機(jī)制［32］。隨著研究深入，這種新的NO 結(jié)合蛋白被鑒定出來(lái)，將其命名為NO 敏感蛋白（NosP）。目前已經(jīng)鑒定出含有NosP的細(xì)菌如表3。目前，NosP 結(jié)構(gòu)域?qū)儆谝粋€(gè)未表征的蛋白質(zhì)家族，以最早發(fā)現(xiàn)的銅綠假單胞菌NosP 為例，其大小為42 kD?？梢?jiàn)光內(nèi)的吸收峰在413 nm，而真核生物中的血紅素蛋白通常在403 nm 處有吸收峰，例如辣根過(guò)氧化物酶。與sGC不同的是，在NosP 中檢測(cè)到的血紅素卻是扭曲的。目前已知的所有NosP 在N 末端與一個(gè)血紅素結(jié)合，并檢測(cè)到和它配位的組氨酸［33］，遺憾的是并沒(méi)有解析NosP 的三級(jí)結(jié)構(gòu)。在一級(jí)結(jié)構(gòu)水平上，NosP 由N端和C端的FIST（F-box和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)）2個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。

1.3.2NosP 對(duì)NO 的響應(yīng) NosP 定位在細(xì)胞溶膠中。NO 通過(guò)自由擴(kuò)散方式跨膜進(jìn)入細(xì)胞，與NosP 的鐵離子配位，導(dǎo)致NosP 構(gòu)象變化，使NosP依賴(lài)的組氨酸激酶（histidine kinases，NahK）自磷酸化增加，NahK將磷酸鹽轉(zhuǎn)移下游的環(huán)狀di-GMP代謝反應(yīng)調(diào)節(jié)因子（cyclic-di-GMP metabolizing response regulator，NarR）。磷酸化的NarR 表現(xiàn)出DGC 降低和PDE 增加的活性，DGC 催化GTP 形成環(huán)狀di-GMP 過(guò)程被抑制；PDE 催化環(huán)狀di-GMP形成5'-磷酸鳥(niǎo)苷基-（3'，5'）-鳥(niǎo)苷［5'-phosphoguanylyl-（3'，5'）-guanosine，pGpG］，最終導(dǎo)致環(huán)狀di-GMP的降低，使細(xì)菌中生物膜擴(kuò)散（圖2）［32］。

圖2 嗜肺軍團(tuán)菌、霍亂弧菌體內(nèi)NosP對(duì)NO的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[32]Fig. 2 Signal transduction pathway of NosP to NO in Legionella pneumophila and Vibrio cholerae[32]

2 響應(yīng)CO的血紅素蛋白

2.1 sGC

本節(jié)主要討論sGC 對(duì)CO 的響應(yīng)以及與NO響應(yīng)的區(qū)別。

2.1.1CO影響sGC的構(gòu)象并激活下游通路 sGC不但能夠?qū)O 作出響應(yīng)，也是CO 的靶點(diǎn)。CO在生物體內(nèi)主要通過(guò)激活sGC 升高cGMP 來(lái)介導(dǎo)效應(yīng)。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，CO 也通過(guò)激活sGC 來(lái)發(fā)揮和NO 類(lèi)似的生理功能，例如降血壓、聚集血小板等。CO 未與亞鐵血紅素Fe2+結(jié)合前，F(xiàn)e2+突出于卟啉環(huán)外以高自旋形式存在；當(dāng)CO 與Fe2+結(jié)合時(shí)，F(xiàn)e2+以低自旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入卟啉環(huán)面內(nèi)，構(gòu)型變化與NO 是一致的［34］，sGC 的主體結(jié)構(gòu)改變被激活，從而促進(jìn)cGMP水平升高。

2.1.2CO 和NO 對(duì)sGC構(gòu)象的區(qū)別 CO 與NO 對(duì)sGC構(gòu)象影響僅有小部分是不同的。通過(guò)對(duì)比NO和CO 2種氣體對(duì)sGC H-NOX結(jié)構(gòu)域的影響，發(fā)現(xiàn)NO 通過(guò)形成5 配位Fe-NO 鍵狀態(tài)，然后血紅素中Fe-His鍵發(fā)生斷裂，形成激活的sGC，而CO 與Fe2+形成6配位化學(xué)鍵，NO血紅素鐵位移為0.2～0.3 ?，CO結(jié)合時(shí)鐵位移為0.8～0.9 ?，推測(cè)可能是由于碳原子的半徑相比氮原子更大，這也解釋了為什么CO對(duì)血紅素輔基的親和力要低于NO。

此外，在與CO結(jié)合的同時(shí)，sGC的血紅素發(fā)生樞轉(zhuǎn)，將丙酸基團(tuán)保持在吡咯環(huán)上。與CO不同的是，NO通常以一定角度與血紅素結(jié)合，而CO更傾向于垂直于血紅素平面結(jié)合。這說(shuō)明CO 由于碳原子半徑更大的緣故，比NO對(duì)sGC構(gòu)象的影響更大，通常變化有以下幾點(diǎn)：①α殘基的His105及其相鄰殘基會(huì)移位；②由于肽鏈與血紅素的丙酸鹽相互作用，H-NOX 結(jié)構(gòu)域的肽鏈會(huì)與血紅素有相對(duì)滑動(dòng)。此外，Glu41附近的側(cè)翼肽鏈也有約0.5 ?的位移。最后，由于血紅素的轉(zhuǎn)移，Phe112 附近的區(qū)域變成了無(wú)序狀態(tài)，最終打開(kāi)底物結(jié)合域。

2.2 CO 氧化激活劑（CO oxidation activator,CooA）

CooA 蛋白家族是一類(lèi)含血紅素的原核CO 感應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，它負(fù)責(zé)激活一系列有關(guān)CO 氧化的酶，其Km值約為1 μmol·L-1［35］。人們最早在深紅紅螺菌（Rhodospirillum rubrum）時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定了它的結(jié)構(gòu)。

2.2.1CooA 結(jié)構(gòu)域的組成 CooA 蛋白家族是含有2 個(gè)血紅素的同源二聚體蛋白，由A、B 2 條單鏈構(gòu)成。每個(gè)單體具有N 端血紅素結(jié)合域和C 端DNA 結(jié)合域，該結(jié)構(gòu)域包含經(jīng)典的螺旋-轉(zhuǎn)-螺旋DNA 結(jié)合基序［36］。在無(wú)CO 結(jié)合狀態(tài)下，單體A鏈的N 末端Pro2 與單體B 鏈的血紅素配位，反之相同。同之前提到的血紅素受體蛋白一樣，CooA的血紅素也會(huì)與自身亞基的His77配位結(jié)合。

2.2.2CooA 對(duì)CO 的響應(yīng) CO 與CooA 中血紅素結(jié)合，通過(guò)改變DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域使其重新定向?qū)е卤患せ?，進(jìn)而識(shí)別特異性的DNA。CooA 對(duì)CO具有微摩爾親和力，僅當(dāng)其血紅素中存在Fe2+時(shí)才能夠與CO 結(jié)合，而氧化的CooA 對(duì)CO 沒(méi)有作用［37］。CooA 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，單體A 鏈的N 末端與單體B鏈的血紅素鐵配位；在打開(kāi)狀態(tài)下，由于空間的排斥作用，N末端與血紅素結(jié)合的Pro配體發(fā)生分離，并移動(dòng)了約20 ?，從而使CO能夠結(jié)合［38］。釋放的N 末端經(jīng)過(guò)重新定位［15］，在血紅素結(jié)合結(jié)構(gòu)域和DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域之間形成了一個(gè)橋梁，可以成功將DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域穩(wěn)定在與特定DNA 結(jié)合所需的方向上，并通過(guò)CooA 和RNA 聚合酶之間的接觸激活一系列負(fù)責(zé)CO 氧化的酶發(fā)生轉(zhuǎn)錄［39］。此外，血紅素也收緊了與CO 結(jié)合的口袋，保證了CO的穩(wěn)定結(jié)合。

2.3 CO代謝調(diào)節(jié)因子

通過(guò)基因組分析推測(cè)存在不同于CooA 的CO感應(yīng)細(xì)菌轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。隨后在能夠氧化CO 的異養(yǎng)需氧細(xì)菌伯克霍爾德菌中發(fā)現(xiàn)了第二類(lèi)基于血紅素的CO代謝調(diào)節(jié)因子（regulator of CO metabolism， RcoM）［40］。遺憾的是目前還沒(méi)有關(guān)于RcoM空間構(gòu)型的報(bào)道，所以我們?cè)谶@里只討論RcoM已經(jīng)確定的結(jié)構(gòu)情況以及如何對(duì)CO作出響應(yīng)。

RcoM 是在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的第二類(lèi)基于血紅素的CO反應(yīng)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，且與CooA沒(méi)有同源性。在伯克霍爾德菌（Burkholderia xenovorans）中首先鑒定到RcoM，該蛋白是由2 種高度同源的血紅素蛋白R(shí)coM-1 和RcoM-2 組成的同源二聚體［35］。每個(gè)單體都含有一個(gè)血紅素結(jié)合PAS結(jié)構(gòu)域和一個(gè)DNA 結(jié)合的LytTR 結(jié)構(gòu)域，這2 個(gè)結(jié)構(gòu)域非常保守［41］。通過(guò)研究該蛋白的突變體，發(fā)現(xiàn)PAS 結(jié)構(gòu)域殘基His74 和Met104 充當(dāng)血紅素Fe2+的配體，Met104在與氣態(tài)效應(yīng)物結(jié)合時(shí)發(fā)生位移［42］。RcoM-1對(duì)CO 有著非常高的親和力，但是對(duì)DNA 的親和力不強(qiáng)，RcoM-2 則與之相反［43］。據(jù)此推測(cè)，對(duì)于RcoM-1 蛋白而言，高CO 親和力與低DNA 親和力共同構(gòu)成了一個(gè)轉(zhuǎn)錄“積累開(kāi)關(guān)”，可以感知較低但持久的CO 水平。2 種RcoM 在體內(nèi)作為CO 的受體蛋白，參與細(xì)菌內(nèi)的CO 氧化功能。目前，已經(jīng)在不同的細(xì)菌體內(nèi)鑒定出了13種RcoM（表4），它們均參與細(xì)菌體內(nèi)CO的有氧或無(wú)氧代謝。

表4 目前已經(jīng)報(bào)道的RcoM Table 4 Currently reported RcoM

2.4 胱硫醚β-合酶（cystathione β synthase,CBS）

2.4.1CBS 的結(jié)構(gòu) CBS 主要在大腦細(xì)胞中表達(dá)，定位于細(xì)胞溶膠，質(zhì)量約為63 kD，由551個(gè)氨基酸組成，是一種同源四聚體［44］。CBS也是一個(gè)血紅素蛋白，屬于磷酸吡哆醛（pyridoxal phosphate，PLP）依賴(lài)酶的β蛋白家族。目前，已經(jīng)被鑒定出的CBS多達(dá)20萬(wàn)種，每個(gè)亞基包括一個(gè)血紅素結(jié)合域、一個(gè)催化結(jié)構(gòu)域和一個(gè)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域（AdoMet）［45］。每個(gè)亞基分別與一個(gè)血紅素和一個(gè)PLP 相結(jié)合，是一種廣泛存在于動(dòng)物和微生物體內(nèi)參與硫代謝調(diào)節(jié)的酶［46］。

輔因子血紅素結(jié)合在血紅素結(jié)合域，位于N端約前70 個(gè)氨基酸，其中Cys52 和His65 負(fù)責(zé)結(jié)合血紅素；催化結(jié)構(gòu)域是高度保守的，位于第40～413個(gè)氨基酸，結(jié)構(gòu)域中Lys119與PLP相結(jié)合，負(fù)責(zé)結(jié)合絲氨酸與同型半胱氨酸（homocysteine，Hcy）作為底物合成胱硫醚、水和H2S［47］；AdoMet 位于C 端末尾的140個(gè)氨基酸，對(duì)形成四聚體蛋白以及酶的活化有重要的作用，同時(shí)也是CBS的變構(gòu)激活劑。

2.4.2CO 影響CBS 的活性 有證據(jù)顯示，CBS 的血紅素并不參與催化反應(yīng)過(guò)程，但是血紅素中Fe離子的價(jià)態(tài)可以影響酶活性。在CO 作用下與亞鐵血紅素結(jié)合對(duì)酶活性產(chǎn)生負(fù)調(diào)節(jié)作用。當(dāng)外源CO 與Fe2+配位結(jié)合，亞基中Cys52 與血紅素分離，形成了亞鐵CBS 的特定6 配位結(jié)構(gòu)，并抑制其酶活性［48-49］。

2.5 其他CO感受器

在生物體內(nèi)對(duì)于CO 的識(shí)別也不僅僅只有這幾種蛋白。以動(dòng)物為例，血紅素類(lèi)蛋白有很多類(lèi)別：第一類(lèi)是部分含有血紅素的結(jié)構(gòu)蛋白，例如血紅蛋白、肌紅蛋白，它們可以利用血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存氧氣［50］；第二類(lèi)是以血紅素為輔基的酶，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移電子，或者催化氧化、分解、脫水、異構(gòu)等各種化學(xué)反應(yīng)，如血紅素加氧酶（heme oxygenase，HO）、一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）、過(guò)氧化物酶、細(xì)胞色素C（cytochrome C）、細(xì)胞色素P450（cytochrome P450）等［16，51-53］。它們參與生物體內(nèi)各種各樣的生理反應(yīng)，尤其涉及電子轉(zhuǎn)移類(lèi)的氧化還原反應(yīng)。CO作為可以和血紅素Fe2+配位的氣體信號(hào)分子，可以與相關(guān)的蛋白結(jié)合進(jìn)而影響生物體的生理功能［54］。表5 列出了CO 對(duì)相關(guān)血紅素類(lèi)蛋白的結(jié)構(gòu)及功能的影響。

表5 CO對(duì)相關(guān)血紅素類(lèi)蛋白功能的影響Table 5 Effects of CO on the function of related heme proteins

3 響應(yīng)硫化氫（H2S）的血紅素蛋白

傳統(tǒng)上被稱(chēng)為有毒氣體的H2S 是繼NO、CO發(fā)現(xiàn)的第3 個(gè)氣體信號(hào)分子［55］。它在哺乳動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)，都可以生成內(nèi)源性H2S氣體，并且可以通過(guò)作用于靶蛋白來(lái)調(diào)節(jié)生物過(guò)程，發(fā)揮類(lèi)似神經(jīng)遞質(zhì)的中樞調(diào)節(jié)作用［5］。

到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)H2S 具有生物效應(yīng)的單一蛋白靶點(diǎn)，但存在較多H2S 間接調(diào)控血紅素蛋白的證據(jù)（表6）。例如，H2S 與細(xì)胞色素C 氧化酶的相互作用與激活A(yù)TP 鉀敏感通道、調(diào)節(jié)肌肉松弛有關(guān)［56］。H2S 對(duì)細(xì)胞色素C 氧化酶的抑制也與誘導(dǎo)類(lèi)似冬眠的狀態(tài)有關(guān)。盡管H2S 可能通過(guò)與血紅素蛋白相互作用來(lái)誘導(dǎo)各種反應(yīng)，但由于目前缺少結(jié)構(gòu)研究導(dǎo)致這些相互作用的基礎(chǔ)機(jī)制尚不清楚。

表6 H2S對(duì)相關(guān)血紅素類(lèi)蛋白功能的影響Table 6 Effects of H2S on the function of related heme proteins

值得注意的是，硫醌氧化還原酶（sulfide-quinone oxidoreductase，SQR）能夠不可逆地氧化H2S。已有研究發(fā)現(xiàn)，SQR 介導(dǎo)了H2S 氧化驅(qū)動(dòng)線(xiàn)粒體復(fù)合物Ⅰ處的反向電子傳輸（reverse electron transport，RET），這個(gè)過(guò)程將電子進(jìn)行反向運(yùn)輸，由線(xiàn)粒體基質(zhì)運(yùn)輸至膜間空間，促進(jìn)線(xiàn)粒體產(chǎn)生超氧化物。此外，RET 也可以誘導(dǎo)超氧化物依賴(lài)性線(xiàn)粒體解偶聯(lián)和下游腺苷激活蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）的激活，因此推測(cè)SQR是H2S的一個(gè)直接作用靶點(diǎn)［57］，但遺憾的是SQR并不是血紅素類(lèi)蛋白。

生理濃度的H2S 可直接或與NO 協(xié)同舒張血管、降低血壓［58］，對(duì)心臟具有負(fù)性肌力作用［59］。在植物中，H2S 可以調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)根的發(fā)育、種子萌發(fā)、光合作用等［60-62］。此外，細(xì)菌體內(nèi)也對(duì)H2S 有相應(yīng)的反應(yīng)，例如用作光合作用和呼吸的電子供體，細(xì)菌體內(nèi)的醌氧化還原酶、過(guò)硫酸鹽雙加氧酶等也是H2S的同化和解毒途徑［63］。

4 展望

不同的生物體自身受體蛋白并不相同，雖然感知?dú)怏w最直接的結(jié)構(gòu)是血紅素中的Fe2+，但血紅素包括很多蛋白質(zhì)，特別是酶類(lèi)的輔基，因此不同的蛋白構(gòu)象產(chǎn)生的變化也不同，這也解釋了氣體信號(hào)分子生理作用的多樣性。

有研究表明，氫分子也可以和血紅素中的Fe2+結(jié)合生成氫化血紅素［64］，而氫分子也具有廣泛的生理功能，例如抗炎［65］、降低血壓、減輕再灌注損傷等［66-68］，因此有人推測(cè)氫分子可能是第4個(gè)人們發(fā)現(xiàn)的氣體信號(hào)分子。但是目前人們還沒(méi)有在哺乳動(dòng)物的體內(nèi)檢測(cè)到產(chǎn)生氫氣的氫化酶，已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)源性氫氣都是由體內(nèi)腸道當(dāng)中的微生物產(chǎn)生的［69］，所以氫分子是否作為一種氣體信號(hào)分子還有待進(jìn)一步研究。

目前為止，絕大部分的信號(hào)分子受體都是在動(dòng)物或原核生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，對(duì)于植物而言，大部分關(guān)于氣體信號(hào)分子的研究都停留在生理的宏觀水平，鑒定到植物內(nèi)的靶點(diǎn)對(duì)于植物的生理研究有重要的意義。氣體分子具有獨(dú)特的理化性質(zhì)和特殊的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式，例如分子體積小、可以自由擴(kuò)散、不依賴(lài)對(duì)應(yīng)的膜受體等，這為調(diào)節(jié)生理活動(dòng)及代謝提供了新的思路。目前來(lái)說(shuō)，氣體信號(hào)分子大部分的生理功能都已經(jīng)研究清楚，但作為氣體信號(hào)分子的部分受體——血紅素蛋白的結(jié)構(gòu)研究較少，尤其是結(jié)合氣體分子后的構(gòu)象如何變化方面。期望隨著研究的深入，可以徹底在原子水平上揭示氣體信號(hào)分子的作用機(jī)制。