Redox Biology│北京大学第一医院黄娅茜和金红芳课题组发现内源性二氧化硫保护心肌细胞功能并延缓衰老的新机制

　　

2024年3月，北京大学第一医院儿童医学中心黄娅茜和金红芳课题组在国际生物学领域权威期刊《Redox Biology》（IF:11.4）在线发表了题为“Endogenous sulfur dioxide deficiency as a driver of cardiomyocyte senescence through abolishing sulphenylation of STAT3 at cysteine 259”的研究论文，首次揭示了内源性二氧化硫（SO₂）保护心肌细胞功能并延缓衰老的新机制，揭示内源性SO₂通过次磺化修饰STAT3蛋白第259位半胱氨酸巯基基团，抑制其激活，发挥心肌保护效应。

该论文的通讯作者为黄娅茜研究员及金红芳教授，第一作者为儿科2020级博士研究生张赏月，北京大学基础医学院唐朝枢教授、北京大学第一医院杜军保教授对该研究工作给予了重要指导。

心肌细胞衰老是心肌重构及心脏功能障碍的重要病理改变，是大多数心血管疾病的重要危险因素，严重影响人类健康和寿命。SO₂可在机体中以L-半胱氨酸为底物，由天冬氨酸氨基酸转移酶（AAT）催化而内源性生成。在唐朝枢教授的指导下，金红芳教授和杜军保教授课题组首次提出了内源性SO₂是心血管调节的新的气体信号分子，在心血管功能和结构调节中具有重要的生理学和病理生理学意义。然而，在心肌细胞衰老过程中内源性SO₂的作用和机制尚不清楚，亟待揭示。

研究者在心肌细胞中敲低SO₂生成关键酶AAT2使内源性SO₂水平降低，发现心肌细胞AAT2敲低明显增强DNA损伤标志物γ-H2AX信号，增加Tp53、p21^Cip/Waf、p16^INk4a表达，增强衰老相关b-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性以及上调衰老相关分泌表型（SASP）相关基因（Tgfβ2、Gdf15和Edn3）表达。而补充SO₂供体使AAT2敲低的心肌细胞中SO₂恢复至正常水平，可挽救AAT2敲低引起的心肌细胞衰老改变，发挥心肌细胞保护效应并抑制衰老表型。

小鼠体内半胱氨酸氧化还原蛋白质组的全面和定量绘图分析显示，与Oximouse心脏数据库中的老龄小鼠相比，来自GenAge的两种人类衰老基因STAT3和CTNNB1在年轻小鼠中被高度氧化。基于此，研究者对来自Chip Atlas中的STAT3靶基因和来自Reactome和GenAge中的DNA损伤修复基因进行分析，发现大多数DNA损伤修复基因都是STAT3的靶基因，提示STAT3在DNA损伤修复过程中起关键作用。随后研究者通过实验证实，心肌细胞AAT2敲低促进STAT3核转位和DNA结合能力，而补充SO₂供体则抑制这一现象。这些结果表明内源性SO₂/AAT2体系抑制STAT3激活，进而抑制心肌细胞DNA损伤。

为了进一步探索内源性SO₂/AAT2体系抑制STAT3激活的分子机制，研究者发现AAT2敲低的心肌细胞中STAT3蛋白的表达无明显变化，但STAT3蛋白的次磺化修饰明显减弱，而补充SO₂可促进STAT3蛋白的次磺化修饰。应用巯基还原剂DTT或将STAT3第259位点的半胱氨酸残基突变为丝氨酸（C259S）则阻断SO₂诱导的心肌细胞STAT3次磺化修饰。并且C259S突变阻断SO₂对STAT3的核转位和DNA结合能力、心肌细胞衰老及DNA损伤的抑制效应。以上结果表明，内源性SO₂通过次磺化修饰STAT3 Cys259位点的巯基基团，抑制其激活，进而抑制DNA损伤。

最后，为了研究心肌细胞源性SO₂对心脏功能的影响，研究者构建了心肌细胞AAT2敲除（AAT2^cmKO）小鼠。研究者分离AAT2^cmKO小鼠的心脏进行RNA测序，并将鉴定出的差异表达基因与人类衰老基因组资源（HAGR）数据库进行比对，并进行KEGG富集分析，结果显示SO₂/AAT2缺乏导致心肌细胞产生衰老相关的转录组特征。小动物超声等实验显示AAT2^cmKO小鼠出现心功能下降、心脏体积变大、心室扩张、心重与胫骨长比值增加、心肌组织Tp53和p16^INk4a蛋白水平增加、SASP相关基因mRNA水平升高、以及γ-H2AX表达增强，补充SO₂供体可减轻AAT2^cmKO小鼠的心功能下降、心脏衰老和重构表型。

综上所述，这项研究发现内源性SO₂通过次磺化修饰STAT3 Cys259，抑制其核转位及DNA结合能力，进而抑制DNA损伤，保护心肌细胞功能并延缓衰老。上述发现显著加深我们对心肌细胞DNA损伤及衰老机制的理解，并为预防和治疗心肌损伤疾病提供新靶点。

通讯作者简介：

黄娅茜为北京大学第一医院儿童医学中心研究员，博士生导师。主要研究方向为气体信号分子与心血管调控，为国家高层次人才特殊支持计划获得者。主持多项国家及部委级课题。担任中华医学会儿科学分会心血管学组青年学组副组长和全国小儿心肌病协作组副组长。

金红芳为北京大学第一医院儿童医学中心副主任、教授、博士生导师，为教育部长江学者特聘教授、国家自然科学基金优秀青年基金获得者、国家高层次人才特殊支持计划获得者、教育部新世纪优秀人才及北京市科技新星。担任世界儿科医师协会心血管专委会主任委员和中华医学会儿科学分会心血管学组副组长，作为第一完成人荣获部委级科技奖励2项，荣获树兰医学青年奖、茅以升科学技术奖-北京青年科技及北京大学屠呦呦青年学者奖。金红芳教授带领团队在儿科心血管疾病发病机制及诊治研究领域取得了系列国际领先的突破性创新成果，首次发现并提出“内源性二氧化硫是心血管调节的新的气体信号分子”，揭示了心血管疾病发病的新机制，带动形成了“内源性二氧化硫生物学”新领域；围绕影响儿童健康的重要疾病儿童晕厥等功能性心血管病进行了系统、深入的创新性研究，在相关疾病的发现与提出、疾病的诊断技术与个体化治疗策略创立等方面取得了突出成就。

第一作者简介：

张赏月是北京大学第一医院儿科2020级博士研究生。主要研究方向为内源性二氧化硫和心肌细胞损伤。近两年作为第一及共同第一作者发表英文论文2篇，曾获第二届北大医学-全国心血管代谢优秀博士论坛口头汇报二等奖。

（北京大学第一医院儿童医学中心）