2010CB912600-内源性代谢产物硫化氢与介导心脏生理子的相互作用及其机制20

项目名称：内源性代谢产物硫化氢与介导心脏生理

与病理机制的蛋白质靶分子的相互作用

及其机制

首席科学家：朱依谆复旦大学

起止年限：2010年1月-2014年8月

依托部门：教育部上海市科委

一、研究内容

综合应用代谢组学、基因组学、蛋白质组学、结构生物学等方法和技术，以重要的心血管生理和病理调控通路为研究主要对象，研究硫化氢与蛋白质靶分子的相互作用及其机制；研究硫化氢对蛋白之间、蛋白质和核酸之间相互作用的调节及其机制。阐明心脏中内源性硫化氢在生理和病理情况下的生成代谢途径，探讨硫化氢的分解代谢过程。

1.揭示若干H2S调控跨膜离子转运的重要通路；发现若干H2S直接作用的靶分子；明确H2S与靶分子蛋白相互作用的分子机制。

2.分离和验证H2S细胞效应相关的细胞周期，细胞增殖和凋亡过程中信号通路中的重要蛋白因子，结合基因组学，蛋白质组学, 生物化学和分子生物学以及细胞生物学的实验结果揭示H2S细胞效应的分子机制和重要蛋白的作用机理和生物学功能。

3.应用独创的半胱氨酸衍生物SPRC可作为分子探针，全面揭示含硫氨基酸体内代谢的基本规律。筛选出与含硫氨基酸及探针药物SPRC的心肌缺血保护作用密切相关蛋白分子，并对其功能进行研究，探寻含硫氨基酸及探针药物生物学效应和代谢通路的机体内源性拮抗剂和抑制剂，可能是具有临床应用前景的防治心血管疾病的新策略。

4.阐明心脏中CSE途径和A TT/MST途径的表达调控机制及两条途径的协调机制。阐明CSE在生理条件和病理条件下表达调控的实时监测和在体研究，同时对阐明CSE的调控网络也非常重要。阐明H2S跨膜传递及与氧化性小分子和金属离子的反应特性。H2S的跨膜传递关系到内源性H2S的作用方式以及外源性H2S或H2S供体作为药物的可行性；与氧化性小分子和与金属离子的反应特性则与H2S的分解代谢相关。

二、预期目标

（一）总体目标

采用蛋白组学和代谢组学的经典研究方法，结合心血管疾病的生理和病理过程，从细胞水平到整体水平进行动态研究。以缺血性心脏病为核心，探讨体内活性代谢产物小分子气体信号-H2S对心血管系统保护作用的分子机制，筛选分离出特异的靶蛋白、目标基因和生物标记物；进一步利用结构生物学，生物化学的方法研究蛋白之间，蛋白和DNA，RNA的相互作用机理。全面阐述心脏中内源性H2S在生理和病理情况下的生成代谢途径，以及生成的内源性H2S在细胞内和细胞间的传递过程以及传递过程中与氧化性小分子（如NO，H2O2）及金属离子的相互作用，从而探讨H2S的分解代谢过程。

（二）五年预期目标

1.阐明H2S在细胞水平上的传递过程，探讨H2S传递机制及传递过程中参与的反应，如H2S对氧化应激蛋白和凋亡相关蛋白的构象和正常功能的影响。该工作可能找到体内H2S新的作用靶分子，从而为最终阐明H2S对心脏保护作用的机制提供理论依据；

2.阐明H2S传递机制及传递过程中蛋白之间，蛋白和DNA，RNA的相互作用机理，为在哺乳动物中揭示H2S细胞效应的分子机制和阐明H2S在生理病理上的作用提供理论依据；

3.细胞水平和整体水平上研究内源性H2S产生相关酶CSE在应激条件下（如氧化压力）和病理状态下表达调控的机理，找到相关转录因子及激活这些转录因子的信号通路和相关蛋白分子，为设计激活体内内源性H2S产生的药物打下基础；

4.培养一批国际一流心脏蛋白组学领域科研人员，培养一批高水平的中青年科学家，提高我国蛋白组学科研水平和自主创新能力，增强国际竞争力。

5.研究成果将以论文形式表现，发表高水平论文20~30篇（其中5~10篇IF>10），申请10~15项发明专利。

三、研究方案

（一）课题总体思路

鉴于目前蛋白质组研究比较多地侧重于蛋白质表达谱的研究上，对于在重要生理、病理过程中调控通路的蛋白质间的相互作用的研究有待深入研究。此外，蛋白质是在有机体内发挥生理功能的；而机体内存在着众多可与蛋白质结合的小分子物质，其中包括代谢产物。内源性代谢产物可能和蛋白质结合，从而改变蛋白质分子的空间构象和功能。因此，研究内源性代谢产物对蛋白质组的作用是进一步了解蛋白质在活体的功能是至关重要的，尤其是如能发现可直接与代谢产物发生相互作用的蛋白质，不但对于了解重要的生理、病理调节机制具有重要的科学意义，而且也将有助于蛋白质学的研究更加深入，更有望了解各重要生理、病理过程的机制；有望形成蛋白质组学研究的一个分支，即小分子活性物质对蛋白质大分子结构和功能的调控。H2S是最近几年开始引起国内外学术界注意的内源性代谢产物。总体来讲国内外对该领域的研究尚处于起步阶段。通过本课题的研究，有望分析H2S与蛋白质之间的相互作用，发现相互作用的基本规律，揭示H2S调控若干重要心血管生理、病理过程的机制。其研究成果还有望对于蛋白质组学的进一步发展作出一定的贡献。

（二）课题的特色和创新点

心脏离子通道功能调节和血管新生是调节心脏生理功能和心脏缺血等疾病的重要调控通路，本课题组于2007年和2008年分别发现了H2S对上述两条心血管通路的调节作用。本课题组发现在心肌细胞中，H2S抑制心肌细胞膜L型Ca2+通道的开放；在内皮细胞中，H2S促进细胞增殖、迁移、管腔形成以及在整体模型中的血管新生。但是H2S产生生物学效应的机制未被阐明，尤其是H2S直接作用的靶分子至今不明。本项目在前期工作的基础上，推定H2S直接作用的靶分子在心肌细胞是调控跨膜离子转运的Ca2+离子通道，或与其相偶连的信号分子；在内皮细胞直接作用于VEGFR2，或PI3K→Akt→HIF-1→生存素信号通路中的信号分子，在此有限范围中寻找H2S直接作用的靶分子。如能取得成功，对于揭示H2S这样一个小分子物质是如何调控大分子（靶蛋白）的空间构象和功能的具有重要的科学意义，可能会发现一种蛋白功能调控的新规律。

首次应用代谢组学方法系统研究含硫氨基酸及其衍生物包括：半胱氨酸、甲硫氨酸、SAC、SPRC等在体内的代谢途径，包括H2S及有关中间代谢产物。此外，针对缺血、缺氧性心脏疾病，特别是含硫氨基酸及探针药物SPRC进行生物化学，结构研究和代谢功能