硫化氢与mTORC1途径相互作用调控细胞氧化还原平衡与衰老的分子机制

As a gaseous signaling molecular, hydrogen sulfide plays an important role in redox balance and aging from yeast to human cells. Our preliminary studies suggest that hydrogen sulfide may regulate mTORC1 pathway which is the master regulator for cellular metabolism, stress responses and aging and mTORC1 may also regulate the production of endogenous hydrogen sulfide. However, the molecular mechanism and physiological significance of their crosstalk require further study. This proposed study will firstly verify the regulation of mTORC1 by hydrogen sulfide and the requirement of mTORC1 for the physiological effects of hydrogen sulfide. We will put emphasis on the identification of targets in mTORC1 modified by hydrogen sulfide to elucidate the mechanism. We will also study how mTORC1 controls the production of endogenous hydrogen sulfide. Our study will help us to further understand the regulation of mTORC1, the mechanism of hydrogen sulfide action and the effects of their crosstalk in redox balance and aging and finally benefits the development of drugs to intervene aging and age-related diseases.

气体信号分子硫化氢在调控从酵母到人类细胞的氧化还原平衡和衰老中具有重要作用。我们初步的研究工作发现硫化氢可以调控细胞代谢、胁迫应答以及衰老的关键途径mTORC1途径，同时mTORC1途径也会影响內源硫化氢的生成。然而对于二者相互作用的分子机制和生理意义还需要进一步研究。因此本项目将首先验证硫化氢对mTORC1途径的调控作用以及mTORC1是否介导硫化氢的生理效应，同时我们将着重研究硫化氢对mTORC1途径直接作用的修饰位点，从而阐明硫化氢调控 mTORC1的确切机制。最后我们将探索mTORC1调控內源硫化氢生成的机制以及硫化氢和mTORC1相互作用的生理意义。本项目研究将有助于深入了解mTORC1途径的调控机理，硫化氢的作用机制，以及二者相互作用对细胞氧化还原平衡和衰老调控的影响，为开发相应药物干预衰老和衰老相关疾病提供重要参考。

细胞内的活性氧和抗氧化物质的生成需要精确调控以维持细胞内氧化还原的平衡稳态和细胞的正常生理功能。细胞内氧化还原平衡的失调与衰老和衰老相关疾病密切相关。气体信号分子硫化氢能够影响细胞的氧化还原平衡并干预细胞衰老，而mTORC1途径是细胞内最主要的氧化还原平衡和衰老调控途径。硫化氢与mTORC1途径相互作用调控细胞氧化还原平衡与衰老的分子机制还有待阐明。本项目研究了硫化氢对mTORC1途径以及细胞氧化胁迫应答和衰老的影响，深入分析了硫化氢影响mTORC1途径的直接位点及作用机制，同时也探究了mTORC1途径调控內源硫化氢生成的机制。首先，我们发现硫化氢在对真核模式生物酵母氧化还原平衡和衰老调控具有时效性，硫化氢对于静止期的细胞或老化的细胞具有更好的保护作用，而这种保护作用依赖于蛋白激酶YPK2。同时，我们发现硫化氢可以增强酵母细胞液泡ATPase的活性，并通过AMPK途径调控细胞寿命。另外通过生物素标记和质谱分析，我们发现了烷基氢过氧化物还原酶（AHP1）和异丙基苹果酸合酶（LEU4)是两个被硫化氢直接修饰的蛋白，其修饰作用可能与参与mTORC1和氧化还原平衡的调控。除此之外，在人视网膜色素上皮细胞中，硫化氢的细胞保护作用还体现在它对铁死亡的抑制作用上。我们发现硫化氢通过调控p62-NRF2途径抑制活性氧诱导的细胞铁死亡。其作用机制主要是硫化氢能够促进KEAP1和P62的结合，从而竞争性抑制KEAP1与NRF2的相互作用，进而稳定NRF2并促进细胞胁迫应答和维持氧化还原稳态。最后，我们还发现酵母细胞和动物细胞内的mTORC1途径也可以反过来调控细胞内源硫化氢的生成。其机制主要是mTORC1可以调控转硫途径中硫化氢生成相关基因CGL和CBS的表达，进而导致细胞内半胱氨酸浓度的变化和硫化氢生成的变化。通过本项目的研究工作，我们对硫化氢调控细胞氧化还原、衰老和死亡的机制得到了更深入的认识，为今后利用这个新型的信号分子治疗或预防氧化应激损伤和衰老相关疾病打下重要的理论基础。