上一期的PTM文章主要介绍了谷胱甘肽化（S-Glutathionylation）的发生机制和相关酶家族，本期内容我们重点整理了S-Glutathionylation的生物学意义与功能以及目前常见的研究策略和相关技术，供大家参考学习。
一、S-Glutathionylation的生物学意义及功能
S-Glutathionylation在细胞生理和病理过程中发挥着多重调控功能，其生物学意义主要体现在以下几个方面：
1、抗氧化保护作用[1]
谷胱甘肽化是细胞应对氧化应激的核心防御机制之一。当蛋白质暴露于高浓度ROS时，其关键半胱氨酸残基容易发生不可逆的过度氧化（如磺酸化，-SO3H），导致蛋白质功能永久性丧失。S-Glutathionylation通过形成混合二硫键，“屏蔽”这些敏感的巯基，防止不可逆氧化损伤。一旦氧化应激缓解，在Grx的催化下，这些蛋白质可迅速恢复活性状态。这种保护机制对长半衰期蛋白质尤为重要，如结构蛋白和代谢关键酶，确保它们在短暂氧化应激后功能可逆恢复。
2、信号转导调控作用
S-Glutathionylation通过调节多种信号通路关键蛋白的活性，在细胞信号网络中扮演氧化还原开关的角色：
炎症信号调控[2]：S-Glutathionylation通过调节IκB激酶(IKK)和核因子κB(NF-κB)等关键蛋白，调控炎症信号通路。修饰后的NF-κB活性受到抑制，减少促炎细胞因子的表达，从而在氧化应激条件下调节炎症反应；
转录因子活性调节[3]：多种转录因子（如脂肪酸结合蛋白FABP5）的DNA结合活性受其氧化还原状态影响。谷胱甘肽化可通过改变转录因子的构象，影响其与DNA的结合能力；
激酶/磷酸酶平衡[4]：多种蛋白激酶（如PKC、PKA）和磷酸酶（如PTEN）的活性受S-Glutathionylation调节，影响磷酸化信号网络的整体活性。
3、代谢与细胞功能调节
S-Glutathionylation广泛参与细胞代谢和功能的调节：
能量代谢调控[5]：在心肌细胞中，线粒体电子传递链复合体I、II、III中的多个亚基可发生S-Glutathionylation，抑制电子传递效率，减少ATP产生。这种调节在缺血-再灌注损伤中尤为明显，可防止ROS的过度产生。
钙稳态维持[2]：肌浆网/内质网钙ATP酶(SERCA)泵的活性受S-Glutathionylation调节，影响细胞内钙平衡，进而调控肌肉收缩和细胞凋亡等过程。
二、S-Glutathionylation的研究思路
S-Glutathionylation研究呈现出多学科交叉融合的特点，当前S-Glutathionylation的主流研究思路包括：
1、机制驱动的研究
酶催化机制研究：深入探究Grx、GST等酶催化谷胱甘肽化/去谷胱甘肽化的分子机制；
结构-功能关系研究：解析S-Glutathionylation对蛋白质构象的影响；
动态修饰网络研究：探索谷胱甘肽化与其他翻译后修饰（如磷酸化、乙酰化）的crosstalk。
2、疾病导向的研究
Glutathionylation异常与多种疾病的发生发展密切相关，相关研究为疾病机制理解和治疗提供了新视角。以疾病为导向的相关研究主要集中于疾病生物标志物发掘：利用蛋白质组学技术筛选疾病特异的S-Glutathionylation谱。以及对病理机制解析：阐明谷胱甘肽化在疾病发生发展中的作用。
如在急性肺损伤(ALI)中，高氧暴露导致新生小鼠肺部蛋白质的S-Glutathionylation水平显著变化；在代谢性疾病代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD)中，氧化应激导致肝脏GSH耗竭，线粒体蛋白质（如电子传递链复合物）谷胱甘肽化水平升高，抑制ATP合成并增加ROS产生，形成恶性循环，同时，S-Glutathionylation通过调节NF-κB等关键信号分子影响炎症反应和脂质代谢，促进疾病向脂肪性肝炎(MASH)发展；在心血管疾病中，再灌注过程中ROS爆发导致心肌细胞蛋白质广泛谷胱甘肽化，包括肌节蛋白（如肌球蛋白、肌钙蛋白）和代谢酶（如GAPDH、丙酮酸激酶），抑制心肌收缩和能量供应；在神经退行性疾病中，阿尔茨海默病(AD)患者脑内S-Glutathionylation水平升高，影响tau蛋白和β-淀粉样前体蛋白加工相关酶的活性，促进神经原纤维缠结和淀粉样斑块形成；在癌症中，S-Glutathionylation则表现出双重作用：某些肿瘤抑制蛋白（如PTEN）的谷胱甘肽化可增强其活性，抑制PI3K/AKT信号通路，而癌基因产物（如Ras）的谷胱甘肽化可增强其GTP酶活性，促进增殖信号传导，此外，S-Glutathionylation可影响癌细胞对化疗药物的敏感性，促进耐药性发展。
3、技术驱动的研究
检测方法创新[5]：开发高灵敏度、高特异性的S-Glutathionylation检测技术，如“可点击谷胱甘肽(clickable glutathione)”探针结合LC-MS/MS技术实现位点特异性鉴定；
工程酶开发[6]：通过蛋白质工程改造谷胱甘肽相关酶，如开发热稳定性提升的谷胱甘肽合成酶突变体St-GshF(S27Q/G510P)，其酶活为野生型的1.75倍，显著提高谷胱甘肽产量；
组学整合分析：整合蛋白质组学、转录组学和代谢组学数据，系统解析S-Glutathionylation在细胞信号网络中的地位。
四、S-Glutathionylation的研究技术
目前S-Glutathionylation的研究技术主要集中在预测、检测、分析和干预几个层面：
1、生信分析工具
随着蛋白质组学技术的发展，多种生物信息学工具和数据库可用于研究蛋白质S-Glutathionylation：
预测工具与数据库
UniProt（https://www.uniprot.org/）：整合了实验验证的谷胱甘肽化位点信息例如，人源HSP70(HSPA1A)的Cys603和Cys574位点被标注为谷胱甘肽化位点；
CysDB（https://cysmoddb.bioinfogo.org/index/）：专门收集蛋白质半胱氨酸修饰信息的数据库，包括谷胱甘肽化位点的结构、功能和进化信息；
STRING（https://cn.string-db.org/）：用于蛋白质互用分析的高效利器与经典数据库。
可用于构建谷胱甘肽化蛋白质的相互作用网络。
组学数据资源
ProteomeXchange（https://www.ebi.ac.uk/pride/）：存储大量蛋白质组学原始数据，包括S-Glutathionylation组数据集。
BioGRID（https://thebiogrid.org/）：收录蛋白质相互作用数据，可用于分析谷胱甘肽化蛋白的相互作用网络。
结构分析工具
SWISS-MODEL（https://swissmodel.expasy.org/）：用于同源建模预测蛋白质三维结构，可模拟S-Glutathionylation后的构象变化。
PyMOL：可视化软件，用于分析谷胱甘肽化位点在蛋白质结构中的位置及其潜在功能影响。
2、基于质谱的蛋白质组学技术
化学探针标记技术[5]：利用“可点击谷胱甘肽”（如叠氮标记的GSH类似物）处理细胞，通过点击化学反应连接生物素标签，富集谷胱甘肽化肽段进行质谱分析。
生物素化GSH替代法[3]：将细胞膜通透性的生物素化GSH类似物导入活细胞，在氧化应激条件下发生S-Glutathionylation，通过链霉亲和素富集修饰肽段进行质谱分析。
3、化学生物学探针
GSSG-Biotin探针：设计含生物素标签的氧化型谷胱甘肽(GSSG)类似物，用于体外研究谷胱甘肽转移酶的特异性底物识别；
荧光报告系统[7]：山东大学团队构建荧光蛋白报告系统，通过检测荧光强度变化间接监测细胞内MarR蛋白的谷胱甘肽化状态；
4、酶学与抗体检测
谷氧还蛋白(Glrx)依赖性还原法：利用Grx催化去谷胱甘肽化的特性，配合NADPH消耗监测，定量测定样品中谷胱甘肽化水平。
抗S-Glutathionylation抗体：商品化的抗-GSH抗体可用于Western blot和免疫荧光检测。
5、计算模拟技术
分子动力学模拟：山东大学团队通过分子动力学模拟揭示MarR蛋白谷胱甘肽化后DNA结合域构象变化机制，阐明其与DNA结合亲和力下降的结构基础。
修饰位点预测算法：结合机器学习和结构生物学特征开发预测模型，如基于序列保守性、表面可及性和局部亲疏水性等特征预测潜在修饰位点。
除此之外，也可以通过突变潜在结合位点模拟修饰或去修饰状态，研究S-Glutathionylation对底物功能的影响，研究表明潜在的修饰位点半胱氨酸残基（C）突变为丙氨酸（A）可以模拟去修饰状态[4, 8]，关于可模拟修饰化状态的突变型暂未找到相关文献可以参考。
S-Glutathionylation作为一种进化保守的氧化还原调控机制，在维持细胞稳态中发挥着多重作用。从抗氧化防御到信号转导，从代谢调节到蛋白质质量控制，这一可逆修饰构成了细胞应对氧化应激的核心网络。随着质谱技术的革新和化学生物学工具的进步，S-Glutathionylation研究已从单一蛋白分析扩展到系统水平研究，揭示了其在多种病理过程中的重要意义。这不仅有助于我们更好地理解疾病的本质，也将为开发更有效的诊断工具和治疗药物提供有力支持，最终实现从基础研究到临床应用的转化突破。
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参考文献：
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