细胞中的活性氧ROS流向特定蛋白质靶点会导致其发生可逆或不可逆氧化，进而改变蛋白质活性、定位或相互作用，最终影响细胞与器官中的多种生理过程，包括血栓形成、细胞增殖、分化、迁移及血管生成等。这些调控失衡事件与血栓性疾病、糖尿病、心血管疾病、癌症和神经退行性疾病密切相关。具体而言，ROS可与蛋白质中的半胱氨酸残基（Cysteine，Cys）反应，生成如活性磺酸（-SOH）等产物，这种反应被称为次磺酰化（S-Sulfenylation），可导致靶向氧化还原敏感蛋白发生结构及功能的改变，从而激活或抑制多种细胞信号通路。下面我们一起来了解一下S-Sulfenylation及后续氧化修饰过程。
图1 主要发生在半胱氨酸残基上的PTM类型[1]
ROS介导的磺酸类修饰链
半胱氨酸的巯基（RSH）侧链在活性氧作用下，会发生逐级氧化，其过程可以概括为：
半胱氨酸上的还原型巯基发生去质子化，被氧化形成次磺酸（sulfenicacids，RSOH）→次磺酸还可被进一步氧化形成亚磺酸（sulfinicacids，RSO2H）→进一步氧化形成磺酸（sulfonicacids，RSO3H）。通过以上形式的氧化还原修饰，蛋白质的构象或蛋白质间的相互作用发生变化，最终导致蛋白质的功能改变。除此之外，次磺酸还可与邻位巯基反应形成分子内或分子间二硫键（disulfidebonds，RS-SR或RS-SR'），或与谷胱甘肽（GSH）结合发生谷胱甘肽化（S-glutathionylation，RS-SG）修饰。
图2 蛋白质的氧化还原修饰翻译模式[2]
1. 蛋白质次磺酰化（S-Sulfenylation）：半胱氨酸氧化的第一步可逆修饰。还原型半胱氨酸在H2O2等氧化剂作用下，被氧化形成次磺酸。
化学式：Cys-SH + H2O2 → Cys-SOH + H2O
关键特征为①高度动态且不稳定：既是进一步氧化的前体，也是一个关键的信号转导中间体；②化学双功能性：Cys-SOH既具有亲电性，也具有亲核性，可与邻近的硫基反应形成二硫键，或与谷胱甘肽反应发生S-谷胱甘肽化；③中心枢纽地位：它处于氧化还原调控网络的中心，其去向决定了信号的走向。
可逆性：可逆。主要通过两种途径被还原：①与邻近硫基形成二硫键后，被硫氧还蛋白或谷氧还蛋白系统还原。②与谷胱甘肽反应后，由谷氧还蛋白催化还原。
功能：充当氧化还原开关，调控许多蛋白质的功能，如激酶、磷酸酶、代谢酶等的活性，在细胞增殖、分化、凋亡等过程中发挥重要作用。
2. 蛋白质亚磺酰化（S-Sulfinylation）：在持续或高强度的氧化应激下，次磺酸可被进一步氧化，形成亚磺酸。
化学式：Cys-SOH + H2O2 → Cys-SO2H + H2O
关键特征为相对稳定：相比次磺酸，亚磺酸在生理条件下稳定得多。
可逆性：部分可逆。特定的亚磺酸还原酶（Sulfiredoxin, Srx）可以消耗ATP，将过氧化物氧还蛋白中的Cys-SO2H还原回Cys-SOH。目前Srx的已知底物仍在不断拓展中。
功能：①调控功能，对于Prx而言，亚磺化是一种功能性的调控机制，使其在H2O2浓度过高时“休眠”，以允许H2O2用于信号转导。②氧化损伤标志：在其他大多数蛋白质上，亚磺化仍被视为一种蓄积性的氧化损伤。
3. 蛋白质磺酰化（S-Sulfonylation）：半胱氨酸氧化的终末状态，硫原子达到最高氧化态。
化学式：Cys-SO2H + H2O2 → Cys-SO3H + H2O
关键特征为①高度稳定：在生理条件下是不可逆的。②强烈改变蛋白质性质：带强负电荷的磺酸基团会显著改变蛋白质的电荷分布和三维结构。
可逆性：目前尚未发现有效的酶学逆转途径，被认为是不可逆的。
功能：①通常导致蛋白质永久失活，通常会破坏活性中心或导致蛋白质构象发生剧烈变化，从而使其失去功能。②氧化损伤的“分子墓碑”，常被视为严重、不可逆氧化损伤的标志，与细胞衰老和多种疾病状态相关。
图2 半胱氨酸次磺酸的化学形成[3]
参与修饰的酶类
蛋白质磺酰类修饰并非一个孤立事件，而是一个由多种酶类共同参与的动态网络。参与这一过程的酶类可分为两大类：催生酶、逆转酶。
1. “生产者”：催化或诱导次磺酰化生次磺酰成的酶类
这些酶本身不直接催化半胱氨酸发生次磺酰，而是通过产生活性氧，为次磺酰的发生提供“触发信号”。
1）NADPH 氧化酶
代表酶：NOX1，NOX2，NOX4
功能：位于细胞膜或细胞器膜上，其主要功能是专门生成超氧阴离子或过氧化氢。当细胞接收到生长因子、细胞因子等信号时，会激活NOX，产生局部的、信号性的H2O2，进而诱导附近蛋白质发生次磺酰化，启动下游信号通路。
2）线粒体电子传递链
代表酶：复合物 I （NADH脱氢酶）和 III（细胞色素c还原酶）
功能：线粒体是细胞内ROS的主要来源。在能量代谢过程中，电子传递链会有电子“泄漏”，与氧气反应生成超氧阴离子，随后被超氧化物歧化酶转化为H2O2。在代谢异常或应激状态下，线粒体ROS大量产生，可导致广泛的蛋白质次磺酰化。
3）内质网相关氧化酶
代表酶：内质网氧化还原蛋白1，细胞色素P450家族
功能：在内质网中进行蛋白质二硫键的正确折叠时，会产生H2O2作为副产物。这些H2O2可以调节内质网及其周围的氧化还原状态，诱导相关蛋白质发生次磺酰化。
2. “消除者”：逆转或修复次磺酰化的酶类
这些酶是细胞维持氧化还原稳态的核心，它们能够将不稳定的次磺酰化修饰还原，恢复蛋白质的原始功能，防止其过度氧化造成损伤。
1）硫氧还蛋白系统
代表酶：硫氧还蛋白（Trx）、硫氧还蛋白还原酶
功能：Trx是逆转次磺酰化的核心酶之一。通过Trx自身的活性半胱氨酸，直接还原蛋白质上形成的分子内或分子间二硫键。如果次磺酰化中间体与谷胱甘肽反应生成了S-谷胱甘肽化修饰，Trx也能间接参与其还原过程。
2）谷氧还蛋白系统
代表酶：谷氧还蛋白（Grx）、谷胱甘肽还原酶
功能：Grx是逆转S-谷胱甘肽化修饰的关键酶。它利用还原型谷胱甘肽作为电子供体，特异性地将蛋白质上的谷胱甘肽移除，直接恢复至蛋白质的巯基。由于次磺酰化很容易与高浓度的GSH反应生成S-谷胱甘肽化，因此Grx系统在清除次磺酰化下游产物中扮演了重要角色。
蛋白质磺酰化类修饰是细胞在氧化环境中维持稳态与传递信号的重要机制。它像一把“氧化还原钥匙”，开启或关闭蛋白质的功能状态，影响从代谢到疾病的全过程。随着检测技术的进步与功能研究的深入，磺酰化类修饰不仅为我们理解生命过程提供了新视角，也为开发靶向氧化还原修饰的药物带来了新希望。下一期内容我们将重点介绍磺酰化类修饰在细胞生理及病理中扮演的角色以及相关检测研究方法，感兴趣的小伙伴可以持续关注一下~
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参考文献：
[1] Matsui R, Ferran B, Oh A, Croteau D, Shao D, Han J, Pimentel DR, Bachschmid MM. Redox Regulation via Glutaredoxin-1 and Protein S-Glutathionylation. Antioxid Redox Signal. 2025 Apr 1;32(10):677-700.
[2] 王魁,明慧,左静,等.氧化还原信号调控与『肿瘤』代谢[J].四川大学学报：医学版, 2025, 52(1):7.
[3] Mu B, Zeng Y, Luo L, Wang K. Oxidative stress-mediated protein sulfenylation in human diseases: Past, present, and future. Redox Biol. 2024 Oct;76:103332.
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