半胱氨酸（Cysteine）是所有氨基酸中发生修饰概率较高的氨基酸之一，其残基上的巯基（-SH）具有高度的反应活性，因此可以发生多种重要的翻译后修饰（PTMs）。在往期内容中我们陆续介绍的棕榈酰化、豆蔻酰化、异戊二烯化均主要发生在半胱氨酸上，本期我们介绍另一种发生在半胱氨酸上的PTM——谷胱甘肽化（Glutathionylation）。由于这种修饰发生在巯基（-SH）中的S原子上，在文献中这种修饰常被称为S-Glutathionylation。
图1 主要发生在半胱氨酸残基上的PTM类型[1]
S-Glutathionylation的定义与特征
S-Glutathionylation是一种重要的可逆性PTM，其本质是谷胱甘肽(GSH)通过其半胱氨酸残基的巯基与靶蛋白质的半胱氨酸残基的巯基形成混合二硫键(-SSG)的过程。这种修饰在细胞内氧化还原稳态调控中扮演着关键角色，既是一种保护机制——防止蛋白质半胱氨酸巯基发生不可逆的过度氧化，又是一种调控机制——通过改变蛋白质的结构和功能来调节多种细胞过程。从化学本质上看，这一修饰过程涉及硫醇-二硫键交换反应，其动态平衡受细胞内氧化还原状态的影响。
图2 谷胱甘肽的结构、理化特征、合成及分布[1]
S-Glutathionylation具有高度选择性，其发生取决于半胱氨酸残基的局部微环境。pKa值较低的半胱氨酸残基（如位于蛋白质活性中心的Cys）在生理pH条件下更易被离子化，形成硫醇阴离子(-S-)，从而表现出更高的反应活性，更容易发生S-Glutathionylation。这种选择性使S-Glutathionylation能够精准调控特定蛋白质的功能，而不是随机发生的普遍现象。与磷酸化修饰类似，S-Glutathionylation也具有时空特异性和可逆性，能够快速响应细胞内的氧化还原状态变化。结构生物学研究表明，S-Glutathionylation可引起显著的蛋白质构象变化。例如，在人源应激型Hsp70蛋白中，C末端α-螺旋盖子上两个半胱氨酸的S-Glutathionylation会导致该结构域发生去折叠，暴露Leu542残基，进而占据底物结合位点，最终抑制Hsp70与其底物的结合能力。这一过程在去谷胱甘肽化后完全可逆，体现了S-Glutathionylation对蛋白质功能的精确调控[2]。
图3 蛋白质S-Glutathionylation和去修饰机制[3]
S-Glutathionylation的发生机制
S-Glutathionylation的发生机制主要可分为氧化性和非氧化性两条途径，两者都受到细胞内氧化还原环境的精确调控：
一、氧化性途径
1、氧化剂介导的修饰：在氧化应激条件下，细胞内活性氧（ROS）水平升高，导致还原型谷胱甘肽(GSH)被氧化形成谷胱甘肽二硫化物(GSSG)。GSSG可与蛋白质半胱氨酸残基反应形成蛋白质-SSG加合物。反应过程为：GSSG + Protein-SH → Protein-SSG + GSH。
图4 氧化还原信号介导的S-Glutathionylation[1]
2、硫烷硫介导的修饰：以八元环硫(S₈)为代表的硫烷硫物质可通过多种途径诱导S-Glutathionylation。在GSH存在条件下，S₈可被转化为多种活性硫烷硫形式(如GSSH)，进而修饰靶蛋白。山东大学团队研究发现，S₈处理大肠杆菌后，多重抗药性蛋白家族转录调控因子MarR主要发生S-Glutathionylation(占72%)，同时伴少量过硫化修饰(24%)。具体机制可能包括：(1) S₈与GSH反应生成GSSG修饰MarR；(2) 生成过硫化谷胱甘肽(GSSH)修饰MarR；(3) MarR先被S₈过硫化，再与GSH反应；(4) MarR四聚体中的二硫键被GSH还原。
图5 硫烷硫介导的S-Glutathionylation[4]
二、非氧化性途径
1、硫醇-二硫键交换反应：在特定酶（如谷胱甘肽转移酶）的催化下，即使在没有明显氧化应激的条件下，GSH也可通过硫醇-二硫键交换反应直接修饰蛋白质的半胱氨酸残基。反应过程为：GSH + Protein-SH → Protein-SSG + 2H⁺ + 2e⁻。
2、金属离子催化途径：某些二价金属离子（如Cu²⁺）可通过氧化还原循环催化蛋白质S-Glutathionylation。Cu²⁺可促进硫醇基团的氧化，加速混合二硫键的形成。
参与S-Glutathionylation的酶类
S-Glutathionylation的修饰与去修饰由一系列专门的氧化还原酶调控，形成动态平衡：
一、添加修饰的酶
1、谷胱甘肽转移酶(GSTs)：部分GST同工酶（如GSTP1）具有催化S-Glutathionylation的能力，可促进GSH与靶蛋白的结合。
2、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)：在清除过氧化物的同时，GPx可产生中间产物，间接促进蛋白质S-Glutathionylation。
二、去除修饰的酶
1、谷氧还蛋白(Glutaredoxin, Grx)：作为去谷胱甘肽化的主要催化剂，Grx通过其活性位点CXXC基序催化混合二硫键的还原，使蛋白质恢复至还原状态。Grx依赖GSH作为辅因子，反应过程涉及Grx与蛋白质-SSG形成中间复合物。
2、硫氧还蛋白(Trx)：在特定情况下也可催化去谷胱甘肽化反应，但其主要作用是还原蛋白质二硫键。
三、谷胱甘肽代谢相关酶
1、谷胱甘肽合成酶(GSS)：催化谷胱甘肽合成的最后一步反应：将γ-谷氨酰半胱氨酸（γ-glutamylcysteine）与甘氨酸（glycine）通过肽键连接，生成完整的GSH。
2、谷胱甘肽还原酶(GR)：维持GSH/GSSG比例的关键酶，利用NADPH将GSSG还原为GSH。
S-Glutathionylation是细胞氧化还原调控的核心机制，其动态性由氧化应激信号、金属离子及GSTs/Grx等酶协同决定。深入理解S-Glutathionylation的酶学机制，将为靶向氧化应激相关疾病的治疗提供新策略。下期内容小恒将为大家介绍S-Glutathionylation的具体生物学功能、与人类疾病相关性研究以及研究技术，感兴趣的小伙伴可以关注一下～
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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] Zhang H, Yang J, Wu S, Gong W, Chen C, Perrett S. Glutathionylation of the Bacterial Hsp70 Chaperone DnaK Provides a Link between Oxidative Stress and the Heat Shock Response. J Biol Chem. 2016 Mar 25;291(13):6967-81.
[3] Zhang J, Ye ZW, Singh S, Townsend DM, Tew KD. An evolving understanding of the S-glutathionylation cycle in pathways of redox regulation. Free Radic Biol Med. 2018 May 20;120:204-216.
[4] Ran M, Li Q, Xin Y, Ma S, Zhao R, Wang M, Xun L, Xia Y. Rhodaneses minimize the accumulation of cellular sulfane sulfur to avoid disulfide stress during sulfide oxidation in bacteria. Redox Biol. 2022 Jul;53:102345.
