Role of sulfide catabolism in ischemic brain injury

硫化物分解代谢在缺血性脑损伤中的作用

基本信息

  • 批准号:
    10378758
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 34.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-07-01 至 2024-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The brain is exquisitely sensitive to the lack of oxygen. Acute oxygen deprivation inhibits mitochondrial energy production impairing the cellular integrity. Although ischemic brain injury is a leading cause of morbidity and mortality, mechanism responsible for the ischemia-induced energy failure of the brain is incompletely understood. Hydrogen sulfide is an environmental hazard well known for its neurotoxicity. In mammalian cells, H2S is produced by the transsulfuration pathway and is oxidized in mitochondria by sulfide oxidation enzymes including sulfide quinone oxidoreductase (SQR). When oxygen is abundant, sulfide oxidation donates electrons to the mitochondrial electron transport chain (ETC), thereby promoting adenosine triphosphate (ATP) synthesis. In contrast, oxygen deprivation stimulates sulfide synthesis and hinders sulfide oxidation, leading to sulfide accumulation. Accumulated sulfide inhibits ETC complex IV during ischemia and aggravate reperfusion injury. Therefore, sulfide catabolism may play a pivotal role in the energy homeostasis during oxygen shortage and cellular injury upon reoxygenation. However, role of sulfide catabolism on the bioenergetics of the brain during acute oxygen deprivation has thus far attracted little attention. SQR is normally expressed at very low levels in the central nervous system, explaining the particularly slow rate of sulfide consumption in the brain. In preliminary studies, we observed that female mice had higher levels of SQR in the brain and were more resistant to hypoxia than male mice, whereas, knockdown of brain SQR increased the sensitivity of female mice to hypoxia. SQR overexpression in the brain of mice prevented neurologic dysfunction and death after global cerebral ischemia and reperfusion (I/R). Pharmacological sulfide scavengers prevented ETC dysfunction and improved energy production in human cells incubated in hypoxia or in the brains of mice subjected to cerebral ischemia. Based on these observations, we hypothesize that preventing sulfide accumulation in the brain either by enhanced sulfide oxidation or pharmacologic sulfide scavenger prevents ETC dysfunction during oxygen shortage and attenuates ischemia/reperfusion injury of the brain. To address this hypothesis, we propose: To determine the effects of enhanced sulfide oxidation on the severity of ischemic brain injury (Aim1), to characterize the role of endogenous sulfide catabolism in the mitochondrial function and response to ischemic brain injury (Aim 2), and to define the mechanism of the neuroprotective effects of sulfide oxidation and therapeutic potential of sulfide scavenging after cerebral I/R. (Aim 3). Proposed studies are anticipated to illuminate the critical role of sulfide in mitochondrial respiration and uncover a therapeutic potential of sulfide catabolism in ischemic brain injury.
大脑对缺氧非常敏感。急性缺氧抑制线粒体能量 生产损害了细胞的完整性。尽管缺血性脑损伤是发病率和死亡率的主要原因 死亡率,导致脑缺血所致能量衰竭的机制尚不完全 明白了。 硫化氢是一种环境危害,以其神经毒性而闻名。在哺乳动物细胞中,硫化氢是 由跨硫途径产生,并在线粒体中被硫化物氧化酶氧化 包括硫代苯醌氧化还原酶(SQR)。当氧气充足时,硫化物的氧化作用 电子到线粒体电子传输链(ETC),从而促进三磷酸腺苷(ATP) 综合。相比之下,缺氧刺激硫化物的合成并阻碍硫化物的氧化,导致 硫化物堆积。积聚的硫化物在缺血时抑制ETC复合体IV并加重再灌流 受伤。因此,硫化物的分解代谢可能在缺氧时的能量平衡中起着关键作用。 以及复氧时的细胞损伤。然而,硫化物分解代谢对大脑生物能量学的作用 在急性缺氧期间,到目前为止还没有引起多少关注。SQR通常表达在非常低的水平 中枢神经系统中的硫化物水平,解释了大脑中硫化物消耗速度特别慢的原因。 在初步研究中,我们观察到雌性小鼠大脑中的SQR水平更高,而且 抗低氧能力强于雄鼠,而脑SQR基因敲除增加了雌鼠的敏感性 小鼠耐缺氧。SQR在小鼠脑内的过表达预防脑损伤后的神经功能障碍和死亡 全脑缺血再灌注(I/R)。药理硫化物清除剂预防ETC功能障碍 并改善在低氧中孵育的人类细胞或在小鼠大脑中的能量产生 脑缺血。基于这些观察,我们假设防止硫化物在 大脑通过增强硫化物氧化或药物硫化物清除剂预防ETC功能障碍 抗缺氧,减轻脑缺血/再灌注损伤。为了解决这一假设,我们 目的:探讨硫化物氧化增强对缺血性脑损伤(AIM1)严重程度的影响。 研究内源性硫化物分解代谢在线粒体功能和反应中的作用。 缺血性脑损伤(目标2),并明确硫化物氧化的神经保护作用的机制 以及脑I/R后硫化物清除的治疗潜力(目标3)。拟议的研究预计将 阐明硫化物在线粒体呼吸中的关键作用并揭示硫化物的治疗潜力 缺血性脑损伤中的分解代谢。

项目成果

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