The metabolism and signaling of hydrogen sulfide: the role of CBS-related proteins in Caenorhabditis elegans

Abstract

Sirovodík (H2S) je toxický plyn, který ve vysokých koncentracích způsobuje respirační selhání a smrt organismu, zatímco v nízkých koncentracích hraje roli jako vasodilatátor, neuromodulátor, a chrání buňky a tkáně před reperfuzním poškozením, hypoxií, hyperglykémií či dysfunkcí endotelu. Ke studiu fyziologie a signalizace H2S je využíváno hned několik modelových organismů. Hlístice Caenorhabditis elegans je pozoruhodným modelem ke studiu fyziologie, vývojové biologie, a v neposlední řadě i signalizace H2S, nicméně metabolismus sirovodíku v tomto organismu není známý. Cystathionin-beta-synthasa (CBS) je jedním ze tří enzymů produkujících H2S u živočichů. Zajímavé je, že u C. elegans je postulováno hned šest genů kódující homologní proteiny k CBS (cbs-1, cbs-2, cysl-1, cysl -2, cysl -3 a cysl -4). Cílem této práce bylo zjistit funkci těchto genů v metabolismu a signalizaci H2S u C. elegans. Nejprve jsme identifikovali cbs-1 jako gen kódující CBS; rekombinantní purifikovaný protein CBS-1 vykázal CBS aktivitu a RNA interference cbs-1 vedla ke snížené CBS aktivitě a zvýšené hladině homocysteinu v červích homogenátech, což rekapituluje deficit CBS u savců. Je zajímavé, že hlístí a savčí CBS mají odlišnou doménovou architekturu a tedy i posttranslační regulaci. Dále jsme zjistili, že ostatní proteiny...

Hydrogen sulfide (H2S) is a toxic gas that causes respiratory failure and death at high concentrations, but at low concentrations, it functions as a signaling molecule in vasodilation and neuromodulation, and it protects cells and tissues from reperfusion injury, hypoxia, hyperglycemia and endothelial dysfunction. Several model organisms have been used to study the physiological roles and signaling pathways of H2S. The roundworm Caenorhabditis elegans is a remarkable model for studying the physiology, developmental biology and signaling of H2S; however, the metabolism of H2S in this animal is largely unknown. Cystathionine beta-synthase (CBS) is one of three H2S-producing enzymes in mammals. Notably, C. elegans possesses 6 genes that encode proteins homologous to CBS, namely cbs- 1, cbs-2, cysl-1, cysl-2, cysl-3 and cysl-4. In this thesis we studied the roles of these genes in H2S metabolism and signaling. First, we identified cbs-1 as the gene encoding CBS in C. elegans; the recombinant purified CBS-1 protein exhibited canonical CBS activity, and RNA interference-mediated silencing of cbs-1 resulted in decreased CBS activity and increased homocysteine levels in worm extracts, recapitulating the phenotypes of CBS deficiency in mammals. Notably, the nematode and human enzymes differ in their domain...