《自然》：浙江大学陈才勇实验室发现细胞内血红素伴侣蛋白HRG-9
北京时间2022年10月19日晚23时，浙江大学生命科学学院陈才勇实验室在Nature发表了题为“HRG-9 homologues regulate haem trafficking from haem-enriched compartments”的文章。
该研究揭示了一个新的细胞内血红素伴侣蛋白HRG-9（heme responsive gene-9）。在秀丽线虫中，HRG-9及其同源蛋白HRG-10将血红素转运出其贮存部位——溶酶体相关细胞器；而在人、斑马鱼、酵母等能自身合成血红素的生物中，HRG-9的同源蛋白TANGO2将血红素运出其合成部位——线粒体。
血红素（heme）是一类含有铁离子的卟啉化合物。它除了在血红蛋白中负责结合氧气外，还是肌红蛋白、细胞色素、细胞色素P450、过氧化氢酶、过氧化物酶等多种蛋白的辅因子，并且参与调控基因表达、miRNA加工、昼夜节律等过程。细胞内的血红素来源于合成部位线粒体或吸收部位细胞膜，而需要血红素的蛋白广泛分布于各个亚细胞部位，游离态血红素具有疏水性和细胞毒性，因此细胞需要依赖特定的转运蛋白来运输和利用血红素【1,2】。
为了研究血红素转运通路，研究人员首先在模式动物秀丽线虫上开展了筛选。秀丽线虫是一种血红素营养缺陷型动物，自身不能合成血红素，但也有细胞色素、细胞色素P450、过氧化氢酶等多种需要血红素的蛋白【3】。秀丽线虫完全依赖转运系统从食物中摄取血红素，因此它是研究血红素转运的一种理想模式动物。研究人员用不同浓度血红素培养线虫，通过转录组学分析发现了一个新的血红素感应基因hrg-9。
为了探究hrg-9的功能，研究人员利用血红素感应线虫（携带hrg-1p::gfp）开展研究，发现缺失hrg-9和/或其同源基因hrg-10后，线虫表现出缺血红素表型；并且这些敲除线虫能耐受具有强毒性的血红素同源物——原卟啉镓。但是，缺失hrg-9和hrg-10并不影响线虫的血红素吸收能力及线虫总血红素水平。因此，研究人员进一步利用一种带有荧光的血红素同源物——中卟啉锌探究细胞内血红素分布情况，发现在hrg-9和hrg-10敲除线虫的肠细胞中，大量中卟啉锌累积在血红素贮存部位——溶酶体相关细胞器中。对该血红素同源物的荧光示踪实验显示，敲除hrg-9和hrg-10影响了溶酶体相关细胞器中血红素的外排。这些结果表明，秀丽线虫HRG-9和HRG-10负责将血红素转运出贮存部位以供给细胞利用。
研究人员发现，哺乳动物等具有血红素合成能力的生物也有一个hrg-9的同源基因——TANGO2（transport and Golgi organization），它最初被认为参与调控蛋白质运输和高尔基体结构【4】。为了确定TANGO2是否也调控血红素稳态，研究人员利用多个血红素感应体系，对酵母、斑马鱼以及哺乳动物的TANGO2基因进行了研究。遗传学实验结果显示，表达酵母、斑马鱼或人的TANGO2均能拯救线虫hrg-9/hrg-10缺失所引起的血红素运输缺陷，表明TANGO2和HRG-9在血红素稳态调控中具有相似功能。酵母和哺乳动物细胞缺失TANGO2后，血红素累积在合成部位线粒体中。通过生化实验，研究人员发现TANGO2蛋白能结合血红素，并将血红素转出线粒体。
HRG-9/TANGO2不含跨膜域，它如何将血红素运出富含血红素的细胞器？体外血红素转运实验显示，TANGO2能够转运结合在线粒体膜上的血红素，而且这种转运功能不依赖于其它线粒体蛋白。综合以上结果，HRG-9/TANGO2是一个功能保守的血红素伴侣蛋白，负责细胞内血红素的动员和利用。在无血红素合成能力的生物中，HRG-9及其同源蛋白HRG-10从贮存部位转运血红素；而在能合成血红素的生物中，TANGO2从合成部位转运血红素。
HRG-9及其同源蛋白转运血红素的模式图
人TANGO2基因的突变会引起一种罕见的遗传性疾病【5，6】。已报道的患者均为儿童，病人出现发育迟缓、横纹肌溶解、心律失常、癫痫、代谢综合征等多种症状。目前，TANGO2突变引发疾病的病因仍不清楚。研究人员发现斑马鱼的tango2对于早期生长发育也至关重要。在斑马鱼上敲除tango2后，幼鱼表现出脑病、心律不齐、肌肉损伤，并在发育早期死亡，这些表型与患病儿童的临床症状相似。因此，该突变体斑马鱼为研究TANGO2疾病的发病原因和治疗策略提供了一个疾病模型。
这项研究首次发现细胞内血红素分子伴侣HRG-9和TANGO2，并揭示血红素在细胞内运输和利用的一个重要机制；同时阐明了TANGO2在血红素代谢中的生物学功能，为探究TANGO2疾病的病理学机制提供了基础。
该研究工作由浙江大学生命科学学院陈才勇实验室完成，浙江大学博士研究生孙凤秀和赵祯祯为本论文的共同第一作者。该研究得到了美国乔治亚理工学院Amit Reddi副教授和马里兰大学Iqbal Hamza教授的大力协助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05347-z
参考文献
1. Severance, S. & Hamza, I. Trafficking of heme and porphyrins in metazoa. Chem. Rev. 109, 4596–4616 (2009).
2. Reddi, A. R. & Hamza, I. Heme mobilization in animals: a metallolipid’s journey. Acc.Chem. Res. 49, 1104–1110 (2016).
3. Rao, A. U., Carta, L. K., Lesuisse, E. & Hamza, I. Lack of heme synthesis in a free-living eukaryote. Proc. Natl Acad. Sci. USA 102, 4270–4275 (2005).
4. Bard, F. et al. Functional genomics reveals genes involved in protein secretion and Golgi organization. Nature 439, 604–607 (2006).
5. Kremer, L. S. et al. Bi-allelic truncating mutations in TANGO2 cause infancy-onset recurrent metabolic crises with encephalocardiomyopathy. Am. J. Hum. Genet. 98, 358–362 (2016).
6. Lalani, S. R. et al. Recurrent muscle weakness with rhabdomyolysis, metabolic crises, and cardiac arrhythmia due to bi-allelic TANGO2 mutations. Am. J. Hum. Genet. 98, 347–357 (2016).
编辑 | 余 荷
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