Nature：浙江大學團隊發現細胞內血紅素伴侶蛋白HRG-9

北京時間2022年10月19日晚23時，浙江大學生命科學學院陳才勇實驗室在Nature發表了題為「HRG-9 homologues regulate haem trafficking from haem-enriched compartments」的文章。

該研究揭示了一個新的細胞內血紅素伴侶蛋白HRG-9（heme responsive gene-9）。在秀麗線蟲中，HRG-9及其同源蛋白HRG-10將血紅素轉運出其貯存部位——溶酶體相關細胞器；而在人、斑馬魚、酵母等能自身合成血紅素的生物中，HRG-9的同源蛋白TANGO2將血紅素運出其合成部位——線粒體。

血紅素（heme）是一類含有鐵離子的卟啉化合物。它除了在血紅蛋白中負責結合氧氣外，還是肌紅蛋白、細胞色素、細胞色素P450、過氧化氫酶、過氧化物酶等多種蛋白的輔因子，並且參與調控基因表達、miRNA加工、晝夜節律等過程。細胞內的血紅素來源於合成部位線粒體或吸收部位細胞膜，而需要血紅素的蛋白廣泛分布於各個亞細胞部位，遊離態血紅素具有疏水性和細胞毒性，因此細胞需要依賴特定的轉運蛋白來運輸和利用血紅素【1,2】。

為了研究血紅素轉運通路，研究人員首先在模式動物秀麗線蟲上開展了篩選。秀麗線蟲是一種血紅素營養缺陷型動物，自身不能合成血紅素，但也有細胞色素、細胞色素P450、過氧化氫酶等多種需要血紅素的蛋白【3】。秀麗線蟲完全依賴轉運系統從食物中攝取血紅素，因此它是研究血紅素轉運的一種理想模式動物。研究人員用不同濃度血紅素培養線蟲，通過轉錄組學分析發現了一個新的血紅素感應基因hrg-9。

為了探究hrg-9的功能，研究人員利用血紅素感應線蟲（攜帶hrg-1p::gfp）開展研究，發現缺失hrg-9和/或其同源基因hrg-10後，線蟲表現出缺血紅素表型；並且這些敲除線蟲能耐受具有強毒性的血紅素同源物——原卟啉鎵。但是，缺失hrg-9和hrg-10並不影響線蟲的血紅素吸收能力及線蟲總血紅素水平。因此，研究人員進一步利用一種帶有熒光的血紅素同源物——中卟啉鋅探究細胞內血紅素分布情況，發現在hrg-9和hrg-10敲除線蟲的腸細胞中，大量中卟啉鋅累積在血紅素貯存部位——溶酶體相關細胞器中。對該血紅素同源物的熒光示蹤實驗顯示，敲除hrg-9和hrg-10影響了溶酶體相關細胞器中血紅素的外排。這些結果表明，秀麗線蟲HRG-9和HRG-10負責將血紅素轉運出貯存部位以供給細胞利用。

研究人員發現，哺乳動物等具有血紅素合成能力的生物也有一個hrg-9的同源基因——TANGO2（transport and Golgi organization），它最初被認為參與調控蛋白質運輸和高爾基體結構【4】。為了確定TANGO2是否也調控血紅素穩態，研究人員利用多個血紅素感應體系，對酵母、斑馬魚以及哺乳動物的TANGO2基因進行了研究。遺傳學實驗結果顯示，表達酵母、斑馬魚或人的TANGO2均能拯救線蟲hrg-9/hrg-10缺失所引起的血紅素運輸缺陷，表明TANGO2和HRG-9在血紅素穩態調控中具有相似功能。酵母和哺乳動物細胞缺失TANGO2後，血紅素累積在合成部位線粒體中。通過生化實驗，研究人員發現TANGO2蛋白能結合血紅素，並將血紅素轉出線粒體。

HRG-9/TANGO2不含跨膜域，它如何將血紅素運出富含血紅素的細胞器？體外血紅素轉運實驗顯示，TANGO2能夠轉運結合在線粒體膜上的血紅素，而且這種轉運功能不依賴於其它線粒體蛋白。綜合以上結果，HRG-9/TANGO2是一個功能保守的血紅素伴侶蛋白，負責細胞內血紅素的動員和利用。在無血紅素合成能力的生物中，HRG-9及其同源蛋白HRG-10從貯存部位轉運血紅素；而在能合成血紅素的生物中，TANGO2從合成部位轉運血紅素。

HRG-9及其同源蛋白轉運血紅素的模式圖

人TANGO2基因的突變會引起一種罕見的遺傳性疾病【5，6】。已報道的患者均為兒童，病人出現發育遲緩、橫紋肌溶解、心律失常、癲癇、代謝綜合征等多種癥狀。目前，TANGO2突變引發疾病的病因仍不清楚。研究人員發現斑馬魚的tango2對於早期生長發育也至關重要。在斑馬魚上敲除tango2後，幼魚表現出腦病、心律不齊、肌肉損傷，並在發育早期死亡，這些表型與患病兒童的臨床癥狀相似。因此，該突變體斑馬魚為研究TANGO2疾病的發病原因和治療策略提供了一個疾病模型。

這項研究首次發現細胞內血紅素分子伴侶HRG-9和TANGO2，並揭示血紅素在細胞內運輸和利用的一個重要機制；同時闡明了TANGO2在血紅素代謝中的生物學功能，為探究TANGO2疾病的病理學機制提供了基礎。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05347-z

參考文獻

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).