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