文摘
亚铁血红素辅基是由铁(Fe2 +)和原卟啉IX和是一个重要的辅助因子在不同的生物过程,如氧气输送(血红蛋白)和存储(肌红蛋白)和电子转移(呼吸道细胞色素)除了hemoproteins作为结构的组成部分。血红素生物合成是在红细胞分化诱导,配合球蛋白形成相关基因的表达和铁收购/传输。然而,红细胞和血红素生物合成途径的nonerythroid细胞表现出明显的差异。血红素生物合成的缺陷发展成红血球细胞会产生深远的影响,是由sideroblastic贫血。本综述将集中在哺乳动物红细胞细胞血红素的生物学,包括血红素生物合成途径以及血红素和人类疾病的监管作用,从有缺陷的血红素合成。
1。血红素生物合成
哺乳动物血红素生物合成途径包括八酶(了1- - - - - -5)(图1)。这个途径和病原的第一步是凝结的甘氨酸和琥珀酰辅酶形式5-aminolevulinic酸(ALA),一个5碳aminoketone,在线粒体基质中。这个反应是由阿拉巴马州合成酶催化(唉)。唉有两个同功酶编码的管家和erythroid-specific ALAS2基因,也称为ALAS1(或ALAS-N)和ALAS2(或ALAS-E),分别。人类基因编码ALAS1和ALAS2映射p21.1[3日6]和Xp11.21 [7),分别。而血红素负调节ALAS1表达式通过直接绑定到一个CP主题(稍后介绍)(1),ALAS2表达强烈诱导红细胞分化后期期间。监管的区域ALAS2基因转录因子结合包含元素,比如CCAAT塔塔叫,CACCC, Sp1, GATA-1被认为引起erythroid-specific表达的ALAS2基因(8,9]。此外,5′非翻译区(UTR)ALAS2包含一个iron-responsive元素(愤怒)与iron-responsive蛋白质(irp),从而调节ALAS2表达在转录后的级别。缺铁条件下,ALAS2翻译是被绑定的irp愤怒;相比之下,irp分离条件下愤怒的铁充足,导致增加ALAS2翻译(稍后IRP-IRE系统,描述了)。
阿拉巴马州导出到细胞溶质,阿拉巴马州的两个分子凝聚到monopyrrole胆色素原(PBG),生成的PBG合成酶(PBG)。使晶体结构是homo-octomeric,每个单体结合一个锌原子对其酶活性(10]。此外,管家和erythroid-specific百事装瓶集团信使rna被检测到。然而,这些mrna差异只在5′utr,从而使酶的管家和erythroid-specific形式是相同的(11]。
百事装瓶集团四分子加入了hydroxymethylbilane合成酶(HMB)形成第一环状四吡咯HMB,然后转换成由uroporphyrinogen uroporphyrinogen三世合成酶(乌鲁斯人)。随后Uroporphyrinogen III是由Uroporphyrinogen脱羧酶脱羧(UROD)形成coproporphyrinogen三世。类似于百事装瓶集团管家和erythroid-specific mrna的存在hmb和乌鲁斯人。管家hmb包含一个额外的17个氨基酸残基的氨基酸与红细胞的血红蛋白;相比之下,管家和红细胞乌鲁斯人蛋白质是相同的。
粪卟啉三世进入线粒体,氧化脱羧,coproporphyrinogen氧化酶(CPOX)形成protoporphyrinogen IX。第九Protoporphyrinogen然后氧化的原卟啉IX Protoporphyrinogen氧化酶(PPOX)。最后,二价铁插入原卟啉IX的亚铁螯合酶(进来)形成血红素。进来时是另一个病原血红素生物合成途径的酶。这种酶存在的为每个单元包含一个[2 fe-2s]集群所必需的酶活性(15]。此外,他进来表达式是在红细胞分化诱导,在控制Sp1, NF-E2和叫元素(16]。
血红素生物合成,因此,也依赖于细胞内的铁。在红色的细胞中,铁是通过转铁蛋白受体介导靶向获得循环transferrin-iron(铁(III)3 +)复合物。一旦内化,transferrin-bound菲3 +释放,减少铁吗2 +由six-transmembrane前列腺上皮抗原3 (STEAP3) [17),出口核内体通过二价金属转运蛋白1 (DMT1),随后进入线粒体。内线粒体膜蛋白mitoferrin 1 (MFRN1)中扮演一个重要的角色在提供铁血红素生物合成以及iron-sulfur集群在线粒体18]。MFRN1负责铁运输到线粒体,虽然另一个内在膜蛋白的存在,ABCB10,需要稳定MFRN1 [19]。尽管ABCB10的精确作用尚未阐明,MFRN1形成一个复杂的和进来时ABCB10可能允许直接转让亚铁血红素和/或iron-sulfur集群合成[20.]。
2。运输的血红素和卟啉中间体
如上所述,血红素生物合成的酶已经有了相当的了解。然而,相对较少的已知对血红素的运输和卟啉中间体。下面描述了最近的理解关于血红素的运输和卟啉中间体(图1)。
甘氨酸的第一步需要卟啉合成,必须从细胞溶质运输到线粒体。溶质载体家族25成员38 (SLC25A38)最近被确定通过基因的定位克隆与nonsyndromic先天性sideroblastic贫血(21]。酵母缺乏SLC25A38直接同源YDL119c展览一个缺陷在阿拉巴马州生源论(21),这表明SLC25A38甘氨酸需要导入。SLC25A38能力和出口ABCB10阿拉巴马州从线粒体也被提出(图1)[3]。因为SLC25A38和ABCB10位于内线粒体膜,还有待阐明如何通过外膜阿拉巴马州可以出口。然而,细胞外的阿拉巴马州可以提供在血红素生物合成的质膜。在阿拉巴马州转运蛋白,SLC36A1红细胞细胞(图中大量表达1)[22]。然而,细胞外ALA对红细胞生成的意义和正常红细胞分化仍有待阐明。
在细胞溶质,阿拉巴马州被转换为coproporphyrinogen三世,随后运送到线粒体膜间隙。几项研究已经表明,三磷酸腺苷(ATP)绑定磁带,亚B成员6 (ABCB6),位于线粒体外膜,负责coproporphyrinogen三世运输(23,24]。然而,这些发现仍有争议,因为ABCB6中也发现了等离子体膜,高尔基体和溶酶体25- - - - - -27),甚至用于定义血型Langereis [28]。此外,一个缺陷ABCB6可以引起遗传发育缺陷的眼睛(眼部缺损)29日)和皮肤(dyschromatosis universalis hereditaria) [30.]。然而,ABCB6表情显然是诱导红细胞分化期间(3,4,31日),这表明它可能扮演重要的角色在红细胞生成,表明需要进一步分析。
最近,进行大规模的筛选确定线粒体蛋白与血红素生物合成的核心机械coexpressed [31日]。这些基因之一,跨膜蛋白14 c (TMEM14C),编码线粒体内膜的蛋白质,这是必不可少的在斑马鱼和小鼠红细胞生成12,31日]。功能分析表明TMEM14C参与进口protoporphyrinogen第九到线粒体基质为血红素合成和随后的血红蛋白生产(12]。尽管它在红细胞生成过程中必不可少的角色,缺陷所造成的人类疾病TMEM14C尚未确定。另一个线粒体基因,溶质载体家族25成员39 (SLC25A39),血红素的合成需要在酵母、斑马鱼和哺乳动物红细胞细胞(31日]。然而,在哺乳动物的红细胞生成SLC25A39的确切作用需要进一步调查。
在哺乳动物中,膜蛋白猫白血病病毒,子群C受体1,SLC49A1 (FLVCR1)最近被确定为一个血红素出口国。FLVCR1有两种不同的亚型,FLVCR1a FLVCR1b,表达于质膜和线粒体,分别为(32- - - - - -34]。最近的研究表明,线粒体血红素FLVCR1b出口国,其中包含缩短n端造成另一种转录起始点(与最初确定FLVCR1a)对红细胞分化[至关重要34]。另一方面,有针对性的中断Flvcr1a缺陷导致骨骼和血管异常而不是贫血,暗示FLVCR1a是可有可无的红细胞生成(3]。密切相关的同系物,FLVCR2 (SLC49A2),据报道是广泛表达附膜血红素进口国(35]。然而,FLVCR2在红细胞生成的生理作用仍有待阐明(5]。
3所示。血红素是红细胞分化期间参与多个生物过程
除了作为辅基hemoproteins如血红蛋白、血红素本身可能会影响一些生物过程在红细胞分化,包括转录、翻译、蛋白质降解,微rna (microRNA)处理(1,36,37]。血红素的功能或本地化修改目标蛋白质通过直接绑定到CP图案,由半胱氨酸和脯氨酸残基(1,36,37]。CP motif-containing蛋白质,即heme-binding蛋白质,据报道,包括血红素激活蛋白1 (Hap1), BTB数控同源性1,基本亮氨酸拉链转录因子1 (BACH1)和BACH2 ALAS1, ALAS2,血红素加氧酶2 (HO-2) iron-responsive元件结合蛋白2 (IRP2) heme-oxidized IRP2泛素ligase-1 (HOIL-1),监管和血红素抑制剂(HRI) [37,38]。
BACH1是一个基本的亮氨酸拉链转录抑制因子,可以绑定的小加家人通过其加识别元素(母)形成形成37,39]。结合血红素中CP图案BACH1抑制BACH1的dna结合蛋白的能力,诱发其离解从小加蛋白质,触发其出口离原子核,诱发其[泛素化和降解39- - - - - -42]。因此,而BACH1-small乘加异质二聚体形成通过母马的网站绑定目标基因转录抑制,血红素取代BACH1,允许小加二聚化和核转录因子、红细胞2 (NF-E2下岗通知),或核转录因子、红细胞2 2 (NRF2)通过母马网站,导致转录激活(37]。在红色的细胞,BACH1直接调节球蛋白的表达(43]和HO-1 [44),这意味着一个重要的角色在红细胞分化BACH1以及血红素代谢。除了红色的细胞,BACH1还调节(运铁素的表达45),铁蛋白(46),和SPI-C促进单核细胞分化iron-recycling巨噬细胞(47),因此建议角色BACH1系统性铁体内平衡。其他血红素调节转录监管机构包括黑腹果蝇哺乳动物E75及其同系物Rev-Erbα/β,这两个属于核激素受体总科和可以通过各自的配体结合血红素结合域(37,48,49]。
血红素也控制目标基因翻译通过绑定到两个HRI heme-binding域,一个已知的蛋白激酶(50]。HRI autophosphorylated在多个站点血红素缺乏的条件下,一个重要的激酶活性的过程(51,52]。血红素缺乏的条件下,HRI抑制mRNA翻译通过磷酸化α亚基(eIF2真核的启动因素α)[50),而增加血红素浓度在红细胞分化抑制HRI活动,从而促进翻译的α- - -β-globins [53,54]。发展中红细胞细胞合成大量的血红蛋白但必须合成正确的球蛋白和血红素蛋白的数量,因为这些分子的固有毒性;例如,球蛋白过剩导致proteotoxicity [54,55),而免费的血红素是一种有效的氧化分子可以产生活性氧(ROS)通过芬顿反应(56]。因此,它似乎合理的考虑到血红素有助于协调球蛋白和血红素合成。
如前所述,血红素参与转录调节通过绑定BACH1并诱导其泛素化和后续的退化(37,42),它可以被认为是血红素的另一个监管行动。此外,IRP-IRE系统已被证明转录后的调控几个mrna的表达,包括编码ALAS2,转铁蛋白受体,运铁素DMT1,和铁蛋白,从而发挥重要作用在铁稳态(综述1,57])。irp包含两个独立的蛋白质,IRP1 IRP2,后者主要是调节体内平衡铁在活的有机体内(58]。有趣的是,血红素结合IRP2通过铁中的CP主题相关的降解(IDD)域诱导其泛素化/降解[59,60]。因此,监管过程中红细胞血红素生物合成和铁代谢的细胞似乎是密切相关的。
最后,最近的报告也表明,血红素调节的处理类的非编码rna (ncRNAs),包括管家rna(图示,核糖体rna和snorna),小长ncRNAs(< 200 > 200基地、职责),小干扰rna (siRNAs) PIWI-interacting rna (piRNAs)和microrna61年]。microrna现在公认为广泛的监管和无处不在的类分子(62年]。血红素结合的半胱氨酸残基氨基酸的位置352 rna结合蛋白迪格奥尔格临界区8 (DGCR8)和诱发DGCR8二聚作用,从而促进pri-miRNA成成熟的microrna的处理(63年,64年]。而microrna在红细胞分化的作用很好理解(65年),的意义heme-mediated microrna的处理期间红细胞分化仍有待阐明,因此需要进一步调查。
4所示。在红色的细胞失调造成缺陷血红素生物合成
血红素主要是由成红血球细胞和肝细胞。而血红素负调节的表达通过反馈机制ALAS1 nonerythroid细胞(肝细胞)1),它并不负调控ALAS2成红血球细胞;事实上,血红素可以促进自身合成通过IRP-IRE ALAS2表达调控系统。因此,血红素生物合成的规定应该单独考虑红细胞和nonerythroid细胞。此外,任何血红素生物合成的酶的缺陷不会导致统一系统的后果(2]。例如,百事装瓶集团缺陷或hmb损害肝脏中血红素生物合成,导致ALA脱水酶缺乏症卟啉症的发病(ADP)或急性间歇性卟啉病(AIP),分别,而没有成红血球细胞中观察到的异常。另一方面,进来时缺陷或乌鲁斯人不严重损害肝脏中血红素生物合成而导致出现红血球生成的protoporphyria (EPP)或先天性红血球卟啉症(CEP)。因此,每一个障碍被称为肝或红血球生成的卟啉症。
本文主要关注血液血红素生物合成相关的缺陷所造成的人类疾病,如sideroblastic贫血和红血球生成的卟啉症。
4.1。Sideroblastic贫血
Sideroblastic贫血是一个异构综合征和nonsyndromic疾病的共同特征线粒体铁积累骨髓红细胞前体(环形铁粒幼红细胞),无效的红细胞生成,增加组织铁含量,和不同比例的低外周血中红细胞(13,66年,67年]。而这些症状通常和获得的主要是与骨髓增生异常综合征有关,其中很大一部分的情况下可能导致突变在RNA拼接机械componentsplicing因子3 b亚基1 (SF3B1)[68年),先天性的形式sideroblastic贫血(CSA)已报告;它是一种罕见的疾病和异构血红素生物合成相关基因的突变引起的(ALAS2,SLC25A38),iron-sulfur [Fe-S]集群生物合成(ABCB7,GLRX5减少)、铁(STEAP3)和线粒体蛋白质合成(线粒体DNA,PUS1,YARS2,TRNT1,SLC19A2中所描述的)((20.,66年,67年,69年- - - - - -72年)(表1)。
以下4.4.1。x连锁Sideroblastic贫血
最常见的CSA是XLSA (x连锁sideroblastic贫血),这是归因于x连锁基因的突变ALAS2(1,73年]。ALAS2缺陷导致减少原卟啉合成和随后的减少铁合并和血红素合成,导致小红细胞的贫血,骨髓中环形铁粒幼红细胞的外观。通常,XLSA患者是男性,40岁之前;然而,这种障碍发生在一个广泛的年龄和可能影响老年患者(74年]。另一方面,贫血也可能出现在杂合的女性携带者,大概是因为扭曲的X失活或过度与年龄相关的扭曲,发生在造血组织(75年,76年]。
大部分的XLSA-associated突变ALAS2错义替换导致损失的功能(20.,67年,69年,77年,78年),而突变ALAS2监管区域,如启动子(79年)和基因内区1 (8,9,80年),导致下降ALAS2表达式。ALAS2错义突变通常减少吡哆醛的绑定5′磷酸(PLP,维生素B6),这是一个代数余子式的ALAS2酶活性,因此会计革新劳工党响应XLSA患者携带这些突变(7,81年]。然而,将近一半的XLSA病例对PLP [13,82年]。在这种情况下,阿拉巴马州补充可能会减轻这些障碍(22]。在我们最近的临床前在体外分析,阿拉巴马州恢复缺陷ALAS2缺乏基于人类诱导多能干细胞(iPS)细胞衍生成红血球细胞(22]。因为阿拉巴马州是一个内源性氨基酸,已被证明是安全的在临床设置(83年),它可能被认为是管理患者的阿拉巴马州XLSA那些耐火PLP补充。
4.2。红血球性卟啉症
红血球生成的卟啉症包括红血球生成的protoporphyria和先天性红血球卟啉症。前者包括两个变种,红血球生成的protoporphyria (EPP)和x连锁protoporphyria (XLPP),以及皮肤卟啉症分类特点是原卟啉IX的积累,从而导致光敏性。人民党和XLPP临床上无法区分但结果从不同基因的突变:他进来和ALAS2,分别。
4.2.1。准备红血球生成的Protoporphyria (EPP)
EPP是一种遗传疾病引起的局部缺陷在进来时活动2,84年]。在这个障碍,原卟啉积累成红血球细胞,随后被肝脏和皮肤。皮肤光敏性典型始于童年没有神经系统的参与(2,84年]。肝损伤是有严重症状的患者中观察到84年]。此外,低小红细胞的贫血发生在20 - 60%的情况下(85年),和环形铁粒幼红细胞可能观察到(86年]。高浓度的红细胞原卟啉。然而,与缺铁性贫血和铅中毒,增加红细胞的原卟啉与锌螯合,红细胞的原卟啉在EPP仍在一个自由的国家87年]。
EPP是常染色体隐性遗传的,但有点不同寻常。在大多数患者中,人民军共同继承的结果特定进来时的突变在反式与hypomorphic低表达他进来多态性(IVS3-48C) [88年]。IVS3-48C等位基因的多态性增加异常剪接的使用网站,可能导致疾病发作(89年]。民族差异已报告在IVS3-48C等位基因的频率;具体地说,该等位基因的频率不同广泛在日本(43%)、东南亚(31%)、法国(11%)、白北非(2.7%),和黑色西非(< 1%)的数量(89年]。
除了避免接触阳光,EPP包括口服治疗β胡萝卜素和afamelanotide消胆胺红细胞输血,而且,在严重的情况下,肝移植(2,90年]。低剂量静脉注射铁疗法也可能有效91年]。
4.2.2。x连锁Protoporphyria (XLPP)
XLPP是一种临床上无法分辨x连锁的EPP功能造成的突变ALAS2(92年]。这功能ALAS2增加原卟啉IX生产在正常进来时活动的背景下,后者成为病原和可能导致的发病EPP-like疾病表型。在XLPP EPP相比,红细胞水平的锌原卟啉和游离原卟啉都增加了。这种疾病是描述的相似但不相同Irp2−−/的老鼠,它的特点是过度ALAS2顺向IRP2-dependent转化镇压的损失(93年]。
突变的ALAS2包括c。1706-1709 delAGTG (p.E569GfsX24) and c1699-1700 delAT (p.M567EfsX2), which result in frameshifts that cause replacement or deletion of 19-20 carboxy-terminal residues from ALAS2 [93年]。最近,这部小说ALAS2突变c。1734delG and c.1642 C >T (p.Q548X) have been identified [94年]。治疗XLPP相似的生化和EPP表型相似。
4.2.3。先天性红血球卟啉症(CEP)
CEP是一种常染色体隐性红血球生成的卟啉症的特点是严重的光敏性和溶血性贫血(2]。这种疾病突变的结果乌鲁斯人基因,而最近的研究表明,在ALAS2附带的功能变异可能修改疾病严重程度95年]。此外,x染色体的CEP的报道trans-acting GATA-1-R216W突变导致CEP的发作(96年]。
5。结论
说明哺乳动物红细胞的血红素生物学细胞将提供一个重要思想,理解和获得更高效的目标,人类从有缺陷的血红素合成障碍出现。
利益冲突
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