健康人體內(nèi)紅細胞的數(shù)量約為20-30萬億，占人體細胞總數(shù)的80%左右，每秒新生成約240萬個成熟紅細胞，以維持氣體交換、代謝平衡等關(guān)鍵生理功能。紅細胞生成（erythropoiesis）起始于多能造血干細胞（HSC）向紅系前體細胞的分化，隨后經(jīng)歷一系列顯著的形態(tài)與功能改變，包括質(zhì)膜的特化、大部分細胞器的清除、蛋白質(zhì)組的收縮，以及合成占胞質(zhì)蛋白總量95%以上的血紅蛋白【1，2】。這一過程中精細的代謝調(diào)控，在確保細胞快速增殖和特化的同時生成功能性成熟紅細胞。許多代謝酶的基因缺陷（如葡萄糖-6-磷酸脫氫酶）會引發(fā)紅細胞功能異常，常見的紅細胞遺傳性疾病（如β-地中海貧血）通常表現(xiàn)出特定的代謝紊亂。因此，系統(tǒng)性解析紅細胞發(fā)育和成熟過程中的代謝調(diào)控機制及其在疾病中的代謝重編程，有助于加深對正常細胞發(fā)育過程的理解，并為紅細胞相關(guān)疾病的治療提供新的方向和策略。
2024年11月15日，美國圣裘德兒童醫(yī)院徐劍（Jian Xu）團隊在Science 正式刊發(fā)題為A Glutamine Metabolic Switch Supports Erythropoiesis的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，在紅細胞的定向分化和成熟過程中，基因轉(zhuǎn)錄和代謝水平上發(fā)生了顯著的從谷氨酰胺分解代謝到合成代謝的轉(zhuǎn)換。谷氨酰胺合成酶（GS）活性增強有助于降解血紅素生物合成過程中產(chǎn)生的毒性銨離子，以促進紅細胞的發(fā)育成熟。而在β-地中海貧血中，由于氧化應激引起的谷氨酰胺合成酶活性受損，導致谷氨酸和銨離子的累積。增強谷氨酰胺合成酶的活性可以有效緩解β-地中海貧血引發(fā)的代謝異常和病理缺陷。該研究不僅揭示了紅細胞在正常發(fā)育和相關(guān)疾病中的代謝調(diào)控機制，也為未來基于代謝靶向的紅細胞疾病治療策略的開發(fā)提供了新的研究思路。
研究人員在紅細胞定向分化和成熟過程中各個階段分析了基因轉(zhuǎn)錄和代謝水平的變化，并通過整合轉(zhuǎn)錄組與代謝組的網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺分解代謝向合成代謝的轉(zhuǎn)換與紅細胞分化和成熟高度相關(guān)。其中，與谷氨酰胺分解代謝相關(guān)的基因及其代謝產(chǎn)物谷氨酸在紅細胞分化過程中逐漸減少，而谷氨酰胺合成酶及其代謝產(chǎn)物谷氨酰胺則逐步增加。谷氨酰胺合成酶在細胞質(zhì)中催化谷氨酸和銨離子結(jié)合生成谷氨酰胺。進一步研究顯示，特異性敲除血液前體細胞和紅系前體細胞中的谷氨酰胺合成酶會導致紅細胞分化受阻、銨離子累積以及細胞內(nèi)活性氧（ROS）增加。在氧化劑苯肼誘導的溶血性貧血模型中，紅系特異性缺失谷氨酰胺合成酶也會導致紅細胞恢復延遲，并伴隨谷氨酸和銨離子積累、谷氨酰胺減少以及谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值的下降。
為了深入解析代謝過程如何促進病理性紅細胞生成，研究人員對正常和β-地中海貧血小鼠的紅系細胞進行了代謝組學分析。結(jié)果表明，β-地中海貧血小鼠的紅系細胞中，谷氨酰胺和谷氨酸代謝是變化最顯著的代謝通路之一。在代謝產(chǎn)物含量上，β-地中海貧血小鼠的紅系細胞中谷氨酸含量增加和谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）的比率降低。同樣，在β-地中海貧血（TDT）患者的紅系細胞中也觀察到了相似的代謝特征。
以上結(jié)果表明，β-地中海貧血小鼠和患者中觀察到的谷氨酰胺代謝缺陷與谷氨酰胺合成酶特異性敲除小鼠的表型相似。盡管正常小鼠和β-地中海貧血小鼠的紅系細胞中谷氨酰胺合成酶mRNA和蛋白豐度相似，但后者的谷氨酰胺合成酶活性顯著降低，提示β-地中海貧血小鼠和患者中谷氨酰胺合成酶功能受損。在β-地中海貧血中，過量的游離α-珠蛋白、血紅素和鐵的累積導致細胞內(nèi)ROS的增加，ROS可以修飾氨基酸側(cè)鏈從而損害蛋白的功能。進一步的蛋白質(zhì)譜分析證實，谷氨酰胺合成酶的346位半胱氨酸（Cys-346）被氧化，破壞了其與252位半胱氨酸（Cys-252）二硫鍵的形成以及與底物結(jié)合的能力，從而影響了酶的催化活性。抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸處理β-地中海貧血小鼠后，在顯著降低ROS水平和增強谷氨酰胺合成酶活性的同時，外周血中銨離子濃度明顯降低、谷氨酰胺與谷氨酸比值相應升高，以及紅細胞分化和成熟得到改善。與之類似，在β-地中海貧血小鼠的多能造血干/祖細胞中過表達谷氨酰胺合成酶后進行受體移植實驗，也證實增強谷氨酰胺合成酶活性能夠部分恢復受體鼠內(nèi)ROS和銨離子的水平，促進紅細胞分化成熟，并顯著改善β-地中海貧血小鼠的血液表型。
研究過程中發(fā)現(xiàn)，紅細胞分化成熟過程中谷氨酰胺合成酶的上調(diào)和特異性敲除小鼠中谷氨酰胺合成酶的缺失，均可導致紅系細胞中谷氨酸含量以及谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值的顯著變化。類似地，在β-地中海貧血小鼠和患者樣品中，或者在經(jīng)抗氧化劑處理、谷氨酰胺合成酶過表達處理、或臨床一線藥物羅特西普（Reblozyl，Luspatercept）治療后，同樣可以觀察到紅系細胞中谷氨酸含量和谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值的相應改變。因此，谷氨酸含量或谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值可作為評估紅細胞正常或是異常發(fā)育的代謝標志物。同時，監(jiān)測谷氨酸的含量或是谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值，對評估紅細胞的成熟度和評價藥物療效方面具有潛在的應用價值。
在紅細胞成熟過程中，需要合成大量血紅素以生成血紅蛋白分子。血紅素生物合成起始于琥珀酰輔酶A（succinyl-CoA）和甘氨酸（glycine，Gly）反應生成5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）。隨后在細胞質(zhì)中，卟啉原基因脫氨酶（HMBS）催化將卟啉原（PBG）頭尾凝聚形成羥基甲基卟啉（HMB）并釋放四個銨離子分子。作為最古老的功能基因之一，谷氨酰胺合成酶被認為是一個 “分子時鐘”【3，4】。谷氨酰胺合成酶通過ATP水解將谷氨酸與銨離子結(jié)合生成谷氨酰胺。哺乳動物通常依賴谷氨酰胺合成酶活性和尿素循環(huán)來去除多余的銨離子【5，6】。然而，紅細胞中并不表達關(guān)鍵的尿素循環(huán)酶，如氨基甲酰磷酸合成酶1（CPS1）、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨甲?；福∣TC）和精氨酸琥珀酸合成酶（ASS1）。因此，研究人員推測紅細胞成熟過程中谷氨酰胺合成酶的活性上調(diào)用于銨離子解毒，作為一種進化保守的代謝適應機制來支持血紅蛋白的合成和紅細胞的成熟。進一步的[15N]標記的5-氨基乙酰丙酸體內(nèi)示蹤實驗證實，紅細胞成熟過程中，活化的谷氨酰胺合成酶利用血紅素生物合成過程中產(chǎn)生的銨離子催化谷氨酸生成谷氨酰胺，從而保護紅細胞免受銨離子累積的毒性損傷。
圖1. 谷氨酰胺代謝轉(zhuǎn)換在紅細胞發(fā)育和疾病中的作用模式圖
綜上所述，在紅細胞分化成熟過程中，谷氨酰胺合成酶的表達逐漸上調(diào)，催化谷氨酰胺分解的酶類逐漸下調(diào)，導致谷氨酰胺含量增加、谷氨酸含量減少。隨著紅細胞的分化成熟，血紅素合成過程中會產(chǎn)生大量有毒的銨離子，而谷氨酰胺代謝轉(zhuǎn)換能夠增強谷氨酰胺合成酶的活性，加速催化谷氨酸和銨離子結(jié)合生成谷氨酰胺。這一代謝轉(zhuǎn)換對于解毒血紅素合成時產(chǎn)生的銨離子和促進紅細胞的分化成熟至關(guān)重要（圖1）。在β-地中海貧血的紅系細胞中，過量的游離α-珠蛋白易發(fā)生沉淀和自氧化，由此產(chǎn)生的ROS、游離血紅素和鐵的累積會促使谷氨酰胺合成酶受氧化損傷，進而導致其活性受損，最終造成紅系細胞中谷氨酸和銨離子的累積。銨離子的累積則進一步加劇氧化應激，損傷谷氨酰胺合成酶并降低谷氨酰胺合成，從而形成氧化應激損傷的惡性循環(huán)。通過抗氧化劑或蛋白過表達增強谷氨酰胺合成酶活性，可顯著改善β-地中海貧血中受損的谷氨酰胺代謝和紅系細胞成熟。因此，監(jiān)測谷氨酰胺合成代謝水平，不僅可以評估紅細胞分化成熟程度，還可作為評價相關(guān)疾病治療過程中藥物療效的代謝標志物，為以代謝靶向的紅細胞疾病治療策略的開發(fā)提供了新思路。
美國圣裘德兒童醫(yī)院徐劍教授和倪敏助理教授為該論文的共同通訊作者。徐劍教授團隊的呂軍華，顧志敏（西南醫(yī)學中心，現(xiàn)為中國醫(yī)學科學院系統(tǒng)醫(yī)學研究院/蘇州系統(tǒng)醫(yī)學研究所研究員）和張元女為論文的并列第一作者。圣裘德兒童醫(yī)院Mitchell J. Weiss課題組和西南醫(yī)學中心Ralph J. DeBerardinis課題組為該研究提供了大力支持和幫助。
原文鏈接： https://doi.org/10.1126/science.adh9215
來源：BioArt
徐劍教授本科和碩士畢業(yè)于復旦大學，加州大學洛杉磯分校獲博士學位，博士后師從哈佛醫(yī)學院Dr. Stuart Orkin進行造血干細胞的表觀遺傳調(diào)控和BCL11A介導的血紅珠蛋白基因調(diào)控機制的研究。研究成果以第一或共同第一作者發(fā)表在Nature和Science等期刊上?；谒麄儗ρt珠蛋白基因調(diào)控機制的系列基礎(chǔ)研究，CRISPR介導的BCL11A增強子基因治療血紅珠蛋白疾?。ㄧ牭缎载氀偷刂泻Ｘ氀┯?023年獲得歐洲和美國FDA批準, 成為首個CRISPR技術(shù)應用于人類疾病的基因療法。徐劍教授于2014年加入西南醫(yī)學中心（UT Southwestern Medical Center）建立研究團隊，2023年加入圣裘德兒童醫(yī)院（St. Jude Children’s Research Hospital），主要從事腫瘤基因組學，基因表達調(diào)控，表觀遺傳學和腫瘤代謝的研究。近幾年以通訊作者在Cell，Science，Cancer Discovery，Nature Cell Biology，Nature Genetics和 Nature Metabolism等期刊上發(fā)表多篇高水平研究論文。課題組培養(yǎng)的博士后在多個領(lǐng)域開展獨立科研工作，團隊誠邀優(yōu)秀博士后加盟，歡迎聯(lián)系（www.stjude.org/xu-j）
參考文獻
1. Orkin, S.H. and L.I. Zon, Hematopoiesis: an evolving paradigm for stem cell biology. Cell, 2008. 132(4): p. 631-44.
2. Palis, J., Ontogeny of erythropoiesis. Curr Opin Hematol, 2008. 15(3): p. 155-61.
3. Kumada, Y., et al., Evolution of the glutamine synthetase gene, one of the oldest existing and functioning genes. Proc Natl Acad Sci U S A, 1993. 90(7): p. 3009-13.
4. Pesole, G., et al., Glutamine synthetase gene evolution: a good molecular clock. Proc Natl Acad Sci U S A, 1991. 88(2): p. 522-6.
5. Dimski, D.S., Ammonia metabolism and the urea cycle: function and clinical implications. J Vet Intern Med, 1994. 8(2): p. 73-8.
6. Spinelli, J.B., et al., Metabolic recycling of ammonia via glutamate dehydrogenase supports breast cancer biomass. Science, 2017. 358(6365): p. 941-946.
原標題：《【前沿進展】Science丨徐劍團隊報道谷氨酰胺代謝轉(zhuǎn)換在紅細胞發(fā)育與疾病中的關(guān)鍵作用》
