GAPDH与IDO1蛋白界面电荷互补配对介导血红素传递的分子机制及其在免疫调控中的意义

本研究揭示了糖酵解酶GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）通过直接接触和电荷配对（K101-D141）将血红素传递给吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）的分子机制，解决了细胞内血红素分配途径的关键问题。通过化学交联质谱和点突变实验，证实该相互作用对IDO1的成熟及免疫功能至关重要，为靶向IDO1的肿瘤免疫治疗提供了新思路。

　　

在生命活动中，血红素（Heme）作为铁-原卟啉IX复合物，是众多功能蛋白（如血红蛋白、细胞色素P450等）不可或缺的辅因子。然而，真核细胞中血红素的最后合成步骤发生在线粒体，而大量依赖血红素的蛋白质却分布在细胞其他区域，这引发了关键科学问题：血红素如何被精准运输至目标蛋白？近年研究发现，糖酵解途径中的"多面手"GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）竟扮演着细胞内血红素分子伴侣的角色，但其传递机制始终成谜。

针对这一空白，研究人员聚焦于GAPDH与免疫调控关键酶IDO1（吲哚胺2,3-双加氧酶1）的相互作用。IDO1通过催化色氨酸代谢产物调控免疫应答和肿瘤进程，其活性直接取决于血红素获取能力。发表在《Journal of Biological Chemistry》的这项研究，首次揭示了GAPDH通过特异性电荷配对将血红素"亲手"传递给IDO1的分子机制。

研究团队运用化学交联质谱（XL-MS）锁定GAPDH与IDO1的相互作用界面，结合ColabFold和HADDOCK建模发现K101（IDO1）与D141（GAPDH）形成关键电荷对。通过构建K101A/D和D141R等突变体，在HEK293T细胞中证实该相互作用对血红素传递的决定性作用。当反向电荷突变体K101D-IDO1与D141R-GAPDH共表达时，血红素传递功能神奇恢复，犹如"磁极翻转后重新相吸"。

GAPDH可将血红素转移至apo-IDO1
体外实验显示，预载血红素的TC-GAPDH（含四半胱氨酸报告标签）与apo-IDO1孵育后，50%血红素转移至IDO1并使其活性倍增。FlAsH荧光标记证实血红素转移的动态过程。

MS可裂解交联技术鉴定GAPDH-apo-IDO1复合物界面
DSSO交联剂捕获到K101（IDO1）与K334（GAPDH）的跨蛋白连接，为建模提供空间约束。质谱鉴定出3个跨蛋白交联位点，揭示界面残基的纳米级邻近关系。

IDO1的K101调控其与GAPDH相互作用及血红素获取
K101A/D突变使IDO1与GAPDH结合能力下降50%，导致细胞中血红素掺入量减少68%。关键的是，外源添加血红素可恢复突变体活性，证实缺陷源于传递障碍而非催化功能异常。

GAPDH-IDO1复合物结构模型揭示电荷配对伙伴
计算模型显示IDO1的K101与GAPDH的酸性残基E138/D141构成电荷网络。进化分析表明该位点在物种间高度保守，暗示机制普适性。

GAPDH的D141电荷反转损害其与IDO1相互作用
D141R突变使GAPDH与IDO1结合减少65%，且无法挽救GAPDH敲低细胞的IDO1活性缺陷。值得注意的是，该突变对另一血红素受体TDO（色氨酸双加氧酶）无影响，揭示相互作用的特异性。

电荷反转互补实验验证界面相互作用
当K101D-IDO1与D141R-GAPDH这对"极性反转"突变体共表达时，复合物形成和血红素传递功能完全恢复，犹如"负负得正"，强有力地证实电荷配对的核心作用。

这项研究不仅阐明了IDO1功能成熟的关键步骤，更开创性地描绘了GAPDH作为血红素"快递员"的工作机制。其意义在于：

1. 机制创新：首次证实GAPDH通过直接接触而非中间蛋白传递血红素，颠覆了传统认知；
2. 治疗靶点：IDO1在肿瘤免疫逃逸中起核心作用，靶向其血红素获取界面可开发新型免疫调节剂；
3. 范式推广：该机制可能适用于GAPDH与其他血红素蛋白的互作，为细胞金属离子分配研究提供范式。

特别值得注意的是，生理条件下IDO1常处于血红素缺乏状态，该研究为理解NO（一氧化氮）等信号分子通过调控GAPDH-IDO1相互作用影响免疫应答（如肿瘤微环境）提供了分子基础。未来针对这一通路的干预，或将成为突破肿瘤免疫治疗瓶颈的新策略。