《Prostaglandins & Other Lipid Mediators》：Lipocalin Prostaglandin D? Synthase (L-PGDS) Deficiency Disrupts Heme Catabolism and Iron Homeostasis in Mice
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研究显示，脂ocalin前列腺素D?合成酶（L-PGDS）缺失的小鼠存在铁代谢异常，表现为脾脏铁积累、血浆游离血红素减少及红细胞体积增大。转录和蛋白分析表明NRF2及FPN等铁调节基因表达失衡，提示L-PGDS在稳定血红素分解中间体和促进铁回收中起关键缓冲作用。
马修·史蒂文森（Matthew Stevenson）| 布莱恩·陈（Bryan Chen）| 安基塔·斯里瓦斯塔瓦（Ankita Srivastava）| 克里斯·霍尔（Chris Hall）| 路易斯·拉戈利亚（Louis Ragolia）
美国纽约大学格罗斯曼长岛医学院基础医学系，纽约州米尼奥拉
摘要
红细胞（RBCs）的有效回收不仅需要血红素（heme）的裂解，还需要在铁释放过程中产生的活性中间体的稳定。脂钙素前列腺素D?合成酶（L-PGDS，一种β-微量蛋白），主要以前列腺素的合成而闻名，其结构和生化特性表明它可能在血红素代谢中起缓冲作用。在本研究中，我们发现L-PGDS基因敲除的小鼠表现出血浆中铁含量升高、脾脏中铁总量增加、肝脏中铁总量减少、血浆中游离血红素/血红素原（free heme/hemin）水平降低以及红细胞体积略有增大，这些现象都与铁释放受阻有关。关键铁调节因子（如NRF2和FPN）的转录-蛋白质表达异常进一步表明存在氧化还原失衡和铁感知能力受损。尽管Hmox1的表达正常，但这些小鼠仍表现出卟啉清除效率低下的现象。结合先前的研究结果（L-PGDS能与铁胆绿素结合并在血红素过载时上调），我们的研究支持这样一个模型：L-PGDS通过缓冲卟啉中间体来促进其安全代谢和清除。本研究将L-PGDS确定为血红素代谢中的一个辅助因子，这对铁的回收、红细胞生成（erythropoiesis）和全身铁稳态具有重要意义。本报告中的所有数据均来自雄性小鼠。
引言
有效回收衰老的红细胞（RBCs）对于维持全身铁稳态和避免有毒血红素的积累至关重要。专门的巨噬细胞负责摄取和分解老化红细胞，将铁重新输送到骨髓以支持持续的红细胞生成过程[1]。诸如血红素加氧酶1和2（HMOX1/2）以及胆绿素还原酶（BLVR）等酶可以裂解血红素并将其转化为胆红素[2]，但围绕这些反应的几个氧化还原敏感步骤仍不完全清楚。在HO-1发挥作用之前，血红素底物必须先被氧化为铁离子状态。环状开链的中间体（如verdohemochrome IXα）可能需要其他蛋白质的稳定或重构才能进一步处理[3]。一旦形成，胆绿素产物也需要被保护并传递给BLVR进行进一步处理。这些步骤表明辅助蛋白的参与，这些蛋白不仅在最终的铁释放步骤中发挥作用，可能在整个代谢过程中都起到关键作用。
脂钙素前列腺素D?合成酶（L-PGDS），也称为β-微量蛋白，被认为是这类辅助蛋白的候选者之一。L-PGDS主要以将PGH?异构化为前列腺素D?（PGD?）而闻名[4]、[5]、[6]，它具有双重结构域：一个催化口袋（位点1）位于Cys65处，另一个脂钙素型口袋（位点2）能够结合疏水性和卟啉类配体[7]、[8]、[9]。这个第二个口袋使L-PGDS能够与铁胆绿素和其他环状开链卟啉相互作用，暗示其可能参与血红素的降解过程。结构和生化证据进一步支持其通过伪过氧化物酶活性来缓冲活性卟啉中间体的能力[10]，其与HO-1的共定位也表明其靠近关键代谢步骤[11]。
L-PGDS还与参与铁调节的脂钙素具有高度同源性，包括铁调素（LCN2）和α-1-微球蛋白（A1m）[12]。与L-PGDS类似，这些蛋白质也能结合血红素或类似卟啉的分子，并调节铁的储存或解毒[13]、[14]、[15]。例如，A1m可以稳定血红素并降低其活性中心，而LCN2缺陷的小鼠表现出血浆中铁含量降低但组织中铁滞留增加[16]、[17]。这一脂钙素亚家族中反复出现的铁相关功能表明L-PGDS可能也具有类似的保守作用。
在这里，我们研究了L-PGDS缺失是否会影响敲除小鼠的全身铁平衡、红细胞更新速率和组织中铁分布。研究结果表明，L-PGDS缺失会导致血浆和脾脏中铁含量升高、肝脏中铁储存减少、血浆中游离血红素/血红素原水平降低以及红细胞体积略有增大，同时铁相关基因的转录和蛋白质表达也发生变化。这些发现支持L-PGDS通过缓冲活性卟啉中间体来促进铁的有效回收和红细胞来源的血红素周转的模型。这种缓冲作用可能有助于协调中间体的稳定、减轻局部氧化应激，并促进血红素代谢过程中的底物转移。
实验部分
实验动物
实验使用了8周大的雄性C57BL/6野生型小鼠（n = 12）和L-PGDS基因敲除小鼠（n = 12）。野生型小鼠来自杰克逊实验室（Farmington, CT），L-PGDS基因敲除小鼠是根据先前方法生成的[18]，由大阪生物科学研究所提供并在本实验室饲养。所有小鼠单独饲养在温度控制（21–23°C）的环境中，遵循12小时光照/黑暗周期，并可自由摄取标准饲料（Teklad 8604）。
L-PGDS缺失会损害脾脏中的血红素代谢并影响红细胞更新速率
为了评估L-PGDS缺失对红细胞处理的影响，我们首先测量了脾脏中的铁含量。L-PGDS基因敲除小鼠的脾脏铁含量显著高于野生型对照组（图1A）。为了进一步研究脾脏中铁含量的升高，我们检测了参与血红素代谢和铁处理的基因表达（图1B）。L-PGDS敲除小鼠表现出Nfe2l2（Nrf2）基因表达降低，Nrf2是一种抗氧化和铁稳态基因的转录调节因子[19]。
讨论
我们的研究结果表明，L-PGDS在血红素代谢过程中起到氧化还原缓冲作用，通过稳定活性卟啉中间体来促进铁的释放。尽管L-PGDS的精确生化功能尚未完全明确，但基因敲除小鼠表现出一致且稳定的表型特征，包括铁分布异常、血红素水平降低以及铁处理相关基因的表达改变。这种缓冲功能可能有助于协调卟啉的氧化、环状裂解和运输过程。
CRediT作者贡献声明
克里斯托弗·E·霍尔（Christopher E. Hall）： 方法学设计。安基塔·斯里瓦斯塔瓦（Ankita Srivastava）： 文章撰写、审阅与编辑、方法学设计。路易斯·拉戈利亚（Louis Ragolia）： 文章撰写、审阅与编辑、数据可视化、实验监督、资源管理、项目协调、资金申请、数据分析、数据管理、概念构思。布莱恩·陈（Bryan Chen）： 文章撰写、审阅与编辑、方法学设计。马修·史蒂文森（Matthew Stevenson）： 文章撰写、审阅与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据分析、数据管理。
