GAPDH、Hsp90与一氧化氮协同调控亚铁血红素（heme）胞内运输的分子机制及其生理意义

本研究揭示了真核细胞中亚铁血红素（heme）从线粒体向胞质蛋白靶点定向运输的核心机制，发现糖酵解酶GAPDH（甘油醛-3-磷酸脱氢酶）作为关键分子伴侣介导heme运输，分子伴侣Hsp90（热休克蛋白90）驱动heme插入靶蛋白，而一氧化氮（NO）通过动态调控GAPDH-heme复合物平衡实现heme分配的精准调控。该研究为理解血红蛋白、细胞色素P450等关键蛋白功能调控提供了新范式。

　　

在真核细胞中，亚铁血红素（heme）作为铁-原卟啉IX复合物，是血红蛋白、细胞色素P450（CYP）等关键蛋白的必需辅基。然而长期以来，heme如何从线粒体合成部位定向运输至胞质靶蛋白的机制存在重大知识空白。更令人困惑的是，非红细胞中大多数hemeprotein（血红素蛋白）如肌红蛋白（Mb）、色氨酸双加氧酶（TDO）等普遍存在heme未饱和现象，提示细胞存在精细的heme分配调控系统。Dennis J. Stuehr团队通过二十年研究，首次解析了这一生命过程的核心机制。

研究人员发现细胞通过"三重调控"实现heme精准分配：线粒体膜转运蛋白FLVCR1b与TANGO2协作输出heme；糖酵解酶GAPDH意外扮演"分子出租车"角色，以68 nM亲和力结合heme形成运输中间体；而热休克蛋白Hsp90则作为"装配工"，通过ATP水解驱动heme插入靶蛋白。尤为精彩的是，一氧化氮（NO）被发现能双向调节这一过程：低浓度NO通过结合GAPDH-heme降低其稳定性，促进heme向靶蛋白转移；而高浓度NO则通过半胱氨酸亚硝基化（SNO）修饰GAPDH抑制运输功能。这种动态调控解释了炎症状态下hemeprotein功能紊乱的分子基础。

关键实验技术

研究采用多组学联用策略：构建TC-GAPDH（四半胱氨酸标签GAPDH）荧光报告系统实时监测细胞内heme-GAPDH动态；利用CRISPR/Cas9基因编辑构建H53A GAPDH（heme结合缺陷突变体）和FLVCR1b敲除细胞模型；通过表面等离子共振（SPR）和等温滴定量热法（ITC）定量蛋白互作；采用FlAsH标记技术实现单细胞水平heme分配可视化。

主要研究结果

1.1 Heme分配的热力学悖论

传统认为高亲和力hemeprotein应被heme饱和，但实际检测发现肝TDO仅30-40%饱和，CYP3A4在脑组织中仅42%饱和。这提示heme分配受动力学而非单纯热力学控制。

1.6 GAPDH的分子伴侣功能

GAPDH四聚体含两个heme结合位点（K_d=68 nM），其H53A突变体丧失heme运输能力但不影响糖酵解功能。TC-GAPDH示踪显示细胞常态下每5个GAPDH四聚体负载1个heme，刺激线粒体heme合成后可提升至0.6 heme/四聚体。

1.10 Hsp90的装配工角色

Hsp90以μM级亲和力结合apo-hemeprotein（如apo-sGC-β），ATP水解驱动构象变化使heme结合位点暴露。重构实验显示Hsp90可使sGC-β的heme结合速率提升2-3倍。

1.14 NO的双向调控

10 nM NO即可在秒级时间尺度触发heme从GAPDH向sGC-β转移；而100 μM NO通过C152 SNO修饰使GAPDH失活。TC-GAPDH实验证实NO可逆调控heme再分配：先加低NO使heme从GAPDH流向IDO1，再加高NO则发生逆向运输。

3 结论与展望

该研究建立了FLVCR1b-TANGO2/GAPDH/Hsp90/NO四元件调控网络模型，阐明细胞通过限制"游离heme"池实现heme安全运输的普适机制。特别重要的是，发现NO通过GAPDH-SNO/Trx1（硫氧还蛋白1）氧化还原开关实现heme分配的激素样调控，这为理解动脉粥样硬化等疾病中hemeprotein功能失调提供了新视角。未来研究可关注：①GAPDH运输通路的组织特异性差异；②Hsp90-client互作的结构基础；③微生物感染如何劫持宿主heme分配系统。该成果发表于《Journal of Inorganic Biochemistry》，为靶向heme运输通路治疗代谢性疾病开辟了新途径。