鉴定人类胞内及分泌蛋白质组中常见的血红素配位多态性变异

《Gene》：Identification of common heme-coordinating polymorphisms in human intracellular and secreted proteomes

　　• 使用HeMoQuest-WESA引擎分析了2,915个细胞内和分泌到细胞外的独特UniProt审核条目。• 鉴定了808个具有推测性血红素配位变异的血红素结合蛋白（HeBPs）。• 其中44个变异代表世界人口中常见的多态性（≥5%小等位基因频率，MAF）。• 引入的替代基团可能消除或扭曲血红素结合相互作用，并影响蛋白质的整体活性。• 这些变异中有多个与已报告的临床病理相关联。• 在欧洲（EUR）和南亚（SAS）人群中常见的7个变异，在非洲（AFR）和/或东亚（EAS）人群中显示出小等位基因频率的急剧下降（C8G: rs17613, CFH: rs1061170, NODAL: rs1904589, RAET1E: rs2151910 和 WFDC5: rs17422688）或减少（CYP4F11: rs8104361, TMPRSS11E: rs2603188）。• 这种下调可能反映了免疫和代谢适应，并突显了血红素与铁作为蛋白质相互作用的表观遗传介导剂的作用。引言血红素（铁-原卟啉IX）作为血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和酶等重要血红蛋白中的辅基，是氧气（O?）、一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）的必需载体（Wyman, 1948）（Ponka, 1999）（Ajioka et al., 2006）（Tsiftsoglou et al., 2006）（Gallio et al., 2021）。此外，还有许多其他血红素结合蛋白（HeBPs）与"游离血红素"（或不稳定血红素）短暂相互作用，并参与多种血红素介导的生物过程。这些成员促进了多种生化过程，包括：线粒体中血红素的从头生物合成（Laskey et al., 1986）（Ponka, 1997）（Swenson et al., 2020）（Dunaway et al., 2024），血红素氧合酶（HOs）将其分解为胆红素和CO?的分解过程（Maines, 1997）（Belcher et al., 2010）（Gozzelino et al., 2010）（Wegiel et al., 2014）（Duvigneau et al., 2019），细胞降解期间释放的外部血红素在组织中的输入和/或通过营养供应（Leung et al., 2021），红细胞生成调节（Tsiftsoglou et al., 2006），线粒体生物能量学和呼吸作用，蛋白质生物合成（Hunt et al., 1972），细胞信号传导和感觉通路（Hou et al., 2006）（Georgiou-Siafis and Tsiftsoglou, 2020），通过泛素化的蛋白水解作用（Ishikawa et al., 2005），以及其他过程（Chambers et al., 2021）（Gallio et al., 2021）。不幸的是，尽管血红素对细胞稳态至关重要，但作为一种强效氧化剂，它可能形成活性氧物种（ROS），导致细胞应激、坏死性凋亡和/或铁死亡，从而引发溶血、中风、炎症和其他不良综合征（Chiabrando et al., 2014）（Shimizu et al., 2019）（Georgiou-Siafis and Tsiftsoglou, 2020）。在健康状态下，血红素的生物合成、含量和细胞内分布由一个由不同分类的血红素结合蛋白组成的广泛网络维持（Latunde-Dada et al., 2006）（Severance and Hamza, 2009）（Hamza and Dailey, 2012）（Chiabrando et al., 2014）（Reddi and Hamza, 2016）（Chambers et al., 2021）（Leung et al., 2021），这些蛋白近年来已通过先进的蛋白质组学和计算分析在生化上分离和鉴定（Homan et al., 2022）（Roumenina and Dimitrov, 2022）（Tsolaki et al., 2022）（Kim et al., 2023）（Tsiftsoglou and Tsiftsoglou, 2025）。在血浆中，血红素被赤蛋白结合蛋白（HPX，UniProt: P02790）（Hvidberg et al., 2005）和白蛋白（ALB，UniProt: P02768）（De Simone et al., 2023）隔离，它还可以与循环中的其他蛋白质相互作用，包括低密度脂蛋白（LDL）（De Simone et al., 2023）、补体成分（Gerogianni et al., 2022）以及其他尚未充分探索的蛋白质。这些蛋白质含有血红素结合基序（HBMs），以不同的亲和力可逆地结合血红素（Chambers et al., 2021）（Gallio et al., 2021）（Rathod et al., 2023）（Marson et al., 2024）。因此，血红素结合蛋白影响细胞内特定亚细胞器、区室和细胞外空间中的血红素含量和隔离。与应激相关的血红素代谢缺陷和/或血红素结合蛋白的生殖系突变可能导致多种严重的血红素相关病理（Chiabrando et al., 2014）。最近报告称，在狼疮相关溶血期间，细胞外血红素-DNA复合物会促进氧化应激和炎症（Janovicova et al., 2026）。在本研究中，我们向前推进了之前的细胞内血红素结合蛋白工作（Tsiftsoglou and Tsiftsoglou, 2025），并涵盖数百个额外的编目细胞内和分泌到细胞外的物种，旨在鉴定血红素结合基序中心血红素配位残基位置携带常见多态性（≥5%小等位基因频率）的血红素结合蛋白（Wi?brock et al., 2019）（Paul George et al., 2020）（Rathod et al., 2023）。从结构上看，血红素是一种四吡咯环分子，其中心整合了一个铁原子，该铁原子与不同的氨基酸残基如C、H、Y以及偶尔的M相互作用，要么通过与铁以混合或对称双配对形式通过两个血红素配位位置（H、M、C、Y）静电结合（Kleingardner and Bren, 2011）（Huang et al., 2014）（Verde et al., 2023）（Gudratova et al., 2026），要么通过其连接在原卟啉环结构侧链上的辅基取代基乙烯基共价结合（C、Y）（Kleingardner and Bren, 2011）（Yan et al., 2015）（Georgiou-Siafis et al., 2020）。C和Y与铁配位通常更强，因为与H和M的中性N和S原子相比，强大的阴离子供体S?和O?（Fufezan et al., 2008）。在这种情况下，H或M可以主要"配位共价结合"亚铁离子（Fe2?）或变化的铁状态，完全依赖中性不带电N或S供体的离子对供体，因此可以容纳较软的Fe2?离子而不会将其锁定在一种氧化状态。相比之下，C和Y与高铁离子（Fe3?）强配位，因为去质子化且带负电的S?和O?创建了一种离子和静电吸引，稳定了硬的高电荷Fe3?状态。血红素与配位残基之间分子相互作用的精确性质因局部基序架构和相互作用多肽链的动态构象而异。因此，血红素结合基序内的遗传变异，特别是在中心血红素配位位置，可能会扭曲基序与血红素的相互作用。血红素结合基序中的局部变化会影响给定血红素结合蛋白的整体功能活性，包括结构构象以及与其他伙伴和底物的相互作用。本研究检查了一个大的细胞内和分泌到细胞外的蛋白质组池（2,915个独特条目），并鉴定了808个至少携带一个血红素配位变异的蛋白质。在这些蛋白质中，我们绘制了44个蛋白质的图谱，它们至少在四种主要世界人群组（EUR（欧洲）、AFR（非洲）、EAS（东亚）和SAS（南亚））中的一种中具有至少一个这样的常见多态性（≥5%小等位基因频率）。其中，我们整理了临床相关的SNPs，并对一些选定的多态性，我们对其对应的MAF分布在四个世界组中对齐，以获得功能意义和适应进化的见解。章节片段选择用于HBM分析和数据挖掘的研究蛋白队列在本研究中，我们纳入了来自之前工作的807个细胞内蛋白质（Tsiftsoglou and Tsiftsoglou, 2025），这些蛋白质由于缺乏与病理的可用关联而未包含在原始研究中，以及UniProt数据库中的SL-0243细胞组分-分泌蛋白集合（https://www.uniprot.org/）（UniProt Consortium, 2025）（https://www.uniprot.org/locations/SL-0243），这是数据库中最大的具有细胞外区域（GO:0005576）的编目。HBM分析和中心血红素配位变异的映射SL-0243编目（2.1节）（2,143个独特条目）的使用，加上之前研究中未探索的大量细胞内条目（807个独特条目），使我们能够获得一个扩展的统一池，包含2,915个独特的UniProt审核人类条目，代表了所有20,352个人类蛋白质编码基因的将近14%（Pertea et al., 2018）。总共，76个条目因自然大小限制（>2000个残基）而被排除在HeMoQuest-WESA提交之外。结论性评论本手稿是一项资源工作，回顾和评估了利用策划数据库信息的真实人口数据。目前，这些努力引起了相当大的兴趣，因为多组学技术、人工智能（AI）和系统生物学正在汇聚，重塑生物医学研究景观并增强我们对疾病分子基础的理解（Vitorino and Ghavami, 2026）。我们的理性基序分析方法将基因组多样性与局部变化联系起来。资金来源本工作由塞萨洛尼基亚里士多德大学（AUTH）（ΠΔ 407/80）和国际希腊大学（IHU）向SAT提供的扩展初级教学奖学金资助。CRediT作者贡献声明Stefanos A. Tsiftsoglou：原创草稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Asterios S. Tsiftsoglou：审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，调查，概念化。利益冲突声明作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。致谢SAT感谢AUTH、IHU及其高级教职员工提供的教学奖学金。Stefanos A. Tsiftsoglou | Asterios S. Tsiftsoglou