健康人體內(nèi)紅細(xì)胞的數(shù)量約為20-30萬(wàn)億，占人體細(xì)胞總數(shù)的80%左右，每秒新生成約240萬(wàn)個(gè)成熟紅細(xì)胞，以維持氣體交換、代謝平衡等關(guān)鍵生理功能。紅細(xì)胞生成（erythropoiesis）起始于多能造血干細(xì)胞（HSC）向紅系前體細(xì)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(xì)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(guò)程中精細(xì)的代謝調(diào)控，在確保細(xì)胞快速增殖和特化的同時(shí)生成功能性成熟紅細(xì)胞。許多代謝酶的基因缺陷（如葡萄糖-6-磷酸脫氫酶）會(huì)引發(fā)紅細(xì)胞功能異常，常見(jiàn)的紅細(xì)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(xì)胞發(fā)育和成熟過(guò)程中的代謝調(diào)控機(jī)制及其在疾病中的代謝重編程，有助于加深對(duì)正常細(xì)胞發(fā)育過(guò)程的理解，并為紅細(xì)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(guó)圣裘德兒童醫(yī)院徐劍（Jian Xu）團(tuán)隊(duì)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(xì)胞的定向分化和成熟過(guò)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(qiáng)有助于降解血紅素生物合成過(guò)程中產(chǎn)生的毒性銨離子，以促進(jìn)紅細(xì)胞的發(fā)育成熟。而在β-地中海貧血中，由于氧化應(yīng)激引起的谷氨酰胺合成酶活性受損，導(dǎo)致谷氨酸和銨離子的累積。增強(qiáng)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(xì)胞在正常發(fā)育和相關(guān)疾病中的代謝調(diào)控機(jī)制，也為未來(lái)基于代謝靶向的紅細(xì)胞疾病治療策略的開(kāi)發(fā)提供了新的研究思路。

研究人員在紅細(xì)胞定向分化和成熟過(guò)程中各個(gè)階段分析了基因轉(zhuǎn)錄和代謝水平的變化，并通過(guò)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(xì)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(xì)胞分化過(guò)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(xì)胞質(zhì)中催化谷氨酸和銨離子結(jié)合生成谷氨酰胺。進(jìn)一步研究顯示，特異性敲除血液前體細(xì)胞和紅系前體細(xì)胞中的谷氨酰胺合成酶會(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞分化受阻、銨離子累積以及細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）增加。在氧化劑苯肼誘導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致紅細(xì)胞恢復(fù)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(guò)程如何促進(jìn)病理性紅細(xì)胞生成，研究人員對(duì)正常和β-地中海貧血小鼠的紅系細(xì)胞進(jìn)行了代謝組學(xué)分析。結(jié)果表明，β-地中海貧血小鼠的紅系細(xì)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(xì)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(xì)胞中也觀(guān)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(guān)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(xì)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(guò)量的游離α-珠蛋白、血紅素和鐵的累積導(dǎo)致細(xì)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(jìn)一步的蛋白質(zhì)譜分析證實(shí)，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(qiáng)谷氨酰胺合成酶活性的同時(shí)，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(yīng)升高，以及紅細(xì)胞分化和成熟得到改善。與之類(lèi)似，在β-地中海貧血小鼠的多能造血干/祖細(xì)胞中過(guò)表達(dá)谷氨酰胺合成酶后進(jìn)行受體移植實(shí)驗(yàn)，也證實(shí)增強(qiáng)谷氨酰胺合成酶活性能夠部分恢復(fù)受體鼠內(nèi)ROS和銨離子的水平，促進(jìn)紅細(xì)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，紅細(xì)胞分化成熟過(guò)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(dǎo)致紅系細(xì)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(lèi)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(guò)表達(dá)處理、或臨床一線(xiàn)藥物羅特西普（Reblozyl，Luspatercept）治療后，同樣可以觀(guān)察到紅系細(xì)胞中谷氨酸含量和谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值的相應(yīng)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(píng)估紅細(xì)胞正?；蚴钱惓０l(fā)育的代謝標(biāo)志物。同時(shí)，監(jiān)測(cè)谷氨酸的含量或是谷氨酰胺與谷氨酸（Q-E）比值，對(duì)評(píng)估紅細(xì)胞的成熟度和評(píng)價(jià)藥物療效方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

在紅細(xì)胞成熟過(guò)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(yīng)生成5-氨基乙酰丙酸（5-ALA）。隨后在細(xì)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(gè)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(rèn)為是一個(gè) “分子時(shí)鐘”【3，4】。谷氨酰胺合成酶通過(guò)ATP水解將谷氨酸與銨離子結(jié)合生成谷氨酰胺。哺乳動(dòng)物通常依賴(lài)谷氨酰胺合成酶活性和尿素循環(huán)來(lái)去除多余的銨離子【5，6】。然而，紅細(xì)胞中并不表達(dá)關(guān)鍵的尿素循環(huán)酶，如氨基甲酰磷酸合成酶1（CPS1）、鳥(niǎo)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(cè)紅細(xì)胞成熟過(guò)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(jìn)化保守的代謝適應(yīng)機(jī)制來(lái)支持血紅蛋白的合成和紅細(xì)胞的成熟。進(jìn)一步的[15N]標(biāo)記的5-氨基乙酰丙酸體內(nèi)示蹤實(shí)驗(yàn)證實(shí)，紅細(xì)胞成熟過(guò)程中，活化的谷氨酰胺合成酶利用血紅素生物合成過(guò)程中產(chǎn)生的銨離子催化谷氨酸生成谷氨酰胺，從而保護(hù)紅細(xì)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(xì)胞發(fā)育和疾病中的作用模式圖

綜上所述，在紅細(xì)胞分化成熟過(guò)程中，谷氨酰胺合成酶的表達(dá)逐漸上調(diào)，催化谷氨酰胺分解的酶類(lèi)逐漸下調(diào)，導(dǎo)致谷氨酰胺含量增加、谷氨酸含量減少。隨著紅細(xì)胞的分化成熟，血紅素合成過(guò)程中會(huì)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(qiáng)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(duì)于解毒血紅素合成時(shí)產(chǎn)生的銨離子和促進(jìn)紅細(xì)胞的分化成熟至關(guān)重要（圖1）。在β-地中海貧血的紅系細(xì)胞中，過(guò)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(huì)促使谷氨酰胺合成酶受氧化損傷，進(jìn)而導(dǎo)致其活性受損，最終造成紅系細(xì)胞中谷氨酸和銨離子的累積。銨離子的累積則進(jìn)一步加劇氧化應(yīng)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(yīng)激損傷的惡性循環(huán)。通過(guò)抗氧化劑或蛋白過(guò)表達(dá)增強(qiáng)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(xì)胞成熟。因此，監(jiān)測(cè)谷氨酰胺合成代謝水平，不僅可以評(píng)估紅細(xì)胞分化成熟程度，還可作為評(píng)價(jià)相關(guān)疾病治療過(guò)程中藥物療效的代謝標(biāo)志物，為以代謝靶向的紅細(xì)胞疾病治療策略的開(kāi)發(fā)提供了新思路。

美國(guó)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(tuán)隊(duì)的呂軍華，顧志敏（西南醫(yī)學(xué)中心，現(xiàn)為中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究院/蘇州系統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究所研究員）和張?jiān)疄檎撐牡牟⒘械谝蛔髡?。圣裘德兒童醫(yī)院Mitchell J. Weiss課題組和西南醫(yī)學(xué)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(lái)源：BioArt

徐劍教授本科和碩士畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，加州大學(xué)洛杉磯分校獲博士學(xué)位，博士后師從哈佛醫(yī)學(xué)院Dr. Stuart Orkin進(jìn)行造血干細(xì)胞的表觀(guān)遺傳調(diào)控和BCL11A介導(dǎo)的血紅珠蛋白基因調(diào)控機(jī)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?duì)血紅珠蛋白基因調(diào)控機(jī)制的系列基礎(chǔ)研究，CRISPR介導(dǎo)的BCL11A增強(qiáng)子基因治療血紅珠蛋白疾病（鐮刀性貧血和地中海貧血）于2023年獲得歐洲和美國(guó)FDA批準(zhǔn), 成為首個(gè)CRISPR技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)疾病的基因療法。徐劍教授于2014年加入西南醫(yī)學(xué)中心（UT Southwestern Medical Center）建立研究團(tuán)隊(duì)，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(xué)，基因表達(dá)調(diào)控，表觀(guān)遺傳學(xué)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(gè)領(lǐng)域開(kāi)展獨(dú)立科研工作，團(tuán)隊(duì)誠(chéng)邀優(yōu)秀博士后加盟，歡迎聯(lián)系（www.stjude.org/xu-j）

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原標(biāo)題：《【前沿進(jìn)展】Science丨徐劍團(tuán)隊(duì)報(bào)道谷氨酰胺代謝轉(zhuǎn)換在紅細(xì)胞發(fā)育與疾病中的關(guān)鍵作用》