生物技术进展 ›› 2023, Vol. 13 ›› Issue (4): 499-508.DOI: 10.19586/j.2095-2341.2023.0044
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李骏, 宋怡菲, 仪杨, 马晨, 张黄子怡, 杜琳琳, 李峻宇, 谢飞(), 马雪梅(
)
收稿日期:
2023-03-31
接受日期:
2023-05-04
出版日期:
2023-07-25
发布日期:
2023-08-03
通讯作者:
谢飞,马雪梅
作者简介:
第一联系人:李俊E-mail: Lijun199907@163.com
基金资助:
Jun LI, Yifei SONG, Yang YI, Chen MA, Ziyi ZHANG⁃HUANG, Linlin DU, Junyu LI, Fei XIE(), Xuemei MA(
)
Received:
2023-03-31
Accepted:
2023-05-04
Online:
2023-07-25
Published:
2023-08-03
Contact:
Fei XIE,Xuemei MA
摘要:
气体信号分子包括一氧化氮、一氧化碳和硫化氢等,在调节血管扩张、神经传递、血小板凝集、免疫、细胞增殖和线粒体呼吸等生理过程中起着至关重要的作用。已有研究表明细胞中的血红素蛋白是气体信号分子的主要受体之一,它们都有共同的辅因子——血红素。血红素由4个吡咯类亚基组成的环状结构,中心螯合了1个亚铁离子的基团,是血红蛋白、肌红蛋白、过氧化物酶、细胞色素等蛋白质的辅基,中间的亚铁离子可以和气体信号分子配位结合,广泛地参与生物体内各项生理活动。对气体信号分子作用的血红素蛋白种类以及下游通路进行了综述,以期为深入研究其作用机制提供参考。
中图分类号:
李骏, 宋怡菲, 仪杨, 马晨, 张黄子怡, 杜琳琳, 李峻宇, 谢飞, 马雪梅. 气体信号分子的血红素蛋白靶点研究进展[J]. 生物技术进展, 2023, 13(4): 499-508.
Jun LI, Yifei SONG, Yang YI, Chen MA, Ziyi ZHANG⁃HUANG, Linlin DU, Junyu LI, Fei XIE, Xuemei MA. Research Progress on Heme Protein Targets of Gas Signaling Molecules[J]. Current Biotechnology, 2023, 13(4): 499-508.
蛋白名称 | 参与的生理学过程 | 蛋白分布情况 | 发挥作用的方式 |
---|---|---|---|
CLOCK/BMAL1异源二聚体 | 调节生物体节律 | 哺乳动物 | 通过蛋白质之间相互作用 |
组氨酸激酶 | 调节细菌休眠 | 细菌 | 通过磷酸化的传递 |
鸟苷酸环化酶 | 调控血管内壁压力 | 哺乳动物 | 通过胞内信使传导信号 |
血红蛋白、肌红蛋白 | 负责在体内运输氧气 | 动物 | 通过血红素中的铁离子可逆结合 |
细胞色素类蛋白 | 负责传递电子,参与生物氧化 | 动物、植物 | 通过血红素中铁离子的还原态和氧化态之间的可逆变化 |
表1 血红素蛋白参与的相关生理过程
Table 1 The involvement of heme proteins in related physiological processes
蛋白名称 | 参与的生理学过程 | 蛋白分布情况 | 发挥作用的方式 |
---|---|---|---|
CLOCK/BMAL1异源二聚体 | 调节生物体节律 | 哺乳动物 | 通过蛋白质之间相互作用 |
组氨酸激酶 | 调节细菌休眠 | 细菌 | 通过磷酸化的传递 |
鸟苷酸环化酶 | 调控血管内壁压力 | 哺乳动物 | 通过胞内信使传导信号 |
血红蛋白、肌红蛋白 | 负责在体内运输氧气 | 动物 | 通过血红素中的铁离子可逆结合 |
细胞色素类蛋白 | 负责传递电子,参与生物氧化 | 动物、植物 | 通过血红素中铁离子的还原态和氧化态之间的可逆变化 |
气体信号分子 | 结合的血红素蛋白 | 结合位点 | 如何诱导构象变化 | 产生的生理功能 |
---|---|---|---|---|
NO | 鸟苷酸环化酶(sGC) | 血红素中的Fe2+ | 2个亚基的催化结构域之间发生了扭转,底物结合口袋打开,并催化GTP形成cGMP | 激活sGC活性,调节生物体血压 |
血红素一氧化氮/氧结合蛋白(H⁃NOX) | 血红素中的Fe2+ | 引起蛋白质N端半部分的移位,导致H⁃NOX整体的构象发生变化 | 调控细菌生物膜形成 | |
NO敏感蛋白(NosP) | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 调控细菌生物膜扩散 | |
CO | sGC | 血红素中的Fe2+ | 2个亚基的催化结构域之间发生了扭转,底物结合口袋打开,并催化GTP形成cGMP | 激活sGC活性 |
CO氧化激活剂(CooA) | 血红素中的Fe2+ | N末端经过大的重新定位 | 激活负责CO氧化的酶转录 | |
RcoM | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 参与细菌内CO氧化功能 | |
胱硫醚β⁃合酶(CBS) | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 抑制CBS活性 | |
H2S | 未发现 | 未知 | 未知 | 动物:舒张血管、降低血压;植物:调节气孔运动、促进根的发育、种子萌发、光合作用等 |
表2 气体信号分子对血红素蛋白的识别
Table 2 Recognition of heme protein by gas signal molecules
气体信号分子 | 结合的血红素蛋白 | 结合位点 | 如何诱导构象变化 | 产生的生理功能 |
---|---|---|---|---|
NO | 鸟苷酸环化酶(sGC) | 血红素中的Fe2+ | 2个亚基的催化结构域之间发生了扭转,底物结合口袋打开,并催化GTP形成cGMP | 激活sGC活性,调节生物体血压 |
血红素一氧化氮/氧结合蛋白(H⁃NOX) | 血红素中的Fe2+ | 引起蛋白质N端半部分的移位,导致H⁃NOX整体的构象发生变化 | 调控细菌生物膜形成 | |
NO敏感蛋白(NosP) | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 调控细菌生物膜扩散 | |
CO | sGC | 血红素中的Fe2+ | 2个亚基的催化结构域之间发生了扭转,底物结合口袋打开,并催化GTP形成cGMP | 激活sGC活性 |
CO氧化激活剂(CooA) | 血红素中的Fe2+ | N末端经过大的重新定位 | 激活负责CO氧化的酶转录 | |
RcoM | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 参与细菌内CO氧化功能 | |
胱硫醚β⁃合酶(CBS) | 血红素中的Fe2+ | 未知 | 抑制CBS活性 | |
H2S | 未发现 | 未知 | 未知 | 动物:舒张血管、降低血压;植物:调节气孔运动、促进根的发育、种子萌发、光合作用等 |
细菌名称 | 拉丁文名 | NosP种类 | 氨基酸数目 | 结合血红素数目 | 是否含有H⁃NOX |
---|---|---|---|---|---|
铜绿假单胞菌 | Pseudomonas aeruginosa | 1 | 387 | 1 | 否 |
霍乱弧菌 | Vibrio cholerae | 2 | 405/395 | 1/1 | 否 |
希瓦氏菌 | Shewanella oneidensis | 1 | 395 | 1 | 否 |
嗜肺军团菌 | Legionella pneumophila | 1 | 388 | 1 | 是 |
表3 目前已知含有NosP的细菌种类
Table 3 Currently known bacterial species containing NosP
细菌名称 | 拉丁文名 | NosP种类 | 氨基酸数目 | 结合血红素数目 | 是否含有H⁃NOX |
---|---|---|---|---|---|
铜绿假单胞菌 | Pseudomonas aeruginosa | 1 | 387 | 1 | 否 |
霍乱弧菌 | Vibrio cholerae | 2 | 405/395 | 1/1 | 否 |
希瓦氏菌 | Shewanella oneidensis | 1 | 395 | 1 | 否 |
嗜肺军团菌 | Legionella pneumophila | 1 | 388 | 1 | 是 |
名称 | 拉丁文名 | 呼吸类型 | 含有RcoM的种类 | 生理功能 |
---|---|---|---|---|
艾氏碱菌 | Alcinella ehrlichei | 需氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
异种伯克霍尔德菌 | Burkholderia xenovorans | 需氧 | 2 | 参与CO氧化功能 |
皮氏地杆菌 | Geobacter sp. strain FRC⁃32 | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
硫还原土杆菌 | Geobacterium sulfurreducens | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
还原铀地杆菌 | G. uraniumreducens | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
甲醇假单胞菌 | Pseudomonas carbinolinicus | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
茎瘤固氮根瘤菌 | Azorhizobium caulinodans | 需氧 | 1 | 功能未知 |
自养黄杆菌 | Xanthobacter autotrophicus | 需氧 | 1 | 功能未知 |
磁性磁螺菌 | Magnetospirillum magneticum | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
格瑞菲斯瓦尔德磁螺菌 | Magnetospirillum magnetotacticum | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
磁螺菌 | Magnetospirillum gryphiswaldense | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
深红红螺菌 | Rhodospirillum rubrum | 厌氧 | 1 | 功能未知 |
表4 目前已经报道的RcoM
Table 4 Currently reported RcoM
名称 | 拉丁文名 | 呼吸类型 | 含有RcoM的种类 | 生理功能 |
---|---|---|---|---|
艾氏碱菌 | Alcinella ehrlichei | 需氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
异种伯克霍尔德菌 | Burkholderia xenovorans | 需氧 | 2 | 参与CO氧化功能 |
皮氏地杆菌 | Geobacter sp. strain FRC⁃32 | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
硫还原土杆菌 | Geobacterium sulfurreducens | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
还原铀地杆菌 | G. uraniumreducens | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
甲醇假单胞菌 | Pseudomonas carbinolinicus | 厌氧 | 1 | 参与CO氧化功能 |
茎瘤固氮根瘤菌 | Azorhizobium caulinodans | 需氧 | 1 | 功能未知 |
自养黄杆菌 | Xanthobacter autotrophicus | 需氧 | 1 | 功能未知 |
磁性磁螺菌 | Magnetospirillum magneticum | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
格瑞菲斯瓦尔德磁螺菌 | Magnetospirillum magnetotacticum | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
磁螺菌 | Magnetospirillum gryphiswaldense | 兼性厌氧 | 1 | 功能未知 |
深红红螺菌 | Rhodospirillum rubrum | 厌氧 | 1 | 功能未知 |
蛋白名称 | 结构组成 | 结合血红素数 | 生理功能 | CO作用 |
---|---|---|---|---|
血红蛋白 | 2个α亚基和2个β亚基组成异二聚体 | 4 | 运输生物体内氧气和二氧化碳 | 与氧气竞争血红素的结合位点,使血红蛋白失去运输氧气的能力 |
肌红蛋白 | 球形/单条肽链 | 1 | 细胞内储存和分配氧气 | 与氧气竞争影响肌细胞内供氧 |
血红素加氧酶⁃1 | 单条肽链 | 1 | 负责生物体内血红素分解的诱导酶,并产生CO | 未知 |
一氧化氮合酶 | 二聚体 | 1 | 在体内催化L⁃精氨酸生成NO | 通过钙和磷脂酰肌醇3⁃激酶/Akt机制激活一氧化氮合酶 |
细胞色素C | 球形/单条肽链 | 1 | 在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链,传递电子 | 抑制细胞色素C功能,直接抑制细胞内呼吸 |
细胞色素P450 | 单条肽链 | 1 | 参与生物合成和许多生理有效物质的代谢 | 抑制细胞色素P450活性 |
表5 CO对相关血红素类蛋白功能的影响
Table 5 Effects of CO on the function of related heme proteins
蛋白名称 | 结构组成 | 结合血红素数 | 生理功能 | CO作用 |
---|---|---|---|---|
血红蛋白 | 2个α亚基和2个β亚基组成异二聚体 | 4 | 运输生物体内氧气和二氧化碳 | 与氧气竞争血红素的结合位点,使血红蛋白失去运输氧气的能力 |
肌红蛋白 | 球形/单条肽链 | 1 | 细胞内储存和分配氧气 | 与氧气竞争影响肌细胞内供氧 |
血红素加氧酶⁃1 | 单条肽链 | 1 | 负责生物体内血红素分解的诱导酶,并产生CO | 未知 |
一氧化氮合酶 | 二聚体 | 1 | 在体内催化L⁃精氨酸生成NO | 通过钙和磷脂酰肌醇3⁃激酶/Akt机制激活一氧化氮合酶 |
细胞色素C | 球形/单条肽链 | 1 | 在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链,传递电子 | 抑制细胞色素C功能,直接抑制细胞内呼吸 |
细胞色素P450 | 单条肽链 | 1 | 参与生物合成和许多生理有效物质的代谢 | 抑制细胞色素P450活性 |
蛋白名称 | 结构组成 | 结合血红素数 | 生理功能 | H2S作用 |
---|---|---|---|---|
血红蛋白 | 2个α亚基和2个β亚基组成异二聚体 | 4 | 运输生物体内氧气和二氧化碳 | 产生硫血红蛋白复合物,与降解H2S有关 |
肌红蛋白 | 球形/单条肽链 | 1 | 细胞内储存和分配氧气 | 产生硫肌红蛋白复合物,与降解H2S有关 |
细胞色素C | 球形/单条肽链 | 2 | 在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链,传递电子 | 低浓度(<1 mol)可以刺激氧气消耗,高浓度抑制细胞色素C功能 |
血红蛋白I(来自蛤蜊Lucina pectinata) | 二聚体 | 2 | 与H2S结合并将其运输到硫化物氧化自养细菌上,以维持共生关系并保护软体动物免受H2S毒性 | 可以作为与蛤蜊体内共生细菌的能量来源 |
表6 H2S对相关血红素类蛋白功能的影响
Table 6 Effects of H2S on the function of related heme proteins
蛋白名称 | 结构组成 | 结合血红素数 | 生理功能 | H2S作用 |
---|---|---|---|---|
血红蛋白 | 2个α亚基和2个β亚基组成异二聚体 | 4 | 运输生物体内氧气和二氧化碳 | 产生硫血红蛋白复合物,与降解H2S有关 |
肌红蛋白 | 球形/单条肽链 | 1 | 细胞内储存和分配氧气 | 产生硫肌红蛋白复合物,与降解H2S有关 |
细胞色素C | 球形/单条肽链 | 2 | 在线粒体嵴上与其他氧化酶排列成呼吸链,传递电子 | 低浓度(<1 mol)可以刺激氧气消耗,高浓度抑制细胞色素C功能 |
血红蛋白I(来自蛤蜊Lucina pectinata) | 二聚体 | 2 | 与H2S结合并将其运输到硫化物氧化自养细菌上,以维持共生关系并保护软体动物免受H2S毒性 | 可以作为与蛤蜊体内共生细菌的能量来源 |
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