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機轉深潛層 · 來自 Williams Hematology 拆解筆記 027003_erythropoietin

027003_erythropoietin

EPO：基本生物學

  • EPO (erythropoietin)：紅血球發育生理上的必需生長因子 (growth factor)
    • 35-kDa 糖蛋白 (glycoprotein)，主要由腎臟近曲小管細胞產生
    • 由含血基蛋白 (heme) 感受的 O₂ 需求產生
    • 真正激素 (hormone)：在一個位點製造，通過血液運輸至活性位點
  • 現行模型：紅血球承諾祖細胞 (committed progenitor cell) 由幹細胞隨機生成
    • EPO (erythropoietin)/其他血統限制調控劑不決定血統承諾
    • 支持：BFU-E & CFU-E 在無 EPO 體外/體內產生 (EPO/EPOR⁻⁻ 小鼠)
  • 在祖細胞水平：EPO (erythropoietin) 自 EPOR (erythropoietin receptor) 表達細胞救出凋亡 (apoptosis) + 擴增
  • 高 EPO 水平 (貧血狀態/藥理學劑量) → 加速 BFU-E → Hb (hemoglobin) 合成細胞轉變
    • 通過 ↓ 所需分裂或 ↓ 分裂間的靜止期

EPOR (Erythropoietin receptor) 表達及成熟

  • EPOR (erythropoietin receptor) 僅在 BFU-E 子集中可檢測；↑ 隨 BFU-E → CFU-E (高峰在 CFU-E/原紅細胞母細胞邊界)
  • BFU-E → CFU-E 轉變在 EPO 下建議配體 (ligand) 誘導受體上調 (upregulation)
  • EPO 對 CFU-E 的影響：
    • 影響存活 (非分裂狀態)
    • CFU-E 在無 EPO 一個 DNA (deoxyribonucleic acid) 合成週期後不可逆喪失
    • EPO 刺激血紅素 (heme) 合成、珠蛋白 (globin) 合成、細胞骨架 (cytoskeleton) 蛋白合成
  • EPOR (erythropoietin receptor) ↓ 漸進性：~1000 → <300/細胞隨原紅細胞母細胞成熟；在網狀紅細胞無法檢測
    • EPO (erythropoietin) 驅動原紅細胞母細胞及嗜鹼性紅細胞母細胞增殖
    • 超過此階段：成熟 EPO 獨立，由**甲狀腺激素 (thyroid hormone)**調控
    • ↓ 成熟細胞中 EPOR (erythropoietin receptor) 促進脫核 (enucleation) (EPO (erythropoietin) 誘導氧化壓力將抑制)

EPO (Erythropoietin)-血紅素 (Hemoglobin) 比例關係

  • 直接相關：Hct (hematocrit) & EPO (erythropoietin) 血漿水平在缺氧及腎功能不全中 (第 70、150 章)
  • 正常穩定狀態：Hct & EPO (erythropoietin) 變異性不相關
  • 其他因子 (性別、年齡) 與 EPO (erythropoietin) 協作決定紅細胞質量波動

EPOR (Erythropoietin receptor) 結構

  • 66-kDa 膜蛋白 (membrane protein)；細胞激素 (cytokine) 受體超家族 (IL-3R (interleukin-3 receptor)、GM-CSFR (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor receptor)、IL-5R (interleukin-5 receptor) 家族)
  • 細胞外：4 個保留半胱氨酸 (cysteine) + WSXWS 基序 → EPO (erythropoietin) 結合活性
  • 胞質：無內在酪氨酸激酶 (tyrosine kinase)；與胞質酪氨酸激酶相互作用
  • 交叉連結：≥2 複合物 (140 & 120 kDa) → 建議其他亞基/輔助蛋白
    • 一 = TfR2 (transferrin receptor 2) (β-地中海貧血的潛在治療靶點)
  • 二聚結構通過結晶確認
    • 誘導 EPOR (erythropoietin receptor) 二聚化的小合成肽 → EPO (erythropoietin) 仿製/拮抗劑 (antagonist) 藥物途徑
  • 發展中的其他紅血球刺激劑：
    • HIF-1α (hypoxia-inducible factor-1 alpha) 表達調變劑
    • IgA2 (↑ 在貧血壓力下)
    • TGF-β (transforming growth factor-beta) 超家族配體陷阱

非紅血球細胞中的 EPOR (Erythropoietin receptor)

  • EPOR (erythropoietin receptor) mRNA (messenger RNA) 在非紅血球細胞中發現
    • EPO (erythropoietin) 在生理濃度促進巨核細胞 (megakaryocyte) 分化及內皮細胞 (endothelial cell) 趨化
    • 細胞表面 EPOR (erythropoietin receptor) 在胎盤、神經及平滑肌細胞
    • 胎盤 EPOR (erythropoietin receptor) 可能與第 1 三個月胎兒紅血球生成位點相關
  • 用 EPO (erythropoietin) 治療的癌症患者不利影響歸因於腫瘤細胞效應
  • 剪接變體 (splice variant)：可溶性分泌形式結合 EPO (與表面受體競爭)
    • 早期祖細胞中截斷形式 → 功能未知
    • 可能與不同紅血球階段或紅血球 vs 骨髓生態位建立差異 EPO (erythropoietin) 訊號傳遞相關

EPOR (Erythropoietin receptor) 訊號轉導：JAK2-STAT5

  • EPO (erythropoietin) → EPOR (erythropoietin receptor) 同二聚化 → JAK2 (Janus kinase 2) 磷酸化 (構成停泊於膜近端區域)
    • JAK2 (Janus kinase 2) 對 EPOR (erythropoietin receptor) Golgi 處理及表面表達必需
    • JAK2⁻⁻ 小鼠死於早期胚胎階段
  • 磷酸化-JAK2 (Janus kinase 2) → 磷酸化 EPOR (erythropoietin receptor) 胞質尾酪氨酸 (tyrosine) → 含 SH2 效應劑停泊位點：
    • PI3K (phosphatidylinositol 3-kinase) p85 亞基
    • 接合蛋白 (adaptor protein) Shc
    • STAT5 (signal transducer and activator of transcription 5)
  • JAK2 (Janus kinase 2) 直接激活 Ras/Raf/MAPK (mitogen-activated protein kinase) 途徑 → 促有絲分裂訊號
  • 負調控：最 C 端酪氨酸募集磷酸酶 (phosphatase) SHP1 (Src homology 2 domain-containing protein tyrosine phosphatase 1)
    • SHP1 (Src homology 2 domain-containing protein tyrosine phosphatase 1) 去磷酸化 JAK2 (Janus kinase 2) & EPOR (erythropoietin receptor) → 系統重置
    • 未募集 SHP1 (Src homology 2 domain-containing protein tyrosine phosphatase 1) 失敗 → ↑ EPOR (erythropoietin receptor) 訊號 → 多血症 (polycythemia) (第 70 章)

JAK2 (Janus kinase 2)/STAT5 (Signal transducer and activator of transcription 5) 詳述

  • STAT5 (signal transducer and activator of transcription 5) 結合磷酸化-Tyr (tyrosine) on EPOR (erythropoietin receptor) → 在 Y694 磷酸化
  • 激活 STAT5 (signal transducer and activator of transcription 5) 脫離、同二聚化、易位至核 (nucleus)
  • 激活 EPO (erythropoietin) 誘導基因：
    • 常見：MYC、FOS (與其他造血生長因子 (growth factor) 共享)
    • 紅血球特異：不與其他 GF (growth factor) 反應共享

其他訊號傳遞途徑

  • EPO (erythropoietin)/IL-3 (interleukin-3) 激活 CBL (casitas B-lineage lymphoma protein) → CrkL (Crk-like protein) 結合/激活
  • PLC (phospholipase C) & PKC (protein kinase C) 途徑亦涉及：
    • PLC (phospholipase C) 催化 PIP₂ (phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate) 水解 → DAG (diacylglycerol) + IP₃ (inositol 1,4,5-trisphosphate) → PKC (protein kinase C) 激活 + 細胞內 Ca²⁺ 動員
    • 原一級紅細胞母細胞表達 PLCβ₁、β₂、β₃、δ₁、γ₁、γ₂
    • PLCβ₁ (phospholipase C-beta 1) 最可能在 EPO (erythropoietin) 訊號傳遞 (表達在 EPO (erythropoietin) 6 小時內誘導)
  • PKC (protein kinase C) 家族：9 個基因，12 個同工體 (isoform)
    • CD34⁺ 細胞表達全部；紅血球承諾 → 某些抑制
    • PKCε (protein kinase C epsilon)：紅血球生成正控制；抑制劑損害 EPO (erythropoietin) 反應
    • 新生紅細胞母細胞：PKCα (protein kinase C alpha) 活躍
    • 成人紅細胞母細胞：PKCδ (protein kinase C delta) 活躍

Lyn 酪氨酸激酶 (Tyrosine kinase)

  • Src 家族；與 EPOR (erythropoietin receptor) 物理相關
  • 作用上游 STAT5 (signal transducer and activator of transcription 5) & PLCγ2/PI3K (phosphatidylinositol 3-kinase)
  • Lyn⁻⁻ 小鼠：表型類似 GATA1 (GATA-binding protein 1) 低形式 (通過髓外脾造血正常 Hct (hematocrit))
  • Lyn 激活 Liar → 核/胞質穿梭蛋白 (nuclear/cytoplasmic shuttle protein) → 下調 KIT (kit proto-oncogene) 表達反應 EPO (erythropoietin)
  • 在人類：Lyn 磷酸化數個膜蛋白 (membrane protein)
  • Lyn 激活失敗 → 棘形紅細胞 (acanthocyte) → **舞蹈-棘細胞病 (choreoacanthocytosis)**的診斷標記 (罕見常染色體隱性神經退化病症 (rare autosomal recessive neurodegenerative disorder))

新穎 EPOR (Erythropoietin receptor) 轉導劑

  • 無偏向磷酸蛋白質組 (phosphoproteome) 學：人類紅血球細胞中 22 新穎轉導劑
    • 包括 TXNIP (thioredoxin-interacting protein) & PTPN18 (protein tyrosine phosphatase 18)

EPOR (Erythropoietin receptor) 訊號傳遞的紅血球特異性

  • 臨界問題：多數 EPOR (erythropoietin receptor) 激活途徑亦由其他細胞激素 (cytokine) 受體激活
  • 兩個模型：
    1. EPOR (erythropoietin receptor) 激活獨特未知途徑
    2. EPOR (erythropoietin receptor) 激活常見途徑但特異性源自與紅血球特異轉錄因子 (transcription factor) 相互作用
  • 證據有利於模型 2：
    • EPOR (erythropoietin receptor) in Ba/F3 → 促有絲分裂 (mitosis) + 珠蛋白 (globin) 累積
    • IL-3R (interleukin-3 receptor)/IL-2R (interleukin-2 receptor) → 增殖但非 β-珠蛋白合成
    • CTLL-2 w/ EPOR (erythropoietin receptor)：在 EPO (erythropoietin) 中生長但無含珠蛋白細胞
  • EPOR (erythropoietin receptor) 必需但不充分；需要 GATA1 (GATA-binding protein 1)/EKLF (erythroid Krüppel-like factor) 轉錄環境

EPOR (Erythropoietin receptor) 結構-功能

  • 突變受體研究：
    • 全長 WT (wild-type) EPOR (erythropoietin receptor)：EPO (erythropoietin) 依賴生長 + 部分紅血球分化
    • 膜近端區域截斷：**正調控域 (positive regulatory domain)**喪失 (促有絲分裂所需)
    • C 端 40 aa (amino acid) 截斷：↑ EPO (erythropoietin) 依賴生長 → 負調控域 (negative regulatory domain)

家族性紅細胞增多症 (Familial erythrocytosis)

  • EPOR (erythropoietin receptor) 映射至 chr 9 (小鼠)、chr 19p (人類)
  • 罕見先天疾病：低血清 EPO (erythropoietin) 紅細胞增多症 (第 70 章)
  • 常染色體顯性 (autosomal dominant)；突變 EPOR (erythropoietin receptor) 對偶基因含無義突變 (nonsense mutation) → 截斷 EPOR (erythropoietin receptor) 缺乏負調控域
  • 多個移碼/缺失 EPOR (erythropoietin receptor) 突變 → C 端截斷 → EPO (erythropoietin) 超敏感性 → 家族性紅細胞增多症

先天及體細胞多血症 (Congenital and somatic polycythemia)

  • VHL (von Hippel-Lindau protein) T598T 突變 → ↑ 腎臟 EPO (erythropoietin) 產生 → 先天紅細胞增多症
    • 楚瓦什多血症 (Chuvash polycythemia) (地方流行於楚瓦什、俄羅斯及伊斯基亞、義大利) (第 70 章)
  • 體細胞突變 → 構成 EPOR (erythropoietin receptor) 訊號：
    • JAK2^V617F^ (Val (valine) → Phe (phenylalanine) at 617) → Ph (Philadelphia chromosome) 陰性 MPN (myeloproliferative neoplasm) (第 70 章)

EPO (Erythropoietin) 與其他生長因子協同

  • EPO (erythropoietin) 與 KL (kit ligand) & IL-3 (interleukin-3) 協同 (由微環境產生)
  • 分子機制：EPOR (erythropoietin receptor) & KIT (kit proto-oncogene) 物理相關；KL (kit ligand) 激活 → EPOR (erythropoietin receptor) 轉磷酸化
  • EPOR (erythropoietin receptor)-IL-3Rβc (interleukin-3 receptor beta common chain) 物理相互作用 → 可能涉及神經保護 EPO (erythropoietin) 作用
  • 胺基甲酸化 EPO (carbamoylated EPO)：防止運動神經元退化；促進 EAE (experimental autoimmune encephalomyelitis)、腦/心臟缺血模型中恢復
  • 受體交叉談話在細胞表面 → 造血 vs 非造血 EPO (erythropoietin) 效應

細胞激素及早期紅血球祖細胞

  • 早期 BFU-E 增殖/存活依賴由基質/輔助細胞細胞激素 (cytokine)：
    • KL (kit ligand) (基質) + IL-3 (interleukin-3) (T 細胞子集)：促進 BFU-E 增殖 (單獨及協同)
    • 其他 BFU-E 刺激劑：GM-CSF (granulocyte-macrophage colony-stimulating factor)、IL-11 (interleukin-11)、TPO (thrombopoietin)
  • BFU-E 在無細胞激素 (cytokine) 數天內死亡
  • 細胞激素通過 BFU-E 特異受體作用 (亦由白血病對應表達)
  • 其他正影響：
    • 維他命 A & D
    • IGF1 (insulin-like growth factor 1)：促進 S 期進入；IGF1 多型性與男性貧血相關
  • VEGF (vascular endothelial growth factor)/Flk-1 (fetal liver kinase 1) 受體：靶向消融 → 紅血球生成重要性 (間接)
    • Flk-1 (fetal liver kinase 1) 缺失 → 通過血管母細胞 (hemangioblast) 影響血管內皮及造血發育

另見

  • 紅血球生成的內在控制
  • 紅血球生成的轉錄因子
  • 造血微環境
  • 紅血球生成與鐵調控
  • PV 病理生物學及 JAK2

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