己糖激酶 1

己糖激酶（ EC 2.7.1.1 ）催化葡萄糖代谢的第一步，使用 ATP 将葡萄糖磷酸化为 6-磷酸葡萄糖。哺乳动物组织中存在由不同基因编码的四种不同形式的己糖激酶，称为 HK1、HK2（ 601125 ）、HK3（ 142570 ）和 HK4（ 138079 ）型。其中，HK1 是其生理功能严格依赖于葡萄糖利用的组织中主要的葡萄糖磷酸化活性，例如脑、红细胞、血小板、淋巴细胞和成纤维细胞（Bianchi 等人总结，1997）。HK1 的不同同种型是细胞质的或通过 5 素孔蛋白（VDAC1; 604492 ）结合域与线粒体外膜（OMM）相关联（ Murakami 和 Piomelli, 1997 ）。

▼ 克隆与表达

西等人（1988）分析了从成人肾脏文库中分离的编码人己糖激酶的 cDNA 克隆。对这种 917 个氨基酸的蛋白质的分析表明，分别对应于调节域和催化域的 N 端和 C 端半部分的序列是同源的。真核己糖激酶是从编码约 450 个氨基酸的蛋白质的基因的复制中进化而来的。格里芬等人（1991）认为许多物种的序列比较支持了Ureta（1982）的理论哺乳动物己糖激酶源自祖先原酶的复制和融合，酵母和哺乳动物葡萄糖激酶在进化过程中出现两次。序列分析表明，HK1 N 末端的 15 个氨基酸孔蛋白结合域是绝对保守的，并介导 HK1 与线粒体的结合。在他们的工作过程中，格里芬等人（1991）利用氨基酸和核苷酸序列的进化保守知识开发了一种克隆低丰度蛋白质 cDNA 的方法。

通过液相色谱，Murakami 等人（1990）确定了人类红细胞（RBC）己糖激酶的 2 种不同的主要同工酶。一种具有与在肝脏中鉴定的 HK1 相似的分子量，另一种称为 HKR，比 HK1 大几千道尔顿。正常血液中的红细胞含有活性相同的 HK1 和 HKR，但在富含网织红细胞的红细胞中，HKR 占主导地位。村上隆和皮奥梅利（1997）分离了红细胞特异性HK同工酶HKR的cDNA克隆。其核苷酸序列与 HK1 cDNA 相同，除了 5 末端。它缺少 HK1 编码区的前 62 个核苷酸；相反，它在编码序列的开头包含一个独特的 60 个核苷酸序列，以及假定的翻译起始位点上游的另一个独特序列。它缺乏促进与线粒体结合的孔蛋白结合结构域，从而解释了红细胞 HK 的独特细胞质定位。Northern印迹分析表明它在网织红细胞和红白血病细胞系中表达，但在淋巴细胞系中不表达。

森等人（1996）报道了代表 3 种独特的人类 1 型己糖激酶 mRNAs 在睾丸中表达的 cDNAs 的克隆，这些基因在其他人类组织中通过 Northern 印迹分析未检测到。这些 mRNA 在 5 素末端含有独特的序列，并且缺乏孔蛋白结合域（PBD），这是一种介导己糖激酶与线粒体结合的保守序列。这些序列与Mori 等人鉴定的序列相似（1993）在小鼠睾丸中。

▼ 基因功能

阿门多拉等人（2019）报道了 KRAS 外显子 4A 特异性异构体 KRAS4A（见190070 ）和 HK1之间的直接 GTP 依赖性相互作用，改变了激酶的活性，从而确定 HK1 是 KRAS4A 的效应子。这种相互作用是 KRAS4A 独有的，因为这种 RAS 异构体的棕榈酰化-去棕榈酰化循环能够与 HK1 在线粒体外膜上共定位。KRAS4A 在癌症中的表达可能会导致可用于治疗的独特代谢脆弱性。

▼ 基因结构

鲁佐等人（1998）确定 HK1 基因包含 18 个外显子，跨度约为 75 kb。5 素侧翼区域的分析揭示了 AP1 和 CRE 的结合位点以及 SP1 的几个结合位点。鲁佐等人（1998）鉴定了在体细胞中表达的 HK1 特异性外显子 1；在红细胞中转录的替代外显子（外显子 1R）通过可变剪接取代了体细胞外显子 1。外显子 1R 缺少孔蛋白结合域。

安德烈尼等人（2000）发现多个睾丸特异性 HK1 转录本由 6 个不同的外显子编码；5个外显子位于体细胞外显子1的上游，一个位于内含子1内。通过鉴定这些额外的外显子，他们确定该基因跨越至少100 kb。

▼ 测绘

Shows（1974）提供了来自体细胞杂交实验的证据，表明己糖激酶和细胞质谷氨酸草酰乙酸转氨酶在 10 号染色体上是同线的。通过成纤维细胞的基因剂量研究，Gitelman 和 Simpson（1982）将 HK1 对应到 10p11-q23。通过剂量效应，Dallapiccola 等人（1981）将 HK1 分配缩小到 10pter-p13。达拉皮科拉等人（1984）确定了 5 名具有 10p 部分重复的患者红细胞中的 HK1 活性，并得出结论认为 HK1 最可能的区域分配是 10p11.2。通过原位杂交，Shows 等人（1989）将 HK1 基因区域化为 10q22。丹尼尔等人（1992）使用 HK1 cDNA 作为探针，研究一组人-仓鼠体细胞杂交体，将基因分配到 q11.2-qter 区域的 10 号染色体长臂。这一结果与Gitelman 和 Simpson（1982）以及Shows 等人报道的结果一致（1989），但与Dallapiccola 等人的报道相冲突（1984 年）。丹尼尔等人（1992）承认他们使用的 HK1 探针识别多个基因座的可能性，但得出结论，如果存在 2 个或更多 HK 基因座，它们都位于 10 号染色体上。Gelb 等人（1992）证明 HK1 基因的大部分编码区位于一个 120-kb 的 YAC 中，该 YAC 完全定位于 10 号染色体。

截至 1997 年，已将 3 个孤立的己糖激酶的基因分配到特定位点：HK1，一种红细胞同种型，位于 10 号染色体；HK2（ 601125 ），在骨骼肌中表达的主要己糖激酶，到 2 号染色体；和 HK3（ 142570 ），白细胞中的一种异构体，位于 5 号染色体。己糖激酶 4（HK4）是葡萄糖激酶（GCK; 138079 ），对应到 7 号染色体。

▼ 分子遗传学

己糖激酶缺乏引起的非球形红细胞性溶血性贫血

Bianchi 和 Magnani（1995）报道了一名因己糖激酶缺乏引起的溶血性贫血患者 HK1 缺陷的分子特征（ 235700 ）。PCR 扩增和 cDNA 序列揭示了缺失和单核苷酸取代的复合杂合性。96-bp 缺失（ 142600.0001 ）涉及其 cDNA 序列的 577 至 672 个核苷酸，并且在 14 名无关正常受试者的 cDNA 中均未发现。没有缺失的 HK1 等位基因序列显示核苷酸 1677 的 T 到 C 转变，这导致氨基酸从 leu529 变为 ser（ 142600.0002 ）。在 10 个正常对照中未发现替代。比安奇和马格纳尼（1995）表示据他们所知，仅描述了 14 个案例，其中 2 个已在他们的实验室进行研究：HK-Melzo 和 HK-Napoli。正是在 HK-Melzo 中证明了分子缺陷。他们表明，在 HK-Melzo 变体中，HK 缺陷不仅在红细胞中表达，而且在血小板、淋巴细胞和成纤维细胞中表达。所有这些类型的细胞都含有 HK I 型作为主要的葡萄糖磷酸化酶，特别是血小板和红细胞的生理功能严格依赖于葡萄糖的利用。

Rijksen 等人先前报道的由近亲父母所生的女孩患有严重的非球形红细胞溶血性贫血，原因是己糖激酶缺乏（1983），范维克等人（2003）鉴定了 HK1 基因（T680S; 142600.0004 ）中的纯合突变。该突变与家族中的疾病分离，在 50 个对照中未发现，被命名为“乌得勒支”。突变酶的体外研究表明，它对 Mg-ATP2 的亲和力降低了 2 倍，对抑制剂葡萄糖 1,6-二磷酸的亲和力显着降低。患者红细胞和血小板具有约 25% 的残留活性。

Russe 型遗传性运动和感觉神经病

在研究的所有 34 名患有 Russe 型遗传性运动和感觉神经病（HMSNR; 605285 ）的欧洲吉普赛人中，Hantke 等人（2009）鉴定了 HK1 基因的纯合序列变化（ 142600.0003）映射在染色体 10q 上的候选疾病间隔内。该突变位于假定的 AltT2 外显子中高度保守的核苷酸上，该外显子位于 HK1 上游的 5 素数区域。该变体在代表吉普赛人口横截面的 790 个对照个体中的 5 个中以杂合状态被发现，但在 233 个保加利亚对照中没有。与 HK1 的编码区相比，小鼠周围神经中含有 AltT2 的转录物很少见。然而，发现了 8 种睾丸中的 6 种含有 AltT2 的同种型，在小鼠的周围神经和大脑之间以及在新生儿和成人组织之间的表达模式不同。来自患者或对照的雪旺氏细胞中 HK1 mRNA 没有差异，与对照相比，患者细胞没有显示 HK1 酶活性的证据。生物信息学工具并未表明该变体对 HK1 基因剪接或相互作用蛋白结合位点的影响。然而，有证据表明该变体可能导致 1 个具有非 AUG 起始密码子的上游开放解读码组中发生 ter-to-tyr 替换，这可能会破坏 HK1 翻译调控。汉特克等人（2009）推测非 OMM 结合的 HK1 可能在 HMSNR 的发病机制中发挥作用。

塞维利亚等人（2013）发现来自 9 个罗姆吉普赛家庭的 11 名患者是Hantke 等人鉴定的 HK1 变体（g.9712G-C; 142600.0003 ）的纯合子（2009 年）。单倍型分析证实了该人群中的创始人效应。

色素性视网膜炎 79

在来自 5 个家族（UTAD003、UTAD936、UTAD952、MOGL1 和 MOGL2）的受累个体中，孤立出常染色体显性色素性视网膜炎（RP79；617460），Sullivan 等人（2014）确定了 HK1 基因（E847K; 142600.0005 ）错义突变的杂合性，该突变与每个家族的疾病完全分离，在公共变异数据库中未发现。没有患者有眼外表现，也没有检测到糖酵解的全身异常，即使在 1 名患者是突变纯合子中也是如此。沙利文等人（2014）注意到突变位于催化域之外，并表明突变的影响仅限于视网膜。

在来自北欧血统的 4 代大家族的 RP 患者中，Wang 等人（2014）确定了 HK1 基因中 E847K 突变的杂合性。受影响的个体没有表现出贫血、运动不耐受或认知缺陷的迹象。生化分析显示突变型和野生型等位基因在酶活性或 mRNA 和蛋白质表达水平方面没有明显差异，表明己糖激酶缺乏可能不是潜在的机制。

伴有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍

在来自 6 个不相关家庭的 7 名患有视觉缺陷和脑异常的神经发育障碍（NEDVIBA; 618547 ）的患者中，Okur 等人（2019）在 HK1 基因中发现了 4 个不同的从头杂合错义突变（ 142600.0006 - 142600.0009）。所有突变都发生在 N 端调节域中高度保守的残基上。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变未在 1000 Genomes Project、Exome Sequencing Project、ExAC 或 gnomAD 数据库或超过 100,000 个外显子组的内部数据库中发现。来自 2 名无关患者的血细胞具有正常的己糖激酶活性，表明存在不同的致病机制。未进行该变体的其他功能研究和患者细胞的研究，但作者假设了功能获得效应。

▼ 历史

Schimke 和 Grossbard（1968）回顾了己糖激酶同工酶的研究。

▼ 等位基因变体（ 9个精选示例）：

.0001 溶血性贫血，非球细胞性，由于己糖激酶缺乏
HK1, 96-BP DEL
Bianchi 和Magnani（1995）证明了HK1基因突变的复合杂合性：96-bp 核苷酸 577 至 672 缺失和1667T-C 过渡，导致 leu529 到 ser 替换（142600.0002）。

.0002 溶血性贫血，非球细胞性，由于己糖激酶缺乏
HK1, LEU529SER
Bianchi 和 Magnani（1995）讨论了 HK1 基因中的 leu529-to-ser（L529S）突变，该突变在因己糖激酶缺乏症（ 235700 ）导致的非球形溶血性贫血患者中以复合杂合状态发现，参见142600.0001。

.0003 神经病，遗传性运动和感觉，鲁塞型
HK1, -3818-195G-C, AltT2 外显子
在研究的所有 34 名患有 Russe 型遗传性运动和感觉神经病（HMSNR; 605285 ）的个体中，Hantke 等人（2009）确定了 HK1 基因中的 2 个纯合序列变化，这些变化位于染色体 10q 上的候选疾病区间内。一个是位于 HK1 上游 5 素数区域的假定 AltT2 外显子中高度保守核苷酸的 G 到 C 转换（-3818-195G-C，NM_033497；Chandler，2013），另一个是 AltT2 变化下游的内含子 G 到 A 转换；G到A的转变不是高度保守的，因此不被认为是致病的。这 2 个变体在代表吉普赛人口横截面的 790 个对照个体中有 5 个处于杂合状态，但在 233 个保加利亚对照中没有。与 HK1 的编码区相比，小鼠周围神经中含有 AltT2 的转录物很少见。然而，发现了 8 种睾丸中的 6 种含有 AltT2 的同种型，在小鼠的周围神经和大脑之间以及在新生儿和成人组织之间的表达模式不同。来自患者或对照的雪旺氏细胞中 HK1 mRNA 没有差异，与对照相比，患者细胞没有显示 HK1 酶活性的证据。生物信息学工具并未表明 GC 变化对 HK1 基因剪接或相互作用蛋白结合位点的影响。然而，有证据表明 GC 变化可能会导致 1 个上游开放解读码组中的 ter-to-tyr 替换具有非 AUG 起始密码子，这可能会破坏 HK1 翻译调控。汉特克等人（2009）推测非 OMM 结合的 HK1 可能在 HMSNR 的发病机制中发挥作用。

塞维利亚等人（2013）发现来自 9 个吉普赛家族的 11 名患有进行性遗传性运动和感觉神经病变的患者是Hantke 等人鉴定的 HK1 变体（g.9712G-C）的纯合子（2009）和单倍型分析证实了该人群的创始人效应。据估计，创始祖先生活在 18 世纪末，当时一个部落群体发生了人口分裂，西班牙的吉普赛人口在查理三世的统治下有所增加。

.0004 溶血性贫血，非球细胞性，由于己糖激酶缺乏
HK1, THR680SER
在一个由近亲出生的女孩中，由于己糖激酶缺乏症（ 235700 ）导致严重的非球形红细胞性溶血性贫血，Rijksen 等人之前曾报道过该女孩（1983），范维克等人（2003 年）在 HK1 基因的外显子 15 中鉴定出纯合 c.2039C-G 颠换，导致活性位点中高度保守的残基发生 thr680-to-ser（T680S）取代。该突变与家族中的疾病分离，在 50 个对照中未发现，被命名为“乌得勒支”。突变酶的体外研究表明，它对 Mg-ATP2 的亲和力降低了 2 倍，对抑制剂葡萄糖 1,6-二磷酸的亲和力显着降低。

.0005 色素性视网膜炎 79
HK1, GLU847LYS
在来自 5 个家族（UTAD003、UTAD936、UTAD952、MOGL1 和 MOGL2）的受累个体中，孤立出常染色体显性色素性视网膜炎（RP79；617460），Sullivan 等人（2014）鉴定了 HK1 基因中 c.2539G-A 转换（c.2539G-A，NM_000188.2）的杂合性，导致在已知功能域外的高度保守残基处发生 glu847-to-lys（E847K）取代。该突变在所有家族中都与疾病完全分离，并且未在 dbSNP、1000 Genomes Project 或 Exome Variant Server 数据库中发现。对 5 个家族的单倍型分析，其中 3 个来自路易斯安那州的阿卡迪亚人，1 个来自法裔加拿大人，1 个来自西西里人，显示 10 号染色体上有一个共享的 450-kb 区域，表明存在创始人突变。UTAD003 家族中的一名患者为该突变的纯合子，因严重夜盲症在 4 岁时被诊断出；33 岁时的检查显示视力下降到右眼数手指和左眼 20/200，

Wang 等人在来自欧洲血统 4 代大家族的 RP 受累个体中（2014）鉴定了 HK1 基因中 E847K 突变的杂合性，该突变与家族中的疾病分离，外显率为 85%，在 11,000 个内部外显子组中未发现。两名携带该突变的无症状家庭成员分别在 37 岁和 78 岁时表现出不受影响的视力和没有骨针色素沉着。受影响的个体没有表现出贫血、运动不耐受或认知缺陷的迹象。HEK293T 细胞的功能分析表明突变的己糖激酶活性以及 mRNA 和蛋白质水平与野生型蛋白质相似。

.0006 伴有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍
HK1, GLY414GLU
在一名 34 岁的女性（患者 1）中，患有神经发育障碍并伴有视觉缺陷和脑部异常（NEDVIBA; 618547 ），Okur 等人（2019）在 HK1 基因中发现了一个从头杂合的 c.1241G-A 转换（c.1241G-A, NM_000188.2），导致 N -终端调节域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变并未在 1000 Genomes Project、Exome Sequencing Project、ExAC 或 gnomAD 数据库中或在超过 100,000 个外显子组的内部数据库中发现。未进行变体的功能研究和患者细胞的研究。

.0007 伴有视觉缺陷和脑异常的神经发育障碍
HK1, LYS418GLU
在一名 9 岁女孩（患者 2）中，患有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍（NEDVIBA; 618547 ），Okur 等人（2019）在 HK1 基因中发现了一个从头杂合 c.1252A-G 转换（c.1252A-G, NM_000188.2），导致 N 中高度保守的残基发生 lys418 到 glu（K418E）取代-终端调节域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变并未在 1000 Genomes Project、Exome Sequencing Project、ExAC 或 gnomAD 数据库中或在超过 100,000 个外显子组的内部数据库中发现。患者红细胞中的己糖激酶活性正常，表明存在不同的致病机制。没有对变体进行额外的功能研究。

.0008 伴有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍
HK1, SER445LEU
在 2 名无关的患者（患者 3 和 4）中，患有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍（NEDVIBA; 618547 ），Okur 等人（2019）鉴定了 HK1 基因中的从头杂合 c.1334C-T 转换（c.1334C-T，NM_000188.2），导致在 N 端调节的高度保守残基处发生 ser445-to-leu（S445L）取代领域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变并未在 1000 Genomes Project、Exome Sequencing Project、ExAC 或 gnomAD 数据库中或在超过 100,000 个外显子组的内部数据库中发现。来自其中 1 名患者的患者红细胞中的己糖激酶活性正常，表明存在不同的致病机制。没有对变体进行额外的功能研究。

.0009 伴有视觉缺陷和脑部异常的神经发育障碍
HK1, THR457MET
在一个 8 岁男孩（患者 5）和 2 个 1 岁时死亡的同胞（患者 6 和 7）中，患有神经发育障碍伴视觉缺陷和脑异常（NEDVIBA; 618547 ），Okur 等人（2019）在 HK1 基因中发现了一个从头杂合的 c.1370C-T 转换（c.1370C-T，NM000188.2），导致在 N 端调节的高度保守残基处发生 thr457-to-met（T457M）取代领域。通过外显子组测序发现并通过 Sanger 测序确认的突变并未在 1000 Genomes Project、Exome Sequencing Project、ExAC 或 gnomAD 数据库中或在超过 100,000 个外显子组的内部数据库中发现。突变发生在患者 5 中；血中的父系嵌合体在同胞中被排除。未进行变体的功能研究和患者细胞的研究。