The source of heme for vascular heme oxygenase II: de novo heme biosynthesis in rat aorta

Heme is an essential prosthetic group or substrate for many proteins, including hemoglobin, and hemo enzymes such as nitric oxide synthase, soluble guanylyl cyclase, and heme oxygenase (HO). HO is responsible for the breakdown of heme into equimolar amounts of biliverdin, iron, and carbon monoxide, the latter of which is thought to play a role in the regulation of vascular tone. It is not clear whether the source of heme for cardiovascular functions is derived from uptake from the extracellular milieu or synthesis. In this study, we tested the hypothesis that blood vessels obtain their supply of heme for HO through de novo synthesis. Adult male Sprague–Dawley rat aorta was incubated at 37 °C in Krebs' solution with 1 µM [¹⁴C]δ-aminolevulinic acid (ALA). [¹⁴C]ALA uptake was linear for about 30 min and reached a plateau at approximately 100 min. The radioactivity was incorporated into porphyrins and heme as determined by esterification of ¹⁴C-labelled metabolites and thin-layer chromatography. The first and rate-limiting step of heme biosynthesis is catalyzed by ALA synthase (ALA-S), the activity of which was determined in rat aorta using a radiometric assay, ~250 nmol·(g wet mass)^–1·h^–1. Inducing HO-1 in rat aorta with S-nitroso-N-acetyl penicil la mine (500 µM) did not increase ALA-S activity as compared with basal activity levels of the enzyme. It appears that there is a sufficient amount of heme available under basal ALA-S activity conditions to meet the increased demand for heme resulting from HO-1 induction. These observations indicate that the complete enzymatic pathway for de novo heme biosynthesis resides in rat aorta and furthermore indicate that de novo heme synthesis is capable of supplying a substantial portion of the heme substrate for HO in the aorta.Key words: heme biosynthesis, vasculature, carbon monoxide, heme oxygenase, δ-aminolevulinic acid synthase.

L'hème est un groupe prosthétique ou un substrat essentiel pour de nombreuses protéines, y compris l'hémoglobine et les homoenzymes comme la monoxyde d'azote synthase, la guanylyl cyclase soluble et l'hème oxygénase (HO). L'HO est responsable de la dégradation de l'hème en quantités équimolaires de biliverdine, de fer et de CO, ce dernier jouant probablement un rôle dans la régulation du tonus vasculaire. On ignore encore si la source héminique des fonctions cardiovasculaires est dérivée de la capture du milieu extracellulaire ou de la synthèse. Dans la présente étude, nous avons vérifié l'hypothèse que l'apport en hème des vaisseaux sanguins pour l'HO est assuré par la synthèse de novo. Une aorte de rat Sprague–Dawley mâle a été incubée à 37 °C dans une solution de Krebs avec 1 µM d'acide δ-aminolévulinique [¹⁴C] (ALA). La capture d'ALA [¹⁴C] a été linéaire pendant environ 30 min et a atteint un plateau à approximativement 100 min. La radioactivité a été incorporée dans les porphyrines et l'hème comme indiqué par l'estérification des métabolites [¹⁴C] et la chromatographie en couche mince. L'étape limitante de la biosynthèse de l'hème est catalysée par l'ALA synthase (ALA-S), dont l'activité a été déterminée dans l'aorte de rat par une analyse radiométrique, ~250 nmol·(g masse humide)^–1·h^–1. L'incorporation d'HO-1 dans l'aorte avec de la S-nitroso-N-acétylpénicillamine (500 µM) n'a pas augmenté l'activité de l'ALA-S par comparaison aux taux d'activité de base de l'enzyme. Il semble y avoir une quantité suffisante d'hème dans les conditions d'activité basale de l'ALA-S pour satisfaire à la demande accrue en hème provoquée par l'incorporation d'HO-1. Ces observations indiquent que pour la biosynthèse de novo de l'hème, la voie enzymatique complète se situe dans l'aorte de rat; de plus, la synthèse de novo de l'hème est capable de fournir une portion importante du substrat héminique pour l'HO dans l'aorte.Mots clés : biosynthèse de l'hème, réseau vasculaire, monoxyde de carbone, hème oxygénase, acide δ-aminolévulinique synthase.[Traduit par la Rédaction]