西湖大学曾安平团队最新Science子刊

线粒体作为真核细胞的能量工厂，通过氧化磷酸化为细胞供能，在人类健康中发挥着不可或缺的作用。线粒体功能受损广泛存在于多种高发疾病中，包括2型糖尿病、心血管疾病、代谢综合征、癌症和阿尔茨海默病等。

线粒体疾病中的功能缺陷是一系列遗传性疾病的根本原因，在人群中的发病率约为1/5000，凸显了对创新疗法的迫切需求。硫辛酰化是一种进化上保守且功能重要的翻译后修饰（PTM），对线粒体功能至关重要。

迄今为止，硫辛酰化已被证实对五个关键代谢酶复合体的功能必不可少：甘氨酸裂解系统（GCS）以及四种2-氧酸脱氢酶，即丙酮酸脱氢酶（PDH）、2-氧化戊二酸脱氢酶（OGDH）、支链2-氧酸脱氢酶（BCKDH）和2-氧己二酸脱氢酶（OADH）。在真核生物中，这些依赖硫辛酰化的蛋白质（LDPs）均定位于线粒体。PDH和OGDH参与三羧酸（TCA）循环，而BCKDH、OADH和GCS则分别参与支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸）、赖氨酸和甘氨酸的分解代谢。

因此，硫辛酰化对线粒体能量代谢和氨基酸代谢均至关重要。尽管硫辛酰化在细胞代谢中具有关键作用，它仍然是研究最少的PTM之一，对其治疗潜力的理解存在重大空白。

人类的硫辛酰化需要一条包含三种核心酶的全新合成途径：LIPT2（辛酰转移酶）、LIAS（硫辛酸合酶）和LIPT1（硫辛酰转移酶）。这些基因的突变与以线粒体代谢严重缺陷为特征的线粒体疾病相关。LIPT2（OMIM#617659）突变会导致新生儿脑病、乳酸性酸中毒、脑部异常、血浆甘氨酸中度升高、线粒体呼吸减弱以及硫辛酰化受损。

LIAS（OMIM#607031）突变表现为高甘氨酸血症、乳酸性酸中毒、癫痫发作、甘氨酸水平升高、硫辛酰化缺失以及GCS/PDH/OGDH活性缺陷。LIPT1（OMIM#610284）缺陷则表现为致命的乳酸性酸中毒、精神运动发育倒退、Leigh综合征或癫痫性脑病，伴有乳酸升高、尿酮戊二酸升高以及特定的2-氧酸脱氢酶硫辛酰化缺陷。

与LIAS/LIPT2缺陷不同，LIPT1缺陷患者的甘氨酸水平保持正常，这与其在将硫辛酰基转移至E2亚基中的作用一致，为诊断提供了关键的区分依据。除了参与硫辛酰化生物合成的基因外，参与线粒体脂肪酸合成（ACP和MECR）、铁硫簇合成（NFU1、BOLA3、IBA57和GLRX5）以及硫辛酰基回收（DLD）的基因发生缺陷时，也会表现出蛋白质硫辛酰化受损和类似LIAS缺陷的表型。

这些疾病的遗传异质性构成了一个根本性挑战，因为针对每种突变开发个体化疗法在经济上并不可行。因此，通过单一干预手段靶向多种硫辛酰化缺陷的统一策略极具吸引力。

实验设计图（图片源自Science Advances ）

本研究通过利用细菌与人类生物合成途径之间的进化差异，来弥合这一治疗空白。

与人类不同，细菌拥有一条专门的补救性硫辛酰化途径，该途径利用外源性硫辛酸，通过三磷酸腺苷（ATP）依赖的机制对靶蛋白进行修饰。作者假设，在细胞内线粒体靶向表达单一的细菌硫辛酸蛋白质连接酶，可以绕过有缺陷的人类硫辛酰化机制。作者的研究表明，LplA或LplJ能够在多种基因敲除（KO）模型（LIPT2、LIAS、LIPT1、MECR和FDX1）中有效恢复线粒体功能。

作者在LplA敲入（KI）小鼠和Lipt1 KO小鼠中评估了该策略的体内有效性和安全性，结果显示LplA成功挽救了由Lipt1−/−突变引起的胚胎致死，证明了细菌硫辛酸蛋白质连接酶作为单一基因疗法治疗多种线粒体疾病的潜力。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8481