Nature子刊：云南大學(xué)楊崇林團(tuán)隊(duì)揭示丙酸代謝中間物D-2HG和3-HP損傷線粒體的機(jī)制

子孫滿堂康復(fù)師 2022-04-20

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來源：生物世界 2022-04-20 09:55

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) dhgd-1 和 hphd-1 突變體的線粒體缺陷受飲食/腸道細(xì)菌的影響。

線粒體是細(xì)胞的能量工廠和代謝中心。葡萄糖、脂肪酸和多種氨基酸在線粒體氧化分解時，產(chǎn)生多種有機(jī)酸類中間物。正常情況下，這些有機(jī)酸中間物通過三羧酸循環(huán)（TCA）氧化，或作為前體用于合成新的大分子，因而在細(xì)胞內(nèi)的濃度很低。相關(guān)代謝酶的缺陷可導(dǎo)致體內(nèi)有機(jī)酸過量累積，表現(xiàn)為血液和尿液中有機(jī)酸濃度增高，引起一大類嚴(yán)重的遺傳代謝性疾?。河袡C(jī)酸血（尿）癥。目前，有機(jī)酸血（尿）癥的分子細(xì)胞學(xué)機(jī)理極不清楚。

D-2-羥基戊二酸（D-2HG）主要來源于TCA循環(huán)底物α-酮戊二酸（α-KG）的還原，其累積可導(dǎo)致D-2-羥基戊二酸尿癥（D-2-HGA），該疾病是一種罕見的常染色體隱性遺傳代謝障礙性疾病，表現(xiàn)為嚴(yán)重的發(fā)育遲緩、行進(jìn)性神經(jīng)損傷及大腦損害，但其致病機(jī)制一直是個謎團(tuán)。此外，許多研究發(fā)現(xiàn)D-2HG可能通過誘導(dǎo)異常的組蛋白修飾和DNA甲基化進(jìn)而促進(jìn)腫瘤發(fā)生。盡管D-2HG產(chǎn)生于線粒體，但目前尚不清楚其對響線粒體結(jié)構(gòu)和功能造成何種影響。與D-2HG相似，3-羥基丙酸（3-HP）也產(chǎn)生于線粒體，來源于丙酸及支鏈氨基酸在線粒體中的氧化代謝。3-HP異常累積是丙酸血癥（PPA）和甲基丙二酸血癥(MMA)等丙酸代謝疾病的特征性指標(biāo)。迄今，3-HP是否以及如何影響線粒體的穩(wěn)態(tài)尚不得而知。

近日，云南大學(xué)生命科學(xué)中心楊崇林實(shí)驗(yàn)室在 Nature Cell Biology 期刊發(fā)表了題為：A feedback loop engaging propionate catabolism intermediates controls mitochondrial morphology 的研究論文。

該研究以秀麗隱桿線蟲為模式，發(fā)現(xiàn) D-2HG 和 3-HP 的過量累積造成線粒體結(jié)構(gòu)和功能的破壞，揭示了一個由 D-2HG 和 3-HP 構(gòu)成的代謝反饋環(huán)及其破壞線粒體的分子和細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制。在這個代謝反饋環(huán)中，過量累積的 D-2HG 結(jié)合3-羥基丙酸脫氫酶（HPHD-1），抑制其活性，導(dǎo)致3-HP的大量累積（圖1）。3-HP 進(jìn)而特異性地結(jié)合線粒體內(nèi)外膜接觸和嵴形成所必需的 MICOS 復(fù)合體的 Mic60/IMMT-1 亞基上，抑制 Mic60/IMMT-1 介導(dǎo)的內(nèi)嵴形成，導(dǎo)致線粒體的損傷。

同時，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)飲食/腸道細(xì)菌可以調(diào)節(jié)宿主 3-HP 的產(chǎn)生，從而對宿主線粒體健康產(chǎn)生顯著影響。該研究不僅首次揭示了 D-2HG 累積和丙酸分解代謝之間的反饋抑制關(guān)系，而且還為 D-2-HGA、PPA 和 MMA 等相關(guān)疾病的分子細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制提供了重要線索。

在該項(xiàng)研究中，研究者首先建立了以線蟲為模式的線粒體穩(wěn)態(tài)研究系統(tǒng)。通過正向遺傳篩選，發(fā)現(xiàn)編碼 D-2HG 脫氫酶的基因 dhgd-1 的突變導(dǎo)致 D-2HG 的顯著累積，并且線粒體呈現(xiàn)不規(guī)則增大并伴有空泡的異常結(jié)構(gòu)。為了確定 D-2HG 是否是導(dǎo)致 dhgd-1 突變體的線粒體損傷的直接原因，研究者通過在 dhgd -1 突變體中引入 3-HP 脫氫酶基因 hphd-1 的突變來抑制 D-2HG 的產(chǎn)生。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，dhgd-1 hphd-1 雙突變體不再累積 D-2HG。令人驚訝的是，這些雙突變體卻表現(xiàn)出與 dhgd-1 單突變體相似的線粒體缺陷。此外，研究者通過非偏好性的突變體篩選，也鑒定了 hphd-1 的單突變體并發(fā)現(xiàn)其存在類似的線粒體缺陷。這些結(jié)果表明 D-2HG 并不是造成線粒體損傷的直接原因。

圖1. A 線蟲中編碼D-2HG脫氫酶的基因dhgd-1的突變和3-HP脫氫酶基因hphd-1的突變導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)異常。B 線蟲支鏈氨基酸、丙酸、奇數(shù)鏈脂肪酸的代謝通路：依賴于VB12經(jīng)典通路和不依賴于VB12 的通路。線蟲在飼喂缺乏維生素 B12 的大腸桿菌 OP50(B-type E. coli)條件下,丙酸的分解代謝主要通過不依賴于VB12 的通路進(jìn)行。在此代謝過程中，dhgd-1的功能缺失導(dǎo)致D-2HG的過量累積，D-2HG結(jié)合并抑制3-羥基丙酸脫氫酶(HPHD-1)的活性，進(jìn)而造成3-HP的累積。

研究者進(jìn)而推測 D-2HG 是否通過反饋抑制作用，導(dǎo)致其上游的代謝物 3-HP 的累積而損傷線粒體。通過 GC-MS 檢測，他們發(fā)現(xiàn) dhgd-1 和 hphd-1 突變體中 3-HP 的含量均顯著增高。當(dāng)補(bǔ)充 VB12 使丙酸通過依賴于 VB12 的經(jīng)典途徑降解時， 3-HP 的累積被抑制，進(jìn)而使 dhgd-1 和 hphd-1 突變體中的線粒體恢復(fù)正常。這些結(jié)果證明異常積累的 3-HP 是導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)和功能的損破壞的直接原因。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明了 D-2HG 與 HPHD-1 蛋白結(jié)合并抑制后者的脫氫酶活性。因此，在 dhgd-1 突變體中，過量累積的 D-2HG 對 HPHD-1 產(chǎn)生反饋抑制，導(dǎo)致 3-HP 的累積。通過脂質(zhì)共沉淀實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn) 3-HP 與 Mic60/IMMT-1 結(jié)合，而 a-KG 和 D-2HG 與 Mic60 的結(jié)合能力則要弱很多。3-HP 顯著抑制 Mic60/IMMT-1 所介導(dǎo)的脂質(zhì)體形變。在 dhgd-1 和 hphd-1 突變體中，過表達(dá) Mic60/IMMT-1 回復(fù)了突變體的線粒體缺陷。這些體外和體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3-HP 靶向 Mic60/IMMT-1 而導(dǎo)致線粒體損傷。

最后，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn) dhgd-1 和 hphd-1 突變體的線粒體缺陷受飲食/腸道細(xì)菌的影響。飼喂K12型大腸桿菌（如HT115）可使這些突變體的缺陷性線粒體恢復(fù)正常。HT115 大腸桿菌通過多種機(jī)制調(diào)節(jié)宿主 3-HP 的產(chǎn)生從而影響線粒體的結(jié)構(gòu)與功能，包括激活依賴于 VB12 的丙酸代謝通路、減少宿主的丙酸來源（支鏈氨基酸）。這些結(jié)果為D-2HG和3-HP相關(guān)的人類疾病的治療提供了重要思路（圖2）。

圖2 飲食/腸道細(xì)菌影響丙酸代謝中間物D-2HG和3-HP損傷線粒體的機(jī)制模型。在飼喂缺乏維生素 B12 的大腸桿菌 OP50(B-type)的線蟲中,丙酸分解代謝主要經(jīng)不依賴于VB12 的通路進(jìn)行。其中，HPHD-1蛋白以3-HP和α-KG作為共同底物，生成丙二酸半醛(MSA)和D-2HG，后者隨即通過DHGD-1蛋白催化生成α-KG，避免D-2HG在體內(nèi)過度累積(上)。在dhgd-1突變體中，過量累積的D-2HG對HPHD-1產(chǎn)生反饋抑制，導(dǎo)致3-HP的累積。過多的3-HP結(jié)合Mic60/IMMT-1蛋白，抑制其與線粒體內(nèi)膜結(jié)合和內(nèi)嵴形成，導(dǎo)致線粒體的損傷(中)。HT115大腸桿菌(K12-type)通過激活依賴于VB12的丙酸代謝通路，以及減少宿主的丙酸(支鏈氨基酸)等方式，抑制宿主3-HP的產(chǎn)生，從而改善線粒體的結(jié)構(gòu)與功能(下)。

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