Science丨線粒體通過調節肉堿從頭合成控制能量燃料葡萄糖及脂肪酸之間的轉變

撰文丨李淡寧

真核細胞具有一種內在能力，能夠根據營養可利用性和生理需求切換燃料來源。這種代謝靈活性使細胞和組織能夠根據其能量與生物合成需求，利用不同底物庫，如碳水化合物、脂類和氨基酸 ; 這種靈活性在適應禁食和寒冷暴露過程中尤為重要。在禁食狀態下，糖原的耗竭會觸發機體轉而依賴脂肪酸氧化來滿足能量需求，而脂肪酸來源于脂肪組織的脂解，同時保留葡萄糖供大腦使用。

脂肪酸氧化所必需的一種關鍵代謝物是肉堿， 肉堿促進長鏈脂肪酸進入線粒體的轉運，這一過程被稱為肉堿穿梭系統。 雖然動物性食物來源（例如紅肉）可提供約 75% 的肉堿，但從頭（ de novo ）肉堿生物合成同樣對維持肉堿儲量作出貢獻。從頭肉堿生物合成始于 N6,N6,N6-三甲基賴氨酸（ trimethyllysine ,TML） 進入線粒體 ， 在線粒體基質中，三甲基賴氨酸羥化酶ε（TMLHE）催化 TML 轉化為 3- 羥基 -6-N- 三甲基賴氨酸（ HTML ），隨后經歷一系列酶促反應： 3- 羥基 -6-N- 三甲基賴氨酸醛縮酶（ HTMLA ）將其轉化為 4-N- 三甲基氨基丁醛（ TMABA ），該產物再經 4-N- 三甲基氨基丁醛脫氫酶（ ALDH9A1 ）氧化生成γ-丁酰甜菜堿（γ-BB）。最后，γ - 丁酰甜菜堿雙加氧酶（ BBOX1 ），又稱γ-丁酰甜菜堿羥化酶（GBBH），催化生成 L- 肉堿 。 然而，其分子調控機制及生理作用仍不清楚 。

近日， 美國哈佛醫學院， Kajimur a 團隊，在 S cience 雜志上 , 發表了題為

Mitochondrial control of fuel switching via carnitine biosynthesis

基于 6136 名芬蘭參與者的代謝物全基因組關聯研究（ GWAS-METSIM ） 與 Common Metabolic Diseases Knowledge Porta 大數據分析 ，二部分 結果顯示 SLC25A45 基因與 TML ， 血清肌酐濃度及基于肌酐估算的腎小球濾過率具有強相關性 。 這些數據促使 本文研究人員提出 這樣一個假設： SLC25A45 參與體內 TML 的線粒體轉運以及 L- 肉堿的合成 。 并首先檢測到， SLC25A45 在小鼠多種器官中表達，其中在腎臟、腦和肝臟中的表達水平最高，而這些器官均具有較強的由 TML 合成肉堿的能力 。且 SLC25A45 的表達與肉堿代謝相關基因特征呈顯著正相關 。 為 驗證 上述 假說 ， 研究人員 構建了靶向 Slc25a45 基因第 4 外顯子（包含兩個跨膜結構域）的 Slc25a45 flox/flox 小鼠 ， 隨后與 CMV-Cre 小鼠雜交，獲得全身性 Slc25a45 缺失小鼠 （ SLC25A45 KO ） ，并 在從腹股溝白色脂肪組織分離的 SVF 永生化 （ immortalized ） 細胞 中構建了永生化的 SLC25A45 KO 與 對照細胞 細胞 。 隨后從這些細胞中分離線粒體，用于檢測 D 9 標記的 TML 的線粒體攝取。 液相色譜 - 質譜（ LC-MS ）代謝組學分析顯示， SLC25A45 KO 線粒體中 D9-TML 的攝取量顯著低于對照線粒體 。同時 SLC25A45 KO 肝 原代 細胞產生的 D9-HTML 、γ -BB 和 L- 肉堿量更少。

隨后， 在 HEK293 細胞中敲除 SLC25A45 ，并重新引入人源 SLC25A45 的 cDNA 序列（ KO + SLC25A45 ， 救援細胞 ） ， 在野生型細胞、 KO 細胞和救援細胞中使用 D 9 -TML 進行全細胞代謝示蹤。代謝組學分析顯示，救援細胞中 D9 標記的 HTML 和 γ -BB 含量更高 。 這些結果表明SLC25A45對線粒體TML的攝取及其后續由TML合成L-肉堿的過程是必需的。

為確定 SLC25A45 在體內的生物學意義， 研究人員 利用 SLC25A45 KO 小鼠評估了 SLC25A45 對全身肉堿代謝及脂肪酸氧化的調控作 用 。結果表明， 盡管在整體發育上未觀察到明顯缺陷，但血清代謝組學分析顯示， SLC25A45 KO 小鼠血清中 L- 肉堿和 γ -BB 的含量更低。相反， L- 肉堿前體物 L- 賴氨酸和 TML 在 SLC25A45 KO 小鼠中的血清水平更高，這與培養細胞實驗結果一致，即 SLC25A45 對 TML 向 γ -BB 和 L- 肉堿的轉化是必需的。 接著，研究人員利用 Cdh16-Cre 構建了 腎臟特異性 SLC25A45 KO 小鼠 ； 然而，腎臟特異性 KO 小鼠與對照小鼠之間在腎損傷標志物及循環肉堿水平上并無差異 。在 Albumin-Cre 構建的 肝臟特異性 SLC25A45 KO 小鼠 中， 同樣未觀察到組織中肉堿及其前體物含量的變化 。 這些數據支持一種模型：肉堿由多個器官共同提供，因此單一組織特異性缺失不足以引起全身性肉堿缺乏。 隨后結果 表明， 禁食 12 小時后， SLC25A45 KO 小鼠的血糖水平顯著低，禁食 24 小時后， SLC25A45 KO 小鼠血液中酮體 β - 羥丁酸（ BHB ）水平低，在普通飼料條件下， SLC25A45 KO 小鼠的葡萄糖清除能力高 。 RNA 測序 ， 轉錄組分析鑒定出 1675 個差異表達基因（其中 1078 個上調， 597 個下調）。 KEGG 通路分析顯示， SLC25A45 KO 小鼠中脂肪酸 β - 氧化相關基因（如 Acadm 、 Hadh 、 Ehhadh ）以及肉堿合成基因（如 Bbox1 ）下調，而糖酵解（如 Hk2 、 Gapdh 、 Pfkfb3 ）和線粒體氧化磷酸化通路 （如 Ndufa3 、 Cox7a2 、 Cpt1a ）上調 。 同時，寒冷暴露結果揭示了全身性肉堿可利用性在寒冷耐受及循環脂質譜調控中的重要作用，也解釋了為何肝臟特異性缺失SLC25A45在體內并不會改變寒冷敏感性。

最后， 研究人員 進一步探究 SLC25A45 介導的肉堿合成在寒冷適應之外的代謝適應性中的作用。 其中 食物限制是一個典型例子：通過燃料向脂肪酸的切換，既能維持持續的 ATP 合成，又能保留葡萄糖供腦部使用。這種代謝響應可以通過 GLP-1 受體激動劑（ GLP-1RA ）在自由進食的小鼠體內 進行 藥理性誘導。 在對照小鼠中， semaglutide 注射提升了血清長鏈酰基肉堿的濃度，尤其是 C12:0 、 C14:1 、 C14:2 和 C18:2 ，但在 SLC25A45 KO 小鼠中未觀察到類似變化。此外， semaglutide 降低了對照小鼠血清中的甘油三酯（ TG ）和二酰甘油（ DG ），而 SLC25A45 KO 小鼠這些脂質水平依然較高。 SLC25A45 KO 小鼠對 semaglutide 的體重減輕及脂肪組織下降表現出抵抗性 ，而 semaglutide 對兩組小鼠血糖的降低效果相似 。

綜上所述， 從代謝角度上看，本文敘事情節一般，涉及的代謝物均 被之前 文獻充分報道。從分子調控機理及生物學意義角度上，本文詳細闡述了SLC25A45，作為調節三甲基賴氨酸轉運蛋白，介導三甲基賴氨酸從細胞質轉運至線粒體中，對肉堿從頭合成發揮了關鍵作用。至于其對 GLP-1RA 引起的脂肪組織能量消耗降低所發揮的作用，有待進一步評估。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady5532

制版人： 十一

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