撰文丨李淡寧

真核細胞具有一種內(nèi)在能力，能夠根據(jù)營養(yǎng)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(jù)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(tài)下，糖原的耗竭會觸發(fā)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(tǒng)。 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(zhì)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(jīng)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(chǎn)物再經(jīng) 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(diào)控機制及生理作用仍不清楚 。

近日， 美國哈佛醫(yī)學院， Kajimur a 團隊，在 S cience 雜志上 , 發(fā)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(lián)研究（ GWAS-METSIM ） 與 Common Metabolic Diseases Knowledge Porta 大數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)促使 本文研究人員提出 這樣一個假設： SLC25A45 參與體內(nèi) 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(zhì)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(chǎn)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(xù)由TML合成L-肉堿的過程是必需的。

為確定 SLC25A45 在體內(nèi)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(diào)控作 用 。結果表明， 盡管在整體發(fā)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(yǎng)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(huán)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(shù)據(jù)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(diào)， 597 個下調(diào)）。 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(diào)，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(diào) 。 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(huán)脂質(zhì)譜調(diào)控中的重要作用，也解釋了為何肝臟特異性缺失SLC25A45在體內(nèi)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(xù)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(nèi) 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(zhì)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(xiàn)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(jié)一般，涉及的代謝物均 被之前 文獻充分報道。從分子調(diào)控機理及生物學意義角度上，本文詳細闡述了SLC25A45，作為調(diào)節(jié)三甲基賴氨酸轉運蛋白，介導三甲基賴氨酸從細胞質(zhì)轉運至線粒體中，對肉堿從頭合成發(fā)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(fā)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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