上海
撰文 | 阿童木
真核细胞的代谢稳态依赖于线粒体与细胞质间的代谢物交换。线粒体外膜对小分子相对通透，而内膜（IMM）则具有高度选择性，大多数代谢物需借助特定转运蛋白进入线粒体基质【1】。这种分区转运机制构建了细胞内的“代谢区室”，协调能量代谢、氨基酸合成与脂肪酸氧化，也成为代谢疾病和肿瘤代谢重编程的关键节点【2】。
人类基因组中多数线粒体代谢物转运蛋白属于 SLC25家族【3】。典型成员含六个跨膜α螺旋，呈三重伪对称结构，通过构象变化在“胞质开放型”和“基质开放型”之间切换完成底物转运。 SLC25家族蛋白的底物识别依赖中央腔内的关键残基，其活性还需盐桥网络、支撑螺旋及心磷脂结合位点等保守元素维持。尽管针对SLC25家族的研究已较深入，但约四分之一的家族成员仍属“孤儿转运蛋白”，其底物与生理功能未知，对SLC25家族蛋白的“去孤儿化”有助于揭示新的代谢调控机制。
甲基化氨基酸（MeAAs）主要来源于甲基化蛋白降解产物，包括甲基化赖氨酸和精氨酸，与多种代谢和信号途径相关【4】。部分MeAAs被线粒体代谢，如肝肾线粒体可降解二甲基精氨酸，而三甲基赖氨酸（TML）可被导入线粒体参与肉碱合成。而肉碱是长链脂肪酸进入线粒体的“摆渡分子”，也是能量代谢与氧化还原稳态的关键因子【5】。目前，MeAAs的跨膜转运载体仍然未知，揭示介导MeAAs跨膜转运的线粒体载体，将为理解代谢与表观遗传的耦合及代谢疾病的干预提供新的思路。
近日，英国苏格兰癌症研究所Thomas MacVicar实验室等在
Molecular Cell杂志发表了题为
SLC25A45 is required for mitochondrial uptake of methylated amino acids and de novo carnitine biosynthesis的研究文章，揭示了孤儿载体SLC25A45是 甲基化氨基酸进入线粒体的关键通道。作者发现，SLC25A45可特异转运TML及二甲基精氨酸而不识别未甲基化底物；其错义突变R285C可稳定蛋白并与血浆MeAAs水平变化相关，提示该转运蛋白在体内甲基化氨基酸代谢稳态中的关键调控作用。
系统发育与定位分析已确认SLC25A45属于线粒体氨基酸转运亚群，与SLC25A29等成员同源。作者在表达量较高的AsPC-1胰腺癌细胞中构建敲除与回补模型，发现敲除SLC25A45显著降低细胞中二甲基精氨酸和去甲基肉碱水平，而重新表达后可完全恢复。免疫纯化线粒体的代谢组学分析进一步表明，SLC25A45表达可显著增加线粒体内ADMA与TML含量。利用同位素标记底物进行线粒体摄取实验，作者证明SLC25A45对TML和ADMA摄取至关重要，而对未甲基化赖氨酸或精氨酸无影响。纯化蛋白的热稳定性实验显示，TML与ADMA能显著提高SLC25A45稳定性，而其他代谢物无此效应，证明SLC25A45 特异性结合并转运甲基化赖氨酸和精氨酸。
在人群水平上，GWAS分析发现SLC25A45 R285C变体与血浆TML、去甲基肉碱和二甲基精氨酸浓度显著相关，也与猝死和心率变异风险增加相关。突变体在细胞中更稳定，提示该位点可通过影响蛋白稳态调节代谢表型。进一步的蛋白互作分析显示，SLC25A45定位于线粒体内膜，与 线粒体内膜上的支架蛋白及部分SLC25家族成员相互作用；其稳定性受m-AAA蛋白酶复合体（AFG3L2/SPG7）调控。R285C突变削弱了这一降解途径，使蛋白半衰期延长，血浆中甲基化氨基酸水平异常。
在功能层面，SLC25A45介导的 TML转运连接了甲基化氨基酸代谢与肉碱生物合成。TML来源于甲基化蛋白的水解产物或膳食输入，进入线粒体后经TMLHE催化生成去甲基肉碱。AsPC-1细胞缺乏肉碱合成末端酶BBOX1，因而无法完成整个通路。作者在细胞中共表达BBOX1与SLC25A45，结果TML向肉碱的转化得以恢复，证实SLC25A45是TML进入线粒体、驱动肉碱合成的必要调控因子。
在BBOX1高表达的卵巢癌细胞系（如OVCAR-3、Kuramochi）中，敲除SLC25A45显著抑制肉碱生成，并导致TML积累和去甲基肉碱下降。尽管部分反应仍能维持，提示可能存在次级转运机制，但SLC25A45无疑是主导途径。此外，SLC25A45敲除的OVCAR-3细胞中脱氧肉碱和二甲基精氨酸减少，TML积累，siRNA敲低SLC25A45会抑制TML生成肉碱，进一步明确了SLC25A45在肉碱从头合成过程中的必要性。
不仅如此，作者发现SLC25A45参与了二甲基精氨酸的线粒体代谢。二甲基精氨酸是内源性一氧化氮合酶抑制剂，与心肾疾病密切相关。肝肾组织中AGXT2可在线粒体内降解ADMA，而在AGXT2缺失的细胞中，SLC25A45过表达导致ADMA显著积累，提示其转运活性可决定ADMA代谢的组织特异性。R285C突变造成的蛋白稳定化改变了MeAAs的代谢平衡，也可能与心血管表型的风险升高相关。
综上所述，本研究鉴定到 SLC25A45是甲基化氨基酸跨越线粒体内膜的专一性载体，定义了TML与ADMA进入线粒体的代谢入口。SLC25A45将蛋白质甲基化的降解产物重新纳入线粒体代谢网络，连接肉碱生物合成与能量稳态。其突变通过影响m-AAA依赖的蛋白稳态改变代谢物水平，为理解心肾代谢病及肿瘤代谢提供了新的线索。该研究不仅成功“去孤儿化”SLC25A45，也补上了甲基化氨基酸跨膜与“区室化”代谢图谱的关键一环。
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2025.08.018
制版人： 十一
参考文献
1. Palmieri, F. et al. Discoveries, metabolic roles and diseases of mitochondrial carriers: A review.Biochim. Biophys. Acta.2016; 1863:2362-2378.
2. Bar-Peled, L. et al. Principles and functions of metabolic compartmentalization.Nat. Metab. 2022; 4:1232-1244.
3. Kunji, E.R.S. et al. The SLC25 Carrier Family: Important Transport Proteins in Mitochondrial Physiology and Pathology.Physiology(Bethesda). 2020; 35:302-327.
4. Paik, W.K. et al. N(G)-Methylarginines: Biosynthesis, biochemical function and metabolism.Amino Acids.1993; 4:267-286.
5. Izzo, L.T. et al. Acetylcarnitine shuttling links mitochondrial metabolism to histone acetylation and lipogenesis.Sci. Adv.2023; 9, eadf0115.
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