Science丨线粒体通过调节肉碱从头合成控制能量燃料葡萄糖及脂肪酸之间的转变

撰文丨李淡宁

真核细胞具有一种内在能力，能够根据营养可利用性和生理需求切换燃料来源。这种代谢灵活性使细胞和组织能够根据其能量与生物合成需求，利用不同底物库，如碳水化合物、脂类和氨基酸 ; 这种灵活性在适应禁食和寒冷暴露过程中尤为重要。在禁食状态下，糖原的耗竭会触发机体转而依赖脂肪酸氧化来满足能量需求，而脂肪酸来源于脂肪组织的脂解，同时保留葡萄糖供大脑使用。

脂肪酸氧化所必需的一种关键代谢物是肉碱， 肉碱促进长链脂肪酸进入线粒体的转运，这一过程被称为肉碱穿梭系统。 虽然动物性食物来源（例如红肉）可提供约 75% 的肉碱，但从头（ de novo ）肉碱生物合成同样对维持肉碱储量作出贡献。从头肉碱生物合成始于 N6,N6,N6-三甲基赖氨酸（ trimethyllysine ,TML） 进入线粒体 ， 在线粒体基质中，三甲基赖氨酸羟化酶ε（TMLHE）催化 TML 转化为 3- 羟基 -6-N- 三甲基赖氨酸（ HTML ），随后经历一系列酶促反应： 3- 羟基 -6-N- 三甲基赖氨酸醛缩酶（ HTMLA ）将其转化为 4-N- 三甲基氨基丁醛（ TMABA ），该产物再经 4-N- 三甲基氨基丁醛脱氢酶（ ALDH9A1 ）氧化生成γ-丁酰甜菜碱（γ-BB）。最后，γ - 丁酰甜菜碱双加氧酶（ BBOX1 ），又称γ-丁酰甜菜碱羟化酶（GBBH），催化生成 L- 肉碱 。 然而，其分子调控机制及生理作用仍不清楚 。

近日， 美国哈佛医学院， Kajimur a 团队，在 S cience 杂志上 , 发表了题为

Mitochondrial control of fuel switching via carnitine biosynthesis

基于 6136 名芬兰参与者的代谢物全基因组关联研究（ GWAS-METSIM ） 与 Common Metabolic Diseases Knowledge Porta 大数据分析 ，二部分 结果显示 SLC25A45 基因与 TML ， 血清肌酐浓度及基于肌酐估算的肾小球滤过率具有强相关性 。 这些数据促使 本文研究人员提出 这样一个假设： SLC25A45 参与体内 TML 的线粒体转运以及 L- 肉碱的合成 。 并首先检测到， SLC25A45 在小鼠多种器官中表达，其中在肾脏、脑和肝脏中的表达水平最高，而这些器官均具有较强的由 TML 合成肉碱的能力 。且 SLC25A45 的表达与肉碱代谢相关基因特征呈显著正相关 。 为 验证 上述 假说 ， 研究人员 构建了靶向 Slc25a45 基因第 4 外显子（包含两个跨膜结构域）的 Slc25a45 flox/flox 小鼠 ， 随后与 CMV-Cre 小鼠杂交，获得全身性 Slc25a45 缺失小鼠 （ SLC25A45 KO ） ，并 在从腹股沟白色脂肪组织分离的 SVF 永生化 （ immortalized ） 细胞 中构建了永生化的 SLC25A45 KO 与 对照细胞 细胞 。 随后从这些细胞中分离线粒体，用于检测 D 9 标记的 TML 的线粒体摄取。 液相色谱 - 质谱（ LC-MS ）代谢组学分析显示， SLC25A45 KO 线粒体中 D9-TML 的摄取量显著低于对照线粒体 。同时 SLC25A45 KO 肝 原代 细胞产生的 D9-HTML 、γ -BB 和 L- 肉碱量更少。

随后， 在 HEK293 细胞中敲除 SLC25A45 ，并重新引入人源 SLC25A45 的 cDNA 序列（ KO + SLC25A45 ， 救援细胞 ） ， 在野生型细胞、 KO 细胞和救援细胞中使用 D 9 -TML 进行全细胞代谢示踪。代谢组学分析显示，救援细胞中 D9 标记的 HTML 和 γ -BB 含量更高 。 这些结果表明SLC25A45对线粒体TML的摄取及其后续由TML合成L-肉碱的过程是必需的。

为确定 SLC25A45 在体内的生物学意义， 研究人员 利用 SLC25A45 KO 小鼠评估了 SLC25A45 对全身肉碱代谢及脂肪酸氧化的调控作 用 。结果表明， 尽管在整体发育上未观察到明显缺陷，但血清代谢组学分析显示， SLC25A45 KO 小鼠血清中 L- 肉碱和 γ -BB 的含量更低。相反， L- 肉碱前体物 L- 赖氨酸和 TML 在 SLC25A45 KO 小鼠中的血清水平更高，这与培养细胞实验结果一致，即 SLC25A45 对 TML 向 γ -BB 和 L- 肉碱的转化是必需的。 接着，研究人员利用 Cdh16-Cre 构建了 肾脏特异性 SLC25A45 KO 小鼠 ； 然而，肾脏特异性 KO 小鼠与对照小鼠之间在肾损伤标志物及循环肉碱水平上并无差异 。在 Albumin-Cre 构建的 肝脏特异性 SLC25A45 KO 小鼠 中， 同样未观察到组织中肉碱及其前体物含量的变化 。 这些数据支持一种模型：肉碱由多个器官共同提供，因此单一组织特异性缺失不足以引起全身性肉碱缺乏。 随后结果 表明， 禁食 12 小时后， SLC25A45 KO 小鼠的血糖水平显著低，禁食 24 小时后， SLC25A45 KO 小鼠血液中酮体 β - 羟丁酸（ BHB ）水平低，在普通饲料条件下， SLC25A45 KO 小鼠的葡萄糖清除能力高 。 RNA 测序 ， 转录组分析鉴定出 1675 个差异表达基因（其中 1078 个上调， 597 个下调）。 KEGG 通路分析显示， SLC25A45 KO 小鼠中脂肪酸 β - 氧化相关基因（如 Acadm 、 Hadh 、 Ehhadh ）以及肉碱合成基因（如 Bbox1 ）下调，而糖酵解（如 Hk2 、 Gapdh 、 Pfkfb3 ）和线粒体氧化磷酸化通路 （如 Ndufa3 、 Cox7a2 、 Cpt1a ）上调 。 同时，寒冷暴露结果揭示了全身性肉碱可利用性在寒冷耐受及循环脂质谱调控中的重要作用，也解释了为何肝脏特异性缺失SLC25A45在体内并不会改变寒冷敏感性。

最后， 研究人员 进一步探究 SLC25A45 介导的肉碱合成在寒冷适应之外的代谢适应性中的作用。 其中 食物限制是一个典型例子：通过燃料向脂肪酸的切换，既能维持持续的 ATP 合成，又能保留葡萄糖供脑部使用。这种代谢响应可以通过 GLP-1 受体激动剂（ GLP-1RA ）在自由进食的小鼠体内 进行 药理性诱导。 在对照小鼠中， semaglutide 注射提升了血清长链酰基肉碱的浓度，尤其是 C12:0 、 C14:1 、 C14:2 和 C18:2 ，但在 SLC25A45 KO 小鼠中未观察到类似变化。此外， semaglutide 降低了对照小鼠血清中的甘油三酯（ TG ）和二酰甘油（ DG ），而 SLC25A45 KO 小鼠这些脂质水平依然较高。 SLC25A45 KO 小鼠对 semaglutide 的体重减轻及脂肪组织下降表现出抵抗性 ，而 semaglutide 对两组小鼠血糖的降低效果相似 。

综上所述， 从代谢角度上看，本文叙事情节一般，涉及的代谢物均 被之前 文献充分报道。从分子调控机理及生物学意义角度上，本文详细阐述了SLC25A45，作为调节三甲基赖氨酸转运蛋白，介导三甲基赖氨酸从细胞质转运至线粒体中，对肉碱从头合成发挥了关键作用。至于其对 GLP-1RA 引起的脂肪组织能量消耗降低所发挥的作用，有待进一步评估。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady5532

制版人： 十一

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