Life Metabolism丨P5CS介導的脯氨酸代謝調控MASLD進展

代謝功能障礙相關脂肪性肝病（MASLD）具有肝臟脂肪變性、炎癥、纖維化等特征，是全球范圍內高發的慢性肝病，嚴重的可能導致肝硬化、肝衰竭和肝癌，目前針對MASLD的有效治療手段仍非常有限。傳統上MASLD被視為一種主要由脂質代謝失衡導致的疾病，涉及脂肪攝入增多、肝臟新生脂肪生成增強以及脂肪酸氧化減弱等多個環節。然而，越來越多的證據表明營養物質代謝是一個高度互聯的網絡，氨基酸代謝的紊亂在MASLD的發病中亦扮演著不可忽視的角色。例如，谷氨酰胺代謝、天冬氨酸代謝的異常均被證實與MASLD密切相關【1, 2】。近期，一些臨床和基礎研究觀察到MASLD患者及模型小鼠的血清和肝臟中脯氨酸水平顯著升高【3】，但其背后的具體機制及其在疾病中的功能性作用尚不明確。

近日，中科院上海藥物研究所李佳聯合蔣昊文、同濟大學醫學院JiangHuihong和復旦大學藥學院張雪梅在Life Metabolism期刊發表題為P5CS-coupled proline metabolism manipulates metabolic dysfunction-associatedsteatoticliver disease的文章，揭示了肝臟中氨基酸代謝關鍵酶吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）的表達上調促進脯氨酸的異常累積，導致肝細胞線粒體功能受損和脂肪代謝紊亂，從而驅動MASLD的進展。該研究通過臨床樣本、多種動物模型和細胞實驗，證實了P5CS是MASLD的一個關鍵驅動因子，并證明抑制P5CS或其下游的脯氨酸積累能有效緩解疾病，為MASLD的靶向治療提供了全新的視角和潛在的干預靶點。

Original Articlehttps://doi.org/10.1093/lifemeta/loaf040

研究團隊首先對臨床樣本和公共數據庫進行了深入分析，發現在MASLD患者的肝臟組織中，脯氨酸生物合成的限速酶P5CS（由ALDH18A1基因編碼）的表達水平顯著升高，且其表達量與血清中的肝損傷標志物（ALT、AST）水平以及肝臟炎癥、纖維化相關基因的表達呈正相關。對基因表達數據庫（GEO）的分析進一步證實，與健康人相比，MASH患者的肝臟ALDH18A1 mRNA水平更高，且隨著疾病嚴重程度的增加而上升。這一現象在動物模型中也得到了驗證。在兩種常用的MASH小鼠模型（膽堿缺乏的高脂飲食CDAHFD和高脂高膽固醇高糖飲食HFHC誘導）中，肝臟的Aldh18a1 mRNA水平和P5CS蛋白表達水平均顯著上調。在細胞層面，用棕櫚酸（PA）處理小鼠肝細胞系（AML12細胞）模擬脂毒性環境，同樣能誘導P5CS表達以濃度和時間依賴的方式增加。這些結果一致表明，P5CS的上調是MASLD病理環境中的一個普遍特征。

為了明確P5CS是MASLD的“因”而非“果”，研究團隊利用腺相關病毒（AAV8）介導的基因操控技術，在小鼠肝臟中特異性過表達或敲低P5CS。在CDAHFD飲食誘導的MASH小鼠模型中，肝臟特異性過表達P5CS會顯著加重肝臟的病理改變，具體表現為：肝臟重量/體重比增加，肝細胞脂肪變性區域擴大，血清ALT、AST和LDH水平升高，肝臟炎癥基因表達上調，同時肝臟甘油三酯（TG）含量和纖維化標志物（如羥脯氨酸HYP、α-SMA）也顯著增加。這表明，P5CS的過度表達足以驅動MASLD向更嚴重的階段發展。相反，在同樣的MASH模型中，敲低肝臟中的P5CS則產生了明確的保護效應。小鼠的肝臟脂肪變性、肝損傷、炎癥反應和纖維化均得到顯著改善。以上實驗結果表明P5CS在MASLD進展中扮演著關鍵的“加速器”角色。

那么，P5CS是如何導致肝細胞內脂肪堆積的呢？研究人員通過肝臟轉錄組測序（RNA-seq）分析發現，CDAHFD飲食喂養的小鼠肝臟中，與脂肪酸β-氧化和線粒體功能相關的基因通路顯著下調。這提示P5CS可能通過影響線粒體功能來干擾脂質代謝。后續的細胞實驗驗證了這一猜想：在AML12細胞和原代肝細胞中，過表達P5CS會加劇游離脂肪酸（FFA）誘導的甘油三酯積累；而敲低P5CS則能減輕脂質堆積。通過檢測線粒體呼吸功能，發現P5CS過表達會損害肝細胞的基礎呼吸、ATP產量和最大呼吸能力；敲低P5CS則能改善PA引起的線粒體功能障。更重要的是，利用穩定同位素（[U-13C16]-PA）示蹤技術，研究人員發現P5CS敲低后，來源于PA的TCA循環中間代謝物（M+2標記）水平升高，這直接證明了抑制P5CS增強了肝細胞對脂肪酸的氧化分解能力。

MASLD病理條件下，P5CS表達上調后下游作用的直接效應分子是什么？作為脯氨酸合成的關鍵酶，研究人員自然將目光投向了脯氨酸本身。他們發現，在MASLD患者和模型小鼠中，肝臟和血清中的脯氨酸水平顯著升高，且與肝損傷嚴重程度正相關。在細胞中，P5CS的過表達或敲低能相應地增加或減少PA誘導的細胞內脯氨酸積累。體外補充外源性L-脯氨酸則能完全抵消P5CS敲低所帶來的改善線粒體功能和減少脂質積累的有益效應。為進一步證明脯氨酸是P5CS的直接作用分子，研究人員構建了P5CS的酶活性中心突變體（分別突變GK結構域的Lys76, Asp247, Lys311和GPR結構域的Cys612）。與野生型P5CS不同，過表達這些失去酶活性的突變體，既不能引起細胞內脯氨酸的顯著積累，也無法重現野生型P5CS對線粒體功能和脂質代謝的破壞作用。這證明P5CS的功能嚴格依賴于其催化脯氨酸合成的酶活性。在動物模型中，對肝臟P5CS敲低的MASH小鼠補充外源性脯氨酸，同樣可以逆轉P5CS敲低帶來的肝臟保護作用，重新加重脂肪變性、肝損傷和纖維化，這些結果均表明，脯氨酸是P5CS促進MASLD發展過程中的主要下游分子。

Summary of key enzymes involved in proline metabolism.

綜上所述，本研究通過多層次、系統性的實驗，確立了“P5CS-脯氨酸”代謝軸在MASLD發生發展中的核心作用，將氨基酸代謝（脯氨酸合成）與脂質代謝（脂肪酸氧化）通過線粒體功能緊密聯系起來，為理解MASLD的復雜發病機制提供了新的理論框架，而P5CS酶活性位點突變的結果則證明P5CS是干預MASLD的潛在新靶點，開發P5CS的特異性抑制劑可能成為未來MASLD治療的新方向。

原文鏈接：https://academic.oup.com/lifemeta/advance-article/doi/10.1093/lifemeta/loaf040/8328310

制版人：十一

參考文獻

1. Simon, J., et al., Targeting Hepatic Glutaminase 1 Ameliorates Non-alcoholic Steatohepatitis by Restoring Very-Low-Density Lipoprotein Triglyceride Assembly.CellMetab, 2020. 31(3): p. 605–622.e10.

2. Rao, Y., et al., Gut Akkermansia muciniphila ameliorates metabolic dysfunction-associated fatty liver disease by regulating the metabolism of L-aspartate via gut-liver axis.Gut Microbes, 2021. 13(1): p. 1–19.

3. Shao, L., et al., Serum metabolomics-based heterogeneities and screening strategy for metabolic dysfunction-associated fatty liver disease (MAFLD).ClinChimActa, 2023. 538: p. 203–210.

BioArt

Med

Plants

人才招聘

學術合作組織

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。