西湖大學曾安平團隊最新Science子刊

由能量代謝缺陷引發(fā)的代謝紊亂可導致多種危及生命的疾病，其治療在多數(shù)情況下仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基因療法依賴于“一種基因?qū)环N遺傳缺陷”的策略。

2025年12月3日，西湖大學曾安平獨立通訊在Science Advances在線發(fā)表題為“Targeting multiple genetic defects of mitochondrial diseases with a single bacterial lipoate protein ligase”的研究論文。該研究展示了一種更為高效的策略，即通過單基因干預靶向多種遺傳缺陷。

具體而言，作者利用一種參與蛋白質(zhì)硫辛酰化的細菌硫辛酰蛋白連接酶，成功挽救了人類硫辛酰化通路（LIPT2、LIAS和LIPT1）、硫辛酰前體供應（MECR）以及硫插入輔助伙伴（FDX1）缺陷導致的線粒體損傷。源自大腸桿菌的LplA或枯草芽孢桿菌的LplJ的療效與安全性已在人類細胞和小鼠模型中得到驗證。LplA敲入小鼠健康狀況正常，且能量消耗有所增強。通過交配策略過表達LplA，成功挽救了Lipt1?/?突變體的胚胎致死性，獲得了體重、能量消耗、組織形態(tài)及生化指標均正常的可存活后代。本研究揭示了如何利用人類與細菌之間生物合成通路的進化差異，實現(xiàn)跨物種治療創(chuàng)新。

線粒體作為真核細胞的能量工廠，通過氧化磷酸化為細胞供能，在人類健康中發(fā)揮著不可或缺的作用。線粒體功能受損廣泛存在于多種高發(fā)疾病中，包括2型糖尿病、心血管疾病、代謝綜合征、癌癥和阿爾茨海默病等。線粒體疾病中的功能缺陷是一系列遺傳性疾病的根本原因，在人群中的發(fā)病率約為1/5000，凸顯了對創(chuàng)新療法的迫切需求。硫辛酰化是一種進化上保守且功能重要的翻譯后修飾（PTM），對線粒體功能至關重要。

迄今為止，硫辛酰化已被證實對五個關鍵代謝酶復合體的功能必不可少：甘氨酸裂解系統(tǒng)（GCS）以及四種2-氧酸脫氫酶，即丙酮酸脫氫酶（PDH）、2-氧化戊二酸脫氫酶（OGDH）、支鏈2-氧酸脫氫酶（BCKDH）和2-氧己二酸脫氫酶（OADH）。在真核生物中，這些依賴硫辛酰化的蛋白質(zhì)（LDPs）均定位于線粒體。PDH和OGDH參與三羧酸（TCA）循環(huán)，而BCKDH、OADH和GCS則分別參與支鏈氨基酸（纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸）、賴氨酸和甘氨酸的分解代謝。因此，硫辛酰化對線粒體能量代謝和氨基酸代謝均至關重要。盡管硫辛酰化在細胞代謝中具有關鍵作用，它仍然是研究最少的PTM之一，對其治療潛力的理解存在重大空白。

人類的硫辛酰化需要一條包含三種核心酶的全新合成途徑：LIPT2（辛酰轉(zhuǎn)移酶）、LIAS（硫辛酸合酶）和LIPT1（硫辛酰轉(zhuǎn)移酶）。這些基因的突變與以線粒體代謝嚴重缺陷為特征的線粒體疾病相關。LIPT2（OMIM#617659）突變會導致新生兒腦病、乳酸性酸中毒、腦部異常、血漿甘氨酸中度升高、線粒體呼吸減弱以及硫辛酰化受損。LIAS（OMIM#607031）突變表現(xiàn)為高甘氨酸血癥、乳酸性酸中毒、癲癇發(fā)作、甘氨酸水平升高、硫辛酰化缺失以及GCS/PDH/OGDH活性缺陷。LIPT1（OMIM#610284）缺陷則表現(xiàn)為致命的乳酸性酸中毒、精神運動發(fā)育倒退、Leigh綜合征或癲癇性腦病，伴有乳酸升高、尿酮戊二酸升高以及特定的2-氧酸脫氫酶硫辛酰化缺陷。

與LIAS/LIPT2缺陷不同，LIPT1缺陷患者的甘氨酸水平保持正常，這與其在將硫辛酰基轉(zhuǎn)移至E2亞基中的作用一致，為診斷提供了關鍵的區(qū)分依據(jù)。除了參與硫辛酰化生物合成的基因外，參與線粒體脂肪酸合成（ACP和MECR）、鐵硫簇合成（NFU1、BOLA3、IBA57和GLRX5）以及硫辛酰基回收（DLD）的基因發(fā)生缺陷時，也會表現(xiàn)出蛋白質(zhì)硫辛酰化受損和類似LIAS缺陷的表型。這些疾病的遺傳異質(zhì)性構成了一個根本性挑戰(zhàn)，因為針對每種突變開發(fā)個體化療法在經(jīng)濟上并不可行。因此，通過單一干預手段靶向多種硫辛酰化缺陷的統(tǒng)一策略極具吸引力。

實驗設計圖（圖片源自Science Advances）

本研究通過利用細菌與人類生物合成途徑之間的進化差異，來彌合這一治療空白。與人類不同，細菌擁有一條專門的補救性硫辛酰化途徑，該途徑利用外源性硫辛酸，通過三磷酸腺苷（ATP）依賴的機制對靶蛋白進行修飾。作者假設，在細胞內(nèi)線粒體靶向表達單一的細菌硫辛酸蛋白質(zhì)連接酶，可以繞過有缺陷的人類硫辛酰化機制。作者的研究表明，LplA或LplJ能夠在多種基因敲除（KO）模型（LIPT2、LIAS、LIPT1、MECR和FDX1）中有效恢復線粒體功能。作者在LplA敲入（KI）小鼠和Lipt1 KO小鼠中評估了該策略的體內(nèi)有效性和安全性，結(jié)果顯示LplA成功挽救了由Lipt1?/?突變引起的胚胎致死，證明了細菌硫辛酸蛋白質(zhì)連接酶作為單一基因療法治療多種線粒體疾病的潛力。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8481