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Cell Metab | SLC25A48 控制线粒体的胆碱摄取和代谢

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-09-02 08:11

正文

撰文 | 阿童木

线粒体是生物体能量代谢的中枢，不仅控制ATP的合成，而且在代谢途径和反应的“区室化”过程中扮演着重要角色【1】。线粒体对代谢反应的特异性和区室化调控有赖于其对不同代谢物的选择性运输，该过程受到内线粒体膜（IMM）严格控制。由于代谢物无法直接透过IMM，因此穿越IMM的代谢物转运依赖于特定的膜结合载体蛋白。在这些载体蛋白中，溶质载体家族25 A（SLC25A）是其中最大的蛋白家族，然而该家族中的许多成员仍被认为是“孤儿”载体，其底物特异性和生物功能尚未明确【2】。

棕色脂肪组织（BAT）富含线粒体，且诸多IMM蛋白的表达水平都很高。此外，BAT细胞的线粒体嵴结构密集、线粒体解偶联呼吸和产热能力突出，这些特征为鉴定IMM特异性载体蛋白，以及解析IMM蛋白的生物功能提供了良好媒介【3】。

胆碱是合成磷脂和神经递质的关键代谢物，也是细胞内重要的一碳供体来源，能够在线粒体内被转化为一碳供体甜菜碱【4】。具体来说，胆碱被转运进入线粒体后，能够被线粒体定位的胆碱脱氢酶（CHDH）转化为中间产物甜菜碱醛，然后由醛脱氢酶7家族成员A1（ALDH7A1）将其转化为甜菜碱，随后线粒体中的甜菜碱被转运到胞质以作为甲基供体用于合成蛋氨酸【5】。胆碱和甜菜碱在线粒体膜上的动态交换由IMM结合的载体蛋白介导，但具体是由哪种载体负责的，目前仍不清除。

近日，哈佛大学HHMI研究员Shingo Kajimura实验室领衔在Cell Metabolism杂志发表了题为SLC25A48 controls mitochondrial choline import and metabolism 的研究文章，发现之前未被表征的线粒体内膜载体蛋白SLC25A48是一种新的胆碱载体蛋白，能够调节线粒体胆碱运输和代谢、线粒体内膜完整性和能量稳态，并影响了脂肪组织产热和细胞生存，揭示了SLC25A48及其介导的胆碱代谢在线粒体稳态维持中的重要性。

作者首先利用定量蛋白质组学手段分析了标准饮食和高脂饮食（HFD）条件下小鼠BAT中线粒体蛋白表达的变化，发现HFD下调了多种线粒体SLC25A家族载体蛋白的表达，而SLC25A48是唯一显著上调的SLC25A家族蛋白。SLC25A48在BAT中大量表达，并且定位于IMM。在BAT细胞分化过程中，Slc25a48 mRNA表达显著上升。

接下来作者通过构建SLC25A48基因敲除小鼠，探究了SLC25A48的生物学功能，发现尽管基因敲除小鼠的体重和空腹血糖与野生型（WT）小鼠相比没有显著差异，但SLC25A48-KO小鼠的耐寒性显著降低，并且导致BAT的线粒体超微结构改变（线粒体体积变大，嵴变得稀疏），产热能力变弱。进一步的实验表明，SLC25A48的缺失导致线粒体H2O2合成增加，且脂质组学分析发现其脂质代谢发生了明显变化，脂质过氧化上升，线粒体的电子流动和全身胆碱代谢发生异常。

接下来作者探讨了SLC25A48-KO小鼠的BAT产热缺陷是否具有其内在的细胞自主性调控。通过建立稳定的SLC25A48-KO棕色脂肪细胞系并进行SLC25A48回补实验，作者发现SLC25A48的过表达能够显著增强SLC25A48-KO细胞在去甲肾上腺素刺激下的细胞呼吸能力，且降低了线粒体H2O2的合成，这表明SLC25A48在细胞呼吸的调节过程中具有细胞自主性。

通过系统发育分析和代谢组学研究，作者发现SLC25A48与线粒体H2O2合成相关基因存在共进化，并与一碳代谢通路密切相关。进一步验证发现，SLC25A48-KO细胞中甜菜碱和嘌呤核苷酸水平显著降低，表明SLC25A48在胆碱代谢和嘌呤合成中发挥了关键作用。通过稳定标记胆碱示踪实验，作者更加确认了SLC25A48在一碳单位向嘌呤核苷酸池的转换过程中至关重要。

那么，SLC25A48能否调控线粒体胆碱衍生代谢物的合成呢？利用体外培养细胞的敲除和回补实验，作者发现SLC25A48能够特异性促进线粒体对胆碱的摄取，并在胆碱在线粒体中被转化为甜菜碱这一过程中发挥了积极的调节作用，并介导了甜菜碱输出到线粒体外。

对芬兰男性的代谢物全基因组关联研究（GWASs-METSIM）显示，血浆胆碱水平与SLC25A48基因位点具有强相关性，其中SLC25A48（rs200164783）是全基因组中与胆碱代谢相关的最显著SNP，并能够特异性地影响体内循环中的胆碱变化。利用CRISPR-Cas9基因编辑和同源重组修复（HDR）在HEK293细胞中引入SLC25A48（A>G）rs200164783这一SNP（SNP-KI细胞）后，作者发现SNP-KI细胞生长变慢，并表现出一系列与SLC25A48-KO细胞相似的变化，包括线粒体胆碱摄取减少、线粒体H2O2生成增加和脂质过氧化的积累。与之类似，在不同的癌细胞中敲除SLC25A48会导致细胞活力降低，细胞周期受到阻滞，细胞死亡率上升。外源性补充甜菜碱能够降低SNP-KI细胞的线粒体ROS水平，但不能恢复SNP-KI细胞的生长，可见，在SLC25A48功能异常细胞中，除了线粒体甜菜碱合成外，还有其他途径参与了对细胞生长的调控。

综上所述，本研究鉴定到之前未被表征的线粒体内膜载体蛋白SLC25A48是胆碱转运的特异性载体，能够控制线粒体胆碱运输和胆碱衍生物的合成和代谢，并揭示了SLC25A48在维持线粒体呼吸、电子流动和线粒体膜完整性方面起着关键作用，影响了脂肪组织产热与细胞增殖。

原文链接：

https:// doi.org/10.1016/j.cmet.2024.07.010

制版人：十一

参考文献

1. Chakrabarty,R.P., and Chandel,N.S.(2021). Mitochondria as signaling organelles control mammalian stem cell fate. Cell Stem Cell 28, 394–408.

2. Ruprecht, J.J., and Kunji, E.R.S. (2020). The SLC25 mitochondrial carrier family: structure and mechanism. Trends Biochem. Sci. 45, 244–258.

3. Cohen, P., and Kajimura, S. (2021). The cellular and functional complexity of thermogenic fat. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 22, 393–409.

4.Zeisel, S.H. (2006). Choline: critical role during fetal development and dietary requirements in adults. Annu. Rev. Nutr. 26, 229–250.

5. Ueland, P.M. (2011). Choline and betaine in health and disease. J. Inherit. Metab. Dis. 34, 3–15.

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