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Qi
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翊竑
有机酸血症如甲基丙二酸血症（methylmalonicacidemia,MMA）是一组先天性代谢障碍，通常由氨基酸和脂肪酸分解代谢的缺陷引起，患者容易出现与高氨血症相关的代谢性酮症酸中毒和脑病的反复发作，包括肝胆系统、内分泌和骨骼系统等在内的多个器官也可表现出病因不明的严重病理改变。此外，包括尿素循环、甘氨酸分解系统、三羧酸循环等在内的代谢途径中的功能障碍广泛归因于有毒代谢物，但未经机制验证。
酰基辅酶A种类的增加被认为是该疾病病理基础，但机制仍然未知。研究人员假设MMA中异常的酰基辅酶A增加可能会通过辅酶A衍生的共价翻译后修饰（posttranslationalmodifications,PTMs）的不受控形成来扰乱细胞稳态。酰基从酰基辅酶A到蛋白质赖氨酸残基的移动是由线粒体基质外的组蛋白乙酰转移酶酶促驱动的，因此，在MMA中由于酶缺陷而产生的过多的线粒体酰基辅酶A可能为过度的酰化创造独特的环境，从而干扰各种代谢途径。
年5月25日，来自美国NIH的CharlesP.Venditti团队在ScienceTranslationalMedicine杂志上发表了一篇题为Aberrantmethylmalonylationunderliesmethylmalonicacidemiaandisattenuatedbyanengineeredsirtuin的文章，该团队通过比较MMA患者肝脏外植体和小鼠模型中各组织的酰化情况，发现一种广泛的翻译后修饰甲基丙二酰化，能抑制尿素循环中的酶和甘氨酸裂解途径。同时，还证实工程化的SIRT5能通过赖氨酸到精氨酸诱变来抵抗酰化驱动的抑制，从而改善MMA小鼠的高氨血症并减少整体的甲基丙二酰化水平。
研究人员首先检测了Mmut-/-;TgINS-MCK-Mmut小鼠（MMA肝肾线粒体病模型）和源自MMA患者的肝脏外植体组织提取物中的总酰化水平。与对照组相比，MMA小鼠和患者组织中丙酰化和丙二酰/甲基丙二酰化显着增高。为了确定在MMA中哪些代谢途径会因过度酰化而受到最不利的影响，研究人员使用液相色谱-串联质谱法检测了MMA的肝脏蛋白质组。与对照相比，MMA样品中多种在代谢途径（如尿素循环、精氨酸生物合成和三羧酸循环等）上发挥作用的酶出现丙二酰化和甲基丙二酰化富集。
MMA患者通常表现出高甘氨酸血症，为了探究其中的潜在机制，研究人员首先检测了样本中甘氨酸裂解系统的酶。与对照组相比，MMA肝脏的甘氨酸脱氢酶（GLDC）持续下降，但氨基甲基转移酶（GCST/AMT）、二氢硫辛酰脱氢酶（DLD）和甘氨酸裂解H蛋白（GCSH）增加。因为酰化PTMs占据了赖氨酸残基，那么异常酰化是否可以有效地阻断GCSH上硫辛酸通过硫辛酸转移酶2（LIPT2）和硫辛酸合酶（LIAS）的放置呢？结果显示催化GCSHK位点上的甲基丙二酰化能抑制LIPT2/LIAS对硫辛酸的安置，而GCSH丰度正常，进一步支持疾病的病理生理学特征由甲基丙二酰辅酶A衍生的PTMs驱动。
Sirtuin(SIRT)酶对于通过去除酰化PTMs来维持代谢稳态至关重要，由于SIRT5是线粒体定位的并且偏好带负电荷的酰化修饰，研究人员假设SIRT5活性的丧失可能会由于甲基丙二酰化的升高而导致MMA的疾病严重程度增加。为了证明这一想法，他们构建了双突变系小鼠系Sirt5-/-;MmutGV/GV，该小鼠受到MMA影响更为严重，且甲基丙二酰化水平更高。为了测试增加SIRT5活性作为MMA治疗的潜在治疗益处，研究人员使用AAV将修饰后的SIRT5（SuperSIRT5）全身性递送至Mmut-/-;TgINS-MCK-Mmut和Mmut+/-;TgINS-MCK-Mmut小鼠中进行基因治疗。接受SuperSIRT5的小鼠中整体甲基丙二酰化降低，血氨浓度降低，同时也表现出恢复的GCSH脂酰化。这些发现支持SuperSIRT5作为去甲基丙二酰酶的体内功效。
图1.Sirt5的缺失会增加MmutGV/GV小鼠的MMA疾病严重程度
总的来说，这项研究发现了一种可能对所有有机酸血症和其他代谢疾病共同的发病机制，即异常酰化PTMs在关键细胞内途径中的酶上的积累，通过结合小鼠和人类研究，他们确定了一个候选调节轴，即SIRT5作为MMA中的关键脱酰基酶，因此，脱酰基酶激活剂以及可能使用SuperSIRT5的AAV基因疗法可能会作为一种潜在的治疗的手段。
针对这项研究，来自匹兹堡大学医学院的JerryVockley等人在同期杂志上发表了题为Lysineacylationcausescollateraldamageininbornerrorsofmetabolism的评论文章，他们指出CharlesP.Venditti等人的重要发现直接将线粒体蛋白中赖氨酸残基修饰的变化与MMA患者常见的症状联系起来，解决了近百年来所受到该疾病症状缘由的困扰，探索出迄今为止无法及时的MMA症状的分子机制，比如为什么MMA患者会出现高氨血症和高甘氨酸血症表型。重要的是，该研究在MMA小鼠模型和人类患者的肝脏外植体中观察到一致变化，提供了支持线粒体蛋白高酰化在人类疾病病理生理学中的作用的关键实验证据。
这一发现为未来使用目前正在开发的SIRT5激活剂（如MC）作为改善MMA症状的潜在疗法打开了大门。这就引出了一个令人兴奋的问题，即赖氨酸酰化的药理学操作是否可能是一种治疗策略，不仅适用于MMA，而且适用于其他有机酸血症。未来的工作需要确定这种疗法是否可以外推到SIRT5靶向PTMs积累的其他疾病，例如GCDH缺乏症、丙二酰辅酶A脱羧酶（MCD）缺乏症或琥珀酰辅酶A连接酶（SUCLA）缺乏症等。总之，这项研究的意义主要在于通过明确确定赖氨酸PTMs在线粒体先天性代谢异常中的作用填补了一个重要空白，提供了对甲基丙二酸血症和其他在线粒体中产生高浓度酰基辅酶A代谢物的潜在疾病的疾病机制和治疗选择的见解。
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