线粒体不稳定致高赖氨酸血症

■我们的记者张四维

高赖氨酸是一种罕见的遗传性氨基酸代谢疾病，只能通过昂贵的串联质谱和其他技术进行临床诊断。

"然而，大多数患者都被误诊，诊断年龄大多在5-10岁之间."北京儿童医院的李伟教授告诉《中国科学》，高赖氨酸可分为ⅰ型和ⅱ型。通常，ⅰ型患者的临床症状并不明显，只是血液中赖氨酸的浓度过高。除了赖氨酸浓度的增加，二型患者的血液中还伴随着酵母氨基酸浓度的增加。患者会出现严重的神经损伤和发育迟缓，大多数患者会在成年前死亡。

遗憾的是，到目前为止，临床上还没有有效的治疗二型高赖氨酸的方法，患者只能吃无赖氨酸的食物。

经过几十年的研究，科学家们终于对高赖氨酸的致病基因以及人体内主要的赖氨酸降解途径酵母氨基酸途径的工作原理有了清晰的了解。然而，高赖氨酸的发病机理是“未知的”。

为此，云南大学/中国科学院遗传与发育生物学研究所杨实验室和遗传与发育研究所郭实验室对经典模式生物秀丽隐杆线虫和小鼠进行了基础研究。人们发现赖氨酸代谢物酵母氨酸的积累破坏了线粒体的稳态，影响了发育，从而阐明了人类高赖氨酸的发病机制。相关论文最近发表在《细胞生物学杂志》上。

以秀丽隐杆线虫模型为切入点

细胞是生命活动的基本结构单位和功能单位。细胞的生理活动需要能量来维持，而生物的能量主要由三磷酸腺苷(ATP)来携带，线粒体是动物细胞合成ATP的主要场所。

此外，线粒体也是新陈代谢的重要场所。三羧酸循环、脂肪酸的β氧化、血红素的合成和某些氨基酸的代谢都是在线粒体中进行的。同时，线粒体也控制动物细胞凋亡的启动。中国科学院外国院士王晓东和其他研究人员发现，细胞色素C从线粒体释放到细胞质，从而激活细胞凋亡过程。因此，维持线粒体的稳定性对细胞的生理功能至关重要，但目前人们对线粒体氨基酸代谢紊乱对线粒体稳定性的影响知之甚少。

"我们想知道氨基酸代谢紊乱影响线粒体稳态的机制是什么."杨告诉《中国科学报》，他的实验室是一个以秀丽隐杆线虫为模型研究细胞器稳态机制的实验室。

秀丽隐杆线虫是一种非常经典和重要的模式生物。早在20世纪60年代，英国科学家悉尼·布雷内就开始用秀丽隐杆线虫作为模式生物。以秀丽隐杆线虫为模型的研究涉及个体发育、细胞凋亡、RNA干扰、绿色荧光蛋白标记等多个领域，并获得三项诺贝尔奖。

线虫作为模式生物有许多优点:成虫长1毫米，以大肠杆菌为食，并且可以在实验室中容易地培养大约三天。身体几乎是透明的，易于在显微镜下观察。绝大多数个体是雌雄同体和自花受精的，这可以确保遗传背景的一致性，同时，有1/1000的概率产生雄性，这可以用于与雌雄同体线虫杂交并促进遗传操作。

细胞水平阐明机制

为此，杨的实验室构建了一个线虫品系，用绿色荧光蛋白标记线虫表皮细胞中的线粒体，以便在荧光显微镜下观察线粒体的形态。线粒体的形状变化很大，包括管状、棒状、分枝状、球形等。低倍放大下呈网状或线形。野生型线虫表皮的线粒体是管状的。通过基因筛选，研究小组筛选了许多线粒体形状变化的突变体。进一步研究发现，这两个突变体影响同一基因，该基因编码的蛋白质与人α-氨基乙醛合酶(AASS)同源。所以研究小组给基因命名为aass-1。

中国科学院遗传与发育生物学研究所助理研究员荆玉东认为，AASS是赖氨酸代谢途径中的双功能酶，N末端是赖氨酸-酮戊二酸还原酶(LKR)结构域，C末端是酵母氨基酸脱氢酶(SDH)结构域。在这两个突变体中，aass-1基因有一个功能缺失突变，突变位点在c末端酵母氨基酸脱氢酶(SDH)结构域。

“在aass-1突变体中，赖氨酸代谢物酵母氨酸在线粒体中积累，从而破坏线粒体的动力学和功能，并最终导致线虫生长受阻。在小鼠模型中，线粒体中酵母氨基酸的氧化缺陷将导致肝脏中线粒体的损伤，导致小鼠生长迟缓和过早死亡。”荆玉东告诉《中国科学》。

"这在细胞水平上解释了人类高赖氨酸的发病机理."杨认为这一发现将有助于高赖氨酸的诊断和分型。

期待进一步的研究

为了探索高赖氨酸的治疗策略，实验室利用上述突变体进行抑制筛选，获得了几个突变体并克隆了相应的基因。研究发现，抑制赖氨酸-酮戊二酸还原酶(LRK)、抑制赖氨酸或谷氨酸向线粒体的转运、抑制线粒体谷氨酸脱氢酶或异柠檬酸脱氢酶均可抑制aass-1突变体中酵母氨基酸的产生，从而使线粒体恢复正常。这为ⅱ型高赖氨酸的治疗提供了重要的理论依据和治疗思路。

谈到今后如何开展高赖氨酸的研究工作，杨林冲说:首先，针对抑制筛选中发现的几个靶点，筛选相应的抑制小分子化合物，探索高赖氨酸的治疗方法；其次，基于影响线粒体形态和氨基酸代谢的其他突变体，进行了深入研究以阐明影响这些突变体的基因的功能。第三，将深入分析模型小鼠的肝细胞，并研究神经细胞的异常变化及其对神经发育的影响。

在采访中，郭对《中国科学报》说，在这次研究中，两个实验室取长补短，合作共赢，达到了一加一大于二的效果。杨教授的实验室以秀丽隐杆线虫和培养的动物细胞为模型，研究线粒体稳态的调节机制。然而，我的实验室主要使用老鼠作为研究模型，并有丰富的经验。”

相关论文信息:DOI:10.1083/jcb.201807204

《中国科学日报》(2019-02-11，第5版，医疗卫生)