SLC25A45介导甲基化氨基酸线粒体摄取驱动肉碱生物合成的机制与病理关联

本研究聚焦于孤儿溶质载体蛋白SLC25A45的功能解析，发现其特异性介导甲基化氨基酸（如三甲基赖氨酸和二甲精氨酸）的线粒体摄取，并证实该转运活性是肉碱从头合成的关键限速步骤。研究人员通过基因编辑、代谢组学及蛋白质互作分析，揭示了SLC25A45突变体R285C通过破坏蛋白酶体稳态导致血浆甲基化氨基酸代谢紊乱，为心血管疾病和癌症的代谢干预提供了新靶点。

在真核细胞中，线粒体作为代谢中枢，通过内膜上的特异性转运蛋白调控代谢物的跨膜运输，从而维持细胞能量和信号通路的稳态。然而，约四分之一的线粒体溶质载体（SLC25家族）仍为“孤儿转运蛋白”，其底物与生理功能未知，限制了人们对代谢疾病和癌症中线粒体代谢重编程的理解。甲基化氨基酸（MeAAs）作为甲基化蛋白降解的产物，不仅参与信号传导，其代谢紊乱还与心血管疾病、肾衰竭密切相关。例如，二甲精氨酸（ADMA/SDMA）是内源性一氧化氮合酶抑制剂，而三甲基赖氨酸（TML）是肉碱生物合成的起始物。肉碱通过促进长链脂肪酸进入线粒体进行β-氧化，在能量代谢中发挥核心作用。尽管肝脏和肾脏是肉碱合成的主要场所，但许多癌细胞异常高表达肉碱合成酶BBOX1，提示其可能依赖内源性肉碱合成支持恶性增殖。然而，甲基化氨基酸如何进入线粒体这一关键科学问题尚未解决。

针对这一空白，Dias等人在《Molecular Cell》上发表的研究，首次揭示孤儿转运蛋白SLC25A45是甲基化氨基酸线粒体摄取的必需载体。研究人员通过整合基因编辑细胞模型、代谢流分析、蛋白质热稳定性检测及人群基因组关联分析，系统阐明了SLC25A45在 compartmentalized MeAA代谢中的核心作用。

关键技术方法包括：利用CRISPR-Cas9构建SLC25A45敲除细胞系，通过液相色谱-质谱（LC-MS）分析全细胞及线粒体分离样本的代谢物；采用免疫共沉淀-质谱（IP-MS）解析SLC25A45相互作用蛋白组；通过纳米差示扫描荧光法（nanoDSF）检测蛋白-底物结合特性；基于人群基因组关联研究（GWAS）数据（如METSIM队列）验证基因变异与代谢表型的关联。

SLC25A45是甲基化氨基酸线粒体摄取的必需载体

通过超分辨率显微成像证实SLC25A45定位于线粒体内膜。在SLC25A45敲除的AsPC-1细胞中，线粒体分离代谢组学显示二甲精氨酸水平显著降低56倍，而回补SLC25A45后其浓度恢复。同位素标记实验进一步证明，SLC25A45特异性介导氘代三甲基赖氨酸（[²H₉]-TML）和氘代二甲精氨酸（[²H₆]-ADMA/SDMA）的线粒体摄取，但对未甲基化的赖氨酸或精氨酸无转运活性。纯化的SLC25A45蛋白在热稳定性实验中仅被三甲基赖氨酸（ΔT_m=3.4°C）和二甲精氨酸（ΔT_m=7.5°C）稳定，表明其直接结合MeAAs。

R285C突变通过破坏蛋白酶体稳态影响人体血浆MeAA水平

人群GWAS分析发现，SLC25A45的错义突变R285C（rs34400381）与血浆中三甲基赖氨酸（P=1.9×10^?80）、二甲精氨酸（P=1.4×10^?8）水平显著相关。机制研究表明，R285C位于SLC25A45 C端，邻近线粒体膜间隙界面，该突变削弱了与分子伴侣TIMM8A的互作，并通过抑制m-AAA蛋白酶（AFG3L2/SPG7复合物）的降解作用，导致突变蛋白在线粒体内膜异常积累。蛋白质稳定性实验显示，R285C突变体在 cycloheximide 处理下降解速率显著慢于野生型，且其积累程度与细胞中MeAA水平升高正相关。

SLC25A45驱动三甲基赖氨酸代谢与肉碱生物合成

在缺乏肉碱合成终末酶BBOX1的AsPC-1细胞中，SLC25A45依赖的三甲基赖氨酸线粒体摄取主要转化为脱氧肉碱，而肉碱本身未被标记。而在高表达BBOX1的卵巢癌细胞（OVCAR-3、Kuramochi）中，敲除SLC25A45可完全抑制由标记三甲基赖氨酸生成的肉碱和乙酰肉碱。通过定点突变验证，SLC25A45中央腔内的精氨酸268（R268A）是底物结合的关键位点，其突变可阻断脱氧肉碱合成；而R285C突变则因蛋白稳定性增加，反而增强代谢通量。

本研究首次将SLC25A45定义为甲基化氨基酸的线粒体转运蛋白，揭示了其在 compartmentalized 代谢中的核心地位。一方面，SLC25A45通过调控三甲基赖氨酸的线粒体代谢，直接决定细胞自主合成肉碱的能力，为理解癌症代谢重编程提供了新视角；另一方面，其突变体R285C与人类血浆MeAA水平及心脏疾病的关联，提示SLC25A45可能是代谢性疾病的新型干预靶点。尽管研究仍存在局限性（如缺乏蛋白脂质体转运活性直接验证），但SLC25A45的“去孤儿化”为靶向线粒体代谢通路的研究开辟了新的道路。