ACAD10与ACAD11介导哺乳动物4-羟基酸脂质代谢的分子机制及其代谢调控意义

本研究揭示了非典型酰基辅酶A脱氢酶ACAD10和ACAD11通过其独特的激酶结构域磷酸化4-羟基酰基辅酶A（4-HA-CoA），进而催化其转化为常规2-烯酰辅酶A进入β-氧化途径的分子机制。研究人员通过冷冻电镜解析了ACAD11的双功能结构，发现其ACAD结构域具有独特的亲水性活性口袋，可特异性识别磷酸化中间体。动物实验证实ACAD11缺失导致4-HA代谢紊乱，并引发雌性小鼠高脂饮食诱导的脂肪异常积累。该研究填补了4-HA分解代谢的分子空白，为代谢性疾病治疗提供新靶点。

　　

在生命活动中，脂肪酸β-氧化（FAO）是能量代谢的核心途径，其异常与肥胖、糖尿病等多种代谢性疾病密切相关。然而，一类特殊的4-羟基脂肪酸（4-HAs）因其γ位羟基的存在，长期被认为难以通过经典FAO途径降解。这些4-HAs既可能来源于脂质过氧化产物（如4-羟基壬烯醛），也可能是某些滥用药物（如γ-羟基丁酸）的代谢中间体，其体内积累与器官损伤和代谢紊乱相关。尽管早期研究推测哺乳动物存在将4-HAs转化为常规FAO底物的"主要途径"，但半个多世纪以来，负责该转化的关键酶始终未被鉴定。

来自美国威斯康星大学麦迪逊分校和瑞士洛桑联邦理工学院的研究团队通过跨学科合作，首次发现ACAD10和ACAD11这两个非典型酰基辅酶A脱氢酶是哺乳动物4-HA代谢的"守门人"。他们综合运用蛋白质序列分析、酶动力学研究、冷冻电镜结构解析、分子动力学模拟和基因敲除动物模型，系统阐明了这两种酶通过独特的"磷酸化-脱氢"双功能机制催化4-HA分解的分子基础。相关成果发表于《Nature Structural & Molecular Biology》，为理解脂质代谢网络的复杂性提供了全新视角。

关键技术方法包括：（1）重组蛋白表达纯化系统（大肠杆菌和毕赤酵母）获得ACAD10/11及其突变体；（2）高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析代谢产物；（3）冷冻电镜（cryo-EM）解析ACAD11与底物复合物结构（分辨率2.6-3.6?）；（4）分子动力学（MD）模拟底物结合模式；（5）CRISPR-Cas9构建ACAD10/11双敲除（DKO）细胞系和Acad11全身敲除小鼠模型；（6）稳定同位素示踪（[¹³C₅]-4-HV）追踪代谢流；（7）高脂饮食（HFD）诱导的肥胖模型评估代谢表型。

【ACAD10和ACAD11处理4-HA底物的体外和细胞内证据】
研究人员通过生物信息学分析发现，细菌lva操纵子中的LvaA（激酶）和LvaC（脱氢酶）与哺乳动物ACAD10/11具有显著序列相似性。体外实验显示，野生型ACAD10/11能将4-羟基戊酰辅酶A（4-HV-CoA）转化为2-戊烯酰辅酶A，并检测到关键中间体4-磷酸戊酰辅酶A（4-PV-CoA）。通过构建激酶结构域（K*，D220A）和ACAD结构域（A*，D753N）失活突变体，证实两个催化步骤的严格序贯性：激酶反应产生的4-PV-CoA必须被ACAD结构域进一步处理。值得注意的是，常规ACADs（ACADS/M/VL）对4-PH-CoA完全无活性，凸显ACAD10/11催化机制的特殊性。在Hepa1-6细胞中，ACAD10/11双敲除完全阻断了[¹³C₅]-4-HV通过主要途径生成M+3丙酰辅酶A的过程。

【ACAD11结构揭示分子功能决定因素】
冷冻电镜解析的ACAD11 A*突变体（3.6?）首次呈现了全长蛋白的四聚体结构，激酶与ACAD结构域间存在有序相互作用。分子动力学模拟显示，激酶活性中心的D220直接结合4-OH基团，而ACAD结构域中独特的HCMR基序（H634、R637等）通过盐桥稳定磷酸基团。酶学实验证实，这些残基的突变（如R637A）会显著削弱ACAD活性。出乎意料的是，尽管4-PV-CoA→2-戊烯酰辅酶A的转化不涉及净氧化还原，但5-脱氮FAD替代实验证明FAD仍需保持氧化还原活性，暗示其可能参与"反弹"式的磷酸消除机制。

【ACAD10/11在不同细胞器中分解特定4-HAs】
免疫荧光证实ACAD10定位于线粒体（依赖N端靶向序列），而ACAD11通过C端PTS1信号定位过氧化物酶体。细胞实验显示，线粒体ACAD10特异性参与短链4-HV（C5）代谢，而过氧化物酶体ACAD11负责超长链4-羟基二十二碳六烯酸（4-HDHA，C22）处理。这种细胞器分工拓展了细胞对4-600-22碳范围4-HAs的代谢能力。

【Acad11-KO小鼠表现出异常的4-HA稳态和脂肪积累】
Acad11敲除导致血浆中特定4-HAs（如4-OH C10、4-OH C12）显著积累，而3-OH或5-OH异构体不受影响。高脂饮食喂养下，雌性KO小鼠出现体重增加、白色脂肪组织（WAT）扩张，但脂肪细胞分化标志物（Glut4、Tle3）和脂肪因子（瘦素、脂联素）表达下降。机制上，原代脂肪细胞显示KO导致脂滴肥大而非增生，提示脂肪组织功能紊乱。这与人类基因数据库（Genebass）中ACAD11功能缺失变异与女性体脂性状的关联高度一致。

这项研究首次完整揭示了哺乳动物4-HA分解代谢的分子机制，解决了长期以来关于"主要途径"关键酶的悬案。ACAD10/11通过创新的"磷酸化-脱氢"双功能机制，将传统FAO途径的代谢范围扩展至羟基化脂质。特别重要的是，ACAD11缺陷导致的4-HA积累与性别特异性肥胖表型的关联，为理解代谢疾病的性别差异提供了新线索。从转化医学角度看，ACAD10/11可能成为代谢综合征（如肥胖、胰岛素抵抗）的干预靶点，其血浆4-HA水平或可作为相关疾病的生物标志物。此外，该研究揭示的FAD非经典催化机制，为酶学理论研究提供了新范式。未来研究可进一步探索：（1）4-HA的生理/病理来源；（2）ACAD10/11在不同组织中的相对贡献；（3）4-HA信号传导的具体机制，这将为代谢性疾病的精准治疗开辟新途径。