线粒体复合体II组装通过调控TCA循环方向性和ROS信号驱动细胞代谢适应OXPHOS功能障碍

本研究针对线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）功能障碍下细胞代谢适应的关键机制，通过基因编辑细胞模型和定量蛋白质组学技术，揭示了复合体II（CII）组装因子SDHAF2通过调控琥珀酸脱氢酶（SDHA）黄素化、维持TCA循环氧化方向性和活性氧（ROS）信号传导，在CIII/CIV缺陷时促进糖酵解转换的核心作用。该发现为理解代谢性疾病和癌症中线粒体应激反应提供了新视角。

　　

线粒体作为细胞的能量工厂，其氧化磷酸化（OXPHOS）系统的功能障碍与癌症、糖尿病和神经退行性疾病等多种疾病密切相关。当线粒体呼吸链复合体III（CIII）或复合体IV（CIV）功能受损时，细胞会启动一系列适应性反应来维持生存，其中复合体II（CII，即琥珀酸脱氢酶SDH）的双向催化特性使其成为调控代谢平衡的关键开关。然而，CII如何通过动态组装协调电子传递链功能与代谢重塑，尤其是其组装因子SDHAF2在应激条件下的作用机制，始终是领域内亟待破解的谜题。

研究人员通过构建涵盖呼吸链五大复合体（CI-CV）的基因编辑HEK293T细胞系，结合定量蛋白质组学和代谢流分析，首次发现SDHAF2在CIII/CIV缺陷时会特异性积累，并与SDHA形成稳定的亚复合体。这种组装过程不仅维持了SDHA的黄素化修饰（flavination），更通过双重机制调控细胞命运：一方面保护泛醌（Q）池的氧化还原状态，另一方面通过SDHA活性位点产生的ROS信号驱动糖酵解转换。当SDHAF2缺失时，CIII缺陷细胞无法维持正常的TCA循环氧化方向，导致还原性TCA循环（reductive TCA cycle）占主导，同时丧失ROS介导的代谢转换能力，最终引发严重的生长缺陷。

研究采用了多项关键技术：1）CRISPR-Cas9基因编辑构建OXPHOS复合体缺陷细胞模型；2）蓝色原生胶电泳（BN-PAGE）与二维电泳解析CII组装状态；3）稳定同位素标记（SILAC）定量蛋白质组学；4）¹³C同位素示踪结合GC-MS/LC-MS代谢流分析；5）线粒体呼吸链酶活检测和氧消耗率（OCR）测定。

主要研究结果包括：

1. SDHA黄素化是CII成熟所必需的，且受SDHAF2增强

通过比较HEK293T、HeLa和eHAP三种细胞背景下的SDHAF2敲除模型，发现SDHAF2缺失导致SDHA黄素化效率降低30-45%，CII酶活下降三分之二。免疫沉淀质谱（IPMS）显示SDHAF2结合的SDHA中仅30%被黄素化，而成熟CII中的SDHA黄素化率>90%，证实黄素化是CII组装的限速步骤。

2. SDHAF2-SDHA亚复合体在OXPHOS缺陷时积累

蛋白质组学分析显示，CII、CIII和CIV缺陷细胞中SDHAF2蛋白水平显著升高，且与SDHA形成约55kDa的稳定亚复合体。这种积累可被缺氧和钴离子（CoCl₂）模拟的缺氧条件诱导，但不受HIF-1α转录调控，提示其通过蛋白稳定性调控。

3. CIII功能障碍时SDHAF2缺失导致严重生长缺陷和TCA循环逆转

UQCRC1/SDHAF2双敲除细胞表现出20-35天的倍增时间延长，远高于单纯CIII缺陷（9天）。¹³C-葡萄糖示踪显示这些细胞的丙酮酸羧化酶（PC）活性升高，而丙酮酸脱氢酶（PDH）活性降低，标志TCA循环向还原方向转变。

4. 改变的泛醌/泛醇比例驱动SDHAF2积累

LC-MS/MS检测发现CIII缺陷导致泛醌池（Q-pool）中泛醇（CoQ₁₀H₂）比例升高，而表达替代氧化酶AOX可逆转这种效应并降低SDHAF2水平，证实电子传递受阻是SDHAF2积累的触发因素。

5. CII组装通过ROS信号促进CIII功能障碍适应

在SDHAF2存在的细胞中，CIII抑制剂antimycin A诱导的ROS爆发和乳酸分泌显著增强，这种效应依赖于SDHA活性位点的电子泄漏。而SDHAF2缺失细胞无法产生足够的ROS信号，导致糖酵解转换失败。值得注意的是，已适应糖酵解的肿瘤细胞（如HeLa）不表现SDHAF2积累，提示该机制具有细胞类型特异性。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究首次阐明了CII组装动力学在代谢应激响应中的核心地位。SDHAF2作为分子传感器，通过感知Q池氧化还原状态来调节SDHA黄素化和CII组装效率，进而决定TCA循环方向性和ROS信号输出。这一发现不仅解释了不同组织对OXPHOS损伤的差异性反应，还为靶向线粒体代谢的疾病治疗提供了新思路——例如通过调控SDHAF2-SDHA相互作用来增强癌细胞的代谢应激敏感性，或改善神经退行性疾病中的线粒体功能障碍。研究揭示的"组装-代谢-信号"三位一体调控模式，为理解细胞器质量控制与代谢网络的耦合机制树立了新范式。