线粒体CoA转运蛋白SLC25A16/SLC25A42调控酰基-CoA代谢分区化的机制与生理意义

本研究揭示了线粒体CoA转运蛋白SLC25A16/A42通过介导游离CoASH的线粒体输入，建立富集的线粒体CoA池，从而支持TCA循环和脂肪酸氧化等关键代谢通路。研究人员开发了全链长酰基-CoA谱分析技术，证实COASY介导的CoA生物合成主要发生于胞质，而线粒体CoA池依赖转运蛋白的主动摄取。该发现为先天性CoA代谢紊乱疾病的机制提供了新见解，发表于《Nature Metabolism》。

　　

辅酶A（CoA）及其硫酯衍生物（酰基-CoA）是细胞代谢的核心辅因子，参与从能量代谢到脂质合成的多种生化反应。然而，这些带电荷的分子如何在不同亚细胞区室间精确分配以支持区室化代谢，长期以来是未解之谜。尤其令人困惑的是，线粒体基质中CoA浓度高达胞质的20-50倍，但这一高浓度梯度是如何建立并维持的？是通过线粒体内局部生物合成，还是主动转运机制？这一基本问题不仅关乎细胞代谢调控的本质，更与多种先天性CoA代谢紊乱疾病密切相关。

为回答这些问题，Ran Liu、Zihan Zhang等研究团队在《Nature Metabolism》发表最新研究。他们首先开发了一种优化的液相色谱-质谱（LC-MS）全链长酰基-CoA提取与分析方法，可同时检测33种细胞酰基-CoA和23种线粒体酰基-CoA。通过比较野生型与基因编辑细胞模型，结合线粒体分离、稳定同位素示踪和酵母互补实验，系统解析了CoA代谢的区室化调控机制。

关键技术方法

研究采用CRISPR-Cas9构建COASY、SLC25A16/A42基因敲除细胞系；通过免疫沉淀快速分离线粒体（HA-MITO标签）；建立基于80%甲醇淬灭提取和固相萃取（SPE）的全链长酰基-CoA谱分析技术；利用[¹³C₅¹⁵N₁]-泛酸标记生成同位素标记CoA库；通过Seahorse线粒体压力测试和[U-¹³C₅]-谷氨酰胺示踪分析代谢通量。

COASY介导的CoA生物合成主要支持胞质脂质合成

Western blot显示内源性COASY仅10%定位于线粒体，且人类组织中仅表达胞质型COASYα亚型。COASY敲除导致全链长酰基-CoA水平普遍下降，并引起脂肪酸合成前体（如丙二酸、3-羟基-3-甲基戊二酸）积累，证实其主要维持胞质脂质合成。

SLC25A16/A42双敲除损害线粒体代谢

A16/A42双敲除（DKO）细胞表现出严重生长缺陷和呼吸抑制。线粒体代谢组分析显示短链酰基-CoA（如丙酰-CoA、琥珀酰-CoA）特异性减少，而酰基肉碱积累，表明脂肪酸氧化和TCA循环受阻。[¹³C₅]-谷氨酰胺示踪揭示DKO细胞中氧化TCA通量下降而还原羧化通路增强。

疾病突变体A42^N291D丧失功能

线粒体CoA摄取实验证实A42^N291D（与人类线粒体脑肌病相关）无法恢复CoASH输入，而靶向线粒体的COASY（MTS-COASY）也不能补偿转运蛋白缺失，说明线粒体CoA池建立严格依赖A16/A42介导的转运。

结论与意义

该研究首次阐明线粒体CoA池主要通过SLC25A16/A42介导的CoASH主动转运建立，而非局部生物合成。这种代谢分区化使细胞得以在胞质进行合成代谢（如脂质生成），同时在线粒体高效执行分解代谢。人类A42^N291D突变体的功能丧失为相关线粒体疾病的治疗靶点开发提供了分子基础。技术层面，全链长酰基-CoA分析方法的建立为代谢研究提供了重要工具。这些发现不仅深化了对细胞代谢区室化的理解，也为CoA相关遗传疾病的精准诊断和治疗指明了新方向。