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2020-11-02

细胞生物学期刊The Journal of Cell Biology 以Article形式在线发表了杨崇林实验室和郭伟翔实验室合作的研究论文“The lysine catabolite saccharopine impairs development  by disrupting mitochondrial

homeostasis”。人类II型高赖氨酸血症(酵母氨酸血症)是一种严重影响人类发育的氨基酸代谢缺陷症,该研究发现赖氨酸代谢产物酵母氨酸累积破坏线粒体稳态并影响发育,从而阐明了人类II型高赖氨酸血症发病机理,并为其治疗提供了重要依据。

氨基酸分解代谢在线粒体中经常发生;然而,异常的氨基酸代谢如何影响线粒体尚不清楚。该团队的研究表明,线粒体内环境稳定和动物发育对线粒体酵母氨酸降解的需求。研究人员在以秀丽隐杆线虫为模式的研究中发现,筛选到两个影响线粒体动态的突变体,yq170和yq211,且突变体的突变特异性地引起了表皮细胞线粒体的异常增大。yq170和yq211不能互补,说明它们影响的是同一个基因,该基因编码的蛋白质与人类α-氨基半醛合酶(α-aminoadipic semialdehyde synthase, AASS)同源,所以研究组将该基因命名为aass-1。

研究表明,LKR首先催化赖氨酸和α-酮戊二酸转化为酵母氨酸,SDH随后氧化酵母氨酸生成谷氨酸和α-氨基己二酸半醛。gk328753突变导致SDH的G666D突变,导致线粒体增大,比如yq170和yq211突变。与野生型相比,仅影响LKR、GK652575(G150R)和GK53395(P217S)的突变不会改变线粒体形态。gk650376的突变 (W159 to stop)引起了提前终止影响了LKR and SDH,线粒体形态也没有改变。另外,ok926缺失突变体中,LKR的C端部分和整个SDH都被删除,没有出现线粒体异常。这些发现表明,线粒体异常增大与完整的LKR以及特异性失活SDH的突变有关。SDH突变可能导致酵母氨酸蛋白的积累,进而导致线粒体异常增大。

研究证明,aass-1(yq170)和aass-1(yq211)SDH突变体线粒体异常增大的原因是线粒体酵母氨酸浓度的增加,而不是赖氨酸。因此,在aass-1突变体中,阻断线粒体中赖氨酸的合成,可以大大减少酵母氨酸的产生,从而抑制酵母氨酸诱导的线粒体异常增大。与此相反,aass-1(yq170)突变体在下皮细胞和性腺鞘细胞中主要含有增大的球形线粒体,但在肌肉和肠道细胞中则没有。鉴于这些单株和双株突变体中的酵母氨酸水平大大降低,但赖氨酸水平仍与aass-1(yq170)单株突变体一样高,这些TEM结果证实了酵母氨酸的积累导致线粒体异常增大和损伤的结论。

研究人员使用基于荧光酶的ATP测定法,评估了AASS-1突变体的线粒体功能。研究发现,与WT相比,aass-1(yq170)和aass-1(yq211)突变体的下皮层,而不是指肠道,ATP水平却大大降低了。用线粒体膜电位的染料Mito-CMX ROS染色,表明线粒体在aass-1(yq170)和aass-1(yq211)下胚层中失去了膜电位。,用cpYFP探针测量到线粒体活性氧的产生大大降低了。研究结果表明,SDH突变诱导的酵母氨酸积累导致线粒体损伤,进而导致其功能的丧失。有趣的是,aass-1(yq170), aass-1(yq211), and aass-1(ok926)的寿命与N2动物相似,说明酵母氨酸诱导的线粒体损伤并不影响寿命。然而,aass-1(yq170)和aass-1(yq211)成年动物的体长明显短于WT。因此,线粒体在下皮层的损伤损害了成年动物的生长。

为了研究酵母氨酸的积累是否会导致哺乳动物线粒体损伤,研究人员建立了Aass突变体小鼠, LKR(R65Q)突变和SDH(G489E)突变。实验结果表明:Aass(R65Q)纯合子小鼠存活,在发育上与WT无明显区别;相反,Aass(G489E)纯合子小鼠在出生后6周龄时表现出进行性生长迟缓并死亡。Aass(R65Q)小鼠血液中的赖氨酸水平显著升高。Aass主要在肝脏中表达,说明肝脏是参与赖氨酸降解的主要组织。实验结果表明,在Aass(G489E)小鼠中,肝脏功能受到严重损害。进一步的检查发现,与WT相比,Aass(G489E)小鼠的肝脏,而不是Aass(R65Q)小鼠的肝脏异常增大此外,Aass(G489E)小鼠肝细胞的大小明显增大说明酵母氨酸是Aass(G489E)小鼠发育缺陷和肝脏异常的原因之一。

在本次获得重大研究成果中使用的Aass(R65Q) and Aass(G489E)knock-in mice由唯尚立德提供,该小鼠在C57BL/6小鼠的背景下通过CRISPR技术构建而成的。北京唯尚立德生物科技有限公司是拥有多年的基因编辑经验,已为数千名科研工作者及工业客户成功定制基因编辑模型,同时搭建了完善的基因工程动物创制平台、动物表型分析和实验技术服务平台、动物模型种源交流平台、实验动物繁育平台,欢迎您致电咨询。