線粒體是細胞的能量工廠和代謝中心。葡萄糖、脂肪酸和多種氨基酸在線粒體氧化分解時，產生多種有機酸類中間物。正常情況下，這些有機酸中間物通過三羧酸循環 (TCA) 氧化，或作為前體用于合成新的大分子，因而在細胞內的濃度很低。相關代謝酶的缺陷可導致體內有機酸過量累積，表現為血液和尿液中有機酸濃度增高，引起一大類嚴重的遺傳代謝性疾?。河袡C酸血 (尿) 癥。目前，有機酸血 (尿) 癥的分子細胞學機理極不清楚。

D-2-羥基戊二酸 (D-2HG) 主要來源于TCA循環底物α-酮戊二酸 (α-KG) 的還原，其累積可導致D-2-羥基戊二酸尿癥 (D-2-HGA)，該疾病是一種罕見的常染色體隱性遺傳代謝障礙性疾病，表現為嚴重的發育遲緩、行進性神經損傷及大腦損害，但其致病機制一直是個謎團。此外，許多研究發現D-2HG可能通過誘導異常的組蛋白修飾和DNA甲基化進而促進腫瘤發生。盡管D-2HG產生于線粒體，但目前尚不清楚其對響線粒體結構和功能造成何種影響。與D-2HG相似，3-羥基丙酸(3-HP) 也產生于線粒體，來源于丙酸及支鏈氨基酸在線粒體中的氧化代謝。3-HP異常累積是丙酸血癥（PPA）和甲基丙二酸血癥 (MMA) 等丙酸代謝疾病的特征性指標。迄今，3-HP是否以及如何影響線粒體的穩態尚不得而知。

2022年4月13日，云南大學生命科學中心楊崇林實驗室在Nature Cell Biology發表了題為A feedback loop engaging propionate catabolism intermediates controls mitochondrial morphology的研究論文。該研究以秀麗隱桿線蟲為模式，發現D-2HG和3-HP的過量累積造成線粒體結構和功能的破壞，揭示了一個由D-2HG和3-HP構成的代謝反饋環及其破壞線粒體的分子和細胞生物學機制。在這個代謝反饋環中，過量累積的D-2HG結合3-羥基丙酸脫氫酶 (HPHD-1)，抑制其活性，導致3-HP的大量累積 (圖1)。3-HP進而特異性地結合線粒體內外膜接觸和嵴形成所必需的MICOS復合體的Mic60/IMMT-1亞基上，抑制Mic60/IMMT-1介導的內嵴形成，導致線粒體的損傷。同時，研究者們發現飲食/腸道細菌可以調節宿主3-HP的產生，從而對宿主線粒體健康產生顯著影響。該研究不僅首次揭示了D-2HG累積和丙酸分解代謝之間的反饋抑制關系，而且還為D-2-HGA、PPA和MMA等相關疾病的分子細胞生物學機制提供了重要線索。

在該項研究中，研究者首先建立了以線蟲為模式的線粒體穩態研究系統。通過正向遺傳篩選，發現編碼D-2HG脫氫酶的基因dhgd-1的突變導致D-2HG的顯著累積，并且線粒體呈現不規則增大并伴有空泡的異常結構。為了確定D-2HG是否是導致dhgd-1 突變體的線粒體損傷的直接原因，研究者通過在dhgd -1突變體中引入3-HP脫氫酶基因hphd-1的突變來抑制D-2HG的產生。結果發現，dhgd-1 hphd-1雙突變體不再累積D-2HG。令人驚訝的是，這些雙突變體卻表現出與dhgd-1單突變體相似的線粒體缺陷。此外，研究者通過非偏好性的突變體篩選，也鑒定了hphd-1的單突變體并發現其存在類似的線粒體缺陷。這些結果表明D-2HG并不是造成線粒體損傷的直接原因。

圖1. A 線蟲中編碼D-2HG脫氫酶的基因dhgd-1的突變和3-HP脫氫酶基因hphd-1的突變導致線粒體結構異常。B 線蟲支鏈氨基酸、丙酸、奇數鏈脂肪酸的代謝通路：依賴于VB12經典通路和不依賴于VB12 的通路。線蟲在飼喂缺乏維生素 B12 的大腸桿菌 OP50(B-type E. coli)條件下,丙酸的分解代謝主要通過不依賴于VB12 的通路進行。在此代謝過程中，dhgd-1的功能缺失導致D-2HG的過量累積，D-2HG結合并抑制3-羥基丙酸脫氫酶(HPHD-1)的活性，進而造成3-HP的累積。

研究者進而推測D-2HG是否通過反饋抑制作用，導致其上游的代謝物3-HP的累積而損傷線粒體。通過GC-MS檢測，他們發現dhgd-1和hphd-1突變體中3-HP的含量均顯著增高。當補充VB12使丙酸通過依賴于VB12的經典途徑降解時， 3-HP的累積被抑制，進而使dhgd-1和hphd-1突變體中的線粒體恢復正常。這些結果證明異常積累的3-HP是導致線粒體結構和功能的損破壞的直接原因。研究者進一步證明了D-2HG與HPHD-1蛋白結合并抑制后者的脫氫酶活性。因此，在dhgd-1突變體中，過量累積的D-2HG對HPHD-1產生反饋抑制，導致3-HP的累積。通過脂質共沉淀實驗，他們發現3-HP與Mic60/IMMT-1結合，而-KG和D-2HG與Mic60的結合能力則要弱很多。3-HP顯著抑制Mic60/IMMT-1所介導的脂質體形變。在dhgd-1和hphd-1突變體中，過表達Mic60/IMMT-1回復了突變體的線粒體缺陷。這些體外和體內的實驗結果表明，3-HP靶向Mic60/IMMT-1而導致線粒體損傷。

最后，研究者發現dhgd-1和hphd-1突變體的線粒體缺陷受飲食/腸道細菌的影響。飼喂K12型大腸桿菌 (如HT115) 可使這些突變體的缺陷性線粒體恢復正常。HT115大腸桿菌通過多種機制調節宿主3-HP的產生從而影響線粒體的結構與功能，包括激活依賴于VB12的丙酸代謝通路、減少宿主的丙酸來源 (支鏈氨基酸)。這些結果為D-2HG和3-HP相關的人類疾病的治療提供了重要思路 (圖2)。

圖2 飲食/腸道細菌影響丙酸代謝中間物D-2HG和3-HP損傷線粒體的機制模型。在飼喂缺乏維生素 B12 的大腸桿菌 OP50(B-type)的線蟲中,丙酸分解代謝主要經不依賴于VB12 的通路進行。其中，HPHD-1蛋白以3-HP和α-KG作為共同底物，生成丙二酸半醛(MSA)和D-2HG， 后者隨即通過DHGD-1蛋白催化生成α-KG，避免D-2HG在體內過度累積(上)。在dhgd-1突變體中，過量累積的D-2HG對HPHD-1產生反饋抑制，導致3-HP的累積。過多的3-HP結合Mic60/IMMT-1蛋白，抑制其與線粒體內膜結合和內嵴形成，導致線粒體的損傷 (中)。HT115大腸桿菌(K12-type)通過激活依賴于VB12的丙酸代謝通路，以及減少宿主的丙酸(支鏈氨基酸)等方式，抑制宿主3-HP的產生，從而改善線粒體的結構與功能(下)。

楊崇林實驗室前研究生周駿翔博士、助理研究員段梅博士，助理研究員王鑫為該論文的共同第一作者。楊崇林教授和段梅博士為該論文的共同通訊作者。在本研究中，中科院遺傳發育所王國棟研究員和張鳳霞博士分析了線粒體代謝中間物。

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https://doi.org/10.1038/s41556-022-00883-2