由能量代謝缺陷引發(fā)的代謝紊亂可導(dǎo)致多種危及生命的疾病，其治療在多數(shù)情況下仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的基因療法依賴(lài)于“一種基因?qū)?yīng)一種遺傳缺陷”的策略。

2025年12月3日，西湖大學(xué)曾安平獨(dú)立通訊在Science Advances在線發(fā)表題為“Targeting multiple genetic defects of mitochondrial diseases with a single bacterial lipoate protein ligase”的研究論文。該研究展示了一種更為高效的策略，即通過(guò)單基因干預(yù)靶向多種遺傳缺陷。

具體而言，作者利用一種參與蛋白質(zhì)硫辛?；募?xì)菌硫辛酰蛋白連接酶，成功挽救了人類(lèi)硫辛?；罚↙IPT2、LIAS和LIPT1）、硫辛酰前體供應(yīng)（MECR）以及硫插入輔助伙伴（FDX1）缺陷導(dǎo)致的線粒體損傷。源自大腸桿菌的LplA或枯草芽孢桿菌的LplJ的療效與安全性已在人類(lèi)細(xì)胞和小鼠模型中得到驗(yàn)證。LplA敲入小鼠健康狀況正常，且能量消耗有所增強(qiáng)。通過(guò)交配策略過(guò)表達(dá)LplA，成功挽救了Lipt1?/?突變體的胚胎致死性，獲得了體重、能量消耗、組織形態(tài)及生化指標(biāo)均正常的可存活后代。本研究揭示了如何利用人類(lèi)與細(xì)菌之間生物合成通路的進(jìn)化差異，實(shí)現(xiàn)跨物種治療創(chuàng)新。

線粒體作為真核細(xì)胞的能量工廠，通過(guò)氧化磷酸化為細(xì)胞供能，在人類(lèi)健康中發(fā)揮著不可或缺的作用。線粒體功能受損廣泛存在于多種高發(fā)疾病中，包括2型糖尿病、心血管疾病、代謝綜合征、癌癥和阿爾茨海默病等。線粒體疾病中的功能缺陷是一系列遺傳性疾病的根本原因，在人群中的發(fā)病率約為1/5000，凸顯了對(duì)創(chuàng)新療法的迫切需求。硫辛?；且环N進(jìn)化上保守且功能重要的翻譯后修飾（PTM），對(duì)線粒體功能至關(guān)重要。

迄今為止，硫辛?；驯蛔C實(shí)對(duì)五個(gè)關(guān)鍵代謝酶復(fù)合體的功能必不可少：甘氨酸裂解系統(tǒng)（GCS）以及四種2-氧酸脫氫酶，即丙酮酸脫氫酶（PDH）、2-氧化戊二酸脫氫酶（OGDH）、支鏈2-氧酸脫氫酶（BCKDH）和2-氧己二酸脫氫酶（OADH）。在真核生物中，這些依賴(lài)硫辛酰化的蛋白質(zhì)（LDPs）均定位于線粒體。PDH和OGDH參與三羧酸（TCA）循環(huán)，而B(niǎo)CKDH、OADH和GCS則分別參與支鏈氨基酸（纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸）、賴(lài)氨酸和甘氨酸的分解代謝。因此，硫辛?；瘜?duì)線粒體能量代謝和氨基酸代謝均至關(guān)重要。盡管硫辛?；诩?xì)胞代謝中具有關(guān)鍵作用，它仍然是研究最少的PTM之一，對(duì)其治療潛力的理解存在重大空白。

人類(lèi)的硫辛酰化需要一條包含三種核心酶的全新合成途徑：LIPT2（辛酰轉(zhuǎn)移酶）、LIAS（硫辛酸合酶）和LIPT1（硫辛酰轉(zhuǎn)移酶）。這些基因的突變與以線粒體代謝嚴(yán)重缺陷為特征的線粒體疾病相關(guān)。LIPT2（OMIM#617659）突變會(huì)導(dǎo)致新生兒腦病、乳酸性酸中毒、腦部異常、血漿甘氨酸中度升高、線粒體呼吸減弱以及硫辛酰化受損。LIAS（OMIM#607031）突變表現(xiàn)為高甘氨酸血癥、乳酸性酸中毒、癲癇發(fā)作、甘氨酸水平升高、硫辛?；笔б约癎CS/PDH/OGDH活性缺陷。LIPT1（OMIM#610284）缺陷則表現(xiàn)為致命的乳酸性酸中毒、精神運(yùn)動(dòng)發(fā)育倒退、Leigh綜合征或癲癇性腦病，伴有乳酸升高、尿酮戊二酸升高以及特定的2-氧酸脫氫酶硫辛酰化缺陷。

與LIAS/LIPT2缺陷不同，LIPT1缺陷患者的甘氨酸水平保持正常，這與其在將硫辛?；D(zhuǎn)移至E2亞基中的作用一致，為診斷提供了關(guān)鍵的區(qū)分依據(jù)。除了參與硫辛?；锖铣傻幕蛲?，參與線粒體脂肪酸合成（ACP和MECR）、鐵硫簇合成（NFU1、BOLA3、IBA57和GLRX5）以及硫辛酰基回收（DLD）的基因發(fā)生缺陷時(shí)，也會(huì)表現(xiàn)出蛋白質(zhì)硫辛?；軗p和類(lèi)似LIAS缺陷的表型。這些疾病的遺傳異質(zhì)性構(gòu)成了一個(gè)根本性挑戰(zhàn)，因?yàn)獒槍?duì)每種突變開(kāi)發(fā)個(gè)體化療法在經(jīng)濟(jì)上并不可行。因此，通過(guò)單一干預(yù)手段靶向多種硫辛酰化缺陷的統(tǒng)一策略極具吸引力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖（圖片源自Science Advances）

本研究通過(guò)利用細(xì)菌與人類(lèi)生物合成途徑之間的進(jìn)化差異，來(lái)彌合這一治療空白。與人類(lèi)不同，細(xì)菌擁有一條專(zhuān)門(mén)的補(bǔ)救性硫辛?；緩剑撏緩嚼猛庠葱粤蛐了?，通過(guò)三磷酸腺苷（ATP）依賴(lài)的機(jī)制對(duì)靶蛋白進(jìn)行修飾。作者假設(shè)，在細(xì)胞內(nèi)線粒體靶向表達(dá)單一的細(xì)菌硫辛酸蛋白質(zhì)連接酶，可以繞過(guò)有缺陷的人類(lèi)硫辛?；瘷C(jī)制。作者的研究表明，LplA或LplJ能夠在多種基因敲除（KO）模型（LIPT2、LIAS、LIPT1、MECR和FDX1）中有效恢復(fù)線粒體功能。作者在LplA敲入（KI）小鼠和Lipt1 KO小鼠中評(píng)估了該策略的體內(nèi)有效性和安全性，結(jié)果顯示LplA成功挽救了由Lipt1?/?突變引起的胚胎致死，證明了細(xì)菌硫辛酸蛋白質(zhì)連接酶作為單一基因療法治療多種線粒體疾病的潛力。

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea8481