線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)是細胞代謝平衡的基礎(chǔ)，它能確保線粒體蛋白質(zhì)的正常功能與完整性，這對能量生成、氧化還原穩(wěn)態(tài)及代謝物合成至關(guān)重要（Jensen et al. 2014；Song et al. 2021）。研究表明，線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失調(diào)與多種病理狀態(tài)相關(guān)，包括神經(jīng)退行性疾病、代謝紊亂及衰老（Moehle et al. 2019；Sorrentino et al. 2017）。盡管其作用關(guān)鍵，但關(guān)于線粒體蛋白酶如何與代謝通路（尤其在組織干祖細胞中）協(xié)同調(diào)控蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的機制仍未被完全闡明。造血干細胞與祖細胞（HSPCs）高度依賴線粒體功能以維持自我更新能力與分化潛能（Filippi et al. 2019）。近年研究逐漸揭示，線粒體代謝在調(diào)控HSPCs命運決定中發(fā)揮中樞作用，其功能紊亂將直接導(dǎo)致干細胞穩(wěn)態(tài)失衡與應(yīng)激應(yīng)答異常（Gu et al. 2023；Bonora et al. 2024）。除ATP生成外，線粒體代謝在氨基酸穩(wěn)態(tài)和氧化還原平衡中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，線粒體一碳代謝與三羧酸循環(huán)（TCA）與氨基酸利用緊密偶聯(lián)，這對核苷酸生物合成和表觀遺傳調(diào)控至關(guān)重要（Du et al. 2024；Rosenberger et al. 2021）。值得注意的是，維生素B12依賴性通路（如甲基丙二酰輔酶A向琥珀酰輔酶A的轉(zhuǎn)化）是線粒體氨基酸代謝和TCA循環(huán)功能的重要組成部分（Romine et al. 2017；Ge et al. 2022）。然而，線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)與這些代謝通路間的相互作用機制仍有待深入探索。

近日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院、上海市第一人民醫(yī)院臨床研究院郭濱團隊與美國印第安納大學(xué)醫(yī)學(xué)院萬鈞團隊、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院鄭俊克團隊、鄭亮團隊合作在Cell Reports 期刊上發(fā)表了題為Afg3l2 couples mitochondrial vitamin B12 trafficking to amino acid metabolism to safeguard hematopoietic stem cell homeostasis 的研究論文。該研究首次揭示了線粒體m-AAA蛋白酶Afg3l2 通過降解維生素B12轉(zhuǎn)運蛋白Mmadhc，調(diào)控腺苷鈷胺（AdoCbl）代謝與支鏈氨基酸分解，進而維持造血干細胞代謝穩(wěn)態(tài)與長期再生能力。

郭濱團隊長期聚焦線粒體穩(wěn)態(tài)與造血系統(tǒng)再生的調(diào)控機制研究。在前期工作基礎(chǔ)上（Leukemia 2019; J Clinic Invest 2021; Cell Reports 2023），該研究構(gòu)建了Afg3l2基因在血液系統(tǒng)的兩種條件敲除小鼠模型，發(fā)現(xiàn)Afg3l2功能缺失逐步引起小鼠的HSC數(shù)量顯著減少，外周血白細胞與血小板明顯下降，造血重建能力嚴(yán)重受損。m-AAA蛋白酶Afg3l2作為線粒體蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的核心組分，已知可降解錯誤折疊蛋白質(zhì)并調(diào)控線粒體質(zhì)量監(jiān)控，并且Afg3l2功能紊亂被證實與脊髓小腦性共濟失調(diào)等神經(jīng)退行性疾病相關(guān)（Patron et al. 2018；Nolden et al. 2005）。本研究針對造血干細胞群體中線粒體蛋白酶的表達進行了系統(tǒng)性檢測，發(fā)現(xiàn)Afg3l2的表達水平顯著高于其他蛋白酶，提示其在這些細胞中具有獨特的功能重要性。為進一步揭示Afg3l2在小鼠造血干細胞長期植入中的調(diào)控潛能，研究團隊進行了多輪精細的移植功能實驗，包括全骨髓移植、LSK細胞移植以及高純度EPCR+SLAM-HSC移植，結(jié)果一致表明，Afg3l2缺失導(dǎo)致HSC長期重建能力顯著下降。為了探索Afg3l2調(diào)控HSC功能的內(nèi)在機制，研究人員進行了蛋白質(zhì)組學(xué)與轉(zhuǎn)錄組學(xué)聯(lián)合分析。結(jié)果顯示，在Afg3l2缺失的HSPC中，線粒體蛋白Mmadhc顯著積累，而其mRNA水平未發(fā)生改變。進一步實驗證實，Afg3l2通過其FtsH_ext結(jié)構(gòu)域與Mmadhc的N端區(qū)域直接結(jié)合，并促進其降解。Mmadhc是細胞內(nèi)維生素B12（鈷胺素）轉(zhuǎn)運與活化的關(guān)鍵蛋白，負責(zé)將鈷胺素轉(zhuǎn)化為其活性形式——腺苷鈷胺（AdoCbl）和甲基鈷胺（MeCbl）。研究顯示，Afg3l2缺失導(dǎo)致Mmadhc積累，進而引起腺苷鈷胺水平升高，激活甲基丙二酰-CoA變位酶（Mmut），促進支鏈氨基酸代謝通路中琥珀酰-CoA的過量生成。這一過程導(dǎo)致TCA循環(huán)過度激活，線粒體氧化磷酸化增強，活性氧積累，最終引發(fā)HSC氧化應(yīng)激、細胞周期紊亂與凋亡增加。此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)Afg3l2缺失的HSC中氨基酸轉(zhuǎn)運體（如Slc7a5、Slc1a5等）表達上調(diào)，細胞內(nèi)氨基酸水平升高，mTOR信號通路被激活。通過13C-谷氨酰胺代謝流分析，研究人員進一步證實Afg3l2缺失增強了谷氨酰胺驅(qū)動的回補反應(yīng)，進一步加劇了TCA循環(huán)的代謝負擔(dān)。為進一步驗證Mmadhc在Afg3l2通路中的關(guān)鍵作用，研究人員構(gòu)建了Mmadhc過表達與敲低模型。結(jié)果顯示，Mmadhc過表達可模擬Afg3l2缺失引起的代謝紊亂與HSC功能障礙，而Mmadhc敲低則可在一定程度上逆轉(zhuǎn)Afg3l2缺失導(dǎo)致的代謝異常與功能缺陷。該研究首次揭示了線粒體蛋白酶Afg3l2通過調(diào)控維生素B12代謝通路，影響氨基酸代謝與能量平衡，進而維持HSC穩(wěn)態(tài)的新機制。這不僅深化了對線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)與代謝耦合機制的理解，也為造血干細胞代謝調(diào)控及相關(guān)疾病的治療提供了新靶點。

上海交通大學(xué)第一人民醫(yī)院臨床研究院郭濱團隊博士研究生張猛與美國印第安納大學(xué)醫(yī)學(xué)院萬鈞團隊博士研究生張夏詩瑤為論文的共同第一作者；郭濱研究員、萬鈞教授、鄭俊克研究員、鄭亮研究員為論文的共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116735

制版人：十一

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