用一种细菌酶同时修复线粒体疾病的多种基因缺陷

线粒体作为细胞的“能量工厂”，通过氧化磷酸化生成能量，其功能异常与2型糖尿病、心血管疾病、阿尔茨海默病等多种疾病相关。硫辛酸化修饰是一种对线粒体功能至关重要的蛋白质翻译后修饰，人体内的丙酮酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶等关键代谢酶复合物需经此修饰才能发挥作用，该过程依赖LIPT2、LIAS、LIPT1等核心酶。这些基因或相关通路基因（如负责硫辛酸前体供应的MECR、硫插入辅助蛋白FDX1）的突变会导致严重的线粒体疾病，表现为乳酸酸中毒、脑损伤、癫痫等，且这类疾病遗传异质性高，为每种突变开发个体化疗法经济上不可行，因此亟需一种能通过单一干预靶向多种缺陷的统一策略。

本研究创新性地利用细菌与人类硫辛酸化途径的进化差异：人类依赖内源性合成，而细菌（如大肠杆菌、枯草芽孢杆菌）具有“补救途径”，可利用外源硫辛酸直接修饰目标蛋白。研究人员将大肠杆菌的LplA或枯草芽孢杆菌的LplJ与线粒体靶向信号肽融合，构建了MTS-GFP-LplA/LplJ表达载体。在敲除了LIPT2、LIAS、LIPT1、MECR或FDX1的人类HEK293T细胞中稳定表达这些载体后发现，在补充硫辛酸的条件下，细胞的线粒体呼吸功能（基础呼吸、ATP生成、最大呼吸）恢复至接近野生型水平，蛋白质硫辛酸化水平（如DLAT、DLST的硫辛酸化）显著回升，细胞生长停滞得到改善，代谢物异常（如α-酮戊二酸、2-酮异己酸积累减少，三羧酸循环中间产物延胡索酸、苹果酸增加）也被纠正。体外实验进一步证实，LplA/LplJ可直接催化人类硫辛酸化依赖蛋白（DLAT、DLST、GCSH）的硫辛酸化，恢复丙酮酸脱氢酶活性，通过13C葡萄糖示踪显示三羧酸循环重新激活。

为验证体内效果，研究构建了LplA敲入小鼠，发现其健康状况良好，体重、脂肪量和瘦体重与野生型无差异，黑暗周期的能量消耗、耗氧量和二氧化碳生成量均增加，血液学和血清生化指标（如肝肾功能、血脂）正常，表明LplA表达无明显副作用。在Lipt1基因敲除模型中，纯合Lipt1-/-小鼠因胚胎发育缺陷致死，而将Lipt1+/-与LplA过表达小鼠交配并补充硫辛酸后，成功获得了存活的Lipt1-/-LplA+/-或LplA+/+后代（占后代总数约13%）。这些小鼠体重正常，能量代谢、组织形态（心脏、肌肉、肝、肾的H&E染色和电镜观察均无异常）、线粒体呼吸链蛋白水平及血液生化指标均与野生型相似，胚胎期的发育异常（如器官形成缺陷、基因表达紊乱）也得到完全修复。

本研究首次证实，细菌硫辛酸蛋白连接酶可作为单一基因干预手段，通过靶向多种硫辛酸化缺陷（涵盖合成途径、前体供应、辅助因子等）来治疗线粒体疾病。其作用严格依赖酶的催化活性，且在动物模型中展现出良好的安全性和有效性，为遗传异质性高的线粒体疾病提供了一种经济高效的跨物种治疗新策略。