原文题目：Pyruvate-supported flux through medium-chain ketothiolase promotes mitochondrial lipid tolerance in cardiac and skeletal muscles
通讯作者：Deborah M. Muoio
隶属单位：杜克大学医学中心
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.03.016
在大多数细胞中，线粒体产生的氧化ATP占总ATP需求的绝大多数。这个过程被称为氧化磷酸化（OXPHOS），涉及将碳燃料中捕获的能量（如脂肪酸和葡萄糖）转移到ATP水解的自由能（ΔG可供使用量 ATP）—为正常细胞和器官功能提供动力的能量货币。脱氢酶（DH）对碳底物的分解代谢产生电子能势（ΔG氧化还原） 以 NADH/NAD 和 FADH 的形式+2/时尚。反过来，这些氧化还原对提供电子传递链（ETC），该传递链将复合物IV处的电子转移和分子氧还原与复合物I，III和IV处的质子泵送耦合，以产生穿过线粒体内膜的质子动力（PMF）。PMF 通过复合物 V （CV）（ATP 合酶）为 ATP 再合成提供了最终驱动力。在这一点上，重要的是要强调，在横纹肌中，线粒体有两个主要功能：（1）ATP再合成和（2）ATP：ADP比值远离平衡的位移（约10个数量级）以建立和维持ΔG可供使用量 ATP.因此，线粒体通常合成并将ATP泵入ATP的海洋中，“上一个充满活力的山丘”。
毫不奇怪，氧化代谢的扰动代表了衰老和与年龄相关的代谢紊乱（如肥胖、2 型糖尿病和心力衰竭）的共同特征。线粒体功能障碍可以以多种形式表现出来。心脏代谢疾病的标志之一是线粒体底物选择的明显僵化，使得各种器官和细胞无法根据营养和其他生理线索适当调整燃料选择。这种现象被称为“代谢不灵活”，通常伴有脂肪酸氧化能力下降 （FAO） 以及全身葡萄糖耐受不良和/或胰岛素抵抗的发作。相比之下，习惯性的身体活动提高了粮农组织的能力，并促进了代谢转变期间强有力的燃料转换。
图 1：来自混合 SkM 的线粒体代谢不灵活且对长链脂质燃料不耐受
总的来说，大量证据表明粮农组织能力下降、代谢不灵活和不良健康结果之间存在密切联系。然而，仍然不确定的是这种联系背后的生物能量和分子机制。虽然众所周知，脂肪酸在饥饿、长期碳水化合物限制和/或耐力运动期间是关键的呼吸底物，但为什么粮农组织的能力在营养过剩和缺乏身体活动的情况下很重要，这个问题仍然是个谜。以前的报告提出，脂肪酸燃料的持续供应过剩导致线粒体脂质超载状态，这可能导致粮农组织效率低下和/或不完整，同时能源稳定性受损。
在将线粒体超负荷与代谢疾病联系起来的几条令人信服的证据中，有许多报告显示，在脂质应激（例如饥饿、肥胖、糖尿病、血脂异常和心力衰竭）的情况下，脂肪酸来源的酰基肉碱 （AC） 代谢物的循环和/或组织水平升高。考虑到大多数偶数链AC代谢物是不完全脂肪酸分解代谢的副产物产生的，这些分子通常被视为线粒体脂质应激的生物标志物，可归因于β氧化途径中的一个或多个代谢瓶颈。
图2：线粒体柔韧性和脂质耐受性受纤维类型和Pgc1a的调节
然而，人们对粮农组织这些瓶颈的起源和功能影响知之甚少。这项研究的首要目标是深入了解将代谢不灵活和AC积累与年龄相关的心脏代谢疾病联系起来的分子机制。虽然以前的几项研究通过应用最先进的分子分析技术积累了线索，但这些工具的局限性在于它们不能提供线粒体性能的直接指标。在本文中，研究人员试图了解驻留在特定肌肉组织中的线粒体如何响应大量脂质燃料的涌入，旨在解决两个根本重要的问题：（1）线粒体脂质过载和/或交流积累是否损害和/或影响OXPHOS热力学？（2）如果是，潜在的机制是什么？为此，研究人员将基于质谱（MS）的代谢组学、蛋白质组学和稳定同位素示踪与复杂的线粒体诊断平台相结合，使用粮农组织能力增强或减弱的多种双态模型评估代谢灵活性、碳通量和生物能量学之间的相互作用。这种方法使研究人员确定了短链碳回路，该回路能够通过中链酮硫醇酶（MKT/Acaa2）逆转丙酮酸衍生的乙酰辅酶A，以再生支持粮农组织的关键辅因子以及通过三羧酸循环（TCAC）的下游通量。反过来，该回路促进线粒体脂质耐受性和代谢可塑性。通过揭示丙酮酸支持的MKT通量在面对脂质过剩时赋予代谢恢复力的重要作用，该研究揭示了迄今为止尚未被理解的机制，将粮农组织超负荷和丙酮酸不足与能量不稳定和代谢不灵活性联系起来。
这项研究将复杂的线粒体表型平台与最先进的分子分析工具和多种线粒体呼吸功能增强或减弱的双态小鼠模型相结合，以揭示将反向MKT通量与SkM和心脏线粒体中的代谢灵活性，脂质耐受性和能量稳定性联系起来的机制。这些发现与广泛报道的全身性AC积累与心脏代谢疾病之间不完全的关联一致，并有助于解释为什么粮农组织能力下降，不完全β氧化率高和代谢不灵活与不良健康结果密切相关。丙酮酸在支持反向MKT通量中起重要作用的发现为“脂肪酸在碳水化合物火焰中燃烧”这一公理赋予了扩展的含义。
图3：过量左旋肉碱拯救SkM线粒体脂质诱导的呼吸效率低下
所描述的实验和随后的解释以四个开创性的观察为指导，这些观察揭示了一种迄今为止未知的机制，控制脂质和葡萄糖衍生燃料之间的相互作用及其对线粒体生物能量的影响。首先，在SkM线粒体中，提供长链酰基肉碱（LCAC）会损害丙酮酸支持的呼吸效率。这种“脂质不耐受”现象在红色SkM的线粒体中不太明显，而在心脏的线粒体中则不存在。线粒体对LCFA的不耐受随后与LC FAO螺旋中的瓶颈有关，该瓶颈导致CoA捕获和随之而来的碳交通拥堵，这似乎与aKG DH的通量减少相吻合。当游离肉碱和辅酶A的基质池都受到限制时，出现了这种不利的呼吸表型。结果表明，LCFA的不完全氧化会影响非脂质底物的通量，从而影响能量转移和呼吸效率。同样值得注意的是，研究人员发现粮农组织的AC积累和/或瓶颈不一定是有害的，只要游离CoA和游离肉碱的基质池保持在临界阈值以上。因此，研究人员推测AC代谢物是线粒体充血的生物标志物，但不是线粒体功能障碍的直接罪魁祸首。相反，这些分子充当允许线粒体碳外排的载体，并反对CoA捕获以捍卫代谢稳定性。
其次，研究人员发现线粒体对LCFA底物的耐受性与MKT的相对丰度和通过该酶的反向通量的速率相关。尽管前面已经描述了MKT反应的双向性质，葡萄糖衍生的乙酰辅酶A作为MKT底物的至关重要性以及反向通量在保持线粒体呼吸效率中的作用尚未得到认可。重要的是，丙酮酸/葡萄糖支持的反向MKT通量在孤立的线粒体以及灌注的心脏和切除的完整肌肉中是显着的。此外，对“红色”与“白色”线粒体的蛋白质组学分析表明，在所有定量的粮农组织酶中，MKT在线粒体中具有独特的丰富性，对LCFA底物具有很高的耐受性。此外，MKT（Acaa2）和Acot13，一种硫酯酶，强烈偏爱中链和长链酰基辅酶，被发现是来自Mck-Pgc1a Tg小鼠的SkM线粒体中与粮农组织相关的蛋白，与NT对照相比。与这些结果相符并类似于心脏线粒体的表型，Tg SkM线粒体在脂质激发期间更好地维持游离CoA水平。此外，研究人员发现Acaa2 mRNA表达是在单次剧烈运动后有效诱导的。综上所述，这些发现意味着运动诱导的MKT上调有助于增强代谢灵活性，并可能在高工作效率期间改善肌肉表现。
第三，这项研究还表明，粮农组织的高容量引入了LCFA特有的热力学脆弱性。因此，在没有足够丙酮酸的情况下，心脏线粒体暴露于LCFA底物导致ΔΨ深度降低m尽管耗氧率很高。这种呼吸效率低下的显着特征可能是由于电子流效率低下。在这种情况下，游离辅酶A的再生似乎足以维持粮农组织不完全的高比率;然而，受损的NADH/NAD氧化还原缓冲会导致通过FADH的电子流动不平衡+2-连接的酶（例如，LCAD 和 MCAD）相对于通过 NADH 连接的复合物的通量（图 7O）。这种不平衡可能是有害的，因为FADH2将电子直接传递到辅酶Q（CoQ）池，绕过CI处的质子泵送，导致在复合物IV消耗的每个氧原子向Δp的能量转移较少，因此P：O更低比率（即，类似于SR，图1B和1C）。在某些情况下，增加FAD连接的电子通量可能导致CoQ完全减少，更多的电子泄漏和/或CI处的电子转移率降低，导致基质NADH / NAD升高并进一步抑制正向DH通量。因此，从NADH到FADH的相当大的转变+2-当葡萄糖和丙酮酸变得有限时，相关的呼吸会增加ROS的产生并降低工作效率。一个关键问题是这种形式的呼吸效率低下是否发生在体内。支持性证据来自实验，其中过夜禁食可降低血糖并增加心脏和SkM组织中的AC积累，伴有适度但可测量的心脏性能下降，通过超声心动图评估。此外，还发现MKT在衰竭的小鼠心脏中强烈下调，其特征是粮农组织和PDH通量减少以及氧化还原失衡。
图 4：线粒体代谢组学和 MFA 将脂质耐受性与游离辅酶 A 和反向 SC 碳通量联系起来
同样，最近的两项研究表明，小鼠和人类的心力衰竭伴随着线粒体丙酮酸载体（MPC）的表达减少，并且MPC的心脏特异性破坏导致收缩功能障碍，LC AC的组织积累以及游离肉碱和游离CoA的显着减少。总的来说，这些结果表明，由于缺乏身体活动和/或病理代谢重塑（包括MKT和MPC表达减少）而导致的线粒体不灵活会加剧脂质诱导的线粒体应激，从而威胁能量稳定性，从而威胁整体肌肉功能和心脏代谢健康。
这项工作强调的另一个值得注意的发现是，单独提供或与丙酮酸组合提供的PcM和OcM在心脏和SkM线粒体中产生了不同的生物能量特征。这是一个关键的观察结果，因为Pc和Oc具有相同的NADH相关与FADH的化学计量2-连接的电子通量;因此，链长特异性反应似乎源于该途径的LC臂引入的低效率。还值得注意的是，本文报道的结果与计算机代谢控制模拟的结果一致，该模拟预测LCFA的β氧化引入了与MC FAO不同的热力学脆弱性，并且MKT是在脂质底物升高的情况下负通量控制的主要部位。在该模拟中，MKT反应的通量下降既是由于酶的混杂性，也是由于前一种酶SCHAD的高度不利的平衡常数，使得高NADH / NAD氧化还原状态将反应推向相反的方向。鉴于模型模拟的结果与当前和以前的研究非常吻合，确定C4OH AC是燃料转换和基质竞争的强代谢物标志物，本文报道的研究结果现在揭示了反向MKT/SCHAD通量的进化优势，作为一种稳定NADH/NAD氧化还原电位的机制，同时也对抗由LC FAO瓶颈引起的灾难性CoA消耗。
图 6：反向短链碳通量在心脏和骨骼肌组织中很重要，有助于 CrAT 依赖性产生 3OH-丁酰肉碱
最后，这些结果为Randle循环增加了两个新元素，表明（1）不完全/低效的FAO对丙酮酸氧化特别有害，以及（2）有限的PDH通量会降低FAO的效率。虽然Randle循环的传统版本以底物竞争的概念为中心，但本文提出的模型强调了这两种主要线粒体燃料之间合作的重要性。总之，这些发现可以解释为什么代谢灵活的线粒体在生物体水平上具有生存优势。这一基本概念的进步为理解AC积累，线粒体性能和代谢恢复力之间的临床联系提供了令人兴奋的机会。
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