Cell Rep | 郭滨团队揭示线粒体蛋白酶Afg3l2通过调控维生素B12转运与氨基酸代谢维持造血干细胞稳态|氨基酸|线粒体蛋白酶|细胞|维生素|蛋白质

线粒体蛋白质稳态是细胞代谢平衡的基础，它能确保线粒体蛋白质的正常功能与完整性，这对能量生成、氧化还原稳态及代谢物合成至关重要（Jensen et al. 2014；Song et al. 2021）。研究表明，线粒体蛋白质稳态失调与多种病理状态相关，包括神经退行性疾病、代谢紊乱及衰老（Moehle et al. 2019；Sorrentino et al. 2017）。尽管其作用关键，但关于线粒体蛋白酶如何与代谢通路（尤其在组织干祖细胞中）协同调控蛋白质稳态的机制仍未被完全阐明。造血干细胞与祖细胞（HSPCs）高度依赖线粒体功能以维持自我更新能力与分化潜能（Filippi et al. 2019）。近年研究逐渐揭示，线粒体代谢在调控HSPCs命运决定中发挥中枢作用，其功能紊乱将直接导致干细胞稳态失衡与应激应答异常（Gu et al. 2023；Bonora et al. 2024）。除ATP生成外，线粒体代谢在氨基酸稳态和氧化还原平衡中发挥关键作用。例如，线粒体一碳代谢与三羧酸循环（TCA）与氨基酸利用紧密偶联，这对核苷酸生物合成和表观遗传调控至关重要（Du et al. 2024；Rosenberger et al. 2021）。值得注意的是，维生素B12依赖性通路（如甲基丙二酰辅酶A向琥珀酰辅酶A的转化）是线粒体氨基酸代谢和TCA循环功能的重要组成部分（Romine et al. 2017；Ge et al. 2022）。然而，线粒体蛋白质稳态与这些代谢通路间的相互作用机制仍有待深入探索。

近日，上海交通大学医学院、上海市第一人民医院临床研究院郭滨团队与美国印第安纳大学医学院万钧团队、上海交通大学医学院基础医学院郑俊克团队、郑亮团队合作在Cell Reports 期刊上发表了题为Afg3l2 couples mitochondrial vitamin B12 trafficking to amino acid metabolism to safeguard hematopoietic stem cell homeostasis 的研究论文。该研究首次揭示了线粒体m-AAA蛋白酶Afg3l2 通过降解维生素B12转运蛋白Mmadhc，调控腺苷钴胺（AdoCbl）代谢与支链氨基酸分解，进而维持造血干细胞代谢稳态与长期再生能力。

郭滨团队长期聚焦线粒体稳态与造血系统再生的调控机制研究。在前期工作基础上（Leukemia 2019; J Clinic Invest 2021; Cell Reports 2023），该研究构建了Afg3l2基因在血液系统的两种条件敲除小鼠模型，发现Afg3l2功能缺失逐步引起小鼠的HSC数量显著减少，外周血白细胞与血小板明显下降，造血重建能力严重受损。m-AAA蛋白酶Afg3l2作为线粒体蛋白质稳态网络的核心组分，已知可降解错误折叠蛋白质并调控线粒体质量监控，并且Afg3l2功能紊乱被证实与脊髓小脑性共济失调等神经退行性疾病相关（Patron et al. 2018；Nolden et al. 2005）。本研究针对造血干细胞群体中线粒体蛋白酶的表达进行了系统性检测，发现Afg3l2的表达水平显著高于其他蛋白酶，提示其在这些细胞中具有独特的功能重要性。为进一步揭示Afg3l2在小鼠造血干细胞长期植入中的调控潜能，研究团队进行了多轮精细的移植功能实验，包括全骨髓移植、LSK细胞移植以及高纯度EPCR+SLAM-HSC移植，结果一致表明，Afg3l2缺失导致HSC长期重建能力显著下降。为了探索Afg3l2调控HSC功能的内在机制，研究人员进行了蛋白质组学与转录组学联合分析。结果显示，在Afg3l2缺失的HSPC中，线粒体蛋白Mmadhc显著积累，而其mRNA水平未发生改变。进一步实验证实，Afg3l2通过其FtsH_ext结构域与Mmadhc的N端区域直接结合，并促进其降解。Mmadhc是细胞内维生素B12（钴胺素）转运与活化的关键蛋白，负责将钴胺素转化为其活性形式——腺苷钴胺（AdoCbl）和甲基钴胺（MeCbl）。研究显示，Afg3l2缺失导致Mmadhc积累，进而引起腺苷钴胺水平升高，激活甲基丙二酰-CoA变位酶（Mmut），促进支链氨基酸代谢通路中琥珀酰-CoA的过量生成。这一过程导致TCA循环过度激活，线粒体氧化磷酸化增强，活性氧积累，最终引发HSC氧化应激、细胞周期紊乱与凋亡增加。此外，研究团队发现Afg3l2缺失的HSC中氨基酸转运体（如Slc7a5、Slc1a5等）表达上调，细胞内氨基酸水平升高，mTOR信号通路被激活。通过¹³C-谷氨酰胺代谢流分析，研究人员进一步证实Afg3l2缺失增强了谷氨酰胺驱动的回补反应，进一步加剧了TCA循环的代谢负担。为进一步验证Mmadhc在Afg3l2通路中的关键作用，研究人员构建了Mmadhc过表达与敲低模型。结果显示，Mmadhc过表达可模拟Afg3l2缺失引起的代谢紊乱与HSC功能障碍，而Mmadhc敲低则可在一定程度上逆转Afg3l2缺失导致的代谢异常与功能缺陷。该研究首次揭示了线粒体蛋白酶Afg3l2通过调控维生素B12代谢通路，影响氨基酸代谢与能量平衡，进而维持HSC稳态的新机制。这不仅深化了对线粒体蛋白稳态与代谢耦合机制的理解，也为造血干细胞代谢调控及相关疾病的治疗提供了新靶点。