Science | 新型传感器揭示调控核内α-酮戊二酸水平和染色质甲基化的新通路|dna|染色质|核内|甲基化|线粒体|细胞

α-酮戊二酸（ α-ketoglutarate ，αKG）是细胞代谢中的重要中间产物，同时也是 TET 家族 DNA 甲基胞嘧啶双加氧酶以及 Jumonji C 结构域组蛋白去甲基化酶的必需底物。因此， αKG 水平的变化能够直接影响 DNA 和组蛋白甲基化状态。近年来的研究表明，依赖 αKG 的去甲基酶活性被抑制可导致疾病发生，例如在癌症中 IDH 、 SDH 和 FH 等代谢酶的异常可以产生或积累 2- HG 、琥珀酸和延胡索酸等 “ 致癌代谢物 ” ，干扰 αKG 依赖性双加氧酶活性，并导致 DNA 和组蛋白高甲基化。

尽管 αKG 对染色质调控的重要性已得到广泛关注，调控细胞核内 αKG 水平的分子机制仍不清楚。一个重要原因是，目前缺乏能够特异性检测哺乳动物细胞核内 αKG 水平的实验工具；此外，参与 αKG 合成、分解和转运的酶众多，也进一步增加了寻找核内 αKG 关键调控因子的难度。

2026 年 7 月 16 日，美国德克萨斯大学西南医学中心Samuel K. McBrayer团队与布朗大学Eric M. Morrow团队在Science发表题为 A transcriptional biosensor reveals mechanisms of α-ketoglutarate signaling to chromatin 的研究论文。研究人员开发了一种能够检测核内αKG的转录生物传感器，并利用该工具结合CRISPR-screen筛选，揭示了一条由线粒体向细胞核供应αKG的跨细胞器代谢通路。研究进一步发现，核内αKG缺乏可能是GPT2缺失遗传性代谢病的重要致病机制。

研究人员首先借鉴了蓝细菌中的 αKG 感应机制。在氮饥饿条件下，蓝细菌内 αKG 积累，并被转录因子 NtcA 感知； αKG 结合可增强 NtcA 与 DNA 的亲和力，进而启动相关基因转录。基于这一原理，研究人员将 NtcA 与 VP64 转录激活结构域和核定位信号融合，并在 GFP 报告基因上游构建 NtcA 响应元件。当核内 αKG 升高时， NtcA 驱动 GFP 表达，从而将核内 αKG 水平变化转化为可通过流式细胞仪读取的 GFP 信号。

经过系统优化，研究人员建立了 αKG-ON biosensor ，它能够响应谷氨酰胺降低及外源 dm- αKG 添加带来的核内 α KG 水平变化。对 BCAT1 和 BCAT2 的比较进一步证明， αKG-ON biosensor 系统能够反映不同亚细胞区室中 α KG 水平的特异性变化。研究人员发现，尽管定位于线粒体的 BCAT2 敲除对全细胞 αKG 影响更明显，只有定位于核质区室的 BCAT1 敲除能够显著提高核内 αKG 水平，说明全细胞 αKG 水平并不能简单代表核内 αKG 水平。

利用这一工具，研究人员随后在 U251 胶质瘤细胞中开展 CRISPR -screen 实验，靶向 127 个直接参与 αKG 合成、分解或转运的基因。最终，研究人员鉴定出4个主要调控因子：敲除BCAT1或DLD使核内αKG升高，而敲除GPT2或SLC25A11则导致核内αKG下降。

其中， GPT2 和 SLC25A11 均定位于线粒体。 GPT2 是一种线粒体转氨酶，可催化谷氨酸和丙酮酸生成 αKG 和丙氨酸； SLC25A11 则是线粒体内膜 αKG 转运蛋白。后续遗传和代谢实验进一步证明 GPT2 及线粒体代谢产生 αKG ， SLC25A11 介导其转运至细胞质，随后 αKG 进入细胞核并促进染色质去甲基化。

那么，这条通路是否与人类疾病有关？研究人员在 GPT2 缺陷症这一先天性代谢病的小鼠模型中进一步评估了该机制。无论在小鼠还是人类中， GPT2 功能缺失突变均可导致神经退行性改变和严重的神经系统发育缺陷。研究人员进一步分析 Gpt2 缺失小鼠，发现其脑组织出现明显的 H3K27me3 、 H3K4me3 和 H3K9me3 高甲基化表型，并伴随神经发育相关基因表达异常。研究人员随后对这些老鼠腹腔注射可渗透细胞的 dm-αKG ，结果发现 dm- αKG 处理能够纠正脑组织中的组蛋白高甲基化和神经发育基因的转录异常表型，并逆转 Gpt2 缺失小鼠体重下降的表型。进一步整合 ChIP-seq 和 RNA-seq 分析后，研究人员发现， Gpt2 缺失可广泛影响脑组织中的染色质甲基化状态。其中， H3K27 高甲基化与神经发育相关基因程序受到抑制有关，而 H3K4 高甲基化则与氨基酸代谢、整合应激反应和神经发生相关基因的异常上调相关。

综上，本研究开发了一种能够检测核内αKG水平的转录生物传感器，并利用CRISPR-screen揭示了GPT2-SLC25A11介导的线粒体-细胞核αKG供应通路，进一步将核内αKG缺乏与GPT2缺失导致的组蛋白甲基化和神经发育异常联系起来。该研究不仅为直接检测核内αKG水平提供了新的实验工具，也揭示了代谢物的亚细胞区室化和跨细胞器运输如何影响染色质状态，为理解αKG的表观遗传调控及遗传性代谢疾病的致病机制提供了新的视角。

美国德克萨斯大学西南医学中心 Samuel K. McBrayer 教授与布朗大学 Eric M. Morrow 教授为论文共同通讯作者。西南医学中心医学博士 - 博士生 Alex C. Sternisha 和博士生李浩成是论文的共同第一作者。

图：依赖 αKG 的染色质去甲基化酶的调控机制。负责 DN A 和组蛋白去甲基化的双加氧酶需要 αKG 作为底物。 αKG-ON biosensor 系统能够检测维持这些酶活性的核内 αKG 水平。线粒体 GPT2 转氨酶与 SLC25A11 转运蛋白协同作用，为核质区室供应 αKG 。在 GPT2 缺陷症中，这一通路受影响，导致染色质高甲基化以及神经发育相关基因表达紊乱。

德克萨斯大学西南医学中心 Samuel McBrayer 实验室现招聘博士后研究人员。实验室主要研究代谢信号如何影响神经发育和肿瘤发生，尤其关注 IDH 突变型胶质瘤。研究团队综合运用代谢组学、同位素示踪和遗传学等方法，解析代谢物如何调控细胞命运与细胞功能。基于本项研究，团队还致力于开发治疗癌症和先天性代谢异常的新型治疗策略。实验室已在 Science 、 Cancer Cell 和 Nature Metabolism 等期刊发表研究成果。欢迎感兴趣的博士加盟。

https://doi.org/10.1126/science.adx8675

制版人：十一

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