2022年8月4日， Rebecca D. Ganetzky等人在The New England Journal of Medicine杂志上发表题为“Congenital Hypermetabolism and Uncoupled Oxidative Phosphorylation”的文章，研究人员在一对同卵双胞胎男孩中发现了编码线粒体β合成酶亚基的基因ATP5F1B发生杂合突变，导致了一种常染色体显性线粒体解偶联综合征。

研究背景

在真核细胞中，线粒体氧化磷酸化是产生ATP的主要途径（图1）。在这一过程中，来自食物分解的细胞氧化还原能被转化为跨越线粒体内膜的质子梯度（称为质子动势），该质子梯度被耗散，催化ATP的形成。呼吸链复合体I、III和IV在消耗氧气的同时将质子泵穿过线粒体内膜。复合体V是能量转换的中心酶，它在膜上分散质子梯度，催化ADP磷酸化转化为ATP。在功能正常的线粒体中，线粒体呼吸与质子动力的形成紧密耦合，而质子动力的耗散与ATP的合成密切相关。呼吸作用和ATP合成之间紧密的化学渗透耦合确保了有效的能量转换。

图1. 正常和突变细胞中的氧化磷酸化

研究结果

双胞胎患者遗传分析发现ATP5F1B基因中有一个杂合突变（NM_001686.3：c.T→C, p.Leu335Pro）。研究人员观察到患者成纤维细胞的基础耗氧率高于对照成纤维细胞。在加入复合I-连接底物谷氨酸-苹果酸后，这种差异在通透性细胞中更加明显，但在添加饱和ADP后，这种差异趋于正常（图2）。

图2.婴儿双胞胎有高代谢和非耦合呼吸的证据

接下来研究人员使用CRISPR-Cas9设计了两个具有杂合Leu335Pro突变的独立克隆，并将它们与对照等位基因进行了比较。与患者来源的成纤维细胞一样，研究人员观察到突变细胞的基础线粒体耗氧速率增加，这与较低的基线线粒体膜电位相关。用抑制复合体V的寡霉素处理后，线粒体耗氧率增加和线粒体膜电位降低均恢复正常。此外，突变细胞胞外酸化的基线速率增加，葡萄糖消耗增加，乳酸释放增加，这表明细胞的次级适应包括糖酵解的增加。

为了区分单倍体不足和显性负效应，研究人员在HeLa细胞中使用慢病毒转导表位标记的野生型或Leu335Pro变异体。观察到虽然Leu335Pro变异体的表达一直低于野生型，但它组装成了大分子复合体V，尽管表达水平较低，但基线耗氧率和糖酵解高于野生型，而基膜电位低于野生型（图3）。

图3. 工程化人类细胞系的生物能量学特征

结论

总之，研究人员认为双胞胎患者属于一种线粒体解偶联综合征，其特征是线粒体呼吸增加，线粒体ATP合成解偶联。遗传和生化研究表明，ATP5F1B新发致病变异使质子(由线粒体呼吸产生)通过F_O的通道与由复合体V合成的ATP之间的耦合“松动”。

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撰文：孙廿一

编辑：刘振兴

审核：张贤钦

课题组网址 http://life.hust.edu.cn/info/1046/13645.htm

课题组介绍-分子医学团队