综述：α-酮戊二酸脱氢酶：不仅仅是一种参与三羧酸循环（TCA循环）的酶

《Free Radical Biology and Medicine》：Alpha-ketoglutarate dehydrogenase: more than just a TCA cycle enzyme

α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）不仅是三羧酸循环关键酶，还通过产生活性氧、调控代谢中间产物及核内表观遗传修饰参与细胞命运决定，其抑制策略在癌症、炎症及代谢综合征中具有潜在应用。

　　

Ryan J. Mailloux

麦吉尔大学人类营养学院，加拿大魁北克省Ste-Anne-de-Bellevue，H9X 3V9

摘要

α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH；EC 1.2.4.2）催化三羧酸（TCA）循环的第四步，将碳水化合物、脂肪酸和氨基酸的代谢与有氧ATP的产生联系起来。传统上认为KGDH对能量代谢至关重要，并且仅存在于线粒体中。因此，人们普遍认为其活性丧失会对哺乳动物细胞产生灾难性后果。然而，分子生物学和氧化还原生物学工具的最新进展，以及新基因修饰小鼠品系和敲低KGDH相关成分的培养细胞的实验表明，KGDH是一种多功能细胞酶，它不仅位于线粒体中，还存在于细胞核中。在那里，它利用超氧阴离子（O₂^•-）/过氧化氢（H₂O₂）及其催化相关的代谢物（如α-酮戊二酸（KG）、琥珀酰辅酶A、琥珀酸）来调控细胞的命运决策。此外，研究发现KGDH的过度激活会通过产生过多的O₂^•-/H₂O₂导致严重的氧化应激，并干扰细胞信号传导和表观基因组调控，这与癌细胞转化、代谢性疾病（如代谢功能障碍相关性脂肪性肝病（MASLD）及炎症有关。通过竞争性抑制剂、氧化还原修饰或shRNAs抑制KGDH可以缓解这些疾病。本文旨在更新关于KGDH的文献，因为它已不再仅仅是一种TCA循环酶。

引言

线粒体是一种具有双层膜的内共生细胞器，通过产生大量ATP来满足哺乳动物细胞的能量需求。当单糖、脂肪酸、酮体、乳酸和氨基酸等燃料通过不同的代谢途径代谢形成前体代谢物（如丙酮酸、谷氨酸、乙酰辅酶A）时，线粒体开始产生ATP（图1）[1]，[2]。在TCA循环中，这些中间体经过8种TCA循环酶的化学转化和氧化脱羧作用，生成电子载体NADH和FADH₂，随后在电子传递链（ETC）中被氧化（图1）[1]，[2]。电子通过ETC传递到最终的分子氧（O₂），从而在 mitochondrial内膜（MIM）上建立质子动力势（pmf），为复合体V（ATP合成酶）提供驱动ATP生物合成所需的能量[3]，[4]，[5]。整个过程，即TCA循环及其相关代谢途径从底物中剥离电子并通过ETC传递以产生ATP，被称为氧化磷酸化（OxPhos）[1]，[2]，[3]，[4]，[5]。

α-酮戊二酸脱氢酶（KGDH，又称2-氧戊二酸脱氢酶；OGDH）催化TCA循环的第四步，通过生成NADH将碳水化合物、脂肪酸和氨基酸的代谢与有氧呼吸和氧化磷酸化过程联系起来。目前普遍认为KGDH是一种不可或缺的TCA循环酶，严格位于线粒体中，其活性丧失会对哺乳动物细胞造成损害并引发多种疾病甚至死亡。然而，最新研究发现KGDH实际上是一种多功能酶，可以分布到细胞的其他区域。KGDH是O₂^•-/H₂O₂的强大来源，参与诱导氧化应激，并调控KG、琥珀酰辅酶A和琥珀酸的供应，这些代谢物在细胞内和细胞间通讯中起关键作用。KGDH还能进入细胞核，利用KG调控组蛋白甲基化和琥珀酰化以及DNA甲基化，进而影响表观遗传编程。综上所述，靶向和暂时抑制KGDH可能成为治疗癌症、炎症和代谢性疾病（如代谢功能障碍相关性脂肪性肝病（MASLD）的有效手段，甚至有助于组织再生。因此，KGDH不仅仅是一种简单的代谢酶，而是一个复杂的多功能蛋白质复合体，它在代谢回路与细胞命运决策之间起到调节作用。

KGDH的结构和催化机制

KGDH属于α-酮酸脱氢酶（KDH）家族，这类多酶复合体将α-酮酸的热力学不可逆氧化脱羧反应与还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和酰基辅酶A的生成耦合起来[6]，[7]。KGDH的基因和蛋白质信息见表1。KGDH是一种大型多亚基酶，大小约为3.2 MDa，包含约12个KG脱羧酶（KGD，又称E1亚基，EC 1.2.4.2）和约12个二氢脂酰胺酶

用于研究KGDH信号传导的KGDH缺陷小鼠和细胞模型

为了研究KGDH活性丧失对大脑的病理影响，研究人员生成了携带Dlst或Dld突变的小鼠模型。这是因为人类中KGDH活性和/或表达的丧失与年龄相关的认知缺陷和神经性疾病的发生有关（参见[17]，[23]，[24]）。大量证据表明，大脑中KGDH活性的丧失会导致认知障碍和神经性疾病。

通过正向和反向电子转移产生O₂^•-/H₂O₂

许多综述中描述了KGDH的O₂^•-/H₂O₂生成能力[6]，[7]，[15]，[21]，[30]，[54]，[55]，[56]，但人们通常认为线粒体中的复合物I和III是主要的O₂^•-/H₂O₂生成者。令人惊讶的是，尽管KGDH已被证明是一种高效的O₂^•-/H₂O₂生成酶，其生成速率远超其他复合物，但在许多研究中这一作用却被忽视了

KG、琥珀酰辅酶A和琥珀酸在表观遗传编程中的作用

KG和琥珀酸是具有多种功能的内细胞和细胞间信号分子。20-25年前，人们首次发现它们是G蛋白偶联受体的配体，具体来说，KG是GPR99的配体，琥珀酸是GPR91（SUNCR1）的配体[108]。与此同时，还发现琥珀酸能够通过脯氨酸稳定缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）

展望

KGDH是一种古老的代谢酶，长期以来一直被视为TCA循环不可或缺的成分，且严格局限于线粒体中。任何KGDH的缺失都被认为对哺乳动物细胞有害。然而，分子生物学技术的进步揭示了KGDH的更多功能。本文表明，KGDH是一个重要的信号传导平台，在决定细胞命运中发挥着关键作用

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）“Discovery Grant Program”（RGPIN-2022-03240）的资助