Molecular Cell：杨文/徐颖洁揭示DNAJC型辅助伴侣蛋白TCAIM对线粒体代谢的调控作用及相关机制

非靶代谢流分析产品助力揭示线粒体TCAIM降低α-酮戊二酸脱氢酶蛋白水平以调节代谢

2025年1月，上海交通大学的相关研究人员在《Molecular Cell》（IF: 14.5）上发表了题为“The mitochondrial DNAJC co-chaperone TCAIM reduces α-ketoglutarate dehydrogenase protein levels to regulate metabolism”的研究论文，揭示了线粒体蛋白质稳态系统在调节关键代谢酶中的作用，并引入了一种以前未被认识的翻译后调控机制。

亮点概述：

T细胞激活抑制剂，线粒体（TCAIM）蛋白是一种线粒体 DNAJC 辅助伴侣分子，可特异性结合α-酮戊二酸脱氢酶 (OGDH)。
TCAIM结合天然OGDH蛋白，而非变性OGDH。
与传统分子伴侣不同，TCAIM 通过 HSPA9 和 LONP1 降低 OGDH 蛋白水平。
通过 TCAIM 降低 OGDH 可降低 α-酮戊二酸脱氢酶复合体（OGDHc）活性并改变线粒体代谢。

研究背景：

OGDHc是三羧酸 (TCA) 循环中必需的限速酶，可催化 α-酮戊二酸（α-KG）转化为琥珀酰辅酶 A。降低 OGDH 活性会减缓 TCA 循环和线粒体能量产生，同时促进还原羧化，并会影响信号通路，例如缺氧诱导因子 1-α (HIF-1α) 稳定。OGDHc 活性受 NAD ⁺ /NADH 比率、ADP/ATP 比率和无机磷酸盐浓度等因素调节，翻译后调控也有可能在生理和病理条件下控制这种酶。

蛋白质降解是维持蛋白质稳定所必需的关键翻译后调节机制，蛋白质稳定的破坏与各种代谢紊乱有关。线粒体热休克蛋白家族A成员9（HSP70）和共伴侣蛋白HSP40家族（DNAJ蛋白）的有助于折叠未折叠的蛋白质，而LON肽酶1（LONP1）等蛋白酶则靶向并降解错误折叠或受损的蛋白质。DNAJ蛋白分为三类：I型和II型，主要通过将HSP70募集到其底物上来支持蛋白质折叠，III型（DNAJC）表现出更多样化的功能，包括一些独立于HSP70的功能。最近的研究表明，线粒体蛋白降解可能通过选择性靶向必需代谢酶而发挥调节作用。然而，功能蛋白的精确定位以及热休克蛋白和辅助分子伴侣对代谢调节的作用尚不清楚。

研究人员通过免疫共沉淀和质谱分析（IP-MS），发现 TCAIM 能与OGDH特异性结合。TCAIM 属于 DNAJC 家族的共伴侣蛋白，它含有保守的 J 结构域和 HPD 基序，但缺乏其他 DNAJ 蛋白典型的富含甘氨酸 / 苯丙氨酸结构域，其可通过 C 末端结构域与 OGDH 直接结合。

为了探究 TCAIM 在体内的功能，研究人员随后构建了 Tcaim 基因敲除（KO）小鼠模型。结果发现，与野生型小鼠相比，Tcaim KO小鼠体重明显下降，尽管食物摄入量没有改变，但它们的氧气消耗却有所增加。对肝脏代谢组的分析显示，Tcaim 敲除小鼠肝脏中的 α- KG水平显著降低，而其他 TCA 循环代谢物水平基本不变。这表明 TCAIM 在肝脏代谢中起着关键作用，尤其是对 α- KG的调控。此外，Tcaim KO小鼠的血清代谢组也发生了显著变化，甘油磷脂代谢途径受到的影响最为显著。进一步检测发现，这些小鼠血清中的游离胆固醇和总胆固醇水平明显低于野生型小鼠，说明 TCAIM 缺失会扰乱脂质代谢。在高脂肪饮食喂养实验中，Tcaim KO小鼠的脂肪组成和肝脏重量减少，肝脏中的脂质积累也明显减轻，这进一步证实了 TCAIM 在肝脏脂质代谢中的重要性。

TCAIM缺失改变小鼠肝脏代谢和脂质生物合成

接着，研究人员探究了TCAIM 与 OGDH 的结合对线粒体功能的影响。结果发现，过表达 TCAIM 会导致线粒体形态碎片化，氧气消耗减少，这与敲低 OGDH 的效果相似。相反，Tcaim KO小鼠的原代肝细胞则表现出基础和最大氧气消耗增加。这一系列结果表明，TCAIM 通过抑制 OGDH 的功能，进而影响线粒体的能量代谢。此外，TCAIM 过表达会降低 OGDHc 的活性，代谢流示踪实验表明，TCAIM 过表达会导致 TCA 循环下游的代谢物如富马酸、苹果酸和草酰乙酸水平下降。细胞为了适应这种变化，会从氧化代谢转变为还原羧化，同时 HIF-1α 也会稳定积累。

TCAIM影响线粒体功能和代谢

为了阐明 TCAIM 与 OGDH 的结合方式，研究人员利用冷冻电镜技术解析了 HsOGDH-TCAIM144 复合物的结构。结果显示，TCAIM 与天然的、折叠良好的 OGDH 结合，且结合后不会改变 OGDH 的整体结构。在复合物中，TCAIM 通过其 β 折叠形成的 “爪子” 与 OGDH 的特定区域紧密结合，这种结合方式使得 TCAIM 能够稳定地与 OGDH 相互作用。此外，TCAIM 介导 OGDH 的减少依赖于 HSPA9 和 LONP1。TCAIM 与 HSPA9 结合后，能够增强 HSPA9 的 ATP 酶活性，促进 OGDH 的降解。敲低 HSPA9会减弱 TCAIM 介导的 OGDH 减少。而敲低 LONP1 或抑制其活性，也会削弱 TCAIM 的作用。这些结果表明，TCAIM 通过与 HSPA9 和 LONP1 的协同作用，实现对 OGDH 蛋白水平的精确调控。