3-酮脂酰輔酶A硫解酶家族的分子特征、調(diào)節(jié)與藥物靶向治療

魯洪廷，曹玉紅，金振曉，周京軍

作者單位：710032西安，空軍軍醫(yī)大學生理與病理生理學教研室［魯洪廷（2016級本科生），周京軍］，西京醫(yī)院兒科（曹玉紅），西京醫(yī)院心血管外科（金振曉）

3-酮脂酰輔酶A硫解酶（3-ketoacyl CoA thiolase，3-KAT）是一類在脂肪酸β-氧化裂解反應中扮演重要角色的酶，包括線粒體型和過氧化物酶體（peroxisome）型，二者分別由不同基因編碼。在線粒體該酶催化中長鏈及短鏈脂肪酸徹底裂解為乙酰輔酶A；在過氧化物酶體其底物則為極長鏈脂肪酸（≥C22）、長鏈脂肪酸和支鏈脂肪酸，經(jīng)過有限的β氧化循環(huán)，縮短碳鏈，之后產(chǎn)物進入線粒體繼續(xù)氧化（圖1）。3-KAT是脂肪酸β-氧化最后一步，其活性的高低直接影響心肌對底物脂肪酸與糖的選擇性及氧的利用效率。另在秀麗隱桿線蟲觀察到，該酶具有抗衰老作用，是去乙?；窼irt2.1抗衰老的關鍵下游分子［1］。3-KAT在機體中的重要性使得有必要多角度闡釋其分子特征。

1 線粒體3-KAT

1.1 分子結構與功能特點 線粒體三功能蛋白（mitochondrial trifunctional protein， MTP）是由 α-和β-亞基形成具有三重功能的多聚體，其中β-單位具有3-KAT的活性，而α-亞單位兼有加水酶和脫氫酶特性。多數(shù)學者認為，三功能蛋白是由4個β-亞單位和4個α-亞單位組成的八聚體，完成脂肪酸β-氧化的最后三步，最終將長鏈脂肪酸降解，生成乙酰輔酶A。由于線粒體MTP的化學名稱為羥烷基輔酶A脫氫酶，所以人線粒體3-KAT的編碼基因也稱羥烷基輔酶A脫氫酶β（hydroxyacyl coenzyme A dehydrogenase β， HADHB）。 人類 HADHB基因序列中含16個外顯子。

冷凍電鏡技術結果提示，人類HADHB與線粒體MTP的α-亞單位可組成α2β2四聚體，分子量約為460 kDa，這一結果對八聚體復合物的概念提出了質(zhì)疑。復合物的中央為HADHB組成的二聚體，發(fā)揮支架作用，并與兩側α-亞單位相連接。兩個α-亞單位在兩側呈反向存在，使得加水酶和脫氫酶對角相望。HADHB依賴α-亞單位連接于線粒體膜，且His379是酶活性的關鍵氨基酸殘基，負責酯酰輔酶A的硫解反應［2］。

HADHB功能異常可造成人類線粒體脂肪酸β-氧化代謝障礙癥?；純撼錾蠹纯砂l(fā)病，主要病理與病理生理學變化包括心肌病伴隨心律失常與心衰，肝腫大、肝功能障礙與肝臟脂肪變性，毛細血管通透性增大與水腫，后期神經(jīng)系統(tǒng)與視網(wǎng)膜病變漸進性加重。患者血液生化指標可見13C-棕櫚酸（C16酸）及13C-羥基化棕櫚酸（13C-C16OH）高于正常，13C-乙酰肉堿的濃度則顯著低于正常。亞裔群體存在點突變病例，錯位位點有 c.739C＞T，c.520C＞T 及 c.1331G＞A［3-4］。 β-氧化代謝障礙所造成的疾患不僅與細胞能量缺失有關，實驗還觀察到，長鏈3-羥脂肪酸的蓄積會降低線粒體膜電位，減弱線粒體的鈣儲存能力，促進線粒體腫脹，增加線粒體膜通透性轉換孔的開放，進而造成細胞死亡［5］。

1.2 酶活性的調(diào)節(jié) 圖1列出了參與HADHB調(diào)控的主要分子。采用免疫共沉淀及免疫熒光共定位等技術發(fā)現(xiàn)，雌激素受體-α與-β均可與HADHB相互作用，上調(diào)硫解酶活性，增加脂肪酸的β-氧化［6］。雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）不僅是細胞生長與增殖的重要因子，也參與脂肪酸氧化的調(diào)節(jié)。在其配體raptor敲除小鼠可見，心肌由脂肪酸代謝轉向糖代謝，提供ATP；更為重要的是，誘導性敲除4周后心功能出現(xiàn)障礙。機制研究表明，HADHB等脂肪酸氧化及轉運相關酶的表達明顯減少；過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助因子-1α與-1β是線粒體氧化與能量生成的關鍵分子，實驗表明，上述改變與這一分子無關［7］。

MicroRNA與HADHB的關系也有報道。實驗發(fā)現(xiàn)，膽固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白（sterol-regulatory element binding proteins，SREBP）的內(nèi)含子可轉錄miR-33a／b，miR-33a／b 直接抑制 HADHB 的表達［8］。 進一步研究表明，miR-33結合于3-UTR區(qū)，抑制基因表達［9］。 硫氧還蛋白結合蛋白（thioredoxin-interacting protein，TXNIP）可抑制該酶活性，其機制與miR-33也有關聯(lián)。實驗發(fā)現(xiàn)，敲除TXNIP可增加核因子Y（nuclear factor Y）與SREBP啟動子的結合，減少miR-33a的轉錄，進而解除miR-33a對HADHB表達的抑制作用，上調(diào)HADHB的酶活性［10］。

MOXI（micropeptide regulator of β-oxidation）是一肌肉內(nèi)富集的小分子多肽，由核基因編碼，56個氨基酸組成。該分子定位于線粒體內(nèi)膜，并與線粒體MTP相結合。基因敲除后可見，心肌線粒體以棕櫚酸為底物的3態(tài)呼吸能力減弱，但以丙酮酸為底物的呼吸水平并未改變；離體灌注心臟表明，與野生型小鼠相比，組織利用脂肪酸能力減弱，利用碳水化合物的能力增加，而且小鼠運動后心肌儲備能力明顯減弱；補救實驗可恢復脂肪酸的有氧氧化［11］。這些結果表明，MOXI是調(diào)節(jié)脂肪酸β-氧化的又一重要分子，其對HADHB的作用值得深入研究。

2 過氧化物酶體3-KAT

在過氧化物酶體，3-KAT并不與3-羥脂酰輔酶A加水酶及脫氫酶組成MTP，而是單獨存在。按功能可將硫解酶分為兩類，3-KAT負責降解長直鏈脂肪酸；另一類稱為固醇載體蛋白-2（sterol carrier protein 2，SCP-2），其作用底物為支鏈脂肪酸。前者在嚙齒類動物由A和B基因編碼，分別命名為ThA與ThB?；蛐蛄兄芯己?2個外顯子和11個插入基因，編碼424個氨基酸。ThA主要表達于肝臟和小腸。ThB可見于肝臟，在腎，腸及白色脂肪組織中表達水平較弱。在人類，相應的基因目前僅找到一個，也被稱為乙酰輔酶A?；D移酶。SCP-2在人類和嚙齒類動物均存在，因為基因序列中存在兩個編碼起始位點以及翻譯后修飾，其產(chǎn)物有58 kDa、45 kDa及13 kDa三種形式，實驗發(fā)現(xiàn)，前兩者具有硫解酶活性。

目前對過氧化物酶體3-KAT的功能認識還知之甚少。Mandard課題組采用同源重組技術僅破壞酶的催化結構域，此功能缺陷小鼠未出現(xiàn)明顯的表型異常。PPARα是促線粒體與過氧化物酶體氧化的關鍵分子，上調(diào)多種基因表達。給予ThB-／-小鼠PPARα激動劑Wy后，小鼠肝臟膽固醇濃度回升，涉及膽固醇合成的相關酶的表達明顯增加，且這一作用不依賴于膽固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白［12］。該結果提示，3-KAT除了降解脂肪酸外，還參與膽固醇的生成，其分子機制有待闡明（圖 1）。此外，Wy還提升了肝臟n-7、n-9單不飽和脂肪酸水平，表明3-KAT影響脂肪酸的組成（圖1）。

圖1 3-酮脂酰酶輔酶A硫解酶的作用與調(diào)節(jié)機制模式圖

3 3-KAT的藥物靶向治療

生理條件下，脂肪酸為心肌主要供能物質(zhì)，提供的ATP約占總量的2／3。雖然在相同碳原子數(shù)量的情況下，脂肪酸產(chǎn)生ATP的數(shù)量高于葡萄糖；然而，脂肪酸的有氧氧化效率較低于葡萄糖，ATP／O的數(shù)值分別為2～2.5和3.17。 在心力衰竭患者，冠脈供氧不能滿足心肌代謝需求，此時抑制長鏈3-KAT的活性，可以優(yōu)化能量代謝，降低脂肪酸氧化，刺激葡萄糖氧化，將更有益于維持心肌功能［13］。曲美他嗪（trimetazidine，TMZ）是一種哌嗪類衍生物，具有良好的抗心衰作用。盡管其作用機制仍有爭議，但學者Lopaschuk早在2003年即檢測到，該藥顯著降低3-KAT對底物分子3-酮基-十六?；o酶A（3-KHCoA）的水解，說明曲美他嗪的抗心衰作用與其減弱脂肪酸代謝（圖1），加強糖代謝密切相關。另有學者推測為，TMZ或許減弱骨骼肌脂肪酸氧化，進而增加胰島素抵抗。然而實驗結果恰巧相反，TMZ不但未增加，反而降低骨骼肌胞內(nèi)游離脂肪酸濃度，提示整體情況下骨骼肌可能存在代償作用，加速脂肪酸有氧氧化［14］。這使多數(shù)學者仍認為TMZ是一安全有效的改善心肌能量代謝的藥物。

脂代謝障礙是動脈粥樣硬化的病變基礎，以miR-33為靶向的分子干預是一潛在的治療新策略。細胞學研究發(fā)現(xiàn)，沉默miR-33將解除對HADHB等與脂肪酸氧化相關酶的抑制，同時增加胰島素信號通路［9］。在低密度脂蛋白敲除小鼠觀察到，沉默miR-33縮小粥樣斑塊，增加細胞內(nèi)膽固醇外排［15］；后續(xù)在高脂飲食小鼠檢測到，沉默miR-33將上調(diào)Hadhb的表達，改善線粒體功能，加速脂肪酸氧化［16］。這些結果提示，上調(diào)Hadhb或為沉默miR-33抗動脈粥樣硬化的重要下游事件之一。同時，上調(diào)miR-33，抑制Hadhb，進而減弱脂肪酸氧化可否成為慢性缺血心肌保護策略有待研究。

小結：3-KAT是脂肪酸β-氧化的關鍵分子，實驗發(fā)現(xiàn)，多種因子參與對其活性的調(diào)節(jié)，提示機體可通過不同的方式調(diào)節(jié)脂肪酸氧化以適應代謝需要，然而其作用機制尚不清楚。此外，人類過氧化物酶體中該酶的作用尚不清楚。因此，深入闡明3-KAT的功能，相應的信號通路及作用機制對臨床相關疾病的防治有著重要的意義。