Nature Metabolism：复旦大学赵世民/徐薇/赵健元合作揭示SIRT4调控细胞氨脱毒机制

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通过谷氨酸脱氢酶产生氨被SIRT4抑制，SIRT4是一种具有酰胺酶和非酰胺酶活性的sirtuin。氨基酸对氨去除的调节过程尚不清楚。

2023年4月20日，复旦大学赵世民、徐薇及赵健元共同通讯在Nature Metabolism在线发表题为“Amino acids downregulate SIRT4 to detoxify ammonia through the urea cycler”的研究论文，该研究揭示了SIRT4调控细胞氨脱毒机制。该研究报道SIRT4作为一种脱氨基酶，对氨基酸充足作出反应并调节氨的去除。氨基酸促进鸟胺酸氨甲酰基转移酶(OTC)的赖氨酸307氨甲酰化修饰(OTCCP-K307)，激活OTC和尿素循环。

蛋白质组学和相互作用组筛选鉴定OTC是SIRT4的底物。氨基酸不足激活的GCN2-eIF2α-ATF4轴上调了SIRT4的表达。在培养细胞中敲除SIRT4导致OTCCP-K307水平升高，OTC被激活，尿素循环中间体和通过氨基酸分解代谢产生的尿素增加。Sirt4消融降低雄性小鼠血氨水平，改善CCl4诱导的肝性脑病表型。总之，该研究发现SIRT4在氨基酸分解代谢过程中保护细胞氨毒性。

除葡萄糖和脂肪酸外，细胞能量的三大来源之一—氨基酸的分解会产生有毒的氨。细胞通过将氨基酸的胺基转移到α-酮戊二酸形成谷氨酸，从而防止氨毒性，谷氨酸随后在线粒体的双膜封闭亚细胞区室中释放氨。线粒体氨甲酰磷酸合成酶1 (CPS1)将氨转化为氨甲酰磷酸(CP)， CP通过OTC催化与鸟氨酸反应生成瓜氨酸。瓜氨酸然后引导氨进入尿素循环。氨的低效去除会导致高氨血症以及中枢神经元系统毒性，从而导致肝性脑病(HE)等疾病。已知的尿素循环调节过程表明，CPS1受代谢产物的调节和修饰，OTC和精氨酸琥珀酸裂解酶(ASL)的活性受乙酰化调节；然而，氨基酸充足和/或氨基酸分解代谢和氨去除之间的联系在很大程度上仍然不清楚。

高氨水平导致CP的产生增加，CP会自发地经历蛋白质赖氨酸氨甲酰化修饰(CP-K)，这是一种翻译后修饰，也可以通过异氰酸酯或硫氰酸酯的分解代谢物与蛋白质中赖氨酸的ε-氨基的非酶结合发生。CP-K的一个广泛认可的作用是激活Rubisco，一种在植物和其他生物中固定碳的蛋白质。在人类中，CP-K在生理和病理学上很重要，因为在患有肾脏疾病，炎症的患者的血浆和组织中发现了高水平的氨基甲酰化蛋白或高龄；然而，尚未鉴定出去除CP-K的酶。由于在sirtuins中不断检测到新的酰胺酶活性，因此不能排除酰胺键CP-K受到动态调节的可能性。

SIRT4是线粒体中一种缺乏去乙酰化酶活性的sirtuin，具有谷氨酸脱氢酶(GDH)的ADP核糖基转移酶活性，丙酮酸脱氢酶复合物的脂酰胺酶活性，并且可以逆转由赖氨酸代谢产生的活性酰基辅酶A引起的赖氨酸修饰。在小鼠中，Sirt4缺失会导致胰岛素分泌失调，加速年龄诱导的胰岛素抵抗。SIRT4通过协调脂质分解代谢和合成之间的平衡来调节脂质稳态。此外，mTORC1通过抑制SIRT4的转录来刺激谷氨酰胺代谢。据报道，sirt4基因敲除的果蝇表现出寿命短、生育能力和活动能力下降。SIRT4的缺失也会导致小鼠的肿瘤形成。这些观察结果表明SIRT4在调节细胞代谢中起作用。

氨基酸调控的SIRT4协调氨解毒和尿素循环示意图（图源自Nature Metabolism ）

该研究表明，SIRT4调节氨的产生和清除，是氨稳态的协调者。当氨基酸稀缺时，通过GCN4介导的机制诱导高SIRT2同时产生ADP-核糖磺酸并灭活GDH，GDH是线粒体中的主要氨发生者并消除OTCCP-K307灭活OTC和尿素循环。当氨基酸丰富且氨基酸分解代谢被激活时，诱导低SIRT4，从而激活GDH和氨的产生，而多余的氨则通过尿素循环被活化的OTC去除。这种机制确保了氨基酸的细胞氮供应，避免了氨的毒性。

本工作由复旦大学赵世民（复旦大学附属红房子妇产科医院）、徐薇（复旦大学生物医学研究院）、赵健元团队完成，清华大学李海涛团队提供了关键的技术帮助。复旦大学附属红房子妇产科医院/遗传工程国家重点实验室/代谢与整合生物学研究院/生物医学研究院博士生胡颂华（已毕业）、冯雨阳为论文共同第一作者。

原始出处：

Hu， SH.， Feng， YY.， Yang， YX. et al. Amino acids downregulate SIRT4 to detoxify ammonia through the urea cycle. Nat Metab (2023). https：//doi.org/10.1038/s42255-023-00784-0.