张抒扬课题组揭示甲基丙二酸半醛脱氢酶ALDH6A1的结构及生化基础
甲基丙二酸半醛脱氢酶（methylmalonate semialdehyde dehydrogenase, ALDH6A1）是ALDH家族其中一名成员，位于线粒体中，在缬氨酸和胸腺嘧啶的分解代谢途径中起着至关重要的作用。早期研究表明，ALDH6A1表达失调与多种疾病有关。甲基丙二酸半醛脱氢酶缺乏症是一种常染色体隐性遗传病，由ALDH6A1基因突变引起 [1]。此外，ALDH6A1已成为几种严重癌症的生物标志物 [2]。针对ALDH6A1结构和生化基础进行的研究，可以帮助人们更进一步了解ALDH6A1以及ALDH家族，为受相关疾病影响的个体提供了潜在的治疗价值，因此进行相关的研究工作十分重要。
2024年2月1日，生命中心PI张抒扬课题组在MedicinePlus上发表题为Structural and biochemical basis of methylmalonate semialdehyde dehydrogenase ALDH6A1的研究文章。
甲基丙二酸半醛在NAD+和CoA的参与下通过氧化脱羧转化为丙酰CoA。研究团队解析了甲基丙二酸半醛脱氢酶ALDH6A1的冷冻电镜结构，该结构以四聚体的形式存在，呈“风扇”状，每个“扇叶”形状的单体由NAD+结合结构域、一个催化结构域和一个寡聚化结构域三部分组成（图1）。这符合经典的ALDH折叠形式 [3]。
随后，研究团队通过酶活力鉴定实验发现，ALDH2的激动剂Alda-1对于ALDH6A1也有显著的激动效果，而且将ALDH6A1与ALDH2-Alda-1复合物的结构对齐发现在Alda-1的识别口袋这两个ALDH成员有一部分氨基酸残基在构象或序列上具有保守性。（图2）
为了进一步探究NAD+在ALDH6A1发挥功能时是如何发挥作用的。研究团队通过分子对接的方法得到了ALDH6A1-NAD+的复合物模型，从结构上详细阐释了ALDH6A1与NAD+的互作机制。（图3）该项工作为研究ALDH6A1在体内生化代谢通路发挥功能的分子机制提供了基础，也为其相关疾病治疗的后续研究提供新的见解。
图1 ALDH6A1参与的生化代谢反应和apo形式的结构
图2 ALDH2以及ALDH2-Alda-1复合物与ALDH6A1的对齐结构和ALDH6A1和Alda-1的酶活力鉴定实验
图3 ALDH6A1与NAD+的分子对接复合物模型以及具体识别细节
医学院2021级基础医学系直博生苏庚辰（北京协和医院联合培养），医学院2023级直博生琚凯德为共同第一作者，北京协和医院药物研发与评价平台与罕见病医学科栾晓东博士（2018级已毕业CLS项目博士）、生命中心PI张抒扬、以及北京协和医院肾内科陈丽萌教授为共同通讯作者。清华大学蛋白质研究技术中心蛋白质制备与鉴定平台、蛋白质化学与组学平台为本研究提供了设备和技术支持。本研究得到了医科院创新工程、中央高水平医院临床科研专项、十四五国家重点研发计划等项目和单位的经费支持。
参考文献：
[1] Marcadier JL, Smith AM, Pohl D, et al. Mutations in ALDH6A1 encoding methylmalonate semialdehyde dehydrogenase are associated with dysmyelination and transient methylmalonic aciduria. Orphanet J Rare Dis. Jul 2013;898.
[2] Li X, Wang N, Wu Y, et al. ALDH6A1 weakens the progression of colon cancer via modulating the RAS/RAF/MEK/ERK pathway in cancer cell lines. Gene. 2022;842:146757.
[3] Koppaka V, Thompson DC, Chen Y, et al. Aldehyde dehydrogenase inhibitors: A comprehensive review of the pharmacology, mechanism of action, substrate specificity, and clinical application. Pharmacol Rev. 2012;64(3):520–539.
