Nature Metabolism丨徐薇/赵世民合作团队揭示氨基酸氧化过程的氨脱毒由SIRT4的去氨甲酰修饰活性介导
氨基酸是一种优质的营养来源。然而，氨基酸氧化过程产生的氨具有很强的神经毒性。血液中氨水平的异常升高会引起高氨血症 (hyperammonemia，又称尿素循环代谢病)，最终造成足以致命的中枢神经系统功能障碍，例如脑水肿和脑疝。肝癌病人由于肝脏氨排毒功能障碍经常导致高血氨症和肝性脑病，直接威胁病人生命。因此，阐明氨基酸氧化过程中的氨脱毒机制具有重要的理论与临床转化价值。
氨基酸的氧化脱氨在具有双层膜包裹的线粒体内进行，以防止氨泄露到细胞质及其它亚细胞器，降低氨对细胞的毒性。肝脏的线粒体中高表达一种叫氨甲酰磷酸合成酶 1 (carbamoyl phosphate synthetase I，CPS1)的催化酶， 将氨基酸氧化脱下的氨迅速转化为毒性较低的氨甲酰磷酸(carbamoyl phosphate， CP)。接下来，CP会通过鸟胺酸氨甲酰基转移酶（Ornithine Transcarbamylase， OTC）进入尿素循环（the Urea Cycle）生成尿素将体内的氨排出体外，完成氨脱毒过程。氨基酸、氨或者CP是否具有调控尿素循环的信号功能，长期未知。
2023年4月20日，复旦大学赵世民/徐薇/赵健元合作团队在Nature Metabolism杂志上发表了题为Amino acids downregulate SIRT4 to detoxify ammonia through the urea cycle的研究成果，揭示了SIRT4调控细胞氨脱毒机制。
受到CP具有很强的反应活性，自发与赖氨酸的末端氨基反应生成赖氨酸氨甲酰修饰（lysine carbamylation, CP-K），而CP-K可以实现对地球生命最重要蛋白质光合作用依赖的羧化酶 （ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase–oxygenase，RuBisCO）依赖于CP-K的激活1的启发，本研究研究了CP-K在哺乳动物中的潜在重要意义。本研究发现，CP不仅仅可以作为OTC的底物，还会直接修饰并激活尿素循环限速酶OTC，促进肝细胞氨排毒。CP修饰OTC催化活性中心附近的307位赖氨酸激活OTC，说明当氨基酸的分解代谢旺盛时，CP会通过变构激活尿素循环的方式来促进氨的清除。进一步研究发现OTC赖氨酸307的氨甲酰修饰可以被定位于线粒体的Sirtuin蛋白SIRT4以NAD+依赖的方式去除，而且SIRT4的表达受到胞内氨基酸水平的负调控。因此，当细胞内氨基酸水平高且氨基酸氧化导致CP升高时，OTC氨甲酰修饰升高激活尿素循环，反之尿素循环被下调（图1）。在四氯化碳诱导的肝性脑病（由高氨血症所引起的一种并发症）小鼠模型中，敲除SIRT4可以降低小鼠的血氨浓度，改善肝性脑病的各项病理指标，提示SIRT4可能会作为肝性脑病的一个新的干预靶点。该研究发现了氨脱毒的调控机制。由于CP也是核苷酸从头合成的原料，参与细胞周期和细胞分裂过程，因此对发育及肿瘤生物学的研究具有价值。
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。复旦大学胡颂华（生物医学研究院2015级博士生，现哈佛医学院博士后）、冯雨阳为论文共同第一作者，该工作得到科技部重大基础研究项目和基金委多个项目的支持。
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