北京协和医院张抒扬课题组通过冷冻电镜解析异戊酰辅酶A脱氢酶及复合物结构，为遗传性异戊酸血症提供治疗策略

研究背景

异戊酰辅酶A脱氢酶(IVD)是亮氨酸分解代谢中的关键酶，负责催化异戊酰辅酶A转化为3-甲基巴豆酰辅酶A。当其功能缺陷时，毒性代谢物异戊酸、3-羟基异戊酸、异戊酰甘氨酸和异戊酰肉碱等体内堆积可引发异戊酸血症(IVA)，患儿常出现呕吐、代谢性酸中毒甚至脑损伤。IVA是一种常染色体隐性遗传病，尽管已知IVD基因突变是致病主因，但因其结构动态性高、底物结合机制复杂，科学家长期难以解析其精确工作机制。

研究进展

张抒扬课题组通过优化蛋白纯化策略，利用冷冻电镜技术成功获得IVD酶在apo状态（无底物结合）及与底物异戊酰辅酶A、丁酰辅酶A结合状态下的高分辨率结构（最高分辨率达2.55Å）。研究发现，人类IVD以四聚体形式存在，每个单体包含两个α-螺旋域和一个β-折叠域，形成独特的“U型”底物通道。位于底物口袋底部的谷氨酸残基（E286）作为催化核心，直接参与α-氢的提取，而辅因子FAD不仅传递电子，还通过氢键网络（如T200、R312、E411等残基）稳定四聚体结构。

通过同源分析和结构比对，研究进一步揭示了IVD底物选择性的机制。IVD作为ACAD大家族众多酰基辅酶A脱氢酶的一员，其在底物特异性上通过两点与其他成员区分开来：一是偏好更短的碳链长度（C4-C6），二是对支链底物具有选择性。通过将IVD与ACADM（催化直链C6-C12酰基辅酶A的家族成员）的活性口袋进行结构对比，团队发现二者底物特异性的关键差异。在IVD口袋深处，L127和L290的侧链间距较窄（对应ACADM的T121和V284），形成空间限制，导致碳链长度超过C7的底物因“瓶颈效应”无法延伸，从而解释了IVD对短链底物的偏好。另一方面，ACADM口袋侧壁的Y400和E401通过大侧链占据空间，严格限制底物的侧向自由度；而IVD对应的G406和A407由于位阻较小，为支链底物提供了更大的容纳空间。

团队通过构建A314V、E411K等IVA相关突变体，结合酶活性和热稳定性实验发现，这些突变通过破坏FAD结合或扭曲底物口袋构象，导致酶活性丧失高达80%以上。例如，E411K突变将带负电的谷氨酸替换为带正电的赖氨酸，直接干扰FAD的腺苷部分结合，进而影响四聚体稳定性。这些发现从原子层面解释了突变致病机理，为临床表型差异提供了结构基础。

未来展望

从实验室到临床，这项研究的价值正逐步显现。基于解析的结构，研究者可针对FAD结合区或底物口袋设计小分子化合物，用于稳定突变体IVD的构象，部分恢复其功能。此外，研究建立的“突变-结构-功能”对应关系，可提升IVA的基因诊断准确性，帮助预测患者预后。例如，携带A300V等轻度突变的患者可能通过饮食管理控制病情，而E411K等重症突变则需早期干预。本研究不仅加深了我们对IVD酶结构与功能关系的理解，也为针对IVA这种罕见代谢紊乱疾病的潜在治疗策略提供了依据。

来源：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0661