摘要：线粒体作为细胞能量代谢和生理功能调控的核心，其功能障碍与多种疾病的发生发展密切相关。线粒体衍生囊泡（MDVs）作为一种新型的线粒体质量控制途径，通过运输受损线粒体成分到溶酶体降解或释放到细胞外来维持线粒体稳态和健康。

线粒体作为细胞能量代谢和生理功能调控的核心，其功能障碍与多种疾病的发生发展密切相关。线粒体衍生囊泡（MDVs）作为一种新型的线粒体质量控制途径，通过运输受损线粒体成分到溶酶体降解或释放到细胞外来维持线粒体稳态和健康。

近年来，代谢物与线粒体功能之间的相互作用逐渐成为研究热点。代谢物不仅作为能量底物，还可通过翻译后修饰（PTMs）直接调控线粒体质量控制（MQC）相关蛋白的功能。其中，β-羟基丁酸（BHB）作为酮体的主要成分之一，除了作为能量来源外，还被发现具有通过赖氨酸β-羟基丁酰化（Kbhb）修饰改善线粒体质量等多种生物学功能，但其是否以及如何调节MDVs的形成尚不清楚。

2025年3月20日，四川大学贾大教授团队在国际权威期刊Molecular Cell（IF=14.5）上发表了题为“β-hydroxybutyrate facilitates mitochondrial-derived vesicle biogenesis and improves mitochondrial functions”的研究论文。研究阐明了BHB通过β-羟基丁酰化（Kbhb）修饰促进线粒体衍生囊泡（MDVs）的生成来改善线粒体功能。为“代谢-表观遗传-细胞器功能”的交叉研究提供了经典范式。

本研究基于β-羟基丁酰化修饰组学分析，首次揭示了代谢物可以通过直接诱导参与MDVs形成的关键蛋白质发生翻译后修饰来影响MDVs的生成，即BHB通过促进分选连接蛋白9（SNX9）的Kbhb修饰，增强线粒体内膜（IMM）/基质MDVs的形成，从而改善线粒体功能，为理解代谢物如何调节线粒体质量提供了新的见解。景杰生物为该研究提供了β-羟基丁酰化修饰组学技术支持及β-羟基丁酰化、乙酰化抗体。

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BHB缓解应激诱导的线粒体损伤

为了确认BHB是否直接调节肝细胞中的线粒体功能，研究团队通过一系列细胞实验发现，BHB能显著恢复CCCP（线粒体解偶联剂）诱导的HCC-LM3肝细胞中线粒体膜电位下降，并降低ROS水平，增加ATP产生，提高氧消耗率。小鼠酒精性肝损伤模型中，BHB处理增加肝脏ATP水平，恢复线粒体膜电位，并减少氧化应激。上述结果表明BHB可以抵抗肝脏线粒体损伤。

鉴于BHB可通过β-羟基丁酰化修饰发挥作用，研究通过进一步实验表明，BHB通过p300介导的Kbhb修饰发挥保护作用，抑制p300活性（C646处理）或敲低p300均削弱BHB效应。以上实验表明，BHB可能通过增强Kbhb修饰水平，抵抗培养细胞和小鼠肝脏中应激诱导的线粒体损伤。

02

β-羟基丁酰化修饰组学揭示Kbhb的线粒体功能调控网络

为了确定Kbhb影响线粒体功能的具体机制，研究团队利用CCCP和BHB先后处理的HCC-LM3细胞系进行了β-羟基丁酰化修饰组学检测，在3142种蛋白质中共鉴定出7737个Kbhb修饰位点。研究团队比对了148个MQC蛋白，发现其中约三分之一的蛋白可发生Kbhb修饰。这表明BHB可能通过Kbhb调节MQC蛋白来增强线粒体功能（图1）。

研究团队对组学结果进行了深入分析，发现可能受Kbhb影响的与MQC相关的通路中，MDV通路的形成尤为突出。在MDV形成或分裂中发挥作用的SNX9、OPA1和DNM1L，以及起到调节MDV与溶酶体融合作用的CENPF、VAMP7和SNAP29等均可发生Kbhb修饰。

图1 β-羟基丁酰化修饰组学揭示Kbhb在调节线粒体功能中的潜在作用

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SNX9的Kbhb修饰促进线粒体功能

考虑到SNX9可调节MDV的形成，且在内吞作用中发挥作用，研究团队重点关注了SNX9蛋白，进行了一系列后续实验。

研究首先通过景杰生物提供的β-羟基丁酰化和乙酰化修饰抗体进行免疫沉淀实验，证实了BHB特异性促进HCC-LM3细胞中SNX9的Kbhb修饰。而后的质谱鉴定结果显示，SNX9的K202、K207和K267为关键Kbhb修饰位点。

进一步的，研究发现在SNX9敲除细胞中，线粒体膜电位降低，ROS水平升高，BHB的保护作用减弱。重新表达野生型SNX9或模拟Kbhb的3KQ突变体可恢复线粒体功能，而表达不能发生Kbhb的3KR突变体则不能。表明SNX9的Kbhb修饰对维持线粒体稳态和发挥BHB的保护作用至关重要。

图2 SNX9 Kbhb修饰位点鉴定

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SNX9 Kbhb减轻小鼠酒精性肝损伤

为确定SNX9 Kbhb是否也发挥调节体内线粒体功能的作用，研究团队构建了Snx9 KO小鼠并回补SNX9 WT、3KR和3KQ。实验结果显示，回补SNX9-WT可恢复BHB的肝脏保护作用，降低血清ALT/AST水平，改善肝脂肪变性，而SNX9-3KR则无效。说明SNX9的Kbhb可改善线粒体功能并保护小鼠免受酒精引起的肝损伤。

图3 SNX9 Kbhb保护小鼠免受酒精引起的肝损伤

05

SNX9 Kbhb驱动IMM/基质MDV的形成

为解析Kbhb调控SNX9的具体机制，研究团队通过IP-MS比较了SNX9-WT与3KQ的相互作用蛋白，发现3KQ与215个蛋白的互作增强，包括线粒体内膜蛋白OPA1（调控线粒体融合/MDV生成）和STOML2（心磷脂合成关键因子）。

进一步研究发现，SNX9-3KQ通过增强与OPA1和STOML2的相互作用，促进线粒体内膜/基质MDVs的生成，而SNX9敲除则完全阻断BHB的保护作用。同时SNX9敲除细胞中BHB促MDV生成作用被阻断，线粒体功能受损。过表达3KQ突变体可恢复线粒体膜电位及ATP生成，降低ROS水平（图4）。上述结果表明，SNX9 Kbhb通过增强与IMM/基质蛋白（如OPA1和STOML2）的相互作用促进IMM/基质MDV的形成。

图4 SNX9 Kbhb驱动IMM/基质MDV的形成

综上所述，该研究通过β-羟基丁酰化修饰组学，阐明了SNX9的Kbhb修饰通过增强其与IMM蛋白的互作，特异性驱动线粒体内膜/基质MDV的生物发生，从而清除受损组分并维持线粒体代谢稳态。这一机制为BHB的肝保护作用提供了分子基础，并提示靶向SNX9 Kbhb可能成为代谢性肝病的新型干预策略。

图5 本研究机制图

景杰评述

本研究以β-羟基丁酸（BHB）这一代谢分子及其关联的翻译后修饰Kbhb作为切入点，通过β-羟基丁酰化修饰组学技术，系统性揭示了BHB调控线粒体衍生小泡（MDV）生物发生的分子机制。研究团队通过"代谢-修饰-功能"三位一体的研究策略，在拓展BHB生物学功能认知的同时，为代谢干预线粒体疾病提供了双维度（机制/转化）理论支撑。

值得注意的是，该团队延续既往通过Kbhb修饰解析生酮饮食调控肝脏代谢的研究范式（点击链接详细阅读：Nat Metab | 薛宇/贾大团队揭示生酮饮食通过β-羟基丁酰化修饰调控代谢机制），将研究视野拓展至线粒体质量控制领域。这种以同一修饰类型（Kbhb）贯穿不同生物学过程的研究路径，既彰显了代谢-修饰互作网络的普适性，也验证了该范式在跨领域研究中的可复用价值。

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参考文献：

Tang M, et al. 2025. β-hydroxybutyrate facilitates mitochondrial-derived vesicle biogenesis and improves mitochondrial functions. Mol Cell.

来源：景杰生物