协变质谱技术揭示LRRC58调控半胱氨酸分解代谢与胆固醇稳态的新机制

本研究开发了基于遗传多样性的协变质谱(MPCA)方法，系统解析了活体组织中285种代谢物与11,868种蛋白质的功能关系，新发现3,542个未知关联。研究人员聚焦半胱氨酸代谢调控机制，发现LRRC58作为E3泛素连接酶适配蛋白，介导CDO1蛋白降解进而调控半胱氨酸向牛磺酸转化过程。该研究揭示了LRRC58通过感应半胱氨酸浓度调控胆固醇代谢的新通路，为代谢性疾病治疗提供了新靶点。

在生命科学领域，蛋白质与代谢物之间的调控关系是维持机体代谢平衡的核心环节，然而目前对该领域的认知仍不完善。传统研究方法受限于重组蛋白和纯化代谢物的可获得性，且难以捕捉非直接物理相互作用的调控方式，导致许多重要的代谢调控机制尚未被揭示。特别是在半胱氨酸代谢领域，虽然已知其通过CDO1酶催化转化为牛磺酸的代谢通路对胆固醇稳态具有重要调节作用，但该过程的转录后调控机制一直是个未解之谜。

为解决这一难题，研究人员在《Nature》发表了创新性研究成果。他们首先建立了基于遗传多样性小鼠模型(DO小鼠)的协变质谱(MPCA)技术平台，通过对163只基因多样化的雌性DO小鼠的棕色脂肪组织(BAT)和肝脏进行深度蛋白质组学和代谢组学分析，获得了超过340万个分子测量数据。利用机器学习中的LASSO回归分析，研究人员从11,868个蛋白质中筛选出能预测285种代谢物丰度的关键蛋白，新发现了3,542个未被报道过的代谢物-蛋白质功能关系。

研究团队重点关注了半胱氨酸分解代谢通路，发现LRRC58是 hypotaurine（亚牛磺酸）丰度的最强负向预测因子。进一步的机制研究表明，LRRC58作为Cullin5-RING E3泛素连接酶(CRL5)的底物适配器，直接与CDO1结合并介导其泛素化降解。更重要的是，该调控过程受到半胱氨酸浓度的动态调节：当细胞内半胱氨酸水平较低时，LRRC58介导的CDO1降解增强，限制半胱氨酸向牛磺酸的转化；而当半胱氨酸充足时，CDO1稳定性增加，促进牛磺酸生成。

在功能层面，研究人员通过肝细胞实验和小鼠体内实验证实，LRRC58敲低可显著提高CDO1蛋白水平，促进半胱氨酸向牛磺酸转化，并降低肝脏胆固醇含量。这是由于牛磺酸作为胆汁酸结合物，能促进胆固醇从肝脏排泄。研究还发现LRRC58与CDO1在进化上高度保守，进一步支持了这一调控通路的重要生物学意义。

本研究采用的关键技术方法包括：基于遗传多样性小鼠模型的协变质谱(MPCA)技术、机器学习LASSO回归分析、蛋白质-蛋白质相互作用验证（免疫共沉淀和AlphaFold结构预测）、体外泛素化实验、稳定同位素示踪技术以及腺相关病毒(AAV)介导的肝脏特异性基因敲低等。

Building MPCA in living mouse tissues

研究人员利用遗传多样性小鼠(DO)队列建立了MPCA技术平台，通过对163只雌性DO小鼠的BAT和肝脏组织进行深度蛋白质组和代谢组分析，共获得482,043个 statistically significant的关联对。

Metabolite-protein relationships in MPCA

MPCA成功重现了27%的Rhea数据库已知酶-底物关系和26%的TCDB转运体-代谢物关系，验证了该方法的可靠性。

Systematic discovery using MPCA

通过LASSO回归分析，研究人员筛选出对代谢物丰度具有预测能力的蛋白质，其中771个关联达到全局错误发现率(FDR)<0.05的显著性水平。

LRRC58 control of hypotaurine

MPCA分析将LRRC58鉴定为hypotaurine丰度的最强负向预测因子，而CDO1是其最强正向预测因子。

LRRC58 antagonizes cysteine catabolism

实验证实LRRC58敲低使原代肝细胞中hypotaurine和taurine水平分别增加5倍和75%，而过表达则降低这两种代谢物水平。同位素示踪显示LRRC58敲低促进了从半胱氨酸向牛磺酸的代谢流。

LRRC58 is a substrate adaptor for an E3 ligase

蛋白质组学分析发现LRRC58敲低使CDO1蛋白水平上升8倍。生化实验证明LRRC58与CDO1、CUL5、ELOB和ELOC形成E3泛素连接酶复合物，直接介导CDO1的泛素化降解。

LRRC58 complex responds to cysteine

研究发现半胱氨酸浓度动态调节CDO1的稳定性，这种调控依赖于LRRC58。定点突变实验证实CDO1的His147位点是响应半胱氨酸浓度变化的关键位点。

LRRC58 regulates hepatic cholesterol

小鼠肝脏中LRRC58敲低使CDO1蛋白水平增加18倍，肝脏总胆固醇降低24.7%，同时促进13C¹⁵N-半胱氨酸向牛磺酸的转化。胆囊中游离胆固醇含量增加19.5%，表明胆固醇排泄增强。

研究结论表明，MPCA技术为系统解析蛋白质-代谢物功能关系提供了强大工具。LRRC58作为半胱氨酸感受器，通过调控CDO1稳定性来平衡半胱氨酸在不同代谢通路间的分配，这一发现不仅深化了对半胱氨酸代谢调控的理解，也为治疗胆固醇代谢异常相关疾病提供了新的潜在靶点。该机制在进化上的保守性进一步提示其在生物学中的 fundamental重要性。

这项研究的创新之处在于将遗传多样性模型与多组学技术相结合，系统性地揭示了蛋白质与代谢物之间的功能关系，并发现了一个全新的代谢调控通路。这些发现对理解代谢性疾病的发生机制和开发新的治疗策略具有重要意义。