Nature | 酶补救代谢物障碍致罕见骨骼发育不良

摘要：Catel-Manzke综合征是一种罕见的骨骼发育不良，临床表现多样，包括身材矮小、心脏缺陷、小或后缩下颌、腭裂以及手指畸形【1】。其致病基因为TGDS，因其与细菌dTDP-D-葡萄糖4,6-脱水酶（dTDP-D-glucose 4,6-dehydratase

撰文 | 染色体

Catel-Manzke综合征是一种罕见的骨骼发育不良，临床表现多样，包括身材矮小、心脏缺陷、小或后缩下颌、腭裂以及手指畸形【1】。其致病基因为TGDS，因其与细菌dTDP-D-葡萄糖4,6-脱水酶（dTDP-D-glucose 4,6-dehydratase）同源而得名【2】，但TGDS在哺乳动物中的具体功能长期未被明确。

近日，来自比利时布鲁塞尔鲁汶大学德杜夫研究所的Guido T. Bommer与德国柏林夏里特大学医学院的Nadja Ehmke共同在Nature期刊发表题为A missing enzyme-rescue metabolite as cause of a rare skeletal dysplasia（酶补救代谢物障碍致罕见骨骼发育不良）的文章。研究发现，TGDS能够生成一种“酶补救代谢物”，在NAD⁺匮乏的环境下维持UXS1活性，从而保障关键糖链的合成及骨骼发育。TGDS缺陷导致该代谢物不足，进而引发Catel-Manzke综合征，并提示类似机制缺陷可能与其他代谢疾病相关。

已有证据显示，TGDS缺陷可能干扰糖胺聚糖（GAGs）的合成，且Catel-Manzke综合征的表型与多种单基因GAG代谢疾病高度重叠【3】。此外，TGDS与UDP-木糖合酶（UXS1）具有25%的氨基酸同源性，而UXS1可以生成UDP-木糖，这在GAG合成初期及蛋白糖基化过程中至关重要【4】。

TGDS通过代谢物保护UXS1活性以维持GAG合成

为探讨TGDS缺陷与GAG合成的关系，研究人员在多种细胞系中敲除TGDS，并分析核苷酸糖水平。结果显示，大多数核苷酸糖未受影响，但在TGDS-KO的293T和HAP1细胞中，UDP-xylose水平下降约10倍，同时UDP-glucuronate显著升高；而在HCT116和U2OS细胞中变化不明显。恢复TGDS表达可逆转上述变化，表明TGDS缺失导致细胞类型特异性的UXS1功能缺失。进一步研究发现，UXS1在催化UDP-xylose合成时可能因失去反应中间体UDP-4-ketoxylose或辅因子NAD⁺而失活。实验结果表明，UDP-4-keto-6-deoxyglucose可作为“酶补救代谢物”重新激活UXS1，恢复UDP-xylose生成并降低UDP-glucuronate水平。此外，细胞内H6PD活性高会降低内质网和高尔基体中的NAD⁺水平，使某些细胞（如HAP1和293T）更依赖TGDS维持UXS1功能；降低H6PD活性可部分缓解这种依赖。研究进一步表明，人源TGDS可催化UDP-glucose生成UDP-4-keto-6-deoxyglucose，这是首次确认的TGDS酶活性。该代谢物在野生型细胞中浓度较低，但在TGDS-KO细胞中消失，并与UDP-6-deoxyhexose水平高度相关。恢复TGDS表达可恢复UDP-xylose并降低UDP-glucuronate，证明UDP-4-keto-6-deoxyglucose可重新激活UXS1。在Catel-Manzke综合征患者的纤维母细胞中，UDP-6-deoxyhexose水平普遍降低，提示TGDS变异导致UDP-4-keto-6-deoxyglucose缺失。功能分析显示，多数TGDS变异蛋白在饱和底物条件下活性显著下降，而蛋白水平下降不足以解释功能缺失。所以，TGDS通过生成UDP-4-keto-6-deoxyglucose，在细胞类型特异环境中维持UXS1活性，从而支持GAG合成。

TGDS缺失导致UDP-4-keto糖缺乏

随后，研究人员构建了两种Tgds突变小鼠，其中完全敲除Tgds早期胚胎致死，TgdsA100S/−（KI/KO）杂合小鼠表现为颅骨、下颌、鼻骨及长骨轻度缩短，部分再现Catel-Manzke综合征的骨骼表型。组织代谢物分析显示，脑、肝、肾中UDP-4-keto-6-deoxyglucose水平下降超过80%，UDP-6-deoxyhexose亦降低，同时UDP-xylose减少、UDP-glucuronate升高，提示UXS1功能受限。在细胞模型中，TGDS缺失导致HAP1和293T细胞UDP-xylose下降，进一步影响GAGs合成及α-肌萎缩糖蛋白（matriglycan）糖基化。恢复TGDS或过表达细菌ArnA可部分恢复UDP-4-keto糖生成，进而恢复GAG及α-肌营养不良蛋白聚糖的糖基化功能。UXS1过表达同样可补救表型，说明UDP-4-keto糖通过重新激活失活的UXS1维持糖链合成。由此可见，TGDS缺失导致UDP-4-keto糖产量下降，特异性抑制UXS1活性，影响GAGs合成和蛋白糖基化，其功能可通过外源UDP-4-keto糖或UXS1补充得以恢复。

综上所述，该研究揭示了TGDS、UXS1及H6PD与Catel-Manzke综合征之间的分子联系。明确TGDS的酶学功能，不仅有助于理解其变异的功能意义，还为分子诊断和遗传咨询提供了重要依据。