生物体在应对环境变化时，会灵活调整其能量来源——从利用葡萄糖和碳水化合物转向燃烧脂肪（脂肪酸氧化），这一过程被称为燃料切换（fuel switching）。在食物匮乏时，外周代谢器官逐渐转为燃烧脂肪，将葡萄糖留给大脑；在慢性冷适应过程中，棕色脂肪组织也将燃料从葡萄糖切换为脂肪酸以维持体温。然而，这一关键的适应性过程背后的分子机制，长期未被充分理解。

L-肉碱是长链脂肪酸进入线粒体进行β-氧化的必需辅因子。虽然肉碱可以从动物性饮食中获得，但肝脏能够从前体三甲基赖氨酸（TML）合成肉碱——这条从头合成途径对于素食者和草食动物尤为重要，因为绝大多数水果和蔬菜几乎不含肉碱。

2026年1月，美国贝斯以色列女执事医疗中心Shingo Kajimura团队在 Science 杂志发表题为 "Mitochondrial control of fuel switching via carnitine biosynthesis" 的研究。该研究发现：SLC25A45是负责将TML转运进入线粒体的线粒体载体蛋白，是肉碱从头合成的关键限速步骤。SLC25A45缺失导致肉碱池减少、脂肪酸氧化受损，机体转而依赖碳水化合物代谢。Slc25a45缺陷小鼠在冷暴露下无法维持体温，且对GLP-1受体激动剂（司美格鲁肽）的减重效果产生抵抗。补充肉碱可恢复冷耐受和脂肪氧化能力。该研究揭示了线粒体作为燃料切换调控检查点的核心地位，并为GLP-1RA治疗中个体差异的代谢基础提供了新见解。

科似海生物依托高灵敏度液质联用（LC-MS/MS）平台，建立了覆盖肉碱及其酰基化衍生物（短链、中链、长链酰基肉碱）、TML及肉碱合成通路中间产物的靶向精准定量检测体系，支持血清、组织、细胞、线粒体等多类型样本中的精确定量分析，可为代谢灵活性研究、冷适应机制探索及GLP-1RA疗效个体差异研究提供精准数据支撑。

肉碱的从头合成始于TML进入线粒体基质。由于线粒体内膜对代谢物不可渗透，这一步骤需要专门的载体蛋白。大规模人类遗传学研究发现，TML水平与SLC25A45基因位点存在高度显著的相关性（P=1×1.9⁻⁸⁰）。此外，SLC25A45基因的罕见编码变异与血清肌酐浓度和估算肾小球滤过率密切相关。

研究人员首先确认了SLC25A45的组织分布——在肾脏、大脑和肝脏中表达最高，这些组织恰好具有从TML合成肉碱的高能力。更重要的是，SLC25A45的表达与肉碱代谢基因特征呈显著正相关（P=0.0013）。

为了直接验证SLC25A45的功能，研究团队构建了全身性Slc25a45敲除小鼠。从敲除细胞中分离线粒体进行TML摄取实验，发现SLC25A45 KO线粒体的TML摄取量显著低于对照组。与此同时，KO线粒体中的肉碱含量也低于对照组。

在原代肝细胞中进行D₉标记TML的示踪实验，KO肝细胞产生的D₉-HTML、D₉-γ-BB和D₉-肉碱均显著少于对照。而在HEK293细胞中重新表达SLC25A45则可恢复肉碱合成能力。

这些结果证明：SLC25A45是TML进入线粒体的必需载体，是肉碱从头合成的关键限速步骤。

▲ 图1  SLC25A45是肉碱生物合成所必需

为了进一步确证SLC25A45的转运功能，研究人员利用大肠杆菌表达系统进行功能重构。将SLC25A45与麦芽糖结合蛋白融合表达于细菌内膜后，D₉-TML的摄取呈时间依赖性增加，60分钟达到峰值。底物特异性实验表明，SLC25A45转运TML，但不转运结构相似的γ-BB或胆碱。

通过AlphaFold预测SLC25A45的三维结构，研究人员发现其具有由六个跨膜α螺旋形成的中央通道样空腔。计算 docking 和分子动力学模拟揭示，TML的羧酸基团与Q113、R173、D174形成氢键/盐桥，N-三甲基部分与空腔内的疏水残基（L17、I66、V69、N70、L73、L117、F120、K124）形成疏水接触。分子动力学模拟显示TML与SLC25A45形成稳定复合物，平均结合自由能为-17.10±3.75 kcal/mol。

这些结构预测与实验数据高度吻合，证明了SLC25A45对TML的高特异性。

▲ 图2  SLC25A45介导TML转运的生化重构与结构预测

SLC25A45KO小鼠血清中L-肉碱和γ-BB含量降低，而前体L-赖氨酸和TML升高。骨骼肌（储存全身>95%的肉碱）和心脏中的肉碱含量显著降低。KO小鼠还表现出肾脏损伤标志物升高（血清肌酐、胱抑素C、血尿素氮）。

间接量热法分析显示，SLC25A45KO小鼠的呼吸交换率（RER）高于对照，尤其在夜间，表明机体更依赖碳水化合物而非脂肪酸氧化。禁食12小时后KO小鼠血糖更低，禁食24小时后血酮体β-羟基丁酸也更低。葡萄糖耐量测试显示KO小鼠葡萄糖清除更快。

肝脏转录组学分析表明，KO小鼠中脂肪酸β-氧化和肉碱合成相关基因下调，而糖酵解和线粒体氧化磷酸化相关基因上调。心脏线粒体在棕榈酰辅酶A存在下的状态3呼吸显著低于对照。值得注意的是，当提供丙酮酸、谷氨酸和琥珀酸时，KO线粒体的呼吸与对照相当；中链脂肪酸（C8，辛酸）也可被KO线粒体正常氧化。

这些结果表明，SLC25A45缺失导致的并非线粒体全局功能障碍，而是特异性损害了依赖肉碱穿梭的长链脂肪酸氧化。

▲ 图3  SLC25A45缺失导致系统性肉碱缺乏和燃料切换

▲ 图4  SLC25A45缺失从脂肪酸氧化转向碳水化合物代谢

冷暴露诱导肝脏、棕色脂肪组织和肾脏中肉碱合成基因（包括Slc25a45、Tmlhe、Bbox1）的表达上调。当30°C饲养的SLC25A45 KO小鼠急性暴露于6°C寒冷环境时，其直肠温度迅速下降，5小时后降至30°C以下。而补充肉碱（100 mg/kg，连续5天）可完全拯救KO小鼠的低体温表型。在慢性冷适应过程中，KO小鼠的RER始终高于对照。棕色脂肪线粒体呼吸测定显示，KO小鼠的UCP1依赖性呼吸显著低于对照。

值得注意的是，肝脏特异性SLC25A45 KO小鼠能够正常维持体温，且血清γ-BB和肉碱浓度无变化。全身KO小鼠血清中长链酰基肉碱（C12:1、C14:0、C14:1、C14:2、C16:2、C18:0-肉碱等）浓度降低。

这些结果说明，肉碱的全身可用性而非单一器官来源决定了冷耐受能力，多个器官协同维持循环肉碱池。

▲ 图5  肉碱合成途径是冷适应所必需的

GLP-1受体激动剂（如司美格鲁肽）通过促进脂肪酸氧化和降低RER来发挥减重作用。研究人员测试了SLC25A45缺失是否影响GLP-1RA的疗效。

用司美格鲁肽（30nmol/kg，5天）处理小鼠后，KO小鼠的RER始终高于对照。对照小鼠血清中长链酰基肉碱升高、甘油三酯和甘油二酯降低，而这些变化在KO小鼠中均未出现。司美格鲁肽在第一天同样抑制了两组小鼠的摄食，但KO小鼠的摄食逐渐恢复并持续高于对照。更重要的是，KO小鼠对司美格鲁肽诱导的体重下降和脂肪减少产生抵抗。而司美格鲁肽的降糖效果在两组中同等显著。

肉碱补充可恢复KO小鼠的脂肪组织脂解和RER降低。

这些结果揭示：SLC25A45介导的肉碱合成是GLP-1RA发挥最佳减重效果所必需的，但与其降糖作用无关。

这提示肉碱可用性可能是GLP-1RA治疗中"应答者"与"无应答者"个体差异的一个代谢决定因素，尤其对于依赖从头合成的素食者而言。

▲ 图6  肉碱合成影响GLP-1RA减重疗效

本研究通过遗传学、代谢组学、生化重构和结构预测等多种手段，首次鉴定了SLC25A45作为线粒体TML载体的功能，并系统揭示了肉碱从头合成在燃料切换中的核心地位。核心发现可归纳为：

这一发现为理解代谢灵活性的调控机制提供了全新视角，并为GLP-1RA治疗中个体差异的代谢基础提供了可能的解释——肉碱从头合成能力可能影响素食者或肉碱摄入不足人群对减重药物的应答。

从技术层面看，本研究整合了靶向代谢组学、稳定同位素示踪、线粒体呼吸测定、转录组学和结构生物学等多种手段，展示了精准代谢组学在解析复杂生理过程中的核心价值。

【参考文献】

Auger C, Nishida H, Yuan B, et al. Mitochondrial control of fuel switching via carnitine biosynthesis. Science. 2026;391(6734):eady5532. DOI: 10.1126/science.ady5532