甲基丙二酸半醛脱氢酶缺乏症（MMSDD）是一种极为罕见的疾病，目前全球仅有5例突变被报道（P62S, Y172H & R535C, S262Y, P421S, G446R）。这五位患者主要表现为发育迟缓、肌张力障碍、头小畸形等。ALDH6A1基因的改变将导致MMSDD的发生，但该病发病的分子机制尚不明确。

近日，北京协和医院院长、罕见病医学中心主任张抒扬，药物研发与评价平台主任栾晓东与肾内科主任陈丽萌团队合作，利用冷冻电镜对比研究了甲基丙二酸半醛脱氢酶的野生型和五种突变体的结构。研究发现，相较于野生型，点突变的构象较为松散。研究者结合一系列生化手段综合分析后发现，这些点突变均会导致甲基丙二酸半醛脱氢酶的酶活力降低。这一研究结果为进一步探究MMSDD发病的分子机制以及潜在药物的开发提供了重要借鉴。

甲基丙二酸半醛脱氢酶由NAD+结合结构域、寡聚化结构域和催化结构域组成，已有报道的五种突变类型在上述三种结构域中均有分布，这就说明MMSDD的发生不是由某个特定结构域的突变而导致。

▲ALDH6A1单体结构域的组成以及疾病突变所分布的位置

研究团队首先通过冷冻电镜对五种突变蛋白进行了数据收集和结构解析。研究者发现，五种突变与野生型的结构差异非常大，整体较为松散，四聚体的突变呈现一种“张嘴”的构象状态。

▲ALDH6A1疾病突变的冷冻电镜结构与野生型结构的对比

团队随后对突变的甲基丙二酸半醛脱氢酶的酶活力和热稳定性进行检测，再次与野生型对比发现，突变后的蛋白会降低其原有的活性，并影响其热稳定性。这一发现也印证了结构解析所得到的结论：酶活力中心（C317）周围氨基酸残基位置的改变导致酶活力降低，而热稳定性的降低，则是由于突变后的构象更为松散。

▲ALDH6A1疾病突变的酶活力检测以及热稳定性检测结果

正常情况下，甲基丙二酸半醛脱氢酶将甲基丙二酸半醛（MMSA）转化为丙酰CoA并参与下游代谢途径。但ALDH6A1基因的突变使这一过程无法正常进行，从而导致MMSDD的发生。与此同时，酶活性的丧失会引起代谢物甲基丙二酸的蓄积，而这又会导致罕见病甲基丙二酸血症（Methylmalonicacidemia, MMA）的发生。据此，研究者提出假设：MMSDD与MMA的发生存在一定相关性，但有待通过实验进一步验证和探索。

▲ALDH6A1疾病突变影响的概述图及假设

本研究采用冷冻电镜和生化手段相结合的方式，阐明了催化中心构象和寡聚化结构域的改变是导致MMSDD中甲基丙二酸半醛脱氢酶功能障碍的主要因素，从而解释了MMSDD发病的分子机制，为MMSDD的药物开发和治疗提供了理论基础。

上述两项研究成果于近日发表于Science Bulletin的姊妹刊Medicine Plus上。