丝氨酸羟甲基转移酶，线粒体

SHMT2 基因编码线粒体形式的丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT），它执行一系列反应的第一步，提供与线粒体中的叶酸物种共价结合的单碳单元；它将单碳单元从丝氨酸转移到四氢叶酸（THF），生成甘氨酸和 5,10-亚甲基-THF。该酶位于氨基酸和叶酸代谢途径的交汇处（Garcia-Cazorla 等人总结，2020 年）。

▼ 克隆与表达

加罗等人（1993）通过大肠杆菌 glyA 突变体与人类 cDNA 文库的功能互补，克隆了细胞溶质和线粒体 SHMT 同工酶的人类 cDNA。线粒体酶的 cDNA 编码 474 个残基的成熟蛋白，分子量为 52,400 Da。

斯托弗等人（1997）发现 SHMT2 的氨基酸 1 到 29 编码线粒体输入前序列。SHMT2 mRNA 包含由单独的外显子编码的 2 个潜在的 ATG 起始位点。从第一个 ATG 开始翻译对于 SHMT2 活性和导入线粒体不是必需的。

▼ 基因结构

斯托弗等人（1997）发现 SHMT2 基因，被他们称为 mSHMT，由 11 个外显子组成，跨度约为 4.5 kb。

▼ 测绘

通过人仓鼠杂交分析，Kao 等人（1969）证明仓鼠甘氨酸（-）A 营养缺陷型的人补体位于 12 号染色体上。这种酶在人细胞中的存在补充了仓鼠细胞中的缺陷，被认为是丝氨酸羟甲基转移酶。Law 和 Kao（1978）总结的数据表明，12 号染色体上的顺序为 12pter--TPI--GAPD--SHMT。SHMT 位于着丝粒和 Pep-B 之间的 12q 的近端部分。区域本地化为 12q12-q14。

通过荧光原位杂交，Garrow 等人（1993）证明细胞溶质（SHMT1; 182144 ） 和线粒体（SHMT2） 基因分别定位于染色体 17p11.2 和 12q13。2 种同工酶之间的高度核苷酸序列同一性，以及两个染色体区域中角蛋白基因的存在，被认为与染色体 12 和 17 的这些区域的起源中发生重复事件是一致的。

▼ 基因功能

线粒体类核是大的复合物，平均包含 5 到 7 个线粒体 DNA（mtDNA） 基因组和几种参与 mtDNA 复制和转录以及相关过程的蛋白质。博根哈根等人（2008）之前已经表明 SHMT2 与天然纯化的 HeLa 细胞核素有关。使用甲醛交联技术，他们发现 SHMT2 与 mtDNA 共纯化，是一种核心类核蛋白。博根哈根等人（2008）通过蛋白质印迹分析证实了这些发现。

Leivonen 等人使用蛋白质组学和质谱分析（2011）将 14-3-3-zeta（YWHAZ; 601288 ）、SHMT2 和 AKR1C2（ 600450 ） 确定为MCF-7 人乳腺癌细胞中 microRNA-193B（MIR193B; 614734 ） 的主要靶标。共转染实验证实，MIR193B 下调含有 SHMT2 或 YWHAZ 的 3 素 UTR 或 AKR1C2 的 5 素 UTR 的报告基因的表达。用抗 MIR193B 中和 MIR193B 导致 SHMT2 和 AKR1C2 蛋白水平升高，而 YWHAZ 蛋白的上调较少。通过小干扰 RNA 敲除这些靶基因的特定组合抑制了 MCF-7 细胞的生长。

金等人（2015）确定了丝氨酸和甘氨酸代谢在胶质瘤缺血区脑癌细胞存活中的关键作用。在人类多形性胶质母细胞瘤（ 137800 ） 中，SHMT2 和 GLDC（ 238300 ） 在坏死灶周围的假栅栏细胞中高度表达。金等人（2015）发现 SHMT2 活性限制了 PKM2（ 179050 ） 的活性并减少了氧气消耗，从而引发了一种代谢状态，从而为血管化不良的肿瘤区域中的细胞提供了巨大的生存优势。GLDC 抑制会损害具有高 SHMT2 水平的细胞，因为未被 GLDC 代谢的过量甘氨酸可以转化为有毒分子氨基丙酮和甲基乙二醛。金等人（2015）得出结论，癌细胞适应肿瘤环境所需的 SHMT2 也使这些细胞对甘氨酸裂解系统抑制敏感。

Morscher 等人（2018 年）证明，线粒体叶酸酶 SHMT2 的催化活性丧失，而不是其他叶酸酶的催化​​活性丧失，会由于线粒体翻译受损而导致人体细胞中的氧化磷酸化缺陷。Morscher 等人（2018）发现 SHMT2，可能是通过产生线粒体 5,10-亚甲基四氢叶酸，提供甲基供体以在选定的线粒体 tRNA 的摆动位置产生牛磺酸甲基尿苷碱基。SHMT2 敲除人类细胞中的线粒体核糖体分析表明，缺乏这种修饰的碱基会导致翻译缺陷，优先线粒体核糖体在某些赖氨酸（AAG） 和亮氨酸（UUG） 密码子处停滞。这导致呼吸链酶的表达受损。这些特定密码子的停滞也发生在线粒体代谢的某些先天错误中。因叶酸缺乏或抗叶酸治疗而破坏全细胞叶酸代谢也会损害呼吸链。总之，Morscher 等人（2018）得出结论，哺乳动物线粒体使用叶酸结合的 1-碳单位来甲基化 tRNA，这种修饰是线粒体翻译和氧化磷酸化所必需的。

Minton 等人使用 CRISPR/Cas9 基因筛选（2018）发现 SHMT2 是 Jurkat 细胞在低葡萄糖条件下增殖所必需的。由于线粒体 1-碳代谢受损，SHMT2 丢失破坏了适当的线粒体呼吸和线粒体编码蛋白质的翻译。线粒体 1-碳代谢需要通过支持线粒体甲酰甲硫氨酰 tRNA 的产生来维持呼吸，以翻译线粒体编码的蛋白质。缺乏 SHMT2 的细胞无法在线粒体中维持甲酰甲硫氨酰-tRNA 池。抑制剂和敲低分析表明，维持线粒体蛋白水平需要最低限度的 SHMT2 表达，因为控制线粒体编码蛋白的表达需要几乎完全丧失 SHMT2 活性。

曹等人（2019）将 SHMT2 鉴定为 HDAC11（ 607226 ） 进行脂肪酰化的底物，因为 HDAC11 直接去除了 SHMT2 的 lys245 处的脂肪酰基。SHMT2 的赖氨酸脂肪酰化促进 IL1R1（ 147810 ） 易位至晚期内体/溶酶体并调节其稳定性。从 SHMT2 中去除赖氨酸脂肪酰化并不影响其酶活性，但会影响 SHMT2 调节 IL1R1 泛素化和细胞表面水平的能力。因此，通过调节 SHMT2 的赖氨酸脂肪酰化，HDAC11 调节 I 型 IFN 信号传导。

▼ 生化特征

低温电子显微镜

瓦尔登等人（2019 年）以 3.8 埃的分辨率展示了人类 BRISC（BRCC36 异肽酶复合物；参见300617 ）-SHMT2 复合物的低温电子显微镜结构。BRISC 是 4 个亚基的 U 形二聚体，SHMT2 在空间上阻断 BRCC36 活性位点并抑制去泛素化酶活性。只有无活性的 SHMT2 二聚体，而不是活性的 PLP 结合四聚体，结合并抑制 BRISC。BRISC 中破坏 SHMT2 结合的突变会损害 I 型干扰素信号传导以响应炎症刺激。PLP（pyridoxal-5-prime-phosphate）的细胞内水平调节 BRISC 和 SHMT2 之间的相互作用，以及炎症细胞因子反应。瓦尔登等人（2019）得出的结论是，他们的数据揭示了代谢物调节去泛素化酶活性和炎症信号传导的机制。

▼ 分子遗传学

Garcia-Cazorla 等人在来自 4 个不相关家庭的 5 名患有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍（NEDCASB; 619121 ）的患者中（2020）鉴定了 SHMT2 基因中的纯合或复合杂合突变（ 138450.0001 - 138450.0007）。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。在 gnomAD 数据库中，这些突变要么不存在，要么以低频率存在。对患者来源的成纤维细胞进行的功能研究显示，SHMT2 蛋白表达大部分正常，但存在一些代谢异常，包括甘氨酸/丝氨酸比率降低和叶酸代谢受损，与总叶酸相比，5-甲基 THF 水平升高控制。研究结果表明 SHMT2 酶功能受损。与对照组相比，患者成纤维细胞还显示出线粒体功能障碍的证据，包括氧化能力降低、膜电位改变和 ROS 水平异常。

▼ 动物模型

谷等人（2018）发现小鼠体内 Shmt2 的缺失会在交配后 13.5 天后导致胚胎致死。对 Shmt2 -/- 小鼠胚胎成纤维细胞（MEF） 的分析表明，胚胎致死率可能是由于呼吸缺陷和细胞生长迟缓。谷等人（2018）提出 Shmt2 的缺失减少了线粒体翻译，导致 Shmt2 -/- MEFs 中的线粒体呼吸缺陷。作者得出结论，他们的小鼠模型支持人类 SHMT2 的表观遗传下调与年龄相关的线粒体呼吸缺陷有关的假设。

谷等人（2019 年）发现，小鼠中的 Shmt2 敲除会导致胎儿肝脏的线粒体呼吸缺陷和生长迟缓，而不是大脑。线粒体呼吸缺陷导致胎儿肝脏中成红细胞分化停止，并与生长迟缓一起导致 Shmt2 -/- 胚胎贫血。代谢组学分析表明，胎儿肝脏中的 Shmt2 缺乏会显着下调参与 1 碳代谢的代谢途径，如甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、牛磺酸代谢和核苷酸代谢。线粒体呼吸缺陷和生长迟缓优先影响胎儿肝脏，但不影响大脑，因为与胎儿大脑相比，胎儿肝脏中的 Shmt2 参与了更多的途径，特别是丝氨酸途径。

加西亚-卡索拉等人（2020 年）发现果蝇运动神经元中 Shmt2 基因的特异性敲低导致神经肌肉接头突触前末端的卫星 boutons 数量增加。与对照组相比，突变果蝇表现出运动技能受损。作者得出结论，这种神经元功能障碍反映了突触前水平的缺陷。

▼ 等位基因变体（ 7个精选示例）：

.0001 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2, PRO499ALA
Garcia-Cazorla 等人在 2 名患有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍的同胞（家族 1）中（NEDCASB；619121）（2020）在 SHMT2 基因中鉴定出纯合 c.1495C-G 颠换（c.1495C-G，NM_005412.6），导致在保守残基处发生 pro499-to-ala（P499A） ​​取代。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。它不存在于 gnomAD 数据库中。患者来源的成纤维细胞显示正常的 SHMT2 蛋白表达，但功能研究显示代谢和线粒体异常。

.0002 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2, GLY423SER
Garcia-Cazorla 等人在一名 19 岁女性（家族 2）中患有神经发育障碍伴心肌病、痉挛和脑部异常（NEDCASB；619121）（2020）鉴定了 SHMT2 基因中的复合杂合突变：c.1267G-A 转换（c.1267G-A，NM_005412.6），导致 gly423-to-ser（G423S） 取代和框内 del /ins 突变（c.1124-4_1126delinsA; 138450.0003），导致剪接缺陷和保守残基 Gly375 的缺失。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。G423S 在 gnomAD 数据库中以低频率存在（251,332 个等位基因中的 6 个），而 Gly375del 在 gnomAD 中不存在。两种突变都影响高度保守的残基。患者来源的成纤维细胞显示正常的 SHMT2 蛋白表达，但功能研究显示代谢和线粒体异常。

.0003 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT1, GLY375DEL
讨论 SHMT2 基因中的 c.1124_1126delinsA 突变（c.1124-4_1126delinsA，NM_005412.6）导致剪接缺陷和残基 Gly375 缺失，该突变在患有神经发育障碍的患者中以复合杂合状态发现Garcia-Cazorla 等人的心肌病、痉挛和脑部异常（NEDCASB; 619121 ）（2020），见138450.0002。

.0004 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2, PRO157SER
Garcia-Cazorla 等人在一名 12 岁女孩（家庭 3）中患有神经发育障碍伴心肌病、痉挛和脑部异常（NEDCASB；619121）（2020）鉴定了 SHMT2 基因中的复合杂合错义突变：c.469C-T 转换（c.469C-T，NM_005412.6），导致 pro157 到 ser（P157S） 取代，以及 c.1304A -C 转换，导致 gln435 到 pro（Q435P; 138450.0005） 替代。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。在 gnomAD 数据库的 248,762 个等位基因中的 1 个中发现了 P157S 突变，而在 gnomAD 中不存在 Q435P。两种突变都发生在高度保守的残基上。患者来源的成纤维细胞显示正常的 SHMT2 蛋白表达，但功能研究显示代谢和线粒体异常。

.0005 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2、GLN435PRO
讨论 SHMT2 基因中的 c.1304A-C 颠换（c.1304A-C，NM_005412.6）导致 gln435-to-pro（Q435P） 取代，在复合杂合状态的患者中发现Garcia-Cazorla 等人的伴有心肌病、痉挛和脑异常的神经发育障碍（NEDCASB; 619121 ）（2020），见138450.0004。

.0006 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2, THR186ARG
Garcia-Cazorla 等人在一名 2 岁男孩（家庭 4）患有神经发育障碍伴心肌病、痉挛和脑部异常（NEDCASB；619121）（2020）鉴定了 SHMT2 基因中的复合杂合错义突变：c.557C-G 颠换（c.557C-G，NM_005412.6），导致 thr186 到 arg（T186R） 取代，以及 c.1135A -G 转换，导致 asn379 到 asp（N379D; 138450.0007） 替代。通过全外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。gnomAD 数据库中不存在这两种变体。两种突变都发生在高度保守的残基上。患者来源的成纤维细胞显示正常的 SHMT2 蛋白表达，但功能研究显示代谢和线粒体异常。

.0007 伴有心肌病、痉挛和脑部异常的神经发育障碍
SHMT2、ASN379ASP
讨论 SHMT2 基因中的 c.1135A-G 转换（c.1135A-G，NM_005412.6）导致 asn379 到 asn（N379D）取代，在复合杂合状态的患者中发现Garcia-Cazorla 等人的伴有心肌病、痉挛和脑异常的神经发育障碍（NEDCASB; 619121 ）（2020），见138450.0006。