眾所周知，線粒體是細胞的發(fā)電廠。它以呼吸鏈作為發(fā)電機組，以糖酵解等分解代謝反應釋放的高能物質(zhì)NADH和FADH2為原料，通過氧化磷酸化反應生成通用能量物質(zhì)ATP。
線粒體疾病是一大類因線粒體功能受損導致多器官退行性病變的統(tǒng)稱，人群發(fā)病率為1/5000。呼吸鏈功能下降是線粒體疾病的普遍特征。截止到2020年，線粒體疾病已知有331個致病基因，其中導致呼吸鏈損傷的突變基因占了75%以上。
對單個細胞而言，呼吸鏈損傷導致事關生死的多個嚴峻挑戰(zhàn)，其中之一是 NADH/NAD+比值升高。通常情況下，胞質(zhì)內(nèi)NADH攜帶的電子會通過malate-aspartate shuttle和glycerol-3-phosphate shuttle傳遞給呼吸鏈消耗，再生NAD+，從而保證胞質(zhì)內(nèi)分解代謝反應的持續(xù)運作。呼吸鏈停工后，胞質(zhì)內(nèi)NADH持續(xù)積累，導致NADH/NAD+比值升高，從而抑制NAD+依賴的諸多代謝反應，糖酵解即是其中之一（圖1）。作為呼吸鏈停工后ATP的唯一來源，糖酵解告急嚴重威脅細胞生存。因此，尋找NAD+再生通路可能為緩解呼吸鏈損傷帶來的代謝危機和治療線粒體疾病帶來曙光。
圖1. 呼吸鏈損傷導致NADH積累和代謝紊亂
2021年7月15日，北京生命科學研究所/清華大學生物醫(yī)學交叉研究院蔣輝實驗室在 Cell 子刊 Cell Metabolism 在線發(fā)表了題為：Glycerol-3-phosphate biosynthesis regenerates cytosolic NAD+ to alleviate mitochondrial disease 的研究論文。
該研究揭示了一條進化上保守的NAD+再生通路Glycerol-3-phosphate（Gro3P） biosynthesis， 并為呼吸鏈復合物I缺失導致的神經(jīng)退行性疾病提供了治療靶點。
Gro3P biosynthesis是進化上保守的NAD+再生通路
作者對人基因組中NAD+依賴的代謝酶及其反應做了系統(tǒng)分析挑選出8條潛在的NAD+再生通路。由于以酵母和線蟲為代表的低等生物可以承受相當嚴重的呼吸鏈損毀（酵母甚至可以在無氧（無呼吸）環(huán)境中生長），提示它們能夠有效再生NAD+，作者進一步考察了候選通路在酵母中的保守性，最后挑選出了3條進化上保守的通路。通過實驗驗證，作者發(fā)現(xiàn)糖酵解的一條旁側(cè)通路Gro3P biosynthesis是真正重要的NAD+再生通路（圖2）。
Gro3P biosynthesis是進化上保守的NAD+再生通路
作者對人基因組中NAD+依賴的代謝酶及其反應做了系統(tǒng)分析挑選出8條潛在的NAD+再生通路。由于以酵母和線蟲為代表的低等生物可以承受相當嚴重的呼吸鏈損毀（酵母甚至可以在無氧（無呼吸）環(huán)境中生長），提示它們能夠有效再生NAD+，作者進一步考察了候選通路在酵母中的保守性，最后挑選出了3條進化上保守的通路。通過實驗驗證，作者發(fā)現(xiàn)糖酵解的一條旁側(cè)通路Gro3P biosynthesis是真正重要的NAD+再生通路（圖2）。
圖2. Gro3P biosynthesis通路及其在物種和組織間的異質(zhì)性。Gro3P biosynthesis通路在酵母,線蟲,腫瘤和肝臟中高表達并拮抗呼吸鏈損傷。該通路在神經(jīng)系統(tǒng)表達極低,導致神經(jīng)系統(tǒng)對復合物I缺失敏感。
Gro3P biosynthesis在酵母，線蟲，人類腫瘤細胞，和小鼠肝臟中都存在且在呼吸鏈被抑制后大幅增強。呼吸鏈缺失的酵母和線蟲能夠正常增值和存活，在二者里敲除Gro3P合成酶導致合成致死。敲除Gro3P合成酶的腫瘤細胞在體外培養(yǎng)條件和體內(nèi)腫瘤移植實驗中都表現(xiàn)出對缺氧和呼吸鏈復合物I抑制劑metformin的高度敏感。與之類似，小鼠肝臟也利用Gro3P biosynthesis來拮抗呼吸鏈抑制；在肝臟特異敲除Gro3P合成酶后，小鼠在呼吸鏈抑制劑處理時表現(xiàn)出更嚴重的代謝紊亂（圖2）。
增強Gro3P biosynthesis拮抗呼吸鏈復合物I 缺失并治療復合物I缺失導致的神經(jīng)退行性疾病
腫瘤細胞雖然有Gro3P biosynthesis能力，但無法像酵母一樣在呼吸鏈缺失后還能正常生長，一般表現(xiàn)為極緩慢生長。作者意外發(fā)現(xiàn)在腫瘤細胞中增強Gro3P biosynthesis會導致細胞在呼吸鏈復合物I缺失或抑制時，可以像正常細胞一樣生長（圖3）。進一步研究發(fā)現(xiàn)增強Gro3P biosynthesis激活了Gro3P shuttle，可以繞過復合物I把胞質(zhì)NADH的電子傳遞給呼吸鏈。該意料之外的結(jié)果為后續(xù)復合物I相關疾病研究打開了一扇大門。
圖3.增強Gro3P shuttle可以挽救呼吸鏈復合物I缺失細胞的代謝與生長。在呼吸鏈復合物I缺失（NDUFS2-KO）細胞中，過表達cGPD (GPD1/1L)可以增強Gro3P synthesis，激活GPD2介導的Gro3P shuttle, 把電子繞過復合物I傳遞給呼吸鏈，從而恢復代謝和細胞生長。GPD1-K204A和GPD1L-K206A為失活型突變體。
呼吸鏈復合物I缺失是影響人數(shù)最多的線粒體疾病，通常導致神經(jīng)炎癥和神經(jīng)元死亡，由于控制運動的核團受損，病人和小鼠模型常死于呼吸衰竭。作者進一步發(fā)現(xiàn)Gro3P biosynthesis通路在人和小鼠的神經(jīng)系統(tǒng)表達都很弱。基于此，作者用AAV在Ndufs4-/-小鼠（呼吸鏈復合物I缺失的Leigh syndrome模型）神經(jīng)系統(tǒng)中過表達Gro3P合成酶GPD1，發(fā)現(xiàn)可以激活Gro3P shuttle，顯著抑制神經(jīng)炎癥，挽救小鼠運動缺陷，和延長小鼠壽命（圖4）。
圖4. 用AAV-PHP.eB在Ndufs4-/-小鼠神經(jīng)系統(tǒng)過表達Gro3P合成酶GPD1可以抑制神經(jīng)炎癥(右側(cè)圖中的Iba1信號指示炎癥部位)和延長壽命(左下角紅色生存曲線， 平均45%的壽命延長)。
值得一提的是，呼吸鏈復合物I亞基由核DNA和mtDNA共同編碼，mtDNA編碼的復合物I亞基ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6都會發(fā)生突變導致Leber's Heredity Optic Neuropathy（成人視神經(jīng)退行性疾?。?/span>，MELAS，Leigh syndrome，MERRF（兒童神經(jīng)退行性疾?。?/span>等惡性疾病。由于目前無法用回補或修復損壞基因的方法來治療mtDNA突變，用小分子或AAV基因治療手段增強Gro3P biosynthesis為mtDNA突變引起的復合物I缺失疾病提供了潛在的治療方案。
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