眾所周知，線粒體是細胞的發電廠。它以呼吸鏈作為發電機組，以糖酵解等分解代謝反應釋放的高能物質NADH和FADH2為原料，通過氧化磷酸化反應生成通用能量物質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稱，人群發病率為1/5000。呼吸鏈功能下降是線粒體疾病的普遍特徵。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，其中之一是NADH/NAD+比值升高。通常情况下，胞質內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+，從而保證胞質內分解代謝反應的持續運作。呼吸鏈停工後，胞質內NADH持續積累，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）。作為呼吸鏈停工後ATP的唯一來源，糖酵解告急嚴重威脅細胞生存。囙此，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/清華大學生物醫學交叉研究院蔣輝實驗室在Cell子刊Cell Metabolism線上發表了題為：Glycerol-3-phosphate biosynthesis regenerates cytosolic NAD+toalleviate 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，並為呼吸鏈複合物I缺失導致的神經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分析挑選出8條潜在的NAD+再生通路。由於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）環境中生長），提示它們能够有效再生NAD+，作者進一步考察了候選通路在酵母中的保守性，最後挑選出了3條進化上保守的通路。通過實驗驗證，作者發現糖酵解的一條旁側通路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性。Gro3P biosynthesis通路在酵母，線蟲，腫瘤和肝臟中高表達並拮抗呼吸鏈損傷。該通路在神經系統表達極低，導致神經系統對複合物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後大幅增强。呼吸鏈缺失的酵母和線蟲能够正常增值和存活，在二者裏敲除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條件和體內腫瘤移植實驗中都表現出對缺氧和呼吸鏈複合物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；在肝臟特异敲除Gro3P合成酶後，小鼠在呼吸鏈抑制劑處理時表現出更嚴重的代謝紊亂（圖2）。
增强Gro3P biosynthesis拮抗呼吸鏈複合物I缺失並治療複合物I缺失導致的神經退行性疾病
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後還能正常生長，一般表現為極緩慢生長。作者意外發現在腫瘤細胞中增强Gro3P biosynthesis會導致細胞在呼吸鏈複合物I缺失或抑制時，可以像正常細胞一樣生長（圖3）。進一步研究發現增强Gro3P biosynthesis啟動了Gro3P shuttle，可以繞過複合物I把胞質NADH的電子傳遞給呼吸鏈。該意料之外的結果為後續複合物I相關疾病研究打開了一扇大門。
圖3.增强Gro3P shuttle可以挽救呼吸鏈複合物I缺失細胞的代謝與生長。在呼吸鏈複合物I缺失（NDUFS2-KO）細胞中，過表達cGPD（GPD1/1L）可以增强Gro3P synthesis，啟動GPD2介導的Gro3P shuttle，把電子繞過複合物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。
呼吸鏈複合物I缺失是影響人數最多的線粒體疾病，通常導致神經炎症和神經元死亡，由於控制運動的核團受損，病人和小鼠模型常死於呼吸衰竭。作者進一步發現Gro3P biosynthesis通路在人和小鼠的神經系統表達都很弱。基於此，作者用AAV在Ndufs4-/-小鼠（呼吸鏈複合物I缺失的Leigh syndrome模型）神經系統中過表達Gro3P合成酶GPD1，發現可以啟動Gro3P shuttle，顯著抑制神經炎症，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-/-小鼠神經系統過表達Gro3P合成酶GPD1可以抑制神經炎症（右側圖中的Iba1訊號訓示炎症部位）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，呼吸鏈複合物I亞基由核DNA和mtDNA共同編碼，mtDNA編碼的複合物I亞基ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5、ND6都會發生突變導致Leber's Heredity Optic Neuropathy（成人視神經退行性疾病），MELAS，Leigh syndrome，MERRF（兒童神經退行性疾病）等惡性疾病。由於現時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基因治療手段增强Gro3P biosynthesis為mtDNA突變引起的複合物I缺失疾病提供了潜在的治療方案。該研究相關發明已申請國際專利。
該論文的第一作者是蔣輝實驗室劉珊珊博士，其他作者包括蔣輝實驗室傅松，曹鈺，李蘭蘭博士，楊俊；王國棟（劉清華實驗室）和劉清華博士；李雪梅博士（董夢秋實驗室）和董夢秋博士；代謝中心馬燕博士，曹楊，單雅兵等。蔣輝博士為本文通訊作者。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.06.013
原文刊載於【中國生物技術網】公眾號
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