Nature 子刊│首都医科大学李兵辉团队发现嘌呤生物合成失调在NADH积累相关疾病中的病理生理学新作用

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增强的NADH/NAD⁺比率（称为还原应激）与许多疾病有关。然而，是否存在下游感应通路来介导致病结果仍不清楚。

2022年11月17日，首都医科大学李兵辉团队在Nature Communications 发表题为“Identification of purine biosynthesis as an NADH-sensing pathway to mediate energy stress”的研究论文，该研究从大肠杆菌(EcSTH)中生成了一种可溶性吡啶核苷酸转氢酶，它可以提高NADH/NAD⁺比率，同时降低NADPH/NADP⁺比率。此外，将EcSTH与之前描述的LbNOX（一种来自短乳杆菌的水形成NADH氧化酶）融合以恢复NADH/NAD+比率。

借助这些工具，并通过使用全基因组CRISPR/Cas9文库筛选和哺乳动物细胞代谢分析，发现积累的NADH会解除PRPS2（核糖磷酸焦磷酸激酶2）介导的下游嘌呤生物合成，从而引发大量能量消耗，因此，诱导能量压力。阻断嘌呤生物合成可防止NADH积累相关的体外细胞死亡和体内组织损伤。这些结果强调了嘌呤生物合成失调在NADH积累相关疾病中的病理生理学作用，并证明了EcSTH在操纵NADH/NAD⁺和NADPH/NADP⁺中的效用。

还原应激反映在升高的细胞内NADH/NAD+比率或NADH积累中，与多种人类疾病有关，例如癌症、神经变性、糖尿病和线粒体疾病，这些综合征通常具有低氧微环境或ETC损伤的特征。尽管此类呼吸障碍通常会导致许多生物学或生理学结果，但最近的报告表明，NADH积累在决定细胞生长停滞或细胞死亡方面发挥着关键作用。NADH积累可以广泛驱动代谢重编程以在压力条件下耗散细胞中的电子，这通常取决于合成代谢过程，特别是以NADPH形式同化电子的脂肪生成。这种适应性机制广泛存在于缺氧或ETC抑制下增殖的癌细胞中。因此，NADH还原应激可能包括降低的NADPH水平和NADPH/NADP⁺比率。

然而，对于非增殖分化细胞，缺氧或ETC病理损伤导致的NADH/NAD⁺比率增加可能会导致健康问题，例如缺血性损伤、神经退行性疾病和线粒体肌病。因此，为了改善还原性应激，制定旨在降低NADH/NAD⁺比率的策略现在正在成为一种重要的疾病缓解过程。丙酮酸可以通过乳酸脱氢酶转化为乳酸，这个过程会消耗NADH。虽然它在体外显着降低细胞NADH，但在体内无效。

最近，发现细菌乳酸氧化酶和过氧化氢酶之间的工程融合(LOXCAT)不可逆地将乳酸和氧转化为丙酮酸和水，可降低体外和体内的NADH/NAD⁺比率。此外，来自短乳杆菌(LbNOX)的水形成NADH氧化酶也可以有效地防止NADH在体外和体内积累。然而，积累的NADH如何触发致病结果仍有待阐明。因此，如果能够确定与减少压力或NADH积累相关的效应通路，可能会为这些类型的代谢紊乱的治疗提供更多的靶标。

在该研究中，开发了一种遗传工具来操纵细胞NADH/NAD⁺和NADPH/NADP⁺的比率。借助该工具，将PRPS2介导的嘌呤生物合成确定为累积的NADH感应途径，以使用全基因组CRISPR/Cas9文库筛选结合代谢分析来诱导能量应激。此外，研究证明阻断嘌呤生物合成可显著防止由小鼠模型中代谢氧化增加引起的还原应激引起的组织损伤。

阻断嘌呤生物合成可防止乙醇给药诱导的还原应激引起的肝损伤（图源自Nature Communications ）

此外，工程化酶EcSTH-LbNOX可以显着降低细胞NADPH和NADPH/NADP⁺比率，同时使细胞NADH和NADH/NAD⁺比率相对不受影响，使其成为调节细胞NADPH的可行研究工具/NADP⁺比率。在该研究中，使用EcSTH和EcSTH-LbNOX来梳理NADH/NAD⁺和NADPH/NADP⁺的作用，并证明细胞生长、糖酵解和核苷酸生物合成与NADH/的稳态高度相关。NAD⁺，而TCA代谢物似乎反而与NADPH/NADP+的体内平衡有关。人们可能期望EcSTH结合EcSTH-LbNOX，将应用于动物身上，未来将带来更多更深入的体内NADH/NAD⁺和NADPH/NADP⁺相关见解。

参考消息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34850-0

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