众所周知，线粒体是细胞的动力装置。它以呼吸链为发电机组，以糖酵解等分解代谢反应释放出的NADH和FADH2为原料，通过氧化磷酸化反应生成万能性物质ATP。

线粒体病是由线粒体功能受损引起的多器官退行性疾病的总称，人群发病率为1/5000。呼吸链功能下降是线粒体疾病的常见特征。截至2020年，线粒体疾病的致病基因有331个，其中75%以上是引起呼吸链损伤的突变基因。

对于单个细胞来说，呼吸链损伤导致许多与生死相关的严峻挑战，其中之一就是NADH/NAD+比值的增加。一般情况下，胞质内NADH携带的电子通过苹果酸-天冬氨酸穿梭和乙二醇-3-磷酸穿梭传递到呼吸链，NAD+被再生，从而保证胞质内分解代谢反应的持续进行。呼吸链关闭后，NADH在细胞质中不断积累，导致NADH/NAD+比值增加，从而抑制了许多依赖于NAD+的代谢反应，糖酵解就是其中之一。糖酵解作为呼吸链关闭后ATP的唯一来源，严重威胁细胞生存。因此，寻找NAD+再生途径可能为缓解由呼吸链损伤引起的代谢危机和治疗线粒体疾病带来曙光。

图1。呼吸链损伤导致NADH积累和代谢紊乱

2021年7月15日，北京生命科学研究院/清华大学生物医学研究所江蕙实验室在《细胞冶金在线》上发表了题为:乙二醇-3-磷酸生物合成再生细胞nad+缓解线粒体疾病的研究论文。

该研究揭示了进化上保守的NAD+再生途径，乙二醇-3-磷酸生物合成，并为呼吸链复合体ⅰ缺失引起的神经退行性疾病提供了治疗靶点。

Gro3P生物合成是进化上保守的NAD+再生途径

作者系统地分析了人类基因组中NAD+依赖的代谢酶及其反应，并选择了八种潜在的NAD+再生途径。由于以酵母和线虫为代表的低等生物能够承受严重的呼吸链损伤，因此建议其能够有效再生NAD+。作者进一步研究了酵母中候选途径的保守性，最终选择了三个进化上保守的途径。通过实验验证，作者发现糖酵解的一个侧途径Gro3P生物合成是一个真正重要的NAD+再生途径。

图2。Gro3P生物合成途径及其在物种和组织间的异质性。Gro3P生物合成途径在酵母、线虫、肿瘤和肝脏中高度表达，拮抗呼吸链损伤。该通路在神经系统中的表达极低，使神经系统对复合物I的缺失敏感。

Gro3P生物合成存在于酵母、线虫、人肿瘤细胞和小鼠肝脏中，呼吸链被抑制后大大增强。有呼吸链缺失的酵母和线虫可以正常繁殖生存，敲除其中的Gro3P合成酶导致合成死亡。在体外培养条件和体内肿瘤移植实验中，被敲除Gro3P合成酶的肿瘤细胞对缺氧和呼吸链复合物I抑制剂二甲双胍高度敏感。同样，小鼠肝脏利用Gro3P生物合成拮抗呼吸链抑制。在肝特异性敲除Gro3P合成酶后，小鼠在用呼吸链抑制剂治疗时表现出更严重的代谢紊乱。

增强Gro3P生物合成，拮抗呼吸链复合物I缺乏，治疗由复合物I缺乏引起的神经退行性疾病

肿瘤细胞虽然具有Gro3P生物合成能力，但却不能像酵母一样在呼吸链缺失后正常生长，一般表现出极其缓慢的生长。作者意外地发现，当呼吸链复合物I缺失或被抑制时，增强肿瘤细胞中Gro3P的生物合成将导致细胞像正常细胞一样生长。进一步研究发现，增强的Gro3P生物合成激活了Gro3P穿梭，可以绕过复合物I，将细胞质NADH的电子转移到呼吸链。这一意想不到的结果为复杂I相关疾病的后续研究打开了大门。

图3。增强Gro3P穿梭可挽救呼吸链复合物I缺陷细胞的代谢和生长。过表达cGPD可以增强Gro3P的合成，激活GPD2介导的Gro3P穿梭，绕过复合物I将电子转移到呼吸链，从而恢复代谢和细胞生长。GPD1-K204A和GPD1L-K206A是灭活突变体。

呼吸链复合物I缺乏是一种影响大多数人的线粒体疾病，通常会导致神经炎症和神经元死亡。由于控制运动的细胞核受损，患者和小鼠模型经常死于呼吸衰竭。作者进一步发现，Gro3P生物合成途径在人和小鼠的神经系统中都有弱表达。因此，作者在患有AAV病的Ndufs4-/-小鼠的神经系统中过量表达了Gro3P合成酶GPD1，发现它可以激活Gro3P穿梭，显著抑制神经炎症，挽救小鼠的运动缺陷，延长小鼠的寿命。

图4。AAV-PHP.eB小鼠神经系统中Gro3P合成酶GPD1的过表达可抑制神经炎症，延长寿命。

值得一提的是，呼吸链复合物I亚单位由核DNA和mtDNA编码，mtDNA编码的复合物I亚单位ND1、ND2、ND3、ND4、ND4L、ND5和ND6均会发生突变，导致Leber编辑性视神经病变、MELAS、Leigh综合征、MERRF等恶性疾病。目前，通过补充或修复受损基因来治疗mtDNA突变是不可能的，因此利用小分子或AAV基因疗法增强Gro3P生物合成为mtDNA突变引起的复杂I缺失病提供了一种潜在的治疗方案。本研究相关发明已申请国际专利。

本论文第一作者为实验室刘珊珊博士，其他作者有、曹宇、实验室李、博士。王国栋博士和刘清华；李博士和董博士；马燕、曹杨、单亚兵等博士，江蕙博士为本文通讯员。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.06.013