2021年4月22日,现任纪念斯隆凯瑟琳癌症中心主席Craig B. Thompson的研究团队在Science上发表了题为Mitochondrial NADP(H) generation is essential for proline biosynthesis的研究文章,揭示了线粒体中NADPH一个主要的生理功能是去促进非必需氨基酸脯氨酸的生物合成。
作者首先在DLD1细胞中用CRISPR-Cas9敲除了NADK2基因,他们发现NADK2的缺失会使线粒体内的NADPH水平下降超过80%,于是作者用NADK2-KO的细胞去进一步探究线粒体中哪些代谢过程会受到NADPH水平降低的影响。
作者分别考察了线粒体中的叶酸代谢,TCA循环以及GSH的合成,发现这些代谢途径都没有受到NADK2的缺失所影响。但是作者观察到一个非常有趣的表型。他们发现在营养充足的培养条件下野生型与NADK2敲除细胞之间的增殖并没有差异,但是在营养限制的培养条件下NADK2敲除细胞表现出明显的生长劣势,提示某些关键营养物质的生物合成在线粒体NADPH水平降低之后受到了抑制。
通过给细胞回补各种营养物质,作者发现只有补充非必需氨基酸(NEAAs)才能使得NADK2敲除细胞的生长得到恢复。借助代谢组学分析,作者最终确定了导致了NADK2缺失细胞生长劣势的关键营养元素—脯氨酸。脯氨酸的生物合成场所位于线粒体,主要以谷氨酰胺来源的谷氨酸为原料,经由P5C(pyrroline-5-carboxylate)和P5CS (pyrroline-5-carboxylate synthase)催化生成(如图1所示),其中P5CS是一个NADPH依赖的代谢酶。同位素示踪实验也再次证实,NADK2缺失引起的NADPH水平降低会抑制谷氨酰胺来源的脯氨酸生物合成。
图1脯氨酸的生物合成途径
那么这一重要的生理过程具有什么样的病理意义呢?由于脯氨酸以及它的翻译后修饰产物—羟脯氨酸在胶原蛋白中是富集的【3】,因此作者推测线粒体NADPH水平的降低会抑制胶原蛋白的合成,而细胞实验也验证了作者的推测。在此基础上,作者对特发性肺纤维化 (idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)这一疾病模型展开了探究, 他们发现IPF患者肺部NADK2的表达量与肺部纤维化呈现出明显的正相关性。
最后,总结一下。2015年两篇背靠背的Cell 文章揭示了电子呼吸传递链(ETC)主要生理功能是去促进非必需氨基酸aspartate的生物合成【4,5】,而在这项研究当中,Craig B. Thompson研究团队揭示了线粒体内NADPH主要生理功能是去促进非必需氨基酸proline的生物合成,这些“颠覆性”的研究发现打破了我们对于细胞内经典代谢过程的认知局限。
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参考文献
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4. Birsoy, K., Wang, T., Chen, W.W., Freinkman, E., Abu-Remaileh, M., and Sabatini, D.M. (2015). An essential role of the mitochondrial electron transport chain in cell proliferation is to enable aspartate synthesis. Cell 162, 540–551.
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