颠覆认知—线粒体内NADPH的主要生理功能是促进脯氨酸的生物合成

撰文丨胡小话

责编丨酶美

NADP+与NADPH之间的相互转化在细胞内的还原代谢以及氧化还原稳态中扮演着十分重要的角色。由于NADP+和NADPH不能跨过胞内的膜结构，因此细胞内的NADP(H)是区隔化的【1】。在胞浆和线粒体当中，有一组同工酶（NADK1和NADK2）分别来催化NAD(H)生成NADP(H)。目前研究的比较清楚的是，胞浆中的NADPH是脂肪酸以及还原性谷胱甘肽（GSH）合成的重要底物，而线粒体内的NADPH则参与到很多重要生物合成代谢当中【2】。至于NADPH是否具有一些其他未知的生物学功能仍有待进一步探索。

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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原文链接：

https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abd5491

参考文献

1. R. P. Goodman, S. E. Calvo, V. K. Mootha, Spatiotemporal compartmentalization of hepatic NADH and NADPH metabolism. J. Biol. Chem. 293, 7508–7516 (2018).

2. 3. K. Ohashi, S. Kawai, K. Murata, Identification and characterization of a human mitochondrial NAD kinase. Nat. Commun. 3, 1248 (2012).

3. S. Schwörer, M. Berisa, S. Violante, W. Qin, J. Zhu, R. C. Hendrickson, J. R. Cross, C. B. Thompson, Proline biosynthesis is a vent for TGFβ-induced mitochondrial redox stress. EMBO J. 39, e103334 (2020)

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.

5. Sullivan, L.B., Gui, D.Y., Hosios, A.M., Bush, L.N., Freinkman, E., and Vander Heiden, M.G. (2015). Supporting aspartate biosynthesis is an essential function of respiration in proliferating cells. Cell 162, 552–563.