2021年7月15日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉实验室在Cell Metabolism在线发表题为Glycerol-3-phosphate biosynthesis regenerates cytosolic NAD+ to alleviate mitochondrial disease的文章，揭示了一条进化上保守的NAD⁺再生通路Glycerol-3-phosphate (Gro3P) biosynthesis，并为复合物I缺失导致的神经退行性疾病提供了治疗靶点。

Gro3P biosynthesis是进化上保守的NAD⁺再生通路

作者对人基因组中NAD+依赖的代谢酶及其反应做了系统分析挑选出8条潜在的NAD+再生通路。由于以酵母和线虫为代表的低等生物可以承受相当严重的呼吸链损毁（酵母甚至可以在无氧（无呼吸）环境中生长），提示它们能够有效再生NAD⁺，作者进一步考察了候选通路在酵母中的保守性，最后挑选出了3条进化上保守的通路。通过实验验证，作者发现糖酵解的一条旁侧通路Gro3P（glycerol-3-phosphate，3-磷酸甘油）biosynthesis是真正重要的NAD⁺再生通路（图2）。

Gro3P biosynthesis在酵母、线虫、人类肿瘤细胞和小鼠肝脏中都存在且在呼吸链被抑制后大幅增强。呼吸链缺失的酵母和线虫能够正常增值和存活，在二者里敲除Gro3P 合成酶导致合成致死。敲除Gro3P 合成酶的肿瘤细胞在体外培养条件和体内肿瘤移植实验中都表现出对缺氧和复合物I抑制剂metformin的高度敏感。与之类似，小鼠肝脏也利用Gro3P biosynthesis来拮抗呼吸链抑制；在肝脏特异敲除Gro3P合成酶后，小鼠在呼吸链抑制剂处理时表现出更严重的代谢紊乱（图2）。

增强Gro3P biosynthesis拮抗复合物I 缺失并治疗复合物I缺失导致的神经退行性疾病

肿瘤细胞虽然有Gro3P biosynthesis能力，但无法像酵母一样在呼吸链缺失后还能正常生长，一般表现为极缓慢生长。作者意外发现在肿瘤细胞中增强Gro3P biosynthesis会导致细胞在复合物I缺失或抑制时，可以像正常细胞一样生长（图3）。进一步研究发现增强Gro3P biosynthesis激活了Gro3P shuttle，可以绕过复合物I把胞质NADH的电子传递给呼吸链。该意料之外的结果为后续复合物I相关疾病研究打开了一扇大门。

图3.增强Gro3P shuttle可以挽救呼吸链复合物I缺失细胞的代谢与生长。在呼吸链复合物I缺失（NDUFS2-KO）细胞中，过表达cGPD (GPD1/1L)可以增强Gro3P synthesis，激活GPD2介导的Gro3P shuttle, 把电子绕过复合物I传递给呼吸链，从而恢复代谢和细胞生长。GPD1-K204A和GPD1L-K206A为失活型突变体。

线粒体复合物I缺失是影响人数最多的线粒体疾病，通常导致神经炎症和神经元死亡，由于控制运动的核团受损，病人和小鼠模型常死于呼吸衰竭【2】。作者进一步发现Gro3P biosynthesis通路在人和小鼠的神经系统表达都很弱。基于此，作者用AAV在Ndufs4^-/-小鼠（复合物I缺失的Leigh syndrome模型）神经系统中过表达Gro3P合成酶GPD1，发现可以激活Gro3P shuttle，显著抑制神经炎症，挽救小鼠运动缺陷和延长小鼠寿命（图4）。

值得一提的是，呼吸链复合物I亚基由核DNA和mtDNA共同编码，mtDNA编码的复合物I亚基ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5, ND6都会发生突变导致Leber’s Heredity Optic Neuropathy (成人视神经退行性疾病) ，MELAS, Leigh syndrome, MERRF(儿童神经退行性疾病)等恶性疾病。由于目前无法用回补或修复损坏基因的方法来治疗mtDNA突变，用小分子或AAV基因治疗手段增强Gro3P biosynthesis为mtDNA突变引起的复合物I缺失疾病提供了潜在的治疗方案。该研究相关发明已申请国际专利。

该研究的第一作者是蒋辉实验室刘珊珊博士，其他作者包括蒋辉实验室傅松，曹钰，李兰兰博士，杨俊；王国栋（刘清华实验室）和刘清华博士；李雪梅博士（董梦秋实验室）和董梦秋博士；代谢中心马燕博士，曹杨，单雅兵等。蒋辉博士为本文通讯作者。