線(xiàn)粒體氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）系統(tǒng)提供了人體內(nèi)大部分的5’三磷酸腺苷（adenosine 5’-triphosphate，ATP）。這一系統(tǒng)的缺陷屬于最常見(jiàn)的遺傳代謝性疾病，大多會(huì)使人很早就出現(xiàn)神經(jīng)退行性變，而且是致命的，遺憾的是對(duì)此我們還沒(méi)有有效的治療方法。Jain等提出，對(duì)于ATP有氧合成已經(jīng)有缺陷的人而言，限制病人的氧氣供應(yīng)或許是種治療辦法。這似乎不符合常理。那么Jain等人是怎么得出這一結(jié)論的呢？

OXPHOS過(guò)程中，在呼吸鏈上有4個(gè)酶復(fù)合體，它們把從碳水化合物、脂肪的氧化中獲得的電子傳遞給氧分子；第5個(gè)酶復(fù)合體利用這一過(guò)程產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)ATP合成。Jain等首先想要找到可能有助于治療OXPHOS障礙的基因靶點(diǎn)，為此，Jain等用規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列（CRISPR）-Cas9對(duì)在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的人類(lèi)細(xì)胞疾病模型進(jìn)行了全基因組篩選。

Jain等通過(guò)往培養(yǎng)基中加入抗霉素A模擬線(xiàn)粒體疾病。抗霉素A是呼吸鏈上其中一種酶復(fù)合體的抑制劑，在培養(yǎng)基中加入它后，細(xì)胞生長(zhǎng)變緩，并轉(zhuǎn)而開(kāi)始通過(guò)糖酵解滿(mǎn)足一部分自身對(duì)ATP的需求，此時(shí)，葡萄糖通過(guò)無(wú)氧酵解產(chǎn)生了乳酸。

隨后，Jain等開(kāi)展了基于CRISPR-Cas9的篩選，利用向?qū)NAs破壞大多數(shù)基因，這是為了找出由呼吸鏈缺陷導(dǎo)致的生長(zhǎng)表型背后的遺傳抑制因素。他們尋找著這些向?qū)NAs的富集，來(lái)看是什么讓細(xì)胞在抗霉素A的存在下得以存活，以此推理出到底是哪個(gè)或哪些基因可能是治療OXPHOS疾病的潛在靶點(diǎn)。令他們吃驚不已的是，大多數(shù)富集的RNAs都靶向VHL基因的不同編碼區(qū)。該基因編碼Von Hippel–Lindau（VHL）因子，這是一種E3泛素連接酶，在低氧反應(yīng)通路中扮演關(guān)鍵角色。

低氧反應(yīng)通路在所有多細(xì)胞生物中都很保守，由低氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）控制，這是一種轉(zhuǎn)錄因子，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)基因表達(dá)、以彌補(bǔ)環(huán)境中的低氧。被激活的基因包括：促紅細(xì)胞生成素（erythropoietin，EPO）——促進(jìn)紅細(xì)胞生成的一種因子、糖酵解酶、葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這些使無(wú)氧酵解的可能性大大增加；此外還有血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），其作用是促進(jìn)新血管的生長(zhǎng)。在含氧量正常的情況下，HIF-1α被脯氨酸羥化酶羥基化，這種酶的活性依賴(lài)于氧。VHL能夠識(shí)別出羥基化了的HIF-1α，對(duì)其進(jìn)行多聚泛素化修飾，讓蛋白酶體將之降解。在低氧時(shí)，脯氨酸羥化酶失活，穩(wěn)定的HIF-1α能夠轉(zhuǎn)移進(jìn)細(xì)胞核激活低氧反應(yīng)過(guò)程。Jain等給用呼吸鏈毒劑處理過(guò)的細(xì)胞加入了脯氨酸羥化酶抑制劑，這會(huì)激活低氧反應(yīng)通路，結(jié)果顯示細(xì)胞生長(zhǎng)率得到了改善。特別值得注意的是，這種治療使細(xì)胞耗氧量（oxygen consumption）減半，這很可能是由于丙酮酸脫氫酶激酶的活化延緩了丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)（三羧酸循環(huán)的化學(xué)反應(yīng)與呼吸鏈有關(guān)）。作者還發(fā)現(xiàn)，呼吸鏈缺陷的斑馬魚(yú)胚胎在VHL缺失或者在有脯氨酸羥化酶抑制劑的情況下，生存率得到了改善。

關(guān)鍵的一步實(shí)驗(yàn)是在Leigh綜合征（也稱(chēng)亞急性壞死性腦脊髓?。┬∈竽Ｐ蜕祥_(kāi)展的，這是一種早發(fā)、致命的神經(jīng)退行性疾病，是線(xiàn)粒體疾病患兒最常見(jiàn)的表現(xiàn)。這是一種生殖細(xì)胞系中Ndufs4被敲除的鼠模型，Ndufs4是構(gòu)成線(xiàn)粒體復(fù)合體I的一個(gè)亞單位，它的缺失會(huì)導(dǎo)致復(fù)合體I的活性整體上大大降低，但有意思的是，全身的氧耗并沒(méi)有降低。缺失Ndufs4的小鼠出現(xiàn)了類(lèi)似于Leigh綜合征的神經(jīng)病變；大多數(shù)在50天～60天大的時(shí)候就死了。由于Jain等在上面實(shí)驗(yàn)中用到的脯氨酸羥化酶抑制劑不能穿過(guò)血腦屏障，因此他們就想了個(gè)代替的辦法——低氧，并檢驗(yàn)了讓動(dòng)物長(zhǎng)時(shí)間低氧是否能改善神經(jīng)病變、增加存活率。他們選擇了人類(lèi)在高海拔地區(qū)比如安第斯山脈或喜馬拉雅山脈要經(jīng)歷的氧壓。這種氧壓激發(fā)了強(qiáng)烈的低氧反應(yīng)：EPO顯著增加、紅細(xì)胞比容增加了50%、多種低氧反應(yīng)酶被激活。盡管暴露于低氧并沒(méi)有改變復(fù)合體I的活性，但提高了存活率、糾正了力量和平衡缺陷、部分改善了自發(fā)活動(dòng)。小鼠在暴露于高氧時(shí)死得更快，表明氧本身就可能是“兇手”，但其中的機(jī)制還遠(yuǎn)未闡明。

盡管我們有理由認(rèn)為暴露于低氧以某種方式限制了Ndufs4缺陷鼠組織中的氧耗，但對(duì)此我們并沒(méi)有直接證據(jù)。無(wú)論野生型還是Ndufs4缺陷鼠，循環(huán)乳酸濃度在低氧時(shí)都降低，提示在限制氧的條件下，對(duì)無(wú)氧糖酵解的需求少了。在全身整體氧耗的基礎(chǔ)上，如果進(jìn)一步檢測(cè)這些小鼠不同組織具體從血液中攝取了多少氧將會(huì)提供更多有用的信息，因?yàn)檎鏙ain等用脯氨酸羥化酶抑制劑處理細(xì)胞的那個(gè)實(shí)驗(yàn)所提示的，低氧帶來(lái)的好轉(zhuǎn)可能僅僅是整體代謝率降低的結(jié)果。如果情況是這樣，那么就可以預(yù)測(cè)當(dāng)用藥物激活低氧反應(yīng)通路時(shí)，即便是在含氧量正常的條件下，那些被改變了基因的小鼠其表型也會(huì)得到顯著改善。這一想法也可以通過(guò)雜交Ndufs4缺陷鼠和低氧反應(yīng)通路穩(wěn)定激活的小鼠來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)。

Jain等對(duì)把他們的研究結(jié)果用于臨床持謹(jǐn)慎態(tài)度。慢性低氧在醫(yī)學(xué)上并不有利于健康，VHL的失功能突變也會(huì)使人易于罹患癌癥。而且，這項(xiàng)研究只是在單一動(dòng)物模型身上證實(shí)了低氧的有效性，至于氧要低到什么水平、持續(xù)多久對(duì)于緩解或控制病情是必要的，我們還并不清楚。盡管關(guān)于機(jī)制和潛在的不良反應(yīng)這些問(wèn)題還需要研究，但在線(xiàn)粒體疾病鼠模型身上令人震驚的反應(yīng)表明，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)這一領(lǐng)域的研究人員將產(chǎn)生巨大的吸引力。有線(xiàn)粒體疾病患兒的家庭，都迫不及待地想快點(diǎn)得到這些研究結(jié)果，因?yàn)槟壳八麄儙缀鯖](méi)什么治療方法可選。

參考文獻(xiàn)：Science