Cell | 維生素B3：拯救致命神經(jīng)發(fā)育疾病的“神奇營(yíng)養(yǎng)素”

在19世紀(jì)末，維生素缺乏癥曾是威脅人類健康的重大隱患，催生了“維生素獵人”時(shí)代的到來(lái)。如今，維生素補(bǔ)充劑隨手可得，但我們卻面臨一個(gè)新問(wèn)題：哪些遺傳疾病恰好可以通過(guò)特定維生素來(lái)治療？這個(gè)看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題，卻一直缺乏系統(tǒng)性的解答。營(yíng)養(yǎng)素與基因之間的交互作用構(gòu)成了人體健康的微觀基礎(chǔ)，而維生素作為關(guān)鍵的酶輔因子，其在特定遺傳背景下的治療潛力亟待挖掘。

近日，發(fā)表在《Cell》期刊上的研究中，美國(guó)格拉德斯通研究所和Arc研究所的Isha H. Jain團(tuán)隊(duì)完成了題為《Vitamin B2 and B3 nutrigenomics reveals a therapy for NAXD disease》的研究，建立了一種營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)篩選框架，系統(tǒng)性地鑒定出可通過(guò)維生素B2和B3治療的遺傳疾病。

研究團(tuán)隊(duì)首先在K562細(xì)胞中進(jìn)行全基因組CRISPR篩選，在不同維生素B2和B3濃度條件下培養(yǎng)敲除細(xì)胞庫(kù)，通過(guò)MAGeCK算法確定哪些基因敲除導(dǎo)致細(xì)胞在維生素缺乏條件下適應(yīng)性下降，而高濃度維生素能夠挽救這一表型。將篩選結(jié)果與已知單基因疾病數(shù)據(jù)庫(kù)交叉比對(duì)后，研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種可能對(duì)維生素B2或B3補(bǔ)充治療響應(yīng)的疾病基因。

在維生素B2篩選中，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了已知的核黃素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC52A2和FAD合成酶FLAD1，其突變分別導(dǎo)致Brown-Vialetto-Van Laere綜合征和核黃素反應(yīng)性代謝性肌病。更有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)GPX4缺乏對(duì)維生素B2濃度高度敏感——使用GPX4抑制劑RSL3處理細(xì)胞后，細(xì)胞存活率強(qiáng)烈依賴B2水平。在神經(jīng)元特異性GPX4敲除小鼠模型中，維生素B2缺乏飲食加速了運(yùn)動(dòng)功能衰退，表明B2水平可修飾GPX4相關(guān)疾病的嚴(yán)重程度。

轉(zhuǎn)向維生素B3篩選，NAXD成為最引人注目的候選基因。NAXD編碼一種“校對(duì)酶”，可將有毒的NADHX代謝物轉(zhuǎn)化回NADH。研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了Naxd敲除小鼠模型，這些小鼠出生時(shí)看似正常，但迅速出現(xiàn)生長(zhǎng)遲滯，出生后0-5天內(nèi)死亡。病理分析顯示，敲除小鼠大腦皮層和紋狀體區(qū)域出現(xiàn)神經(jīng)炎癥和細(xì)胞死亡，皮膚也出現(xiàn)鱗屑樣表型。代謝物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，所有檢測(cè)組織中各種形式的NADHX顯著積累，而在對(duì)照組織中幾乎檢測(cè)不到。值得注意的是，只有在出現(xiàn)明顯病理表現(xiàn)的腦和皮膚組織中，NAD(H)顯著耗竭。

為回答膳食維生素B3是否能改變NAXD疾病進(jìn)程，研究人員進(jìn)行了飲食干預(yù)實(shí)驗(yàn)。將雜合子交配的孕鼠置于維生素B3缺乏飲食后，約70只后代中未觀察到任何敲除小鼠出生，提示子宮內(nèi)死亡。相反，從出生當(dāng)天開(kāi)始每日腹腔注射大劑量維生素B3（750毫克/公斤），敲除小鼠與對(duì)照小鼠幾乎無(wú)法區(qū)分，壽命延長(zhǎng)超過(guò)40倍，體重、神經(jīng)病理學(xué)等各項(xiàng)指標(biāo)均得到顯著改善。

半靶向代謝組學(xué)分析揭示，Naxd敲除小鼠腦中絲氨酸和磷酸絲氨酸顯著耗竭，血漿中絲氨酸水平同樣降低。絲氨酸生物合成的限速酶PHGDH正是NAD依賴酶，其突變臨床表現(xiàn)與NAXD疾病相似。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，NADHX可直接抑制PHGDH活性，且呈劑量依賴性。空間代謝組學(xué)顯示，維生素B3治療后，全腦范圍內(nèi)環(huán)狀A(yù)DP-核糖、絲氨酸和谷胱甘肽水平得到恢復(fù)。

單核RNA測(cè)序分析揭示了腦內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞是NAXD缺乏中最受影響的細(xì)胞類型，這些細(xì)胞表現(xiàn)出絲氨酸生物合成通路的上調(diào)和ATF4介導(dǎo)的整合應(yīng)激反應(yīng)激活。內(nèi)皮細(xì)胞還呈現(xiàn)強(qiáng)烈的凋亡信號(hào)特征，而每日維生素B3治療幾乎完全恢復(fù)了這些轉(zhuǎn)錄變化。從原代腦內(nèi)皮細(xì)胞的代謝組學(xué)分析也證實(shí)了絲氨酸、谷胱甘肽和核苷酸等一碳代謝相關(guān)代謝物的耗竭。

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