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NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，辅酶I）及其还原形式NADH是细胞内参与能量代谢的重要氧化还原辅酶，在氧化还原反应中，NADH和NAD+可分别作为氢和电子的供体和受体，调节呼吸作用、光合作用、酒精代谢等生理过程，并能够相互转化。细胞内NADH:NAD+比值升高（即“还原性应激”）会引起线粒体电子传递链(electron transport chain，ETC)功能障碍等病理反应，维持适当的NADH:NAD+比例对包括能量代谢、钙稳态、细胞死亡和增殖等在内的许多胞内基础代谢过程至关重要【1,2】。因此，以NADH:NAD+为靶标，开发新的治疗氧化还原失调相关疾病的药物，是目前制药行业面临的一个挑战。
近日，美国科学院院士、HHMI研究员、哈佛大学医学院教授Vamsi K. Mootha （2004年麦克阿瑟天才奖得主）团队在 Nature Biotechnology杂志发表了题为“An engineered enzyme that targets circulating lactate to alleviate intracellular NADH:NAD+ imbalance” 的Letter文章，作者开发了一种新的工程酶LOXCAT，该工程酶能通过直接控制胞外乳酸-丙酮酸平衡来调节细胞内NADH:NAD+比例，以此缓解生物体内的氧化还原失衡。
为开发新的针对细胞内氧化还原失衡的治疗策略，作者提出可以直接靶向与胞内氧化还原反应偶联的可渗透血液代谢物，以此间接调节组织氧化还原稳态。作为NADH:NAD+比例的主要决定因素，乳酸脱氢酶（LDH，lactate dehydrogenase）在催化NADH氧化为NAD+的同时，能够将两个电子从NADH转移到丙酮酸生成乳酸，细胞内NADH:NAD+比值与循环乳酸:丙酮酸比值接近平衡【3】。作者因此推测，通过将细胞外乳酸氧化为丙酮酸，可以缓解还原性应激。为验证该假说，作者设计了一种细菌乳酸氧化酶(LOX)和过氧化氢酶(CAT)的融合物——LOXCAT，它能不可逆地把乳酸和氧气转化为丙酮酸和水。将纯化的LOXCAT加入到电子传递链缺陷型细胞中，可以显著降低细胞外乳酸:丙酮酸比值，细胞内NADH:NAD+比例也能恢复正常，且不会产生有害的代谢副产物。外源性丙酮酸钠疗法虽然可以通过非酶促氧化脱羧反应清除H2O2，但会进一步增加线粒体功能障碍发生时的乳酸负担【4】，而LOXCAT的优越性体现为其在维持细胞外丙酮酸水平的同时，并不会伴随乳酸浓度的升高。此外，LOXCAT能够通过上调NADH:NAD+比例来促进3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH，glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase）的反应，促进ETC功能障碍细胞中糖酵解过程，并能恢复线粒体功能障碍病人的成纤维细胞增殖。
随后，作者在小鼠中验证了LOXCAT是否在体内条件下同样具有缓解氧化还原失衡的功能。首先，作者发现尾静脉注射LOXCAT能够降低小鼠体内循环乳酸:丙酮酸比值，但该酶在体内的半衰期较短。作者将白蛋白结合肽(albumin-binding peptide，ABP)融合到LOXCAT的N端构建了ABP-LOXCAT，在保证酶活性的前提下，提高了LOXCAT的半衰期。二甲双胍（metformin）是一种线粒体复合物I抑制剂，处理小鼠会导致急性线粒体功能障碍。作者发现ABP-LOXCAT能够有效减弱这种由二甲双胍引起的心脏和大脑内NADH:NAD+比例的升高，维持了心脏和大脑的氧化还原反应平衡。
简而言之，作者在本研究中开发了一种新的工程酶LOXCAT，LOXCAT能通过直接控制细胞外乳酸和丙酮酸水平来缓解细胞和组织内氧化还原失衡。虽然之前研究中已普遍将循环乳酸:丙酮酸比值作为组织氧化还原状态的标志性指标，但本研究进一步证明该指标同样是一种效应物，即直接操纵循环乳酸:丙酮酸比值可以恢复心脏和大脑等器官的NADH:NAD+平衡。本研究为通过靶向氧化还原偶联代谢物最终缓解胞内氧化还原失衡的工程酶注射疗法奠定了基础。
https:///10.1038/s41587-019-0377-7
1. Vafai, S. B. & Mootha, V. K. Mitochondrialdisorders as windows into an ancient organelle. Nature 491, 374–383 (2012).
2. Thompson Legault, J. et al. A metabolic signatureof mitochondrial dysfunction revealed through a monogenic form of Leighsyndrome. Cell Rep. 13, 981–989 (2015).
3. Tilton, W. M., Seaman, C., Carriero, D. &Piomelli, S. Regulation of glycolysis in the erythrocyte: role of thelactate/pyruvate and NAD/NADH ratios. J. Lab.Clin. Med. 118, 146–152 (1991).
4. Fujii, T. et al. Efficacy of pyruvate therapy inpatients with mitochondrial disease: a semi-quantitative clinical evaluationstudy. Mol. Genet. Metab. 112, 133–138 (2014).
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