Defects in mitochondrial energetic function compels Fanconi Anaemia cells to glycolytic metabolism

線粒體能量功能缺陷迫使范可尼貧血細胞轉向糖酵解代謝

來源：BBA- Molecular Basis of Disease, Volume 1863, 2017, Pages 1214-1221

《BBA-分子疾病基礎》，第1863卷，2017年，第1214-1221頁

 

摘要

這篇論文研究了范可尼貧血（FA）細胞能量代謝的缺陷，特別是線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）功能受損如何導致細胞轉向糖酵解代謝。FA是一種遺傳性疾病，特征包括骨髓衰竭和癌癥易感性，與DNA修復缺陷和氧化應激相關。研究發現，FA細胞中線粒體復合物I到III的電子傳遞受損，降低了OXPHOS效率，但糖酵解通量增加以補償能量不足。同時，谷氨酰胺分解途徑減弱。強制FA細胞使用OXPHOS代謝會增加氧化應激和線粒體膜去極化，表明糖酵解是一種保護性適應機制。這項工作首次系統探討了FA能量代謝， linking這些缺陷 to骨髓衰竭。

 

研究目的

研究目的是探究FA細胞能量代謝的缺陷，特別是理解在OXPHOS受損的情況下，FA細胞如何通過替代代謝途徑（如糖酵解）產生ATP來維持細胞功能。同時，研究旨在揭示這些代謝變化與FA病理生理學（如骨髓衰竭）之間的關聯，為潛在治療策略提供見解。

 

研究思路

研究思路包括使用FA細胞系（Fanc-A淋巴oblast細胞），與野生型（Wt）和基因糾正的FA細胞（FA-corr）進行比較。通過測量氧消耗（使用丹麥Unisense電極）、ATP/AMP水平、糖酵解和TCA循環酶活性、乳酸釋放、NADH/NAD+比率以及氧化應激指標（如ROS和MDA），評估代謝狀態。使用藥物調制代謝，如rotenone（復合物I抑制劑）、antimycin A（復合物III抑制劑）、DCA和galactose（OXPHOS增強劑），以模擬代謝壓力。研究還通過Western blot分析AMPK磷酸化水平，以評估能量感應通路。

 

測量的數據及研究意義

1 氧消耗測量：使用Unisense電極測量細胞呼吸。數據顯示FA細胞基礎氧消耗低于對照組，對pyruvate+malate（激活復合物I-III-IV通路）的反應弱，但對succinate（激活復合物II-III-IV通路）的反應增強。這些數據來自Fig.1和Table 1。研究意義：表明FA細胞線粒體復合物I-III通路受損，但復合物II-IV通路代償性激活，揭示了OXPHOS缺陷的具體機制，為代謝重組提供證據。

 

 

2 ATP和AMP水平：FA細胞顯示ATP濃度降低，AMP積累，ATP/AMP比率下降。數據來自Fig.2。研究意義：反映FA細胞能量狀態失衡，OXPHOS缺陷導致ATP生產不足，觸發AMPK激活以刺激替代能量途徑如糖酵解。

 

 

3 糖酵解酶活性和乳酸釋放：HK、PFK、PK和LDH活性在FA細胞中增加，乳酸釋放升高。數據來自Fig.4。研究意義：證實FA細胞依賴糖酵解作為主要能量來源，糖酵解通量增加有助于維持NAD+/NADH平衡，但能量效率低，可能與細胞未成熟狀態相關。

 

4 氧化應激指標：FA細胞基礎ROS和MDA水平升高，線粒體膜去極化增加。強制使用OXPHOS（如DCA處理）進一步加劇氧化應激。數據來自Fig.6。研究意義：表明OXPHOS缺陷導致氧化應激積累，強制代謝切換會損害細胞健康，這可能與FA中造血干細胞耗竭和骨髓衰竭相關。

 

 

結論

論文得出結論：FA細胞由于線粒體OXPHOS缺陷（特別是復合物I-III通路受損），被迫依賴糖酵解作為主要能量來源。這種代謝轉換是一種適應性反應，以維持細胞存活，但能量效率低，且強制回歸OXPHOS會增加氧化應激，可能導致造血干細胞在分化過程中耗竭，與FA的骨髓衰竭病理相關。研究強調了代謝缺陷在FA疾病機制中的核心作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的氧消耗數據提供了FA細胞線粒體呼吸功能的直接證據。測量顯示，FA細胞基礎氧消耗降低，且對pyruvate+malate（激活復合物I通路）的反應微弱，但對succinate（激活復合物II通路）的反應增強，這表明復合物I-III電子傳遞鏈特異性受損，而復合物II-IV通路代償性上調。這種測量方法的高靈敏度允許定量檢測細微的呼吸變化，揭示了FA細胞線粒體功能的不平衡。研究意義在于：Unisense電極的數據證實了OXPHOS缺陷的分子基礎，支持代謝重組假說，即FA細胞通過增強糖酵解來補償線粒體功能障礙。此外，這種實時呼吸測量有助于理解代謝適應性在疾病進展中的作用，為靶向代謝通路治療FA提供了理論依據。例如，強制FA細胞使用OXPHOS會加劇氧化應激，提示任何干預策略需謹慎避免破壞代謝平衡。