Evaluation of energy metabolism and calcium homeostasis in cells affected by Shwachman-Diamond syndrome

Shwachman-Diamond綜合征細胞中能量代謝和鈣穩態的評估

來源：Scientific Reports, Volume 6, 2016, Article number 25441

《科學報告》，第6卷，2016年，文章編號25441

 

摘要：

這篇論文的摘要討論了Shwachman-Diamond綜合征（SDS）細胞中能量代謝和鈣穩態的評估。SDS是由SBDS基因突變引起的罕見遺傳性骨髓衰竭和癌癥易感綜合征。SDS細胞顯示核糖體生物合成和蛋白質合成改變，這些是高能耗過程。研究發現SDS細胞存在Complex IV活性受損，導致氧化磷酸化代謝缺陷，ATP產生減少，糖酵解率增加以補償能量應激。還觀察到AMPK超磷酸化、mTOR磷酸化增加和細胞內鈣濃度升高。亮氨酸治療可以恢復正常代謝表型，可能作為治療佐劑。

 

研究目的：

本研究旨在表征SDS細胞的能量代謝和呼吸譜，以及調節這些過程的生化途徑。具體目的是評估SDS細胞中能量生產缺陷的機制，包括氧化磷酸化、糖酵解、氧化應激和鈣穩態的變化，并探索亮氨酸治療的潛在作用。

 

研究思路：

研究采用SDS患者的淋巴細胞和淋巴母細胞系，通過比較野生型、SDS突變型和基因校正細胞，評估能量代謝參數。思路包括測量ATP/AMP比率、氧消耗、呼吸復合體活性、糖酵解標志物、氧化應激產物和細胞內鈣濃度。使用Western blot分析信號通路（如AMPK和mTOR磷酸化），并通過亮氨酸治療驗證代謝恢復。基因校正實驗驗證SBDS蛋白的作用。

 

測量的數據及研究意義：

1 ATP/AMP比率數據：來自圖1A和1B。SDS細胞的ATP/AMP比率顯著降低，顯示能量生產缺陷。研究意義是直接證明SDS細胞存在能量應激，ATP減少和AMP積累，為代謝缺陷提供量化證據。

 

2 氧消耗數據：來自圖1C-1E。SDS細胞在丙酮酸/蘋果酸或琥珀酸刺激下氧消耗降低，表明OXPHOS受損。研究意義是揭示呼吸鏈功能障礙，特別是Complex IV活性缺陷，鏈接到能量生產不足。

3 Complex IV活性數據：來自圖1G。SDS細胞Complex IV活性顯著降低，基因校正后恢復。研究意義是識別特異性呼吸鏈缺陷，表明SBDS蛋白與線粒體功能相關。

4 糖酵解數據：來自圖2A。SDS細胞乳酸產生增加，顯示糖酵解激活。研究意義是證明細胞通過替代途徑補償能量缺陷，強調代謝重編程。

 

5 氧化應激數據：來自圖2B。SDS細胞MDA水平升高，表明脂質過氧化。研究意義是連接能量代謝缺陷與氧化損傷，可能貢獻細胞病理。

6 信號通路數據：來自圖3。SDS細胞顯示AMPK和mTOR磷酸化增加，表明能量應激響應異常。研究意義是揭示 aberrant 信號通路激活，可能影響細胞增殖和存活。

 

7 鈣濃度數據：來自表1。SDS細胞內鈣濃度升高，表明鈣穩態失調。研究意義是提示鈣信號可能參與代謝調節和細胞應激響應。

 

8 亮氨酸治療數據：來自圖4和5。亮氨酸恢復ATP/AMP比率、氧消耗和Complex IV活性，降低鈣濃度和氧化應激。研究意義是證明亮氨酸可能逆轉代謝缺陷，為治療提供依據。

 

 

 

結論：

本研究得出結論，SDS細胞存在能量應激和呼吸缺陷，主要由于Complex IV活性受損導致OXPHOS功能障礙，ATP產生減少。細胞通過激活AMPK和糖酵解補償，但mTOR通路異常激活可能加劇失衡。鈣穩態失調可能起關鍵作用。亮氨酸治療能恢復代謝表型，表明靶向能量代謝可能改善SDS病理。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極（安培電極，Unisense A/S, Denmark）測量氧消耗數據的研究意義在于提供高精度、實時的細胞呼吸率量化。電極在25°C封閉腔中測量細胞氧消耗，使用底物如丙酮酸/蘋果酸或琥珀酸刺激呼吸鏈。數據直接顯示SDS細胞OXPHOS受損（圖1C-1E），為能量代謝缺陷提供直接實驗證據。這種測量方法能區分不同呼吸鏈途徑的貢獻，確認Complex IV特異性缺陷，增強了對SDS病理機制的理解。Unisense電極的高靈敏度允許檢測細微的呼吸變化，支持了亮氨酸治療的恢復效果驗證，為臨床轉化研究提供了可靠工具。