Science| 低氧条件下的电子传递链最终受体——延胡索酸

撰文丨十一月

责编丨迦溆

编者按：2021年8月21日，MIT & 怀特黑德生物医学研究所 (Whitehead Institute for Biomedical Research) 发布正式声明，宣布David Sabatini不再与Whitehead研究所及霍华德休斯医学院（HHMI）存在任何关联。据悉，这一严厉制裁举措源于职场性骚扰指控，并经独立第三方调查属实，但与学术不端并不相关。然而David Sabatini作为代谢领域最杰出的科学家之一，其一举一动都受到学术界的关注。日前，Sabatini研究组（实际上目前已经解散，故近日这篇Science文章是有意让第一作者作为唯一通讯作者）在Science发表了一篇非常重要的工作，应该说是开辟了线粒体呼吸链电子传递新的路径、教科书式的工作，后续的生理病理意义还有很大的探索空间，业内多位学者高度评价并肯定了该工作，当然也为Sabatini目前的处境感到惋惜。

图1 线粒体呼吸作用电子传递链

线粒体呼吸作用电子传递链（Electron transport chain，ETC）中电子要持续进入并流过，然后最终落在电子受体上，哺乳动物中的终端电子受体（Terminal electron acceptor，TEA）是氧气（图1）。但是有研究表明，在氧气还原过程受阻时，复合物I 和二氢乳清酸脱氢酶DHODH（Dihydroorotate dehydrogenase）仍然能够将电子传递到ETC中。但是在低氧条件下电子传递到哪儿了，此过程是如何进行的还不甚清楚。

为了揭开上述问题的答案，美国怀特黑德生物医学研究所原David M. Sabatini组博士后Jessica B. Spinelli主导完成（Sabatini在推特上公开表示该工作的idea 100%是博后Jessica的）的题为Fumarate is a terminal electron acceptor in the mammalian electron transport chain，揭开了低氧条件下延胡索酸作为电子传递链的最终电子受体发挥作用的具体分子机制。需要提出的是，David M. Sabatini目前已经不再隶属于怀特黑德生物医学研究所和HHMI了，署名单位只有MIT，为了确保该工作仍有人担任通讯作者，第一作者Jessica B. Spinelli将为该工作进行负责。

电子通过多种酶发挥活性进入ETC，然后通过电子载体比如UQH2等在复合体之间进行传递和移动，并最终通过电子受体的还原退出ETC。经典的观点认为，在哺乳动物中氧气是唯一的最终电子受体。然而，在多种生理状态下，哺乳动物细胞都可以在低氧的环境中生存，同时也可以保持电子进入ETC确保多种生理活动的正常进行【1】。因此，电子传递链对氧气作为最终电子受体的依赖程度以及低氧条件下线粒体功能的正常维持可能存在其他的辅助因子。

为了探究氧还原的限制如何影响依赖电子输入到ETC的线粒体功能，作者们监测了DHODH的活性，DHODH是电子传递进入电子传递链所需要的酶之一。在使用复合物III抑制剂抗霉素阻止电子向氧气转移的情况下，作者们发现DHODH仍然能够将电子传递进入ETC之中。由于复合体IV对氧气有很高的亲和力，即使是在缺氧的条件下也仍然有部分活性，因此作者们敲除了复合体IV（COX4）或者复合体III（UQCRC2）关键组分，切断ETC中还原氧气的过程，发现DHODH活性的维持与细胞中氧气减少无关。因此，当氧气不能作为电子传递链的最终电子受体时，DHODH还能够维持电子输入到ETC中，说明一定存在一种其他的机制维持电子的流入。

为此，作者们想找到低氧情况下ETC中电子的命运。作者们发现在抗霉素处理、UQCRC2或者COX4敲除后，琥珀酸（Succinate）的水平显著提高。有研究表明，琥珀酸储蓄的增加可能是由于氧化还原反应阻塞的延胡索酸【2】。通过稳定的同位素示踪实验，作者们对细胞中的延胡索酸的还原进行监测，发现延胡索酸并非是缺氧状况下琥珀酸累积的主要来源，而是在氧化还原受限时会作为最终电子受体发挥作用。在缺氧条件下，延胡索酸减少有两种可能：其一，少量电子转移到亲电分子延胡索酸上，类似于活性氧的产生过程；另外一种可能性是琥珀酸脱氢酶（Succinate dehydrogenase，SDH）复合体的净逆转，使得延胡索酸的还原速率超过琥珀酸的氧化速率（图2）。通过基因敲除或者抗霉素处理后，作者们确认当电子不能转移到氧气时，是由于SDH复合物催化延胡索酸还原比催化琥珀酸氧化更多，说明是由于SDH活性净逆转影响了胞内延胡索酸的量发生变化。通过功能性的检测，作者们发现延胡索酸还原是维持核苷酸生物合成和缺氧细胞线粒体膜电位所必需的。

图2 延胡索酸在低氧条件下减少的可能原因

进一步地，为了在生理水平对延胡索酸还原的功能，作者们在1-20%的氧气浓度范围的小鼠体内组织进行了同位素的追踪，发现在20%氧气的情况下延胡索酸还原是检测不到的，但是当氧气含量低于3%的时候，延胡索酸的还原会持续增加。另外，作者们还发现不同的组织对于在生理氧气浓度条件下的组织利用延胡索酸作为最终电子受体的能力是不同的。肺脏、心脏、白色脂肪组织等极少可以检测到延胡索酸还原，而在肾脏、肝脏以及脑组织中则检测到了高水平的延胡索酸还原。因此，延胡索酸还原增加可能主要在有运动挑战的组织中具有较强的作用。

图3 工作模型

总的来说，该工作发现在低氧条件下，延胡索酸作为线粒体电子传递链中最终电子受体发挥作用的具体分子机制。这对于理解比如局部缺血、肥胖以及肿瘤等会造成组织缺氧的多种疾病的治疗会提供新的思考。癌症是一个特别有趣的领域，因为一些肿瘤在SDH复合物中有突变，同时肿瘤微环境是缺氧的，而ETC又在多方面支持肿瘤生长。因此，探究延胡索酸在低氧条件环境中与疾病的关系将会是很有前瞻性的新方向。

同期刊发了观点文章题为Short-circuiting respiration，对该工作进行了介绍，常氧条件下电子传递链将氧气作为最终电子传递链，当氧气受到限制的时候作者们发现电子会累积，电子通过琥珀酸脱氢酶逆转电子流动，从而由延胡索酸产生琥珀酸，确保低氧状况下电子传递链的稳定工作以及线粒体的功能。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi7495

制版人：十一

参考文献

1 Ast, T. & Mootha, V. K. Oxygen and mammalian cell culture: are we repeating the experiment of Dr. Ox? Nature metabolism 1, 858-860, doi:10.1038/s42255-019-0105-0 (2019).

2 Mullen, A. R. et al. Reductive carboxylation supports growth in tumour cells with defective mitochondria. Nature 481, 385-388, doi:10.1038/nature10642 (2011).

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