光合作用助力增強哺乳動物細胞合成代謝功能

 

細胞內合成代謝不足 (表征為細胞內 ATP 和 NADPH 缺乏) 是參與體內許多病理過程的關鍵因素。細胞內物質的合成代謝需要消耗足夠的 ATP,并依賴 NADPH (還原型輔酶 Ⅱ) 為合成代謝提供還原能量的關鍵電子供體。
三羧酸 (TCA) 循環(huán)是大多數哺乳動物細胞中產生 ATP 的主要能量代謝過程。然而，針對 TCA 循環(huán)的干預措施并不能糾正病理條件下 ATP 供應失調的情況。TCA 循環(huán)涉及各種代謝網絡，僅通過遞送特定因子以改變其固有途徑可能會導致細胞死亡，并且，直接提供外源性 ATP 對細胞代謝影響不大。
NADPH 可以為合成反應和氧化還原平衡提供還原力。細胞 NADPH 水平通過多種代謝途徑 (磷酸戊糖途徑、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代謝) 的產生和利用來調節(jié)。然而，直接干預這些途徑可能導致細胞代謝失衡，不可控的 NADPH 供應會導致超氧化物的產生，從而又造成氧化應激。此外，NADPH 也很昂貴。
簡言之，在病理條件下，很難將不足的 ATP 和 NADPH 水平增加至最佳濃度。因此，構建一個可控并且獨立的 ATP 和 NADPH 自我供應系統(tǒng)，對增強細胞合成代謝來說尤為重要。

基于 NTUs 的植物源天然光合系統(tǒng)

 

今年 12 月 7 日，Nature 在線發(fā)表了名為 “A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism” 的研究性論文。該研究開發(fā)了一種獨立且可控的、基于納米類囊體單元 (NTUs) 的植物源天然光合系統(tǒng)。將NTUs 用軟骨細胞膜 (CM) 包裝后遞送入軟骨細胞內，CM-NTUs 在暴露于光后原位增加細胞內 ATP 和 NADPH 水平，并改善退化軟骨細胞的合成代謝。它們還可以系統(tǒng)地糾正能量失衡，改善了小鼠軟骨穩(wěn)態(tài)并防止骨關節(jié)炎的病理進展。該天然光合系統(tǒng)成功實現了跨物種應用，能有效增強哺乳動物細胞的合成代謝功能，并在治療退行性疾病方面表現出良好的臨床潛力。

■ NTUs 生產 ATP 和 NADPH

作者團隊首先對 NTUs 進行分析。蛋白質組學結果顯示，NTUs 保留了類囊體膜表面光合作用所需的所有蛋白質組分 (圖 1a)。基因本體 (GO) 細胞組分分析表明，NTUs 能在光照后催化 ADP 產生ATP，并催化依賴于光的 NADP⁺ 還原為 NADPH (圖 1b)。為驗證上述結果，作者測量了分離的 NTUs 中 D1 和 D2 蛋白隨時間推移的豐度變化。如圖 1c 所示，D1 和 D2 蛋白，在光照下 (8-16 小時內) 完全降解，在黑暗條件下 (5-7 天內) 幾乎完全降解。

小貼士：D1 和 D2 蛋白是植物光合作用重要復合體 PSII 的核心亞基蛋白，能夠進行光合作用。

隨后測量了 NTUs 的 ATP 生產能力隨時間的變化。結果表明，NTUs 產生 ATP 的能力在光照 16 小時后或在黑暗中儲存 7 天后顯著下降 (圖 1d-e)。簡言之，在光照和黑暗條件下 NTUs 產生 ATP 能力的變化與蛋白質降解變化水平一致。

 

■ 如何跨物種應用 NTUs？

NTUs 雖能生產 ATP 和 NADPH，但如何有效避免哺乳動物細胞的體內清除和免疫排斥呢？作者認為使用特定的成熟細胞膜作為偽裝，可能是將光合系統(tǒng)植入并逃避跨物種清除的有效策略。

因此，該研究使用軟骨細胞膜 (chondrocyte membrane, CM) 來封裝 NTUs，以制備 CM-NTUs。結果表明，這些 CM-NTUs 可通過膜融合進入軟骨細胞，避免溶酶體降解并實現快速滲透 (圖 2)。

小貼士：骨關節(jié)炎 (Osteoarthritis) 是一種常見的退行性疾病，由于軟骨細胞的能量代謝失衡導致關節(jié)軟骨破壞。病理性軟骨細胞表現出 ATP 和 NADPH 耗竭，以及活性氧 (ROS) 和細胞外基質 (ECM) 降解相關蛋白的產生增加。目前骨關節(jié)炎的生物治療還無法系統(tǒng)性地糾正損傷退變軟骨細胞的代謝失衡。

 

圖 2. 包膜納米類囊體單位 (CM-NTUs) 示意圖

■ CM-NTUs 可改善細胞的合成代謝

• CM-NTUs 的使用優(yōu)化

作者首先在不同的光照條件下，將 IL-1β 處理 (誘導小鼠軟骨細胞的代謝障礙) 的軟骨細胞與 CM-NTUs 共孵育，以跟蹤細胞 ATP 和 NADPH 隨時間的變化。然后，調整光強度、光照時間和 CM-NTUs 中封裝的鐵氧還蛋白 (FDX) 濃度，以優(yōu)化實驗條件。
結果顯示，暴露于紅光 (80 µmol·m^-2·s^-1) 照射 30 分鐘并具有 25 µM FDX (遞送至細胞后稀釋至約 1.2 µM) 的 CM-NTUs，是佳實驗條件，并將其用于后續(xù)實驗。在這些條件下，CM-NTUs 恢復了細胞內 ATP 和 NADPH 水平，接近對照軟骨細胞中的水平 (圖 3a-c)。

小貼士：鐵氧還蛋白作為一種常見的電子載體，參與呼吸作用、光合作用、發(fā)酵等重要代謝過程。

 

a, 用 CM-NTUs 和紅光照射 (80 µmol·m^-2·s^-1) 處理不同時間的軟骨細胞 ATP 水平。b. 在不同光強度下，用 CM-NTUs 和紅光照射處理 30 min 的軟骨細胞 ATP 水平。c. 用具有不同包封鐵氧還蛋白 (FDX) 濃度的 CM-NTUs 處理的軟骨細胞的 NADPH 水平。

• NTUs 的使用壽命

通過測量光照和非光照細胞中 ATP 和 NADPH 水平隨時間的變化，以闡明細胞中 NTUs 的功能壽命 (圖 4)。

受光照的細胞中，ATP 和 NADPH 水平逐漸增加，在 1-2 小時達到峰值，然后由于細胞內 ADP 和 NADP⁺ 庫的耗盡而達到穩(wěn)定水平。8 h 后，ATP 和 NADPH 水平開始下降。到 32 小時，ATP 和 NADPH 水平與在非光照細胞中觀察到的相似。在非光照細胞中，CM-NTUs 對細胞 ATP 水平沒有影響。

小貼士：NADP⁺ 和 ADP 在光反應中可被還原成 NADPH 和 ATP。

研究結果還表明，由光合系統(tǒng)產生的 ROS 并沒有增加細胞內 ROS 總水平。此外，在含有 NTU 并經光照的退行性軟骨細胞中，細胞內 ROS 水平下降。

圖 4. 用 CM-NTU 培養(yǎng)的細胞 (有/無光照) 中 ATP (a) 和 NADPH (b) 水平隨時間的變化

• NTUs 對其他退行性疾病有效

為探索 NTUs 對其他退行性疾病的作用效果，該研究使用各種膜包覆的 NTU，并將其與相應的細胞 (肌肉衛(wèi)星細胞、髓核細胞、人臍靜脈內皮細胞) 進行培養(yǎng)。

結果顯示，光照組 ATP 和 NADPH 的濃度分別比未光照組增加 3.17-3.78 和 1.37-1.40 倍 (圖 5)。也即，光照后，上述細胞中的 ATP 和 NADPH 水平都得到增強。換言之，包裹成熟哺乳動物膜的 NTU 在暴露于光照后，能增強細胞的合成代謝功能 (不局限于軟骨細胞)。

圖 5. 包裹不同哺乳動物細胞膜的 NTUs 在相應的細胞中的所產生的 ATP (a, c, e) 和 NADPH (b, d, f) 水平。 肌肉衛(wèi)星細胞 (SCs)、髓核細胞 (NPCs) 和人臍靜脈內皮細胞 (HUVECs)。

 

綜上所述， NTU 可通過自然光合系統(tǒng)，有效改善細胞的合成代謝功能。

 

CM-NTU 重新規(guī)劃細胞合成代謝程序

 

為全面確定細胞代謝的變化，該研究對暴露在光線下的軟骨細胞進行轉錄組學分析。作者比較了 IL-1β + CM-NTU 組和 IL-1β 組的基因表達模式。結果顯示，IL-1β + CM-NTU 組表現出參與 TCA 循環(huán)和氧化磷酸化的基因表達上調，以及參與糖酵解和細胞外基質 (ECM) 降解的基因表達下調 (圖 6a)。
換言之，CM-NTU 重新驅動的代謝過程可系統(tǒng)地糾正退化軟骨細胞中能量 (糖酵解、TCA 循環(huán)和氧化磷酸化) 和物質 (膠原蛋白和糖胺聚糖) 代謝的失衡 (圖 6b)。
小貼士：細胞外基質 (ECM) 主要由膠原蛋白和糖胺聚糖組成，骨關節(jié)炎時難以再生。

 

CM-NTU 對骨關節(jié)炎小鼠模型有效

 

最后，該研究通過關節(jié)內注射 CM-NTUs 并進行光照，以評價其是否能抑制小鼠前交叉韌帶橫斷 (ACLT) 手術誘導的骨關節(jié)炎的進展。結果顯示，CM-NTUs 在光照后增加原位軟骨細胞內的 ATP 和 NADPH 水平，從而使膠原蛋白 (Col II) 和聚集蛋白聚糖含量增加，并在術后 12 周，有效抑制了軟骨下骨變形和骨贅的增生 (圖 7)。簡言之，CM-NTUs 可以促進軟骨穩(wěn)態(tài)，并防止動物骨關節(jié)炎的發(fā)生。

 

 

總結

作者構建了一個完全自然的光合系統(tǒng)，可以基于光照獨立促進細胞中 ATP 和 NADPH 的供應。最重要的是，該項研究利用膜包覆策略，證明了植物源性天然光合系統(tǒng)的跨物種移植的可行性和適用性，這為退行性疾病的治療打下堅實的基礎。
 

參考文獻

1. Chen P, et al. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism. Nature. 2022 Dec;612(7940):546-554.