Nature 重磅 | 光合作用可增强哺乳动物细胞合成代谢功能
Nature 重磅 | 光合作用可增强哺乳动物细胞合成代谢功能
Nature最新研究开发了一种基于纳米类囊体单元(NTUs)的植物源天然光合系统，能够独立且可控地为哺乳动物细胞提供ATP和NADPH，成功实现了跨物种应用。该系统在治疗退行性疾病方面展现出良好的临床潜力。
细胞合成代谢的关键物质
细胞内合成代谢不足（表征为细胞内ATP和NADPH缺乏）是参与体内许多病理过程的关键因素。细胞内物质的合成代谢需要消耗足够的ATP，并依赖NADPH（还原型辅酶Ⅱ）为合成代谢提供还原能量的关键电子供体。
三羧酸（TCA）循环是大多数哺乳动物细胞中产生ATP的主要能量代谢过程。然而，针对TCA循环的干预措施并不能纠正病理条件下ATP供应失调的情况。TCA循环涉及各种代谢网络，仅通过递送特定因子以改变其固有途径可能会导致细胞死亡，并且，直接提供外源性ATP对细胞代谢影响不大。
NADPH可以为合成反应和氧化还原平衡提供还原力。细胞NADPH水平通过多种代谢途径（磷酸戊糖途径、脂肪酸氧化和谷氨酰胺代谢）的产生和利用来调节。然而，直接干预这些途径可能导致细胞代谢失衡，不可控的NADPH供应会导致超氧化物的产生，从而又造成氧化应激。此外，NADPH也很昂贵。
简言之，在病理条件下，很难将不足的ATP和NADPH水平增加至最佳浓度。因此，构建一个可控并且独立的ATP和NADPH自我供应系统，对增强细胞合成代谢来说尤为重要。
基于NTUs的植物源天然光合系统
今年12月7日，Nature在线发表了名为“A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism”的研究性论文。该研究开发了一种独立且可控的、基于纳米类囊体单元（NTUs）的植物源天然光合系统。将NTUs用软骨细胞膜（CM）包装后递送入软骨细胞内，CM-NTUs在暴露于光后原位增加细胞内ATP和NADPH水平，并改善退化软骨细胞的合成代谢。它们还可以系统地纠正能量失衡，改善了小鼠软骨稳态并防止骨关节炎的病理进展。该天然光合系统成功实现了跨物种应用，能有效增强哺乳动物细胞的合成代谢功能，并在治疗退行性疾病方面表现出良好的临床潜力。
NTUs生产ATP和NADPH
作者团队首先对NTUs进行分析。蛋白质组学结果显示，NTUs保留了类囊体膜表面光合作用所需的所有蛋白质组分（图1a）。基因本体（GO）细胞组分分析表明，NTUs能在光照后催化ADP产生ATP，并催化依赖于光的NADP+还原为NADPH（图1b）。为验证上述结果，作者测量了分离的NTUs中D1和D2蛋白随时间推移的丰度变化。如图1c所示，D1和D2蛋白，在光照下（8-16小时内）完全降解，在黑暗条件下（5-7天内）几乎完全降解。
小贴士：D1和D2蛋白是植物光合作用重要复合体PSII的核心亚基蛋白，能够进行光合作用。
随后测量了NTUs的ATP生产能力随时间的变化。结果表明，NTUs产生ATP的能力在光照16小时后或在黑暗中储存7天后显著下降（图1d-e）。简言之，在光照和黑暗条件下NTUs产生ATP能力的变化与蛋白质降解变化水平一致。
图1. NTUs的表征
a. NTUs中光合作用光反应相关蛋白质和光合作用电子传递链的示意图。FD: 铁氧还蛋白；PC: 质体蓝素；PSI: 光系统I；PSII: 光系统II；PQ: 质体醌。b. NTUs体外生产ATP和NADPH的能力。c. 在光照0-32小时（光强度80 µmol·m-2·s-1）或黑暗0-7天（室温）条件下，NTUs中D1和D2的丰度。d-e. 测定NTUs的ATP产量（d）在光照下（光强度80 µmol·m-2·s-1）0-32小时；（e）黑暗0-7天（室温）。
如何跨物种应用NTUs？
NTUs虽能生产ATP和NADPH，但如何有效避免哺乳动物细胞的体内清除和免疫排斥呢？作者认为使用特定的成熟细胞膜作为伪装，可能是将光合系统植入并逃避跨物种清除的有效策略。
因此，该研究使用软骨细胞膜（chondrocyte membrane, CM）来封装NTUs，以制备CM-NTUs。结果表明，这些CM-NTUs可通过膜融合进入软骨细胞，避免溶酶体降解并实现快速渗透（图2）。
小贴士：骨关节炎（Osteoarthritis）是一种常见的退行性疾病，由于软骨细胞的能量代谢失衡导致关节软骨破坏。病理性软骨细胞表现出ATP和NADPH耗竭，以及活性氧（ROS）和细胞外基质（ECM）降解相关蛋白的产生增加。目前骨关节炎的生物治疗还无法系统性地纠正损伤退变软骨细胞的代谢失衡。
图2. 包膜纳米类囊体单位（CM-NTUs）示意图
CM-NTUs可改善细胞的合成代谢
CM-NTUs的使用优化
作者首先在不同的光照条件下，将IL-1β处理（诱导小鼠软骨细胞的代谢障碍）的软骨细胞与CM-NTUs共孵育，以跟踪细胞ATP和NADPH随时间的变化。然后，调整光强度、光照时间和CM-NTUs中封装的铁氧还蛋白（FDX）浓度，以优化实验条件。结果显示，暴露于红光（80 µmol·m-2·s-1）照射30分钟并具有25 µM FDX（递送至细胞后稀释至约1.2 µM）的CM-NTUs，是佳实验条件，并将其用于后续实验。在这些条件下，CM-NTUs恢复了细胞内ATP和NADPH水平，接近对照软骨细胞中的水平（图3a-c）。
小贴士：铁氧还蛋白作为一种常见的电子载体，参与呼吸作用、光合作用、发酵等重要代谢过程。
图3. CM-NTUs在不同条件下恢复软骨细胞内的ATP、NADPH水平
a, 用CM-NTUs和红光照射（80 µmol·m-2·s-1）处理不同时间的软骨细胞ATP水平。b. 在不同光强度下，用CM-NTUs和红光照射处理30 min的软骨细胞ATP水平。c. 用具有不同包封铁氧还蛋白（FDX）浓度的CM-NTUs处理的软骨细胞的NADPH水平。
NTUs的使用寿命
通过测量光照和非光照细胞中ATP和NADPH水平随时间的变化，以阐明细胞中NTUs的功能寿命（图4）。
受光照的细胞中，ATP和NADPH水平逐渐增加，在1-2小时达到峰值，然后由于细胞内ADP和NADP+库的耗尽而达到稳定水平。8 h后，ATP和NADPH水平开始下降。到32小时，ATP和NADPH水平与在非光照细胞中观察到的相似。在非光照细胞中，CM-NTUs对细胞ATP水平没有影响。
小贴士：NADP+和ADP在光反应中可被还原成NADPH和ATP。
研究结果还表明，由光合系统产生的ROS并没有增加细胞内ROS总水平。此外，在含有NTU并经光照的退行性软骨细胞中，细胞内ROS水平下降。
图4. 用CM-NTU培养的细胞（有/无光照）中ATP（a）和NADPH（b）水平随时间的变化
NTUs对其他退行性疾病有效
为探索NTUs对其他退行性疾病的作用效果，该研究使用各种膜包覆的NTU，并将其与相应的细胞（肌肉卫星细胞、髓核细胞、人脐静脉内皮细胞）进行培养。
结果显示，光照组ATP和NADPH的浓度分别比未光照组增加3.17-3.78和1.37-1.40倍（图5）。也即，光照后，上述细胞中的ATP和NADPH水平都得到增强。换言之，包裹成熟哺乳动物膜的NTU在暴露于光照后，能增强细胞的合成代谢功能（不局限于软骨细胞）。
图5. 包裹不同哺乳动物细胞膜的NTUs在相应的细胞中的所产生的ATP（a, c, e）和NADPH（b, d, f）水平。肌肉卫星细胞（SCs）、髓核细胞（NPCs）和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）。
综上所述，NTU可通过自然光合系统，有效改善细胞的合成代谢功能。
CM-NTU重新规划细胞合成代谢程序
为全面确定细胞代谢的变化，该研究对暴露在光线下的软骨细胞进行转录组学分析。作者比较了IL-1β + CM-NTU组和IL-1β组的基因表达模式。结果显示，IL-1β + CM-NTU组表现出参与TCA循环和氧化磷酸化的基因表达上调，以及参与糖酵解和细胞外基质（ECM）降解的基因表达下调（图6a）。换言之，CM-NTU重新驱动的代谢过程可系统地纠正退化软骨细胞中能量（糖酵解、TCA循环和氧化磷酸化）和物质（胶原蛋白和糖胺聚糖）代谢的失衡（图6b）。
小贴士：细胞外基质（ECM）主要由胶原蛋白和糖胺聚糖组成，骨关节炎时难以再生。
图6. CM-NTU重新规划细胞合成代谢程序
a. 雷达图显示了IL-1β组和IL-1β + CM-NTU组中糖酵解、TCA循环、氧化磷酸化、氨基糖代谢、甘氨酸和丝氨酸代谢以及精氨酸、鸟氨酸和脯氨酸代谢的途径富集分数。b. 退化软骨细胞中CM-NTU重驱动的代谢过程示意图。
CM-NTU对骨关节炎小鼠模型有效
最后，该研究通过关节内注射CM-NTUs并进行光照，以评价其是否能抑制小鼠前交叉韧带横断（ACLT）手术诱导的骨关节炎的进展。结果显示，CM-NTUs在光照后增加原位软骨细胞内的ATP和NADPH水平，从而使胶原蛋白（Col II）和聚集蛋白聚糖含量增加，并在术后12周，有效抑制了软骨下骨变形和骨赘的增生（图7）。简言之，CM-NTUs可以促进软骨稳态，并防止动物骨关节炎的发生。
图7. 骨关节炎小鼠模型注射CM-NTUs后的关节变化术后12周时，关节切片的免疫组织化学染色（Col II和聚集蛋白聚糖）以及膝关节显微CT图像的矢状面图（第3行）和膝关节的三维图像（第4行）。
总结
作者构建了一个完全自然的光合系统，可以基于光照独立促进细胞中ATP和NADPH的供应。最重要的是，该项研究利用膜包覆策略，证明了植物源性天然光合系统的跨物种移植的可行性和适用性，这为退行性疾病的治疗打下坚实的基础。
参考文献
- Chen P, et al. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism. Nature. 2022 Dec;612(7940):546-554.