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SLC29A1和SLC29A2:人类胞内维生素B3烟酰胺跨膜转运器的研究

期刊:Nature CommunicationsDOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-56402-y

以下是根据文献内容生成的学术报告:


研究背景及研究团队

本文由以下作者完成:Mingyang Chen、Luexiang Yuan、Binxin Chen、Hui Chang、Jun Luo 等,主要研究机构包括浙江大学药学院、浙江省遗传与发育障碍研究重点实验室、浙江省临床癌症药理与毒理研究重点实验室等。研究发表在 Nature Communications 杂志,发表时间为 2025年1月16日。这项研究尝试解决长期以来生物学领域中的一个悬而未决的问题:烟酰胺(nicotinamide, Nam)如何通过细胞膜进入细胞。

研究背景

烟酰胺是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide, NAD⁺)的主要前体,而NAD⁺在细胞能量代谢、氧化磷酸化、DNA 修复以及衰老等过程中具有核心作用。现有研究已揭示了烟酸(nicotinic acid)和烟酰胺单核苷酸(nicotinamide mononucleotide, NMN)的运输机制,但对于烟酰胺如何跨膜进入细胞,一直缺乏明确的解答。

由于烟酰胺结构与腺嘌呤和腺苷相似,研究团队猜测,平衡型核苷转运蛋白1和2(equilibrative nucleoside transporter 1和2,ENT1/ENT2,编码基因分别是SLC29A1和SLC29A2)可能是烟酰胺的候选转运蛋白。这一研究旨在验证ENT1/2是否为烟酰胺转运蛋白,并探讨其在细胞烟酰胺稳态、能量代谢和衰老过程中的作用。


研究流程概述

为了验证假设,研究分为多个流程,主要包括以下步骤:

1. 实验设计与初步探索

研究人员首先在器官层面对ENT1/2的表达分布进行了分析,发现两者几乎在所有组织中均有表达,尤其在能量需求较高的组织(如骨骼肌和心脏)中表达更高。

为了进一步论证,研究团队通过化学抑制剂和基因敲低技术,在人类心肌细胞(AC16)和人类间充质干细胞(MSCs)中测试了ENT1/2 的功能。

2. 验证ENT1/2是否能够输运烟酰胺

为量化ENT1/2的烟酰胺转运能力,研究人员利用标记同位素的烟酰胺(D4-Nam)开展测试。他们观察到,ENT1/2抑制剂S-(4-nitrobenzyl)-6-thioinosine(NBTI)显著降低了D4-Nam的跨膜运输量。同时,通过敲低ENT1或ENT2分别降低了细胞烟酰胺水平,而两者双敲低则带来了更加显著的抑制效应。

3. 生物信息学与代谢组学分析

利用非靶向和靶向代谢组学技术,研究人员分析了在不同实验条件下AC16和MSCs的代谢物组成。主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)明确揭示了ENT1/2敲低后代谢物显著变化。其中,烟酰胺及其衍生物NAD⁺的水平显著下降,与经典的NAD⁺缺乏(如NAMPT缺失)具有高度一致性。

4. RNA测序和转录组分析

通过基因组和转录分析,该研究进一步揭示了ENT1/2的敲低显著影响了多个与烟酰胺代谢相关的基因和生理通路,包括线粒体生物发生、氧化磷酸化以及与衰老相关的信号调节路径。

5. 能量代谢功能和线粒体评估

研究特别关注了ENT1/2对能量代谢的调控。氧气消耗率(OCR)实验结果显示,ENT1/2敲低后降低了基础呼吸水平和最大呼吸能力,伴随细胞ATP总水平下降。同样,线粒体动态平衡因基因表达的改变而受到干扰。此外,ENT1/2敲低还导致线粒体膜电位下降,线粒体质量和形态出现受损。

6. 衰老过程与抗衰老实验

研究人员进一步通过MSCs模型发现,ENT1/2敲低加速了细胞衰老,表现为SA-β-Gal(细胞衰老标志物)染色更强。同时,表观DNA损伤与线粒体氧化压力显著升高。此外,ENT1/2显著抑制自噬通路,进一步加深了衰老进程。

为了恢复细胞功能,研究团队补充NMN以逆转因ENT1/2敲低导致的 NAD⁺水平下降,发现这一处理拯救了衰老表型并恢复了线粒体活性及细胞呼吸能力。


主要研究结果

  1. ENT1/2是烟酰胺跨膜运输的主要蛋白
    通过基因敲低、化学抑制剂和同位素标记实验,研究确认ENT1/2介导了约70%的烟酰胺跨膜运输,其中ENT1作用更为显著。

  2. ENT1/2调控细胞烟酰胺及NAD⁺稳态
    敲低ENT1/2会显著降低细胞内烟酰胺和NAD⁺的水平,影响整体代谢组分,其中包括与烟酰胺代谢相关的多个信号通路。

  3. ENT1/2缺失导致能量代谢受损
    敲低ENT1/2显著削弱了细胞基础呼吸和最大呼吸能力,干扰氧化磷酸化过程并降低ATP的生成,与NAD⁺缺乏性状态表现显著重合。

  4. ENT1/2缺失引发线粒体损伤
    线粒体损伤表现为膜电位下降、质量增加、形态碎裂和mtDNA拷贝数减少,同时线粒体动态调控相关基因显著失衡。

  5. ENT1/2抑制加速细胞衰老
    ENT1/2敲降低促进了与衰老相关基因(p16, p21)表达上调、自噬抑制以及氧化应激水平升高。补充NMN则有效扭转了这些负面效应。


研究结论与意义

研究首次揭示了ENT1和ENT2是人类烟酰胺细胞膜转运的主要载体。这一发现不仅明确了烟酰胺跨膜机制,同时表明ENT1/2通过调控细胞烟酰胺和NAD⁺水平,在细胞能量代谢、线粒体功能和衰老过程中具有核心作用。通过ENT1/2实现的靶向策略可为开发高效的NAD⁺提升疗法以及潜在的抗衰老和代谢疾病治疗提供理论依据。


研究亮点

  1. 首个明确的烟酰胺跨膜转运机制模型
    证明ENT1和ENT2是关键载体蛋白,为NAD+代谢网络补充了重要一环。

  2. 与衰老机制相关的综合研究
    对比分析了ENT1/ENT2在不同细胞环境中的能量代谢、线粒体功能和基因表达变化。

  3. 精准的NMN修复效应验证
    通过NAD⁺水平恢复实验,展示了改进代谢和抗衰老的应用潜力。


总结,本研究在基础生物学及潜在转化医学中具有重要价值,明确了ENT1/2的生理作用及其潜在药物靶点功能。这为基于NAD⁺补充的健康干预策略提供了新的视角。

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