Na+作为第二信使调控ROS产生

来源：BioArt

撰文 | 胡小话

所有的多细胞生物都依赖于消耗O₂并通过氧化磷酸化途径(OXPHOS)来产生ATP，然而在这一过程中，约有2%的O₂会与未能传递到末端氧化酶 而“漏出”呼吸链的电子结合并形成活性氧簇(ROS)。事实上，ROS的产生对于机体来说并不总是有害的。比如说，在急性缺氧状态下，细胞会大量产生ROS并会帮助其适应低氧的环境【1】，但是这其中具体的分子机制却并不清楚。

近日，来自西班牙Instituto de Investigación Sanitaria Princesa (IIS-IP)的Antonio Martínez-Ruiz教授与Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares CarlosIII (CNIC)的 José Antonio Enríquez教授合作在Nature上发表了题为Na+ controls hypoxic signalling by the mitochondrial respiratory chain的研究，首次报道了Na+可以作为第二信使，在急性缺氧环境下通过调控线粒体内膜的流动性来介导ROS的生成。

作者最开始的关注点是NCLX蛋白，NCLX作为线粒体Na+/Ca2+交换蛋白负责将Ca2+从线粒体中运出，同时运进Na+，并在之前的研究中被报道在缺血再灌注造成损伤模型中维持机体Ca2+的稳态【2】。因此，作者想去探究NCLX是否可以调节低氧状态下细胞的氧化还原平衡。作者发现在细胞中敲除NCLX或者抑制NCLX的活性会显著抑制低氧状态下ROS的产生，这说明NCLX对于低氧引起ROS水平升高是必需的。

之前的研究报道ROS的产生主要来源于线粒体Complex Ⅲ和ComplexⅠ【3,4】，而作者发现只有敲除ComplexⅠ才会抑制NCLX的活性。那么ComplexⅠ是如何在低氧状态下影响了NCLX的活性呢？通过进一步的实验作者发现：瞬时的低氧会引起ComplexⅠ构象的改变，并会导致线粒体基质的酸化，从而可以部分溶解线粒体基质中的磷酸钙增加基质中Ca2+的浓度，激活了NCLX的活性。

那么接下来要回答的问题是：NCLX的激活是如何介导低氧引起的ROS生成呢？前面提到NCLX在低氧状态下负责将Ca2+从线粒体中运出，同时运进Na+。那么是否由于Ca2+与Na+浓度的改变介导了ROS的生成？

为了验证这一猜想，同时为了探究电子传递链中不同复合体对于ROS产生的贡献，作者将线粒体分离出来并展开了体外实验。作者发现ComplexⅡ+ Complex Ⅲ的活性在添加Ca2+并未出现显著改变，但是在添加Na+之后却出现显著的下降，同时ROS的生成也是增加的。出乎意料的是，单独的ComplexⅡ和Complex Ⅲ的活性却并不会受Na+影响，这提示Na+可能影响了不同复合体之间的电子供体与CoQ的结合。

之前的研究结果表明，电子在ComplexⅡ和Complex Ⅲ的传递受限于CoQ在线粒体内膜(Inner mitochondrial membrane,IMM)的扩散速率【5】。因此，作者推测IMM的流动性或许受NCLX的活性以及线粒体Na+浓度的影响。通过一系列的实验作者证实：线粒体基质中Na+会直接与IMM中磷脂分子结合，从而降低IMM的流动性。

总之，在这篇文章中，研究人员首次报道了Na+在细胞中可以扮演第二信使的角色，而不仅仅局限于介导细胞膜的膜电位。同时，这一发现揭示了细胞在缺氧环境中ROS的产生机制，从而为降低缺血再灌注治疗心肌缺血等疾病所带来的组织损伤提供新的思路与解决方法。

参考文献

1. Sena, L. A. & Chandel, N. S. Physiological roles of mitochondrial reactive oxygen species. Mol. Cell 48, 158–167 (2012).

2. Luongo, T. S. et al. The mitochondrial Na+/Ca2+ exchanger is essential for Ca2+ homeostasis and viability. Nature 545, 93–97 (2017).

3. Guzy, R. D. & Schumacker, P. T. Oxygen sensing by mitochondria at complex III: the paradox of increased reactive oxygen species during hypoxia. Exp. Physiol. 91, 807–819 (2006)

4. Fernández-Agüera, M. C. et al. Oxygen sensing by arterial chemoreceptors depends on mitochondrial complex I signaling. Cell Metab. 22, 825–837 (2015).

5. Lenaz, G. & Genova, M. L. Mobility and function of coenzyme Q (ubiquinone) in the mitochondrial respiratory chain. Biochim. Biophys. Acta 1787, 563–573 (2009).