突变导致 NAD+ 缺乏相关器官畸形

  NMN研究人员提出,NAD+ 前体可能有助于患有先天性 NAD 缺乏症的家庭未来怀孕。

突变导致 NAD+ 缺乏相关器官畸形插图NMN

  强调

  ·       导致 NAD+ 合成受损的突变会在称为先天性 NAD 缺乏症的情况下促进心脏、肾脏、脊椎和四肢畸形。

  ·      本研究扩展了参与 NAD+ 合成的酶中已知的与疾病相关的突变列表。

  ·       研究人员认为,某些突变会由于 NAD+ 合成中的酶活性降低而导致器官畸形。

  先天性 NAD 缺乏症描述了一种 DNA 突变影响烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 ( NAD+ ) 水平的疾病——这是所有细胞的必需化合物——它不足并影响人类发育。这些患者在发育过程中会出现心脏、肾脏、椎骨和四肢畸形。这种疾病背后的突变并未全部得到解释,我们也不完全了解它们与疾病的表现和严重程度之间的关系,这对其诊断和治疗至关重要。

  澳大利亚新南威尔士大学的 Dunwoodie 及其同事发表了一项关于人类突变的研究,他们在其中发现了与先天性 NAD 缺乏症相关的新突变。这些突变映射到涉及 NAD+ 合成途径的三个基因,当这些基因被引入酵母时,会导致中度至重度 NAD 缺乏,类似于患者体内合成的 NAD+ 不足。这些发现有助于确定 NAD+ 合成途径发生改变的位置,这可能有助于未来针对这些受影响的酶促步骤的治疗开发。

  NAD+ 对人类发展至关重要

  在妊娠期间,包括人类在内的所有哺乳动物都会合成和使用 NAD+——一种参与 400 多种对人类发育至关重要的细胞反应的重要辅助因子。这种 NAD+ 是使用从饮食中通过称为犬尿氨酸途径的途径获得的蛋白质构件 L-色氨酸从头开始合成的。

  众所周知,编码犬尿氨酸途径酶的三个基因(KYNU、HAAO 和 NADSYN1)的突变会破坏 NAD+ 的合成,并发生在患有心脏、肾脏、椎骨和四肢多种畸形的患者身上。这些先天性 NAD 缺乏症患者具有不同的 DNA 突变,可能以不同的方式影响人类发育。然而,并非所有导致先天性 NAD 缺乏症的 DNA 突变或它们如何影响人类发育都是已知的。

  研究确定了 NAD+ 生物合成酶的新突变

  为了更好地了解干扰 NAD+ 合成的 DNA 突变与人类发育异常之间的联系,Dunwoodie 及其同事研究了来自不同家庭的七名患者的突变,这些患者的发育缺陷反映了先天性 NAD 缺乏症。他们发现,这些患者在犬尿氨酸途径中编码酶的两个基因——3-羟基邻氨基苯甲酸 3,4-双加氧酶 (HAAO) 和犬尿氨酸酶 (KYNU) 中出现了新的突变。

  三名患者的 HAAO 酶发生突变,该酶参与从蛋白质结构单元 L-色氨酸制造 NAD+。所有三名具有 HAAO 突变的患者都表现出与先前发表的患者一致的缺陷:影响心脏、椎骨、四肢和肾脏的畸形。

  Dunwoodie 及其同事还检查了四名犬尿氨酸酶 (KYNU) 基因突变的患者,该酶也参与从色氨酸合成 NAD+。这些人表现出肢体缺陷、心脏异常和面部特征改变,如眼距宽、脖子短和鼻子宽——这些都是先天性 NAD 缺乏症的特征。

  并非所有突变都是平等的

  Dunwoodie 及其同事随后使用计算机算法来预测这些 DNA 突变对它们编码的蛋白质功能的严重程度。这些程序预测这些 DNA 突变具有高致病性——导致疾病的特性。

  为了验证这些突变是否影响 NAD+ 合成,研究小组将突变插入酵母中,酵母与人类共享相同的 NAD+ 合成途径酶。通过监测这些酵母的发育和 NAD+ 产生,Dunwoodie 及其同事推断这些突变是否会影响人类的 NAD+ 合成。当他们在 HAAO 中产生携带这些突变的酵母时,单细胞生物的生长显着降低,总 NAD+ 水平降低。同样,当他们将来自这些患者的 KYNU 突变插入酵母时,与健康的未突变酵母相比,他们看到减少了至少 57%。

  来自患者的 3-羟基邻氨基苯甲酸 3,4-双加氧酶 (HAAO) 的 DNA 突变显着降低了酵母 NAD+ 的产生和总体水平。最左侧的图表列显示正常的酵母 NAD+ 水平( HAAO) 与来自具有消融 NAD+ 生物合成的犬尿氨酸酶突变体 (KYNU) 的 NAD+ 水平进行比较。右侧剩余的列显示了来自 HAAO 突变患者的 NAD+ 水平。与正常酵母 NAD+ 水平相比,身体缺陷患者的插入突变导致 NAD+ 水平显着降低,表明突变显着降低 NAD+ 水平,与先天性 NAD 缺乏症一致。

  插入酵母的身体异常患者的犬尿氨酸酶 DNA 突变显着降低了 NAD+ 的产生。最左侧的列显示了与没有功能性 3-羟基邻氨基苯甲酸 3,4-双加氧酶 (HAAO) 的酵母相比,正常酵母 (KYNU) 的 NAD+ 水平。右侧的列表明,与正常酵母相比,来自这些患者的犬尿氨酸酶突变酵母具有显着降低的 NAD+ 水平。这些发现表明,这些身体异常和 DNA 突变的患者的 NAD+ 水平显着降低,与先天性 NAD 缺乏症患者的水平一致。

  迄今为止,所有被确定为先天性 NAD 缺乏症病因的 HAAO 或 KYNU 突变都会导致这些酶的功能完全丧失。在这项研究中,澳大利亚研究小组在 HAAO 或 KYNU 中发现了多种罕见的破坏性突变,这些突变会导致中度至完全丧失功能和 NAD 缺乏。通常,由这些变体引起的酵母中 NAD 合成受到的损害越严重,在受影响的患者中观察到的畸形数量就越多。

  维生素 B3 补充剂可能会降低妊娠结局的严重程度

  这项研究通过扩大由胚胎 NAD 缺乏引起的缺陷谱增加了我们对先天性 NAD 缺乏症的理解,并确定 HAAO 或 KYNU 中罕见的破坏性突变可由于酶活性降低而导致畸形。这表明可能存在更常见且破坏性较小的基因突变的组合,这些突变表现出与 NAD 缺乏相关的一系列特征。

  “我们已经确定了 7 例新的人类先天性 NAD 缺乏症病例,这些病例源于 [3-羟基邻氨基苯甲酸 3,4-双加氧酶] 或 [犬尿氨酸酶] 中的罕见双等位基因变异,表现出与胚胎发育过程中 NAD 不足一致的多种畸形,”Dunwoodie 及其同事说在他们的出版物中。 NAD+缺乏如何破坏胚胎发育过程(胚胎发生)仍不清楚。但是,Dunwoodie 及其同事表示,在怀孕期间通过补充维生素 B3 前体来提高母亲的 NAD+ 水平可能会减少婴儿因 NAD+ 缺乏而导致的发育异常。

  该研究还表明,由这些新发现的突变引起的先天性 NAD 缺乏是由于关键 NAD+ 合成酶的功能丧失所致。这有助于我们了解这种疾病通常可能是由于 NAD+ 合成酶功能减弱或丧失所致。然后,研究人员可以利用这些知识来开发恢复这些酶作用的治疗方案。