阿尔茨海默病（AD）是老年人群中最常见的神经变性疾病，主要以错误折叠的β淀粉样蛋白（Aβ）的聚集为特征。内质网（ER）作为蛋白质质量控制和分泌的主要细胞器，在AD神经元中会受到显著的影响。Aβ产生或聚集增加会引起不同程度的ER应激异常，从而导致AD中突触功能损伤。为了恢复细胞内蛋白质的稳态，ER应激会激活未折叠蛋白反应（UPR），纠正错误折叠蛋白，使其进行正确折叠；但如果ER应激不可逆，UPR信号就会向细胞死亡发展。因此，对ER-UPR通路的调节可以成为缓解AD进程的治疗策略。
来自查尔姆斯理工大学的Petranovic教授团队于2020年2月发表于Nature Communications, 题目为FMN reduces Amyloid-βtoxicity in yeast by regulating redox status and cellular metabolism。该研究利用表达人源Aβ42的酵母菌模型和基因测序方法发现FMN1基因和其代谢产物黄素单核苷酸（FMN）可以降低错误折叠蛋白负荷，调节细胞代谢和氧化还原状态，从而减轻Aβ42毒性。
1，核黄素代谢缺陷会增加Aβ42毒性
该团队构建了表达人源Aβ42的酵母菌模型，通过测序和富集分析，发现了13个与Aβ42毒性相关的基因，这些基因主要参与蛋白分泌和降解过程。在这些基因中，该团队发现了FMN1基因，该基因编码催化核黄素（维生素B2）磷酸化的关键酶，产生维生素B2的活性形式。核黄素被认为是一种潜在的神经保护剂，可以通过改善氧化应激、线粒体失调和神经炎症来预防或调节神经疾病。此外，人核黄素激酶（RFK；酵母菌FMN1的同源基因）的mRNA水平在AD患者小脑、视皮质和前额叶中是显著降低的。在该研究中，过表达的FMN1或人同源基因RFK可以降低Aβ42毒性（图1）。
图1. 核黄素激酶和其代谢产物FMN可以降低Aβ42毒性
2，补充FMN可以降低Aβ42毒性并调节蛋白折叠
该团队向酵母菌模型中分别补充两种核黄素的下游代谢产物：5mM的FMN和5mM的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD; FMN的下游产物）。Aβ42毒性只有在补充5mM的FMN时才得以降低（图1）。此外，补充FMN可以降低21%的Aβ42聚集物的形成。为了进一步明确补充FMN与蛋白折叠的关系，该团队使用脯氨酸的类似物L-氮杂环丁烷-2-羧酸（AZE；可以引起蛋白错误折叠）干预细胞，发现补充FMN的处理组的细胞活性显著高于未补充FMN的对照组（图2）。以上结果说明补充FMN可以通过调节蛋白折叠增加细胞活性。
图2. 补充FMN促进蛋白正确折叠
3，FMN可以维持Aβ酵母菌模型中的氧化还原稳态
该团队还发现，和对照组相比，补充5mM FMN会引起NADPH/(NADPH+ NADP+)比例的显著增加。这说明FMN可能可以改善酵母菌的氧化还原状态。为了明确这一观点，该团队对Aβ酵母菌模型进行不同浓度的H2O2处理，并计算酵母菌的生长滞后期（H2O2处理后细胞生长停滞到恢复最高增长率的时间）。H2O2的浓度越高，Aβ酵母菌的生长滞后期越长，而补充了FMN的Aβ酵母菌滞后期显著缩短（图3）。此外，补充了FMN的细胞对H2O2表现出了较强的耐受性。
图3. 补充FMN可以增加Aβ酵母菌对氧化应激的耐受性
4，总结与展望
该团队所构建并使用的Aβ酵母菌模型可以用于鉴定Aβ细胞毒性的遗传修饰因子并研究其作用机制。此外，该研究还为补充FMN对细胞代谢活性、氧化还原稳态和蛋白质稳态有益提供了证据。鉴于氧化应激、代谢症状和AD之间的强关联性，对FMN和黄素酶类如何减轻Aβ所致的细胞毒性机制的探索可能有利于明确AD发生发展的分子机制。
参考文献：
ChenX, Ji B, Hao X, et al. FMN reduces Amyloid-β toxicity in yeast by regulating redox status and cellular metabolism. Nat Commun. 2020;11(1):867.Published 2020 Feb 13. doi:10.1038/s41467-020-14525-4.
编译作者：小言 (Brainnews创作团队)
校审：Victoria、Simon (Brainnews编辑部)