《SCIENCE ADVANCES》：Disrupted energy metabolism is associated with retinal ganglion cell degeneration in autosomal dominant optic atrophy
编辑推荐：
本研究针对常染色体显性视神经萎缩（ADOA）中视网膜神经节细胞（RGC）易受线粒体功能障碍损伤而进行性退化的机制不明问题，利用患者来源的 Opa1V291D/+基因敲入小鼠模型，结合空间代谢组学、单核RNA测序等技术，发现RGC因无法有效启动糖酵解代偿，导致能量代谢紊乱和氧化应激加剧。研究进一步通过RGC特异性过表达线粒体靶向的 Lactobacillus brevisNADH氧化酶（MitoLbNOX）提升NAD+/NADH氧化还原比，成功改善了RGC的功能与存活。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次在动物模型中明确了ADOA的致病机制与能量代谢危机直接相关，并为通过调节线粒体代谢治疗此类疾病提供了新的潜在策略。
常染色体显性视神经萎缩（Autosomal Dominant Optic Atrophy, ADOA）是一种常见的遗传性视神经病变，患者通常在青少年时期出现进行性、不可逆的视力丧失。其罪魁祸首是编码线粒体动力蛋白样GTP酶OPA1的基因（OPA1）发生变异。OPA1蛋白对于维持线粒体内膜融合、嵴结构以及能量生产至关重要。然而，一个长期困扰科学家们的问题是：OPA1是一个在所有细胞中都表达的核基因，为何其变异会特异地导致视网膜神经节细胞（Retinal Ganglion Cells, RGCs）——负责将视觉信号从眼睛传递到大脑的神经元——发生选择性退化，而视网膜中其他高能耗细胞（如拥有最高线粒体密度的感光细胞）却相对完好？此外，ADOA中RGC的死亡究竟主要是由能量危机、抗氧化能力下降，还是二者共同导致？解答这些问题，对于理解疾病机制和开发有效疗法至关重要。
为了深入探究ADOA的病理生理学，并回答上述核心问题，一个研究团队在《SCIENCE ADVANCES》上发表了一项突破性研究。他们首次构建了一种携带患者来源错义突变（相当于人源V346D）的新型基因敲入小鼠模型（Opa1V291D/+）。这个模型精准地复现了ADOA患者的临床表型，包括RGC功能特异性缺陷、视网膜神经纤维层变薄、RGC数量减少以及视神经轴突髓鞘异常和线粒体形态结构改变。利用这个理想的模型，研究人员展开了一系列深入的分析。
本研究主要运用了多种前沿技术方法。除了常规的分子生物学和电生理学检测外，关键方法包括：1）单核RNA测序（snRNA-seq） 与空间转录组学，用于在单细胞和空间分辨率下解析不同视网膜细胞类型的转录组变化；2）空间代谢组学（MALDI-TOF MS成像），用于可视化分析视网膜不同层次（特别是内层RGC所在区域与外层感光细胞区域）的能量代谢物分布；3）冷冻组织呼吸测定（RIFS）与水解测定（HyFS），用于直接评估线粒体电子传递链复合物活性和ATP水解能力；4）条件性基因过表达，通过在RGC中特异性过表达线粒体靶向的 Lactobacillus brevisNADH氧化酶（MitoLbNOX），直接提升线粒体NAD+/NADH氧化还原比，以验证其治疗潜力。
研究结果揭示了ADOA中RGC选择性退化的深层机制：
1. OPA1 V291D变异导致蛋白不稳定与线粒体功能障碍
研究人员发现，Opa1V291D/+小鼠视网膜中OPA1蛋白水平显著降低，但其mRNA表达无变化。在培养细胞中，该变异导致OPA1蛋白多聚泛素化增强，经蛋白酶体抑制剂处理后可部分恢复，表明该错义变异通过泛素-蛋白酶体途径加速了OPA1蛋白降解，导致功能不足（haploinsufficiency）。这进而引发了线粒体结构异常（如线粒体碎片化、嵴结构紊乱）和功能受损。呼吸测定显示，小鼠视网膜中线粒体复合物I（NADH/泛醌氧化还原酶）和复合物IV的活性显著降低，ATP产量下降，同时氧化应激标志物4-羟基壬烯醛（4-HNE）水平升高，抗氧化能力（如谷胱甘肽GSH/氧化型谷胱甘肽GSSG比值、超氧化物歧化酶SOD活性）减弱。
2. 整体能量危机与视网膜分层的代谢代偿差异
代谢分析显示，Opa1V291D/+小鼠视网膜整体NAD+/NADH比值和ATP水平降低，乳酸产量增加，提示存在能量危机和糖酵解代偿性增强。然而，空间代谢组学成像给出了更精细的图景：在内层视网膜（RGC所在区域），ATP信号显著减弱而AMP（腺苷一磷酸）堆积，表明该区域正经历严重的能量耗竭。相反，在外层视网膜（感光细胞所在区域），糖酵解代谢物如葡萄糖-6-磷酸（G6P）和丙酮酸的信号却显著增强。免疫染色结果与此一致：在RGC层，糖酵解关键蛋白（如磷酸化PFKFB3、HK1、LDHB、IDH3）的表达反而下降；而在感光细胞层，这些蛋白的表达却上调。这说明面对线粒体功能障碍引起的能量危机，感光细胞能够有效地启动糖酵解进行代偿，而RGC则缺乏这种代谢灵活性。
3. 单细胞转录组学证实RGC特异性能量代谢基因下调
为了在分子层面验证这一发现，研究人员进行了单核RNA测序。分析发现，在 Opa1V291D/+小鼠中，一个特定的RGC亚群（RGC-2）显著下调了与电子传递链（ETC）、复合物I生物合成和糖酵解通路相关的大量基因。而其他视网膜细胞类型（如视杆细胞、视锥细胞）中，这些能量生产相关基因的表达则未受显著影响。空间转录组学进一步在组织原位证实，RGC富集区域中ETC和糖酵解基因的表达降低。这些数据从转录水平支持了RGC在应对 OPA1变异时，其能量代谢相关基因表达程序受损，无法有效调动代偿途径，从而揭示了其选择性脆弱性的分子基础。
4. 提升NAD+/NADH氧化还原比可挽救RGC功能与存活
基于上述发现——能量代谢紊乱和氧化应激是RGC退化的核心驱动因素，研究团队设计了一个靶向性干预实验。他们在 Opa1V291D/+小鼠的RGC中，特异性过表达了线粒体靶向的 Lactobacillus brevisNADH氧化酶（MitoLbNOX）。该酶能直接将NADH氧化为NAD+，从而提升线粒体内的NAD+/NADH氧化还原比。结果显示，这种干预显著改善了 Opa1V291D/+小鼠的RGC功能（表现为模式视网膜电图PERG振幅增加）和存活数量（BRN3A阳性细胞计数增多）。机制上，MitoLbNOX过表达增强了RGC层中三羧酸循环（TCA cycle）关键酶（如PDHE1、IDH3）的活性，并显著降低了氧化应激标志物4-HNE的水平。这表明，通过直接调节线粒体氧化还原状态，可以打破能量危机与氧化应激的恶性循环，为RGC提供保护。
研究结论与意义
这项研究通过构建首个携带 OPA1常见错义突变的患者特异性小鼠模型，系统性地揭示了ADOA中RGC选择性退化的核心机制：OPA1变异导致蛋白不稳定和线粒体功能障碍（特别是复合物I活性受损），引发全身性能量危机和氧化应激。然而，视网膜不同细胞类型的代谢代偿能力存在差异：感光细胞能够通过上调糖酵解进行有效代偿，而RGC则无法启动类似的代谢重编程，导致其特异性地陷入能量耗竭和氧化损伤，最终走向死亡。这一发现解释了为何 OPA1作为普遍表达的基因，其缺陷却选择性地伤害RGC。
更重要的是，研究不仅阐明了机制，还验证了一个极具前景的治疗策略：通过RGC特异性提升线粒体NAD+/NADH氧化还原比（如过表达 MitoLbNOX），可以有效地改善能量代谢、减轻氧化应激，从而保护和挽救濒临退化的RGC。这为开发针对ADOA乃至其他由线粒体功能障碍引起的神经退行性疾病（如某些类型的青光眼）的代谢疗法提供了重要的概念验证和新的药物靶点。该研究将ADOA的病理机制从传统的线粒体形态动力学缺陷，深化到了细胞类型特异性的能量代谢紊乱层面，为未来精准治疗指明了方向。
