线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）系统提供了人体内大部分的5’三磷酸腺苷（adenosine 5’-triphosphate，ATP）。这一系统的缺陷属于最常见的遗传代谢性疾病，大多会使人很早就出现神经退行性变，而且是致命的，遗憾的是对此我们还没有有效的治疗方法。Jain等提出，对于ATP有氧合成已经有缺陷的人而言，限制病人的氧气供应或许是种治疗办法。这似乎不符合常理。那么Jain等人是怎么得出这一结论的呢？

OXPHOS过程中，在呼吸链上有4个酶复合体，它们把从碳水化合物、脂肪的氧化中获得的电子传递给氧分子；第5个酶复合体利用这一过程产生的能量驱动ATP合成。Jain等首先想要找到可能有助于治疗OXPHOS障碍的基因靶点，为此，Jain等用规律成簇间隔短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）-Cas9对在实验室培养的人类细胞疾病模型进行了全基因组筛选。
Jain等通过往培养基中加入抗霉素A模拟线粒体疾病。抗霉素A是呼吸链上其中一种酶复合体的抑制剂，在培养基中加入它后，细胞生长变缓，并转而开始通过糖酵解满足一部分自身对ATP的需求，此时，葡萄糖通过无氧酵解产生了乳酸。

随后，Jain等开展了基于CRISPR-Cas9的筛选，利用向导RNAs破坏大多数基因，这是为了找出由呼吸链缺陷导致的生长表型背后的遗传抑制因素。他们寻找着这些向导RNAs的富集，来看是什么让细胞在抗霉素A的存在下得以存活，以此推理出到底是哪个或哪些基因可能是治疗OXPHOS疾病的潜在靶点。令他们吃惊不已的是，大多数富集的RNAs都靶向VHL基因的不同编码区。该基因编码Von Hippel–Lindau（VHL）因子，这是一种E3泛素连接酶，在低氧反应通路中扮演关键角色。

低氧反应通路在所有多细胞生物中都很保守，由低氧诱导因子1α（hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α）控制，这是一种转录因子，负责协调基因表达、以弥补环境中的低氧。被激活的基因包括：促红细胞生成素（erythropoietin，EPO）——促进红细胞生成的一种因子、糖酵解酶、葡萄糖转运蛋白，这些使无氧酵解的可能性大大增加；此外还有血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），其作用是促进新血管的生长。在含氧量正常的情况下，HIF-1α被脯氨酸羟化酶羟基化，这种酶的活性依赖于氧。VHL能够识别出羟基化了的HIF-1α，对其进行多聚泛素化修饰，让蛋白酶体将之降解。在低氧时，脯氨酸羟化酶失活，稳定的HIF-1α能够转移进细胞核激活低氧反应过程。Jain等给用呼吸链毒剂处理过的细胞加入了脯氨酸羟化酶抑制剂，这会激活低氧反应通路，结果显示细胞生长率得到了改善。特别值得注意的是，这种治疗使细胞耗氧量（oxygen consumption）减半，这很可能是由于丙酮酸脱氢酶激酶的活化延缓了丙酮酸进入三羧酸循环（三羧酸循环的化学反应与呼吸链有关）。作者还发现，呼吸链缺陷的斑马鱼胚胎在VHL缺失或者在有脯氨酸羟化酶抑制剂的情况下，生存率得到了改善。

关键的一步实验是在Leigh综合征（也称亚急性坏死性脑脊髓病）小鼠模型上开展的，这是一种早发、致命的神经退行性疾病，是线粒体疾病患儿最常见的表现。这是一种生殖细胞系中Ndufs4被敲除的鼠模型，Ndufs4是构成线粒体复合体I的一个亚单位，它的缺失会导致复合体I的活性整体上大大降低，但有意思的是，全身的氧耗并没有降低。缺失Ndufs4的小鼠出现了类似于Leigh综合征的神经病变；大多数在50天～60天大的时候就死了。由于Jain等在上面实验中用到的脯氨酸羟化酶抑制剂不能穿过血脑屏障，因此他们就想了个代替的办法——低氧，并检验了让动物长时间低氧是否能改善神经病变、增加存活率。他们选择了人类在高海拔地区比如安第斯山脉或喜马拉雅山脉要经历的氧压。这种氧压激发了强烈的低氧反应：EPO显著增加、红细胞比容增加了50%、多种低氧反应酶被激活。尽管暴露于低氧并没有改变复合体I的活性，但提高了存活率、纠正了力量和平衡缺陷、部分改善了自发活动。小鼠在暴露于高氧时死得更快，表明氧本身就可能是“凶手”，但其中的机制还远未阐明。
尽管我们有理由认为暴露于低氧以某种方式限制了Ndufs4缺陷鼠组织中的氧耗，但对此我们并没有直接证据。无论野生型还是Ndufs4缺陷鼠，循环乳酸浓度在低氧时都降低，提示在限制氧的条件下，对无氧糖酵解的需求少了。在全身整体氧耗的基础上，如果进一步检测这些小鼠不同组织具体从血液中摄取了多少氧将会提供更多有用的信息，因为正如Jain等用脯氨酸羟化酶抑制剂处理细胞的那个实验所提示的，低氧带来的好转可能仅仅是整体代谢率降低的结果。如果情况是这样，那么就可以预测当用药物激活低氧反应通路时，即便是在含氧量正常的条件下，那些被改变了基因的小鼠其表型也会得到显著改善。这一想法也可以通过杂交Ndufs4缺陷鼠和低氧反应通路稳定激活的小鼠来进行检验。

Jain等对把他们的研究结果用于临床持谨慎态度。慢性低氧在医学上并不有利于健康，VHL的失功能突变也会使人易于罹患癌症。而且，这项研究只是在单一动物模型身上证实了低氧的有效性，至于氧要低到什么水平、持续多久对于缓解或控制病情是必要的，我们还并不清楚。尽管关于机制和潜在的不良反应这些问题还需要研究，但在线粒体疾病鼠模型身上令人震惊的反应表明，这一发现对这一领域的研究人员将产生巨大的吸引力。有线粒体疾病患儿的家庭，都迫不及待地想快点得到这些研究结果，因为目前他们几乎没什么治疗方法可选。

(作者：白蕊)

参考文献：Science 2016;352:31-32