增強的NADH/NAD+比率（稱為還原應激）與許多疾病有關。然而，是否存在下游感應通路來介導致病結果仍不清楚。
2022年11月17日，首都醫科大學李兵輝團隊在Nature Communications發表題為「Identification of purine biosynthesis as an NADH-sensing pathway to mediate energy stress」的研究論文，該研究從大腸桿菌(EcSTH)中生成了一種可溶性吡啶核苷酸轉氫酶，它可以提高NADH/NAD+比率，同時降低NADPH/NADP+比率。此外，將EcSTH與之前描述的LbNOX（一種來自短乳桿菌的水形成NADH氧化酶）融合以恢復NADH/NAD+比率。
藉助這些工具，並通過使用全基因組CRISPR/Cas9文庫篩選和哺乳動物細胞代謝分析，發現積累的NADH會解除PRPS2（核糖磷酸焦磷酸激酶2）介導的下游嘌呤生物合成，從而引發大量能量消耗，因此，誘導能量壓力。阻斷嘌呤生物合成可防止NADH積累相關的體外細胞死亡和體內組織損傷。這些結果強調了嘌呤生物合成失調在NADH積累相關疾病中的病理生理學作用，並證明了EcSTH在操縱NADH/NAD+和NADPH/NADP+中的效用。
還原應激反映在升高的細胞內NADH/NAD+比率或NADH積累中，與多種人類疾病有關，例如癌症、神經變性、糖尿病和線粒體疾病，這些綜合徵通常具有低氧微環境或ETC損傷的特徵。儘管此類呼吸障礙通常會導致許多生物學或生理學結果，但最近的報告表明，NADH積累在決定細胞生長停滯或細胞死亡方面發揮着關鍵作用。NADH積累可以廣泛驅動代謝重編程以在壓力條件下耗散細胞中的電子，這通常取決於合成代謝過程，特別是以NADPH形式同化電子的脂肪生成。這種適應性機制廣泛存在於缺氧或ETC抑制下增殖的癌細胞中。因此，NADH還原應激可能包括降低的NADPH水平和NADPH/NADP+比率。然而，對於非增殖分化細胞，缺氧或ETC病理損傷導致的NADH/NAD+比率增加可能會導致健康問題，例如缺血性損傷、神經退行性疾病和線粒體肌病。因此，為了改善還原性應激，制定旨在降低NADH/NAD+比率的策略現在正在成為一種重要的疾病緩解過程。丙酮酸可以通過乳酸脫氫酶轉化為乳酸，這個過程會消耗NADH。雖然它在體外顯着降低細胞NADH，但在體內無效。最近，發現細菌乳酸氧化酶和過氧化氫酶之間的工程融合(LOXCAT)不可逆地將乳酸和氧轉化為丙酮酸和水，可降低體外和體內的NADH/NAD+比率。此外，來自短乳桿菌(LbNOX)的水形成NADH氧化酶也可以有效地防止NADH在體外和體內積累。然而，積累的NADH如何觸發致病結果仍有待闡明。因此，如果能夠確定與減少壓力或NADH積累相關的效應通路，可能會為這些類型的代謝紊亂的治療提供更多的靶標。在該研究中，開發了一種遺傳工具來操縱細胞NADH/NAD+和NADPH/NADP+的比率。藉助該工具，將PRPS2介導的嘌呤生物合成確定為累積的NADH感應途徑，以使用全基因組CRISPR/Cas9文庫篩選結合代謝分析來誘導能量應激。此外，研究證明阻斷嘌呤生物合成可顯著防止由小鼠模型中代謝氧化增加引起的還原應激引起的組織損傷。阻斷嘌呤生物合成可防止乙醇給藥誘導的還原應激引起的肝損傷（圖源自Nature Communications ）此外，工程化酶EcSTH-LbNOX可以顯着降低細胞NADPH和NADPH/NADP+比率，同時使細胞NADH和NADH/NAD+比率相對不受影響，使其成為調節細胞NADPH的可行研究工具/NADP+比率。在該研究中，使用EcSTH和EcSTH-LbNOX來梳理NADH/NAD+和NADPH/NADP+的作用，並證明細胞生長、糖酵解和核苷酸生物合成與NADH/的穩態高度相關。NAD+，而TCA代謝物似乎反而與NADPH/NADP+的體內平衡有關。人們可能期望EcSTH結合EcSTH-LbNOX，將應用於動物身上，未來將帶來更多更深入的體內NADH/NAD+和NADPH/NADP+相關見解。https://doi.org/10.1038/s41467-022-34850-0
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