Nfu1-flox 基因敲除小鼠

NFU1（NIF1 Fe-S cluster assembly protein homolog 1）是一种在真核细胞中编码铁硫簇（ISC）装配支架蛋白的基因。ISC是金属蛋白，如铁氧还蛋白，以及许多酶促反应的组成部分，并在线粒体电子传递链的氧化还原反应中首次被识别。ISC在维持细胞能量代谢、DNA修复、细胞信号传导和许多其他生物学过程中发挥着至关重要的作用。NFU1基因突变会导致线粒体功能障碍，进而引起多种疾病，如线粒体脑肌病和死亡，这些疾病可能在生命的早期就表现出来[1]。

NFU1基因在铁硫簇的组装中起着关键作用。铁硫簇需要被组装并转移到线粒体呼吸链的蛋白质复合物中，如复合物II和硫辛酸合成酶（LAS）。NFU1G208C突变和CRISPR/CAS9技术产生的突变大鼠，其线粒体功能受损，导致肺动脉高压。NFU1突变导致电子传递蛋白表达模式紊乱，线粒体呼吸显著减少。肺动脉平滑肌细胞（PASMC）对线粒体呼吸的依赖减少，增加了糖酵解，并激活了甘油-3-磷酸脱氢酶（GPD），将糖酵解与氧化磷酸化和脂质代谢联系起来。由于硫辛酸缺乏导致的丙酮酸脱氢酶（PDH）活性降低，被增加的脂肪酸代谢和氧化所补偿。PASMC对细胞外脂肪酸来源的依赖增加，由于上调的转运蛋白如CD36和肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT-1）。NFU1突变导致线粒体抗氧化系统失调，导致活性氧（ROS）水平升高。PASMC从NFU1大鼠表现出对凋亡的抵抗，增加了合成代谢，并获得高度增殖的表型。通过靶向线粒体的抗氧化剂显著减少PASMC的增殖。铁硫代谢的这种改变完全改变了线粒体的蛋白质组学景观，导致代谢可塑性和能量来源的重新分配，从而使PASMC获得增殖表型[2]。

NFU1基因突变与多种线粒体功能障碍综合征1（MMDS1）有关，表现为早期发病的迅速致命的白质脑病。此外，NFU1基因的双等位基因错义变异与一系列早期发病的纯合子到复杂遗传性痉挛性截瘫（HSP）表型相关，其中16/19有较长的生存期，3/19有严重的肌张力低下。在这组中，发热后可逆或不可逆的神经功能减退很常见，神经影像学检查显示白质异常。这项研究表明，MMDS1和HSP可能是NFU1相关表型连续体的两个极端[3]。

NFU1基因突变也与肺动脉高压（PAH）有关。研究揭示了线粒体功能障碍与严重破坏的肺血管生成之间的显著联系。通过LA补充剂恢复NFU1下游靶点硫辛酸（LA）的生物利用度，可以减轻线粒体功能障碍和血管生成缺陷，并挽救NFU1G206C模型中进行性PAH表型。值得注意的是，在特发性PAH（iPAH）患者的肺中也发现了显著的NFU1表达和信号不足，这强调了这项研究的相关性不仅限于NFU1突变病例。PAH患者来源的肺动脉内皮细胞（PAECs）的线粒体功能在LA补充后显著改善，这表明LA可能是一种潜在的治疗方法。这项研究表明，线粒体功能障碍在PAH患者中起着重要作用，强调了在PAH患者中纠正线粒体功能障碍的必要性[4]。

NFU1基因突变也与铁代谢和硫代谢有关。ATM蛋白调节细胞周期检查点、细胞氧化还原状态和双链DNA断裂修复。ATM的丧失导致共济失调毛细血管扩张症（A-T），其特征为共济失调、毛细血管扩张、细胞氧化还原和铁反应失调以及癌症风险增加。研究结果表明，ATM调节铁硫簇生物合成、转硫化途径和谷胱甘肽氧化还原循环的某些方面。这可以解释A-T中观察到的与氧化还原和铁相关的病理变化[5]。

NFU1基因在铁硫簇蛋白成熟过程中起着重要作用。ISCA1、ISCA2和NFU1三种蛋白质被证明参与[4Fe-4S]簇的组装和转移到线粒体无铁蛋白中。NFU1是[4Fe-4S]蛋白成熟过程的关键参与者，因为它能够与ISCA1和ISCA2相互作用。ISCA1通过其与NFU1的C端簇结合域的特异性相互作用，驱动[4Fe-4S]簇从ISCA1-ISCA2复合物上的组装位点转移到由ISCA1和NFU1在ISCA1-ISCA2-NFU1三元复合物中形成的簇结合位点。这种机制确保了[4Fe-4S]簇可以安全地从ISCA1-ISCA2复合物上的组装位点转移到NFU1，从而为需要NFU1进行成熟的线粒体无铁蛋白提供[4Fe-4S]簇[6]。

NFU1基因突变也与神经肌肉功能障碍有关。多发性线粒体功能障碍综合征1（MMDS1）是一种与NFU1基因突变相关的疾病，其特征是铁硫簇生物合成受损。在秀丽隐杆线虫（C. elegans）中重现了患者特异性点突变，这些突变导致了神经肌肉接头的乙酰胆碱信号改变，但活动性和运动性受到影响的方式相反。这些结果对于了解MMDS1患者的神经肌肉状况和潜在的干预途径具有重要意义[7]。

NFU1基因突变也与痉挛性截瘫有关。NFU1基因中的纯合子突变与多种线粒体功能障碍综合征1（MMDS1）相关，这是一种在婴儿早期发病的严重常染色体隐性遗传病。这种疾病的特点是能量代谢紊乱，导致虚弱、神经退行性变、高甘氨酸血症、乳酸酸中毒和早期死亡。报告了一名27个月大的女孩，她表现出痉挛性截瘫的临床体征和症状，病程呈复发缓解型。她有一个患有严重表型的姐姐，在16个月大时死亡。磁共振成像显示大脑白质呈高信号，前部区域更为突出，后部室周区域轻度受累。此外，她还患有高甘氨酸血症。在NFU1基因中鉴定出纯合子NM_001002755.4:c.565G>A（p.Gly189Arg）突变，此前尚未报道为纯合子突变。高甘氨酸血症和空腔性脑白质营养不良提示NFU1突变诊断。在NFU1相关疾病中尚未发表家族内表型变异。以痉挛性截瘫为罕见表型的NFU1突变可能被认为是脑瘫的遗传模拟[8]。

NFU1基因突变也与多种线粒体代谢途径和ATP产生受损有关。NFU1、BOLA3和IBA57基因突变会影响线粒体[4Fe-4S]蛋白的组装，导致多种线粒体代谢途径和ATP产生受损。这些基因突变的患者表现出乳酸酸中毒、高甘氨酸血症和呼吸链复合物I和II的活性降低，这四种硫辛酸依赖的二羧酸脱氢酶和甘氨酸裂解系统（GCS）的活性也降低。到目前为止，已报道了15名来自12个家庭的5种不同的NFU1致病性变异。报告了来自5个家庭的7名新患者，他们携带复合杂合子或纯合子致病性NFU1突变。6/8个不同的疾病等位基因是新的，对其中5个进行了功能研究，以支持其致病性。特征性临床特征包括致命的婴儿脑病和肺动脉高压，导致6/7名患者在出生后6个月内死亡。实验室检查发现骨骼肌和/或培养的皮肤成纤维细胞中丙酮酸脱氢酶复合物（5/5）和呼吸链复合物I和II+III（4/5）的联合缺陷，以及5/6的乳酸升高和7/7的甘氨酸浓度升高。这项研究有助于更好地定义与NFU1突变相关的表型范围，并为未来患者的诊断工作提供帮助[9]。

NFU1基因突变会导致线粒体功能障碍，进而导致多种疾病。NFU1突变会影响铁硫簇蛋白的组装和成熟，导致线粒体呼吸链功能障碍和能量代谢紊乱。NFU1突变还会导致神经肌肉功能障碍、痉挛性截瘫和肺动脉高压。NFU1突变还会影响铁代谢和硫代谢，导致细胞氧化还原状态和铁反应失调。NFU1突变还会导致神经肌肉接头的乙酰胆碱信号改变，进而影响活动性和运动性。NFU1突变还会导致家族内表型变异，提示NFU1突变可能是一种遗传模拟。NFU1突变还会导致多种线粒体代谢途径和ATP产生受损，导致乳酸酸中毒、高甘氨酸血症和呼吸链复合物I和II的活性降低。NFU1突变的研究有助于深入理解线粒体功能障碍的生物学功能和疾病发生机制，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略[10]。