NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (NQO1)-mediated bypass of mitochondrial electron transport chain with artificial and endogenous substrates

NAD(P)H 醌氧化还原酶 1 (NQO1) 介导的人工和内源底物线粒体电子传递链旁路

基本信息

  • 批准号:
    10789749
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 52.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-09-30 至 2025-09-29
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract A wide range of rare and common diseases are linked to mitochondrial dysfunction and associated redox imbalance. Restoration of the underlying redox imbalance by decreasing the cellular NADH/NAD+ ratio could be seen as an extremely useful generalizable strategy in the context of multiple disease states. NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO1) is a soluble cytoplasmic enzyme that has been mostly viewed as a xenobiotic- metabolizing enzyme, or a bioactivator of cancer drugs at the expense of reducing equivalents of NAD(P)H. Interestingly, some of NQO1 artificial substrates, mostly naphthoquinones, when reduced are capable of subsequently donating their electrons to the mitochondrial electron transport chain downstream of Complex I. This NQO1-mediated alternative electron transfer is therefore an attractive strategy to alleviate reductive stress and support ATP homeostasis as it depends on an endogenous enzyme and only requires addition of respective naphthoquinones. However, naphthoquinones capable of being reduced by NQO1 are either natural products or synthetic redox scaffolds (e.g. idebenone), and we currently lack information on endogenous substrates of NQO1 and its place in cellular redox metabolism. To close this knowledge gap, we will use activity-based metabolomic profiling with recombinant NQO1 to identify cellular endogenous metabolites that are interconverted by this enzyme. Next, we will reconstitute the NQO1-mediated electron transfer with various naphthoquinones in isolated mitochondria and will study the bioenergetics of this non-canonical point of entry of reducing equivalents. This will allow us to rigorously characterize naphthoquinones and related redox-active molecules for their ability to safely bypass a corrupted mitochondrial electron transport chain without inducing oxidative stress. Our current approach will, for the first time, allow us to identify physiological NQO1 substrates and help us better reconstruct the NQO1-mediated electron transfer. This work will ultimately pave the way for developing therapeutic modalities that are based on redox-active small molecules that can alleviate reductive stress.
抽象的 多种罕见和常见疾病与线粒体功能障碍和相关氧化还原有关 不平衡。通过降低细胞NADH/NAD+比率来恢复潜在的氧化还原不平衡 在多种疾病状态的背景下,被视为一种非常有用的概括策略。 nad(p)H:喹酮 氧化还原酶1(NQO1)是一种可溶性细胞质酶 代谢酶或癌症药物的生物激活剂,以减少NAD(p)h的等效为代价。 有趣的是,一些NQO1人造底物,主要是萘喹酮,当减少时 随后将电子捐赠给复合物下游的线粒体电子传输链。 因此,这种NQO1介导的替代电子转移是减轻还原应力的有吸引力的策略 并支持ATP稳态,因为它取决于内源性酶,仅需要添加各自的酶 萘喹酮。但是,能够用NQO1降低的萘喹酮要么是天然产品,要么是 合成氧化还原支架(例如Idebenone),我们目前缺乏有关NQO1内源性底物的信息 及其在细胞氧化还原代谢中的位置。为了缩小此知识差距,我们将使用基于活动的代谢组学 与重组NQO1进行分析,以识别与此相互关联的细胞内源代谢产物 酶。接下来,我们将使用各种萘喹酮重建NQO1介导的电子传输 分离的线粒体,并将研究这种降低等效物的非规范进入点的生物能学。 这将使我们能够严格地表征萘喹酮和相关的氧化还原活性分子的能力 安全地绕过损坏的线粒体电子传输链,而无需诱导氧化应激。我们的目前 方法将首次允许我们识别生理NQO1底物并帮助我们更好地重建 NQO1介导的电子转移。这项工作最终将为发展治疗铺平道路 基于可以减轻还原应力的氧化还原活性小分子的模态。

项目成果

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