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失衡可能是 在多种疾病状态下被视为一种极其有用的通用策略。 NAD(P)H:醌 氧化还原酶 1 (NQO1) 是一种可溶性细胞质酶,主要被视为一种异生素 代谢酶或癌症药物的生物活化剂,但以减少 NAD(P)H 的当量为代价。 有趣的是,一些 NQO1 人工底物(主要是萘醌)在还原时能够 随后将它们的电子捐赠给复合物 I 下游的线粒体电子传递链。 因此,这种 NQO1 介导的替代电子转移是减轻还原应激的一种有吸引力的策略 并支持 ATP 稳态,因为它依赖于内源酶,并且只需要添加相应的 萘醌。然而,能够被 NQO1 还原的萘醌要么是天然产物,要么是 合成的氧化还原支架(例如艾地苯醌),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地位。为了缩小这一知识差距,我们将使用基于活动的代谢组学 使用重组 NQO1 进行分析,以鉴定由此相互转化的细胞内源代谢物 酶。接下来,我们将用各种萘醌重建 NQO1 介导的电子转移 分离线粒体并将研究这个非规范的还原当量入口点的生物能学。 这将使我们能够严格表征萘醌和相关氧化还原活性分子的能力 安全绕过损坏的线粒体电子传递链,而不引起氧化应激。我们目前的 该方法将首次使我们能够识别生理 NQO1 底物并帮助我们更好地重建 NQO1 介导的电子转移。这项工作最终将为开发治疗方法铺平道路 基于可以减轻还原应激的氧化还原活性小分子的方式。

项目成果

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