एनएडीएच/एनएडी प्लस असंतुलन के प्रति सहिष्णुता उम्र बढ़ने और उम्र बढ़ने के खिलाफ हस्तक्षेप का अनुमान लगाती है

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सारांश

रेडॉक्स जोड़े सेलुलर फ़ंक्शन का समन्वय करते हैं, लेकिन उनके असंतुलन के परिणाम स्पष्ट नहीं हैं। यह कुछ हद तक उनके प्रयोगात्मक परिमाणीकरण की सीमाओं से जुड़ा है। यहां हम एक दृष्टिकोण प्रस्तुत करके इन कठिनाइयों को दरकिनार करते हैं जो चयापचय की सिलिकॉन प्रस्तुति का उपयोग करके युगल असंतुलन को फिर से करने के लिए फिटनेस-आधारित सहिष्णुता प्रोफाइल की विशेषता है। यीस्ट में NADH/NAD1 रेडॉक्स युगल पर ध्यान केंद्रित करते हुए, हम प्रदर्शित करते हैं कि रिडक्टिव डिसिप्लिब्रिया कैंसर कोशिकाओं में देखे गए लोगों की तुलना में चयापचय सिंड्रोम उत्पन्न करता है।सिस्टैंच का अर्क लाभरेडॉक्स डिसिपिलिब्रियम के लिए यीस्ट म्यूटेंट की सहिष्णुता भी उनके प्रयोगात्मक रूप से मापा कालानुक्रमिक जीवन काल में परिवर्तनशीलता के 30 प्रतिशत की व्याख्या कर सकती है। इसके अलावा, असंतुलन को खड़ा करने में मदद करने के लिए कुछ मेटाबोलाइट्स के महत्व की भविष्यवाणी करके, हम पैथोलॉजी के अंतर्निहित तंत्र, जीवनकाल-रक्षा अणुओं, या कैलोरी प्रतिबंध मिमेटिक्स के पोषक तत्वों की सही पहचान करते हैं। रेडॉक्स असंतुलन के प्रति सहिष्णुता, इस तरह, उम्र बढ़ने के फ़ेनोटाइप के गुणों को पहचानने के लिए एक रूपरेखा प्रदान करने वाली एक ध्वनि बन जाती है, जबकि एंटी-एजिंग हस्तक्षेपों का आकलन करने के लिए एक जैविक तर्क के अनुरूप है।

परिचय

रेडॉक्स होमियोस्टेसिस पर अनुसंधान पिछले दो दशकों में काफी हद तक विस्तारित हुआ, लगातार ऑक्सीडेटिव सेलुलर क्षति (हॉलीवेल और गटरिज, 2015) की शास्त्रीय धारणाओं को दोबारा बदल रहा है। इस होमियोस्टैसिस में अंतर्निहित सबसे प्रतिमान आणविक एजेंटों में से रेडॉक्स जोड़ों के अनुपात उभर कर आते हैं, जैसे ग्लूटाथियोन, एनएडीपीएच और एनएडीएच के संयुग्मित रूप। ग्लूटाथियोन और एनएडीपीएच दोनों माइटोकॉन्ड्रिया में प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (आरओएस) के आवश्यक मैला ढोने वाले तंत्र के रूप में कार्य करते हैं, जबकि एनएडीपीएच और एनएडीएच युगल एनाबॉलिक और कैटोबोलिक मार्ग, क्रमशः सेल की रेडॉक्स अवस्था के साथ।

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फिर भी, एनएडीपीएच/एनएडीपी* और एनएडीएच/एनएडी* जोड़े को रेडॉक्स होमोस्टैसिस से जोड़ने वाले नए तंत्रों को पहचाना जाना जारी है। उदाहरण के लिए, एनएडीपीएच/एनएडीपी प्लस का संतुलन आंशिक रूप से एएमपी-सक्रिय प्रोटीन किनेज (शी एट अल।, 2014) के उत्तरजीविता परिणामों की व्याख्या करता है। इसके अलावा, यह सर्कैडियन टाइमकीपिंग को रेडॉक्स स्टेट्स (रे एट अल।, 2016) के साथ जोड़ता है। एनएडीएच/एनएडी प्लस अनुपात को वर्तमान में माइटोकॉन्ड्रियल और परमाणु कार्य के समन्वय, डीएनए की मरम्मत और सेलुलर पहचान के एपिजेनेटिक विनियमन और पर्यावरण चर के लिए ऊर्जा चयापचय की ट्यूनिंग (कैंटो एट अल।, 2015; गोम्स एट) में शामिल माना जाता है। अल। 2013)। गैर-पैथोलॉजिकल स्थितियों में, एनएडीएच/एनएडी* अनुपात ऑक्सीजन तनाव के साथ उतार-चढ़ाव करता है, हाइपोक्सिक स्थितियों और उच्च ऑक्सीजन उपलब्धता के साथ-साथ रिडक्टिव और ऑक्सीडेटिव विचलन (क्लैंटन, 2007; ग्रेफ एट अल।, 1999) के साथ सह-घटित होता है।

लेकिन रेडॉक्स युगल अनुपात में बढ़ती दिलचस्पी मुख्य रूप से पैथोलॉजी में उनके प्रभाव से आती है।सिस्टांचे चंगेज खानदोनों रिडक्टिव (हाइपोक्सिक, एनएडीएच प्रोन) और ऑक्सीडेटिव (हाइपरॉक्सिक, एनएडी प्लस प्रोन) इंद्रियों में आरओएस की उपस्थिति एक इष्टतम रेडॉक्स क्षमता से विचलन से संबंधित है जो माइटोकॉन्ड्रिया (एओएन एट अल।, 2010) के सर्वश्रेष्ठ प्रदर्शन को सुनिश्चित करता है। ; क्लैंटन, 2007)। कैंसर के संबंध में, घटी हुई एनएडीएच/एनएडी प्लस ग्लियोब्लास्टोमा (गुजर एट अल।, 2016) की घातकता को कम कर सकती है और कोलन कैंसर की प्रगति को बढ़ावा दे सकती है (हांग एट अल।, 2019), फिर भी, यह कुछ स्वस्थ फेनोटाइप को कोशिकाओं में अलग-अलग डिग्री से बचा सकता है। अन्य ट्यूमर प्रकार (गैरिडो और जोडर, 2017)।

सिस्टैन्च एंटी-एजिंग कर सकता है

एनएडीएच टोरंटो जीव विज्ञान में भी रुचि का एक बिंदु बन गया है। इस संदर्भ में, एनएडी प्लस पूल की वृद्धि के परिणामस्वरूप जीवों में उम्र बढ़ने और अन्य संबंधित रोग संबंधी फेनोटाइप का आंशिक उलटफेर हुआ (दास एट अल।, 2018; मेंडेलसोहन और लैरिक, 2014; वी एट अल।, 2017; झू एट अल।) , 2017), और सीनेसेंट और नियोप्लास्टिक कोशिकाओं को एनएडीएच / एनएडी प्लस अनुपात (ब्रेडी एट अल।, 2011; श्वार्ट्ज और पासोन्यू, 1974; विली एट अल, 2016) के असंतुलन को पेश करने के लिए पाया गया है। इसके अलावा, एनएडीपीएच की नई खोजी गई भूमिकाएं और एनएडीएच/एनएडीएच की उभरती अवधारणा रेडॉक्स होमियोस्टेसिस और सेनेसेंस के एक मास्टर नियामक के रूप में सभी उम्र बढ़ने के चयापचय स्थिरता सिद्धांत (डेमेट्रियस, 2004) के अनुरूप हैं। यह सिद्धांत प्रस्तावित करता है कि उम्र बढ़ने का कारण एंजाइम प्रतिक्रिया दर पर यादृच्छिक पर्यावरणीय गड़बड़ी के लिए रेडॉक्स जोड़ों के स्थिर-राज्य स्तरों की भेद्यता है, और कई दिलचस्प भविष्यवाणियां करता है जो मनुष्यों पर लागू होती हैं।

इन सभी निहितार्थों को देखते हुए, कई अध्ययनों ने या तो निष्क्रिय रूप से उनके स्तरों की रिपोर्ट करके या उन्हें सक्रिय रूप से संशोधित करके रेडॉक्स युगल अनुपात की घटना की जांच की है। प्रायोगिक जोड़तोड़ हालांकि चुनौतीपूर्ण हैं। सबसे पारंपरिक आरोप गहरे प्रयोगात्मक चेतावनी (सन एट अल।, 2012) और नए अभी भी तापमान और पीएच अंतराल (हंग एट अल।, 2011; झाओ एट अल।, 2015) तक सीमित होने के कारण कुछ जैविक परिस्थितियों को याद करते हैं। इसके अलावा, मेटाबोलाइट पूरकता (होउ एट अल।, 2010) द्वारा कोएंजाइम पूल के परिवर्तन और एनएडी (एच) -उपभोग एंजाइमों (बैट अल।, 2011) के उत्परिवर्तन या अति-अभिव्यक्ति के बाद फेनोटाइप्स की विस्तृत श्रृंखला की निगरानी करना प्रयोगात्मक रूप से महंगा है। फेलिप एट अल।, 1998)। इस प्रकार, रेडॉक्स जोड़ों के हेरफेर के साथ-साथ इस नियंत्रण के जैविक परिणामों के बारे में हमारी समझ के माध्यम से रेडॉक्स होमियोस्टेसिस के नियंत्रण को संबोधित करने के लिए वैकल्पिक रणनीतियों की आवश्यकता है।

सिलिको मॉडल में जब भी प्रायोगिक दृष्टिकोण सीमित होते हैं, तो एक व्यावहारिक शोध रणनीति बन जाती है, जिसमें प्रेक्षित घटना के पूर्ण यंत्रवत खाते को सक्षम करने का लाभ होता है। जीनोम-स्केल मेटाबॉलिक मॉडल, जिनका अध्ययन फ्लक्स बैलेंस एनालिसिस (FBA) (ऑर्थ एट अल, 2010) के माध्यम से किया जा सकता है, सेल्युलर फंक्शन (विधियों S1) पर मेटाबॉलिक गड़बड़ी के परिणामों का अध्ययन करने के लिए सिस्टम बायोलॉजी में एक मानक बन गए हैं। अन्य योगदानों के अलावा, उन्होंने नए एंटीबायोटिक्स और कीमोथेराप्यूटिक्स की खोज में सहायता की है, ब्याज के पदार्थों के औद्योगिक उत्पादन के लिए अनुकूलित बैक्टीरिया के उपभेदों का डिजाइन, और मानव चयापचय रोगों की बेहतर समझ (बर्गर्ड एट अल।, 2003; पग्लिआरिनी एट अल। 2016; रमन एट अल।, 2009)। एफबीए के उपयोग से गैर-चयापचय संबंधी भ्रमित कारकों (आनुवंशिक, एपिजेनेटिक, यांत्रिक, आदि) के प्रभाव के बिना चयापचय संबंधी घटनाओं में अंतर्दृष्टि प्रदान करने का अतिरिक्त लाभ होता है। इस प्रकार, जीनोम-स्केल चयापचय मॉडल रेडॉक्स होमियोस्टेसिस से विचलन के चयापचय परिणामों की जांच करने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं।

यहां, हम एककोशिकीय यूकेरियोट Saccharomyces cerevisiae के जीनोम-स्केल पुनर्निर्माण पर रेडॉक्स जोड़ों के संतुलन की जांच करने के लिए FBA का उपयोग करते हैं, जिससे हम उपलब्ध NADH / NAD प्लस फ्लक्स के नियंत्रित गड़बड़ी के चयापचय और दीर्घायु से संबंधित परिणामों की विशेषता रखते हैं। पृष्ठभूमि। अधिक विशेष रूप से, हमारे परिणामों से पता चलता है कि इस असंतुलन के प्रति सहिष्णुता एक विशिष्ट चयापचय पुनर्रचना की ओर ले जाती है जो विकृति विज्ञान की याद दिलाती है और पोस्ट-माइटोटिक जीवन काल में अंतर-विशिष्ट परिवर्तनशीलता के एक चौथाई से अधिक की व्याख्या करती है। इसके अलावा, यह ढांचा उम्र से संबंधित विकृति के संदर्भ में चिकित्सीय लक्ष्यों के रूप में संभावित मेटाबोलाइट्स और एंजाइमों की पहचान करने के लिए एक कम्प्यूटेशनल प्रोटोकॉल (जिसे हम पशु और मानव चयापचय मॉडल पर भी लागू करते हैं) की रूपरेखा तैयार करने में मदद करते हैं।

परिणाम

एक फिटनेस-आधारित सहिष्णुता प्रोफ़ाइल रेडॉक्स युगल गड़बड़ी की विशेषता है

रेडॉक्स जोड़े के संयुग्मित रूपों के बीच असंतुलन का प्रतिनिधित्व करने के लिए, हमने संबंधित चयापचय नेटवर्क (स्टार विधियों) के जीनोम-स्केल पुनर्निर्माण में एक कृत्रिम प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया-"असंतुलन प्रतिक्रिया" को शामिल किया। विशिष्ट सेलुलर डिब्बों (जैसे, साइटोसोल, माइटोकॉन्ड्रिया, आदि) पर विचार करते हुए प्रतिक्रिया युगल को ऑक्सीकरण या कम कर देती है, और इसकी गतिविधि को किसी भी वांछित दर मूल्य पर तय किया जा सकता है। इनमें से किसी भी मान के लिए, कोई विकास दर ("फिटनेस") की गणना कर सकता है। जो उस विशेष स्थिति के लिए खमीर कोशिका की सहनशीलता के लिए एक प्रॉक्सी के रूप में कार्य करता है। अंत में, एक सीमा के लिए विकास दर की गणना करके एक सहिष्णुता प्रोफ़ाइल को परिभाषित किया जाता है असंतुलन मूल्यों के (चित्रा 1ए; ध्यान दें कि रिडक्टिव/ऑक्सीडेटिव स्थितियों को क्रमशः, पूरे पांडुलिपि में नीले/लाल रंग में दर्शाया गया है)।

सहिष्णुता प्रोफाइल आमतौर पर शून्य असंतुलन बिंदु के आसपास अधिकतम वृद्धि प्रदर्शित करता है, लगभग किसी भी विचलन (यानी, प्रतिक्रिया का गैर-शून्य मान) कम फिटनेस के लिए अग्रणी होता है। यह इस तथ्य पर जोर देता है कि, चयापचय के काम करने के लिए, प्रतिक्रियाओं की गतिविधि जो एक अर्थ में रेडॉक्स युगल अनुपात को ट्यून करती है, उन लोगों की गतिविधि के अनुपात में होनी चाहिए जो इसे दूसरे में ट्यून करते हैं। अधिक विशेष रूप से, एस में एनएडीएच/एनएडीटी के साइटोसोलिक असंतुलन।सिस्टैंच जीवन विस्तारग्लूकोज और एरोबिक स्थितियों पर बढ़ने वाले सेरेविसिया असंतुलन प्रोफ़ाइल के एक बिंदु पर ऑक्सीडेटिव पक्ष की ओर विस्थापित अधिकतम वृद्धि के साथ एक प्रोफ़ाइल प्राप्त करते हैं जहां ~ 50 मिमीोल/डीडब्ल्यू/एनएडीएच के घंटे को एनएडीएच (चित्रा 1 बी) में परिवर्तित किया जा रहा है। इसके बजाय माइटोकॉन्ड्रिया में असंतुलन पर विचार करते समय, हमने शून्य असंतुलन (चित्र 1C) के बिंदु पर अधिकतम देखा, एक पैटर्न जिसे हमने इसी तरह अन्य प्रोफाइल (चित्र S1) में देखा। सामान्य तौर पर, रिडक्टिव स्थितियां बन जाती हैं

चित्रा 1. एक सहिष्णुता प्रोफ़ाइल रेडॉक्स असंतुलन की प्रतिक्रिया की विशेषता है

(ए) शीर्ष। हमने एक रेडॉक्स कोएंजाइम (यहां एनएडीएच/एनएडीएच जोड़ी) के दो संयुग्मित रूपों को आपस में बदलने के लिए एक जीव (इस मामले में खमीर) के चयापचय पुनर्निर्माण मॉडल में एक कृत्रिम प्रतिक्रिया पेश की। असंतुलन स्थितियों की श्रृंखला में से प्रत्येक के तहत, यानी कृत्रिम प्रतिक्रिया के दर मूल्य, हम विकास दर की गणना करने के लिए प्रवाह संतुलन विश्लेषण लागू करते हैं। नीचे। विकास के अनुमानित मूल्यों को असंतुलन के दर मूल्यों के विरुद्ध प्लॉट किया जाता है जो सहिष्णुता प्रोफ़ाइल को चित्रित करता है; चुने हुए गड़बड़ी का सामना करने पर चयापचय की सहनशीलता के लिए एक प्रॉक्सी।सिस्टैंचे nz(बी) साइटोसोल में स्थित असंतुलन से जुड़े खमीर में सहिष्णुता प्रोफ़ाइल।

(सी) माइटोकॉन्ड्रिया में स्थित असंतुलन से जुड़े खमीर में सहिष्णुता प्रोफ़ाइल। नीला / लाल छायांकन क्रमशः कम और ऑक्सीकृत असंतुलन शासन का प्रतिनिधित्व करता है, और ग्रे डॉट्स बिना असंतुलन या अत्यधिक रिडक्टिव / ऑक्सीडेटिव असंतुलन के अनुरूप मूल्यों को इंगित करते हैं जो कोई विकास नहीं करते हैं। ऑक्सीडेटिव शासनों की तुलना में हानिकारक और घातक तेज। दो मामलों में (साइटोसोलिक एनएडीएच या माइटोकॉन्ड्रियल थिओरेडॉक्सिन के संयुग्मित जोड़े), जोड़े के हल्के कृत्रिम ऑक्सीकरण से विकास में सुधार होता है (चित्र S1)।

एनएडीएच / एनएडी * गड़बड़ी चयापचय सिंड्रोम का कारण बनती है जो पैथोलॉजी की याद दिलाती है

बिना असंतुलन के खमीर का ऊर्जा चयापचय ग्लूकोज (बढ़ती परिस्थितियों का अध्ययन) की उपस्थिति में एक विशिष्ट एरोबिक चयापचय से मेल खाता है जिसमें ग्लाइकोलाइसिस को ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र (टीसीए) और ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण के साथ जोड़ा जाता है। पेन्टोज़ फॉस्फेट मार्ग ग्लूकोज का ऑक्सीकरण करता है और न्यूक्लियोटाइड संश्लेषण के लिए राइबोस-5P प्रदान करता है और उपचय के लिए एनएडीपीएच-जनित रिडक्टिव शक्ति, जबकि एनाप्लरोटिक मार्ग ग्लूटामाइन चयापचय के समान, टीसीए चक्र से प्रस्थान करते हैं, मुख्य रूप से पाइरीमिडीन को खिलाने के लिए मध्यम रूप से उपयोग किए जाते हैं और अमीनो एसिड संश्लेषण। एफबीए हमें इन मार्गों में परिवर्तनों की मात्रा निर्धारित करने में सक्षम बनाता है और कैसे वे अंततः किसी विशेष असंतुलन शासन में अंतर्निहित चयापचय लक्षणों का विस्तार करते हैं।

विशेष रूप से, चित्रा 2 ए दिखाता है कि साइटोसोलिक एनएडीएच / एनएडीएच के रिडक्टिव असंतुलन ने ग्लाइकोलाइटिक प्रवाह में वृद्धि, टीसीए चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला की गतिविधि में कमी और ग्लूटामाइन चयापचय में वृद्धि का उत्पादन किया। यह स्यूडोहाइपोक्सिक चयापचय हस्ताक्षर - ऑक्सीजन की उपस्थिति में अवायवीय चयापचय जैसा दिखता है, जहां ग्लाइकोलाइसिस को अल्कोहल या लैक्टिक किण्वन के साथ माइटोकॉन्ड्रियल मार्गों के नुकसान के लिए जोड़ा जाता है; पेन्टोज़ फॉस्फेट मार्ग का ऑक्सीजन युक्त भाग बंद हो जाता है और ग्लूटामाइन चयापचय, एक अधिक सक्रिय, उपचय में योगदान करने के लिए पाइरूवेट का उत्पादन करने के लिए पुन: निर्देशित किया जा सकता है। विशेष रूप से, यह फेनोटाइप विभिन्न प्रकार के कैंसर कोशिकाओं (वारबर्ग प्रभाव) (पॉटर एट अल।, 2016) में देखे गए विरोधाभासी उपज चयापचय की कुछ विशेषताओं को पकड़ता है।

चित्रा 2. खमीर (ए) साइटोसोलिक एनएडीएच / एनएडी असंतुलन (शीर्ष) और पांच प्रतिनिधि मार्गों (नीचे) के प्रवाह मूल्यों में सहिष्णुता प्रोफ़ाइल अंतर्निहित ऊर्जा प्रबंधन के मुख्य मार्गों के प्रवाह; i/ग्लाइकोलिसिस (ग्लाइकोलिसिस, कोर), ii/क्रेब्स चक्र (TCA, गुलाबी), ili/पेंटोस फॉस्फेट (पेनफोस, हरा), iv/ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन (ऑक्सफोस, ग्रे), और ग्लूटामाइन चयापचय (ग्लूटामाइन, बैंगनी)। प्रतिनिधित्व किए गए फ्लक्स वैक्टर विशेष मार्ग के सभी प्रतिक्रियाओं के औसत प्रवाह का परिणाम हैं।

(बी) माइटोकॉन्ड्रियल असंतुलन के संबंध में (ए) के समान। ग्लाइकोलाइसिस (पैनल ए, बॉटम) में नकारात्मक फ्लक्स की उपस्थिति पर ध्यान दें, बढ़े हुए ग्लूकोनोजेनेसिस का प्रतिनिधित्व करते हैं। विवरण के लिए मुख्य पाठ देखें।

इसके विपरीत, ऊर्जा चयापचय अंतर्निहित ऑक्सीडेटिव सहिष्णुता (साइटोसोल, चित्रा 2ए के संबंध में) ने अधिक एरोबिक-जैसे कॉन्फ़िगरेशन का प्रदर्शन किया, लेकिन विशेष रूप से सक्रिय पॉलीमाइन चयापचय जैसे विशिष्टताओं के साथ; और अत्यधिक गुण, जिसमें ग्लूकोनेोजेनेसिस, ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण, और टीसीए चक्र गतिविधि में वृद्धि, साथ ही पेंटोस फॉस्फेट मार्ग के माध्यम से एक बहुत ही उच्च (12-सामान्य स्तर तक) प्रवाह शामिल है। उत्तरार्द्ध फिर भी बहुत अधिक (पिछले 55 mmol/gDW/h) ऑक्सीडेटिव असंतुलन (विधियों S1 देखें) के तहत, बायोमास छद्म प्रतिक्रिया में अंतर का एक विरूपण साक्ष्य हो सकता है।

जब असंतुलन प्रतिक्रिया माइटोकॉन्ड्रिया में स्थित होती है, तो एनएडीएच की कमी ने एक अंतर के साथ एक निश्चित छद्म हाइपोक्सिक व्यवहार को फिर से उत्पन्न किया (चित्र 2बी)। ग्लाइकोलाइसिस और ग्लूटामाइन चयापचय के माध्यम से प्रवाह में वृद्धि हुई, टीसीए चक्र के कुछ हिस्सों और पेंटोस फॉस्फेट मार्ग के सहवर्ती नुकसान के साथ। हालांकि, साइटोसोलिक मामले के विपरीत, ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण में काफी वृद्धि हुई। दूसरी ओर, माइटोकॉन्ड्रियल प्रोफाइल का ऑक्सीडेटिव पक्ष अधिक विशिष्ट था: ग्लाइकोलाइटिक गतिविधि TCA चक्र के समानांतर बढ़ गई, लेकिन ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण ने सामान्य से निचले स्तर पर अधिकांश भाग के लिए काम किया, और ग्लूटामाइन चयापचय का बहुत कम महत्व था,

मेटाबोलिक सिंड्रोम रेडॉक्स बैलेंस, बायोमास उत्पादन और एटीपी / एनएडीएच ट्रेड-ऑफ के बीच एक समझौता के परिणामस्वरूप होता है

हमने खेल में कई प्रमुख तत्वों की पहचान की जिन्होंने पिछले सिंड्रोम को आकार दिया।लिंग का आकारविकास को बनाए रखने और असंतुलन गड़बड़ी को बफर करने के बीच एक समझौता के रूप में ऑक्सीडेटिव गड़बड़ी को एक तेज एरोबिक प्रतिक्रिया के साथ मिला था। इसमें बायोमास घटकों को उत्पन्न करने में सक्षम वैश्विक प्रवाह वितरण को संरक्षित करते हुए एनएडी प्लस को कम करने वाली प्रतिक्रियाओं की अधिकतम संभव संख्या के माध्यम से प्रवाह को फिर से शामिल करना शामिल था। ये दो यंत्रवत तत्व (परेशान बफरिंग और बायोमास अधिकतमकरण) अनुकूलन समस्या की सबसे प्रासंगिक आवश्यकताएं हैं और सहिष्णुता प्रोफ़ाइल के ऑक्सीडेटिव शासन का वर्णन करने के लिए पर्याप्त हैं।

चित्रा 3. प्रतिस्पर्धा तंत्र खमीर के स्यूडोहाइपोक्सिक व्यवहार का कारण बनता है

(ए) एनएडीएच, एटीपी, और बायोमास अग्रदूत उत्पादन के बीच संतुलन प्रतिक्रिया मॉड्यूल का समर्थन करता है जो रिडक्टिव शासनों के परिणामों की भरपाई के लिए जितना संभव हो उतना एटीपी और कम एनएडीएच का उत्पादन करता है, उदाहरण के लिए, टीसीए के ग्लाइकोलाइसिस का उपयोग। यहां ध्यान दें कि बैंगनी तीर एटीपी उत्पादन का प्रतिनिधित्व करते हैं, पीले तीर एनएडी (एच) उत्पादन का प्रतिनिधित्व करते हैं, और सफेद सर्कल बायोमास अग्रदूतों की पीढ़ी को इंगित करते हैं, (बी) एक एनएडीएच-प्रवण एनएडीएच/एनएडीटी गड़बड़ी (एक्स-अक्ष) एक कृत्रिम एडीपी के साथ ओवरलैप किया गया है। फॉस्फोराइलेशन प्रतिक्रिया (y-अक्ष) जो असंतुलित चयापचय में एटीपी के रूप में जबरदस्ती रिडक्टिव पावर का परिचय देती है। एक हरे रंग का ढाल ग्लाइकोलाइटिक और क्रेब्स चक्र प्रवाह के बीच के अनुपात को उसके सामान्य मूल्य (100- गुना तक) द्वारा सामान्यीकृत करता है। यह सराहना की जा सकती है कि एडीपी फॉस्फोराइलेशन स्यूडोहाइपोक्सिक फेनोटाइप को कम करता है और विलंबित करता है।

रिडक्टिव पक्ष को हालांकि एक अतिरिक्त अंतर्दृष्टि की आवश्यकता है। चूंकि अधिक से अधिक एनएडीएच को एनएडीएच प्रतिक्रियाओं के लिए अनुक्रमित किया जाता है जो एनएडीटी का उपयोग करते हैं और बायोमास घटकों का उत्पादन करने के लिए प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से आवश्यक होते हैं, इसलिए एनएडीएच को एनएडी में उन्नत रूपांतरण की अनुमति देने के लिए ऊर्जा चयापचय को फिर से निर्देशित किया जाना चाहिए और सीमित करने के लिए NAD'to NADH में कमी। यह अभी भी परेशानी का सामना करने के लिए अनुपयुक्त है, क्योंकि एनएडीएच के रूप में अधिकांश रिडक्टिव पावर अनिवार्य रूप से कई चयापचय उद्देश्यों, प्रतिक्रियाओं और विकास के लिए बेकार है: एनएडीएच में संग्रहीत ऊर्जा को एडीपी को पुनः आवंटित किया जाना चाहिए। इस प्रकार, चयापचय को प्रतिक्रिया मॉड्यूल को प्राथमिकता देनी चाहिए जो जितना संभव हो उतना एटीपी और कम से कम एनएडीएच का उत्पादन करें; इसे उच्च एटीपी/एनएडीएच उपज वाले शंट और पथों पर भरोसा करना चाहिए, उदाहरण के लिए, ग्लाइकोलाइसिस और ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण।

टीसीए चक्र को कम करने और ग्लाइकोलाइटिक प्रवाह में वृद्धि (चित्रा 3 ए) में अन्य चीजों के साथ ये परिणाम। इस एटीपी / एनएडीएच ट्रेड-ऑफ के प्रभाव का पता लगाने के लिए, हमने एक कृत्रिम प्रतिक्रिया के साथ एक रिडक्टिव एनएडीएच / एनएडी गड़बड़ी को ओवरलैप किया जो एडीपी के फॉस्फोराइलेशन की अनुमति देता है। . सिमुलेशन से पता चला है कि टीसीए चक्र प्रवाह अनुपात में ऊंचा ग्लाइकोलाइसिस जो रिडक्टिव चयापचय की विशेषता है, एटीपी / एनएडीएच उपज पर निर्भर है

चित्रा 4. खमीर में कालानुक्रमिक जीवन काल के भविष्यवक्ता के रूप में सहिष्णुता स्कोर

(ए) खमीर म्यूटेंट के लिए प्राप्त सहिष्णुता प्रोफाइल; वक्र के नीले/लाल क्षेत्र एनएडीएच/एनएडीएच असमानता के रिडक्टिव/ऑक्सीडेटिव शासन का प्रतिनिधित्व करते हैं।

(बी) सामान्यीकृत सहिष्णुता स्कोर (ऑक्सीडेटिव और रिडक्टिव दोनों शासनों, स्टार विधियों में असंतुलन मूल्यों की चौड़ाई के अनुपात में) और कालानुक्रमिक जीवन काल के बीच संबंध। सहसंबंध कुल विचरण (आर '= 0 का ~ 30 प्रतिशत बताता है। 29, पी-वैल्यू=3.2x 10-4, एन= 41)।

(सी) इस एसोसिएशन को देखने के वैकल्पिक तरीके के रूप में, हमने सहिष्णुता स्कोर और जीवनकाल के बीच दस हजार यादृच्छिक रूप से उत्पन्न संघों से प्राप्त प्रतिगमन ढलान मूल्यों का एक हिस्टोग्राम प्राप्त किया। इस नमूने से, हमें केवल 3 मामले मिलते हैं जिनमें सहिष्णुता स्कोर और जीवनकाल डेटा के बीच संबंध पाए गए (लाल लंबवत रेखा द्वारा इंगित) की तुलना में अधिक मजबूत है।

(चित्रा 3बी)। बहुत मजबूत एनएडीएच-प्रवण असंतुलन दर की स्थिति में भी जबरदस्ती फॉस्फोराइलेटिंग एडीपी इस छद्म हाइपोक्सिक हस्ताक्षर को कम करता है।

सहिष्णुता विभिन्न खमीर उत्परिवर्ती के बीच प्रयोगात्मक कालानुक्रमिक जीवन काल के अंतर की व्याख्या करती है

हमने पूछा कि किस हद तक सहिष्णुता प्रोफ़ाइल जीवनकाल के भविष्यवक्ता के रूप में कार्य कर सकती है, यह देखते हुए कि रेडॉक्स जोड़ों पर संभावित जीवनकाल निर्धारकों के रूप में चर्चा की गई है। इसका अध्ययन करने का एक तरीका यह है कि विभिन्न म्यूटेंट (चित्र 4ए) में प्रो-फाइल की गणना की जाए और फिर यह निर्धारित किया जाए कि यह कैसे सटीक जीवनकाल उपायों, सामान्यीकृत कालानुक्रमिक जीवन काल (सीएलएस) से मेल खाती है, जो प्रयोगात्मक रूप से मापा उत्परिवर्ती उत्तरजीविता वक्रों से उपलब्ध है (गैरे एट अल। , 2014)। सीएलएस की गणना इन उत्परिवर्ती उत्तरजीविता वक्रों से की जाती है क्योंकि जंगली-प्रकार के सापेक्ष स्थिर-चरण उत्तरजीविता में वृद्धि होती है।

एफबीए में, विशिष्ट जीन में उत्परिवर्तन बूलियन नियमों के माध्यम से उनके साथ जुड़े प्रतिक्रियाओं के प्रवाह को बाधित करके सिम्युलेटेड होते हैं जो प्रतिक्रिया के एंजाइम (स्टार विधियों) के लिए अनुवाद करने वाले ओआरएफ से प्रत्येक रासायनिक प्रतिक्रिया से संबंधित होते हैं। इनमें से प्रत्येक म्यूटेंट के लिए, हमने एक उत्परिवर्ती सहिष्णुता प्रोफ़ाइल (चित्रा 4 ए) की गणना की और असंतुलन निरपेक्ष मूल्यों के योग का उपयोग किया, जिस पर विकास दर आधी हो गई है (दोनों रिडक्टिव और ऑक्सीडेटिव शासनों में) सहिष्णुता के एक स्केलर स्कोर के रूप में (स्टार) तरीके)।

हमारा उत्परिवर्ती सेट हालांकि कुछ प्रतिबंधों (स्टार विधियों) द्वारा सीमित था। विशेष रूप से, हम निषेधात्मक गणना समय तक पहुंचे बिना जंगली-प्रकार के मूल्य के 10 पीपीएम से नीचे सहिष्णुता में अंतर को भेद करने में असमर्थ थे, और कई म्यूटेंट ने जीवन काल में नगण्य अंतर और सहिष्णुता में नगण्य अंतर दोनों को प्रस्तुत किया। इसके अतिरिक्त, यह आम तौर पर माना जाता है कि एफबीए लाभ-के-कार्य विलोपन को चिह्नित करने में असमर्थ है और, काफी अनुमानित रूप से, कोई भी उत्परिवर्ती सहिष्णुता जंगली-प्रकार से अधिक नहीं है।

इन बाधाओं से परे, इन सिलिको टॉलरेंस प्रोफाइल प्रयोगात्मक रूप से मापी गई जीवन अवधि परिवर्तनशीलता के -30 प्रतिशत की व्याख्या करने में सक्षम थे (चित्र 4बी, आर2= 0.29, एन=41,पी मान{{5 }}.2x 10-) बड़े महत्व के साथ:10,000 डेटा युग्मों के यादृच्छिकीकरण के कारण बड़े प्रतिगमन ढलान (चित्र 4C) के साथ केवल 3 उदाहरण प्राप्त हुए।

पारंपरिक पोषक तत्व NADH/NADH असंतुलन को सहन करने में सक्षम बनाते हैं

अंत में, हमने जांच की कि क्या रेडॉक्स असंतुलन की प्रतिक्रिया में विशिष्ट आहार मेटाबोलाइट्स विशेष रूप से निर्धारक थे। इस उद्देश्य के लिए, हमने एफबीए मॉडल की एक अतिरिक्त विशेषता का उपयोग किया, जो कि एक विशेष मेटाबोलाइट के उपयोग तक पहुंचने की संभावना है (स्थिर-अवस्था में खपत की दर के रूप में परिभाषित, स्टार विधियों)। हमने जांच की कि जिस तरह से यह दर रिडक्टिव और ऑक्सीडेटिव एनएडीएच / एनएडी प्लस असंतुलन के बढ़ते मूल्यों के साथ बदल गई है।

प्रोफ़ाइल के दोनों किनारों पर और अधिकांश मेटाबोलाइट्स के लिए उपयोग बल्कि रैखिक था। इस प्रकार, हमने इस बदलते पैटर्न को एक रैखिक मॉडल में फिट किया और रेडॉक्स असंतुलन (चित्रा 5 ए) को सहन करने के लिए संबंधित मेटाबोलाइट की प्रासंगिकता के एक अदिश प्रतिनिधि के रूप में (पूर्ण) ढलान पर विचार किया। iAZ900 के शीर्ष उत्तरदायी पोषक तत्वों में, हमने आहार मेटाबोलाइट्स पर ध्यान दिया, जो कि खमीर जीवनकाल को विनियमित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने के लिए जाने जाते हैं, जैसे कि एसीटेट (बर्नर एट अल।, 2009), साथ ही कई जो खमीर, कीड़े में प्रयोगात्मक रूप से जीवनकाल बढ़ाते हैं। या यहां तक ​​कि मानव कोशिकाएं (मैडियो एट अल।, 2018; मिशूर एट अल।, 2016) जिसमें मैलेट, हाइड्रोक्सीब्यूटाइरेट, स्पर्मिडाइन या ऑक्सालोसेटेट (आंकड़े 5बी-5डी, टेबल एस1) शामिल हैं।

कुछ पोषक तत्व NADreduction के प्रति सहिष्णुता के लिए अधिक प्रासंगिक थे, अन्य NADHoxidation के लिए, और कुछ इन दोनों व्यवस्थाओं के लिए। रिडक्टिव टॉलरेंस के लिए सबसे महत्वपूर्ण आहार मेटाबोलाइट्स क्रम में एसीटेट, बीटा-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट (बीएचबी), ग्लूटामेट, और ग्लूटामाइन (चित्रा 5 बी) थे, इस बीच, एनएडीएच ऑक्सीकरण को सहन करने के लिए सबसे महत्वपूर्ण एसीटेट, एनएडीपी प्लस, पुट्रेसिन और स्पर्मिडाइन थे। (चित्रा 5डी)। प्रोफ़ाइल के दोनों किनारों पर सहिष्णुता से भाग लेने वालों में, सबसे अधिक प्रासंगिक क्रम एसीटेट, ग्लूटामेट, ऑक्सालोसेटेट, और ऑक्सोग्लूटारेट (चित्रा 5सी) में था।

हमने अन्य जीवों में चयापचय मॉडल पर विचार किया ताकि यह पुष्टि की जा सके कि असंतुलन की प्रतिक्रिया में कौन से पोषक तत्व निर्धारक हैं (विधियाँ S1, चित्र S2 भी देखें कि मुख्य मार्गों के प्रवाह कैसे बदलते हैं)। ये सभी शीर्ष योगदानकर्ता बदल गए, हालांकि व्यापक रूप से नहीं, अल्फा-कीटो एसिड, रेडॉक्स जोड़े, कुछ विटामिन, और कुछ अमीनो एसिड सी। एलिगेंस और मानव पुनर्निर्माण में एनएडीएच / एनएडीटी गड़बड़ी को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण रूप से आवश्यक हैं। इन जीवों में रेडॉक्स असंतुलन के लिए सबसे प्रचलित प्रतिक्रिया मेटाबोलाइट्स से संबंधित है जो पीएच होमियोस्टेसिस, जैसे एसीटेट, बाइकार्बोनेट, बाइफॉस्फेट, सोडियम, पानी, और अन्य जैसे मध्यस्थता करते हैं। इसी तरह, ग्लूटामेट, ग्लूटामाइन, एस्पार्टेट, थ्रेओनीन, सेरीन और ग्लाइसिन की प्रासंगिकता उन्हें अन्य अमीनो एसिड और अधिकांश मेटाबोलाइट्स से अलग करती है। मध्यम आकार के ऑक्सीडाइज्ड एसिड जैसे ऑक्सोग्लूटारेट, मैलेट और ऑक्सालोसेटेट भी लगातार सहिष्णुता में भूमिका निभाते हैं, जैसा कि बायोटिन और कुछ फोलेट करते हैं (पूरी सूची के लिए तालिका S1 देखें)।

बहस

हम यहां रेडॉक्स जोड़ों में परिवर्तन के व्यापक जैविक परिणामों को समझने के लिए एक वैकल्पिक दृष्टिकोण का प्रस्ताव करते हैं। यह दृष्टिकोण सिलिको चयापचय मॉडल पर आधारित है और इन परिवर्तनों के लिए सेलुलर लचीलापन की मात्रा निर्धारित करने वाले उपाय के रूप में सहनशील-पूर्व प्रोफ़ाइल की धारणा का परिचय देता है।

चित्रा 5. खमीर में होमोस्टैटिक पोषक तत्व

(ए) एक पोषक तत्व का उदाहरण उपयोग प्रोफ़ाइल इसके संगत रिडक्टिव (नीला) और ऑक्सीडेटिव (लाल) रैखिक प्रतिगमन के साथ ढलान एम, और एम द्वारा विशेषता है, क्रमशः (पूर्ण मूल्यों में)। हमने संदर्भ के रूप में पृष्ठभूमि में साइटोसोलिक सहिष्णुता प्रोफ़ाइल को शामिल किया।

(बी) एनएडीएच/एनएडी प्लस गड़बड़ी के रिडक्टिव अर्थ में शीर्ष 4 होमोस्टैटिक पोषक तत्वों के रैखिक प्रतिगमन ढलान (एम)।

(सी) शीर्ष 4 पोषक तत्वों के रैखिक प्रतिगमन ढलान जो कि गड़बड़ी की दोनों इंद्रियों में होमोस्टैटिक हैं; नीला: रिडक्टिव लीनियर रिग्रेशन स्लोप; लाल: ऑक्सीडेटिव रैखिक प्रतिगमन ढलान।

(डी) एनएडीएच/एनएडी प्लस गड़बड़ी के ऑक्सीडेटिव अर्थ में शीर्ष 4 होमोस्टैटिक पोषक तत्वों के रैखिक प्रतिगमन ढलान (एम।)

प्रोफ़ाइल में अंतर्निहित उपापचयी समायोजन, रिडक्टिव एनएडीएच शासनों से जुड़े एक स्यूडोहाइपोक्सिक फेनोटाइप की उपस्थिति को प्रकट करते हैं। यह फेनोटाइप कैंसर (वारबर्ग प्रभाव) में देखे गए कुछ स्पष्ट रूप से विरोधाभासी कम उपज ऊर्जा चयापचय की याद दिलाता है और इसे खमीर (क्रैबट्री प्रभाव) और बैक्टीरिया (अतिप्रवाह चयापचय) कोशिकाओं (बेसन एट अल।, 2015; मोरी एट अल।) में भी पहचाना जाता है। 2016; पॉटर एट अल।, 2016)। संभावना है कि यह व्यवहार तुलनात्मक रूप से उच्च विकास या ग्लूकोज तेज दरों पर उत्पन्न होने वाले संसाधन आवंटन बाधाओं के कारण हो सकता है, हाल के वर्षों में सामने रखा गया है (बसन एट अल, 2015; मोरी एट अल, 2016)। हालाँकि, हम जो स्यूडोहाइपोक्सिक फेनोटाइप देखते हैं, वह विकास दर और ग्लूकोज तेज से स्वतंत्र है, और वास्तव में, यह कम विकास दर (स्टार विधियों) के साथ सह-होता है। हमने दिखाया है कि इसका कारण मौलिक एटीपी/एनएडीएच ट्रेड-ऑफ में निहित है, एक तर्क जो हाल के प्रायोगिक अध्ययन (माल्डो-नाडो और लेमास्टर्स, 2014) द्वारा समर्थित है।

इसके अलावा, हमारे फ्लक्स विश्लेषण से पता चलता है कि एटीपी रखरखाव रिडक्टिव एनएडीएच / एनएडी प्लस डिसिपिलिब्रिया से नकारात्मक रूप से प्रभावित हो सकता है। एनएडीएच में वृद्धि को एटीपी उपलब्धता में कमी का सहसंबंध माना जाता है, क्योंकि ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण की हानि के परिणामस्वरूप एनएडीएच / एनएडी प्लस में वृद्धि और एटीपी / एडीपी में कमी दोनों हो सकती है। हम दिखाते हैं कि बाहरी रूप से उत्पन्न एनएडीएच असंतुलन ऑर्थोगोनल चयापचय तंत्र के माध्यम से ऊर्जा की उपलब्धता में कमी का कारण हो सकता है, जबकि ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण सामान्य स्तरों पर काम करता है। उम्र बढ़ने के अनुसंधान के संदर्भ में यह बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि ऊर्जा की उपलब्धता में कमी और एटीपी / एडीपी अनुपात सेलुलर उम्र बढ़ने और उम्र से संबंधित विकृति (मोरेरा एट अल।, 2003; पल, 1990; यानिव एट अल। 2013) की एक संरक्षित पहचान है। ) और प्रोटीन टर्नओवर को कम करके और इसलिए प्रोटीन आधा जीवन (अनीसिमोवा एट अल।, 2018) को बढ़ाकर जहरीले कचरे के संचय और प्रोटियोस्टेसिस (उम्र बढ़ने की एक और पहचान) के नुकसान को बढ़ावा दे सकता है।

हमारा लक्ष्य जीवन काल के भविष्यवक्ता के रूप में और रेडॉक्स असंतुलन को बफर करने वाले आहार मेटाबोलाइट्स के रूप में हमारे ढांचे की वैधता का निर्धारण करना है। उपलब्ध डेटासेट के कारण कुछ सीमाओं के साथ सहिष्णुता सेलुलर जीवनकाल का अनुमान लगाती है। इन सीमाओं के लिए नियंत्रण (गैरे एट अल।, 2014), हम पाते हैं कि परिणामी सहसंबंध अभी भी सहिष्णुता और सीएलएस के भिन्नताओं के बीच संबंध के पर्याप्त प्रमाण हैं।

हमारी अपेक्षाओं के विपरीत, आहार मेटाबोलाइट्स के हमारे विश्लेषण से सबसे अलग सबक यह है कि असंतुलन की प्रतिक्रिया को चलाने वाला मुख्य पदार्थ विशेष रूप से NADt निस्तारण नेटवर्क पर निर्भर नहीं करता है। वास्तव में, शीर्ष "होमियोस्टेटिक पोषक तत्व" टीसीए चक्र और केंद्रीय चयापचय के अन्य भागों के मध्यवर्ती हैं जिनकी क्रिया एनएडी अग्रदूतों की तुलना में कहीं अधिक प्रचलित है। इसके अलावा, रेडॉक्स जोड़ी और प्रमुख चयापचय मार्गों के बीच पुलों के रूप में कार्य करते हुए एनएडी (एच) को कम या ऑक्सीकरण करने वाली प्रतिक्रियाओं की प्रासंगिकता एनएडीटी निस्तारण सीमित एंजाइमों (जैसे निकोटिनमाइड मोनोन्यूक्लियोटाइड एडेनिलट्रांसफेरेज) से कहीं बेहतर है।

उदाहरण के लिए, यीस्ट मॉडल में ऑक्सालोसेटेट और ऑक्सोग्लूटारेट स्कोर, रिडक्टिव और ऑक्सीडेटिव दोनों स्थितियों में अंतर्निहित सहिष्णुता के शीर्ष चार सबसे प्रभावी मेटाबोलाइट्स के बीच, एक सुसंगत विशेषता जो पूर्व प्रयोगात्मक परिणामों की पुष्टि करती है (चिन एट अल।, 2014; विलियम्स एट अल।, 2009) . अन्य महत्वपूर्ण मेटाबोलाइट्स में हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट शामिल हैं जो लगातार जीवनकाल बढ़ाने के लिए दिखाया गया है, एनएडी को विनियमित करता है और भुखमरी की प्रतिक्रिया में मध्यस्थता करता है (एडवर्ड्स एट अल।, 2014; न्यूमैन और वर्डिन, 2014), और स्पर्मिडाइन, जो पॉलीमाइन के परिवार से संबंधित है और इसके लिए जाना जाता है उम्र से संबंधित प्रक्रियाओं, ऑटोफैगी और डीएनए सुरक्षा में भूमिकाएं निभाएं (ईसेनबर्ग एट अल, 2009; मिनोइस एट अल। 2011: पिएत्रकोला एट अल। 2015)।

हमने पिछले मूल्यांकन को मजबूत करने के लिए सी. एलिगेंस और मानव मॉडल का इस्तेमाल किया, एक व्यापक तस्वीर का खुलासा किया जो पीएच होमियोस्टेसिस, रेडॉक्स जोड़ों और टीसीए चक्र के आसपास केंद्रित है। इससे पता चलता है कि जिस तरह से पीएच (बर्नर एट अल।, 2009) और एनएडीएच असंतुलन (आयर एट अल।, 2014) कोशिकाओं में बुढ़ापा निर्धारित करते हैं, वे गहराई से जुड़े हुए हैं। पीएच से परे, एनएडीएच/एनएडी प्लस असंतुलन को विनियमित करने के लिए सबसे व्यापक और महत्वपूर्ण पोषक तत्व अल्फा-कीटो एसिड ऑक्सालोसेटेट और ऑक्सोग्लूटारेट, उनके संशोधित रूप, और अन्य माइटोकॉन्ड्रियल-संबंधित मेटाबोलाइट्स जैसे मैलेट, पाइरूवेट और फ्यूमरेट, यानी, का मुख्य केंद्र हैं। redox संतुलन नियंत्रण TCA चक्र है।

आज तक, जिन तंत्रों के माध्यम से अमीनो एसिड और टीसीए चक्र मध्यवर्ती खमीर में जीवन विस्तार को प्रभावित करते हैं और सी। एलिगेंस अस्पष्ट रहते हैं। मैलेट, ऑक्सालोसेटेट, फ्यूमरेट, वेलिन, सेरीन या थ्रेओनीन जैसे मेटाबोलाइट्स वास्तव में जीवों के जीवनकाल को बढ़ा सकते हैं, लेकिन इन प्रभावों की ओर ले जाने वाली प्रक्रियाएं बहस और जटिल हैं (एडवर्ड्स एट अल।, 2013,2015)। हमारे परिणामों से संकेत मिलता है कि इन सभी दीर्घकालिक घटनाओं के लिए एक सामान्य व्याख्या एनएडीएच / एनएडी प्लस अनुपात में गड़बड़ी को सहन करने के लिए कोशिकाओं की क्षमता पर पोषक तत्वों के प्रभाव में निहित है।

हालांकि कोई यह तर्क दे सकता है कि कुछ मेटाबोलाइट्स को स्वयं स्पष्ट माना जाता है क्योंकि वे प्रतिक्रियाओं में शामिल होते हैं जो एनएडीएच और एनएडी प्लस को अंतर-रूपांतरित करते हैं। सवाल यह है कि अन्य मेटाबोलाइट्स जो कि एक प्राथमिक स्व-स्पष्ट दिखते हैं, हमारे परिणामों में सामने नहीं आते हैं। इसका उत्तर तंत्र में निहित है जो एफबीए में यथार्थवादी भविष्यवाणियां सुनिश्चित करता है। रेडॉक्स असंतुलन के खिलाफ एक पोषक तत्व "होमियोस्टैटिक" होने के लिए इसे न केवल एनएडीएच या एनएडीटी उत्पादन में वृद्धि करनी चाहिए बल्कि उच्च एटीपी/एनएडीएच उपज और/या बायोमास घटक प्रदान करने की क्षमता के साथ एक मार्ग या मॉड्यूल के मध्य में खड़ा होना चाहिए।

अंत में, हमारे परिणामों से दो और अंतर्दृष्टि उल्लेखनीय हैं। एक ओर, वे सुझाव देते हैं कि रेडॉक्स असंतुलन के जवाब में, चयापचय नेटवर्क कुछ मेटाबोलाइट्स का तेजी से उत्पादन और / या उपभोग करने के लिए तैयार हैं, जिन्हें सिग्नलिंग नेटवर्क द्वारा ऑटोफैगी, एंटीऑक्सिडेंट और हार्मोनिक प्रतिक्रियाओं की आवश्यकता को छोड़कर, साथ ही साथ कई अतिरिक्त चयापचयों की व्याख्या की जाती है। या पूरकता जीवन काल को बढ़ाने और/या अन्यथा कैलोरी प्रतिबंध (सीआर) के प्रभावों की नकल करने के लिए पाया गया है, जो सीआर-मध्यस्थ जीवनकाल विस्तार में फंसे सिग्नलिंग मार्गों पर निर्भर है। यह सीआर और एनएडीएच/एनएडीएच संतुलन को एक ही जीवनकाल-विस्तार और स्वास्थ्य-प्रचार प्रक्रिया (लिन एट अल।, 2004) के हिस्से के रूप में जोड़ने वाले पिछले साक्ष्य को पुष्ट करता है।

दूसरी ओर, हमारे अध्ययन से पता चलता है कि परिवर्तित अनुपात के जवाब में, चयापचय भी कुछ ऐसे पदार्थों का अधिक उपयोग करता है जो रासायनिक रूप से कोशिका को नुकसान पहुंचा सकते हैं, जैसे एसीटेट, पुट्रेसिन, या एसीटैल्डिहाइड; साथ ही कुछ ऐसे भी हैं जो ग्लूटामाइन, सक्सेनेट, और फ्यूमरेट (साइकोवेल एट अल।, 2016) जैसे मेटाबोलिक रिवाइरिंग्स के माध्यम से ट्यूमरजेनिसिस को बढ़ावा दे सकते हैं। यह तब आंशिक रूप से रेडॉक्स असंतुलन से जुड़ी विकृति और इसमें शामिल मैक्रोस्कोपिक प्रक्रियाओं की व्याख्या कर सकता है, जैसे कि अपक्षयी और ऑन्कोलॉजिकल रोग: यदि रेडॉक्स असंतुलन को विषाक्त पदार्थों के साथ बफर किया जाना चाहिए, तो ये पदार्थ संभवतः विकृति के तंत्र हैं जो सह - रेडॉक्स असंतुलन के साथ होता है।

हम महसूस करते हैं कि रेडॉक्स असंतुलन के लिए हमारे दृष्टिकोण को चयापचय नेटवर्क की मजबूती के अध्ययन के एक असामान्य बदलाव के रूप में समझा जा सकता है और यह कुछ चेतावनी पर आरोप लगा सकता है जो सुधार के लिए बहुत जगह छोड़ देता है। मजबूती के संबंध में, एफबीए का उपयोग करने वाले अध्ययनों ने पारंपरिक रूप से इसे प्रतिक्रिया दरों में अलग-अलग कमी के जवाब में उद्देश्य समाधान (आमतौर पर विकास) के परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया, उदाहरण के लिए (एडवर्ड्स और पालसन, 2000), बजाय एक विशेष गड़बड़ी (रेडॉक्स असंतुलन) के। ) मेटाबोलाइट्स में जैसा हम करते हैं। हमारे विश्लेषण की सीमाओं के संबंध में, उन्हें स्वयं FBA की आंतरिक सीमाओं से जोड़ा जा सकता है, जैसे कि नियामक जीन की अनुपस्थिति। अंततः, हमारे परिणामों की विश्वसनीयता चयापचय पुनर्निर्माण की भविष्य कहनेवाला शक्ति पर निर्भर करती है: वर्तमान खमीर मॉडल भविष्य कहनेवाला और उन्नत हैं, लेकिन वे सही नहीं हैं (हेवनर और मूल्य, 2015), और फिर भी, वे सबसे बेहतर से भी बेहतर हैं सटीक बहुकोशिकीय पुनर्निर्माण उपलब्ध हैं। इन सभी चिंताओं के बावजूद, ऐसे बहुत से सबूत हैं जो प्राकृतिक व्यवहार के लिए चयापचय मॉडल की बढ़ती निष्ठा की गारंटी देते हैं।

वर्तमान में, प्रचलित शोध एनएडीएच/एनएडीएच अनुपात में अंधाधुंध कमी के संभावित नकारात्मक परिणामों की अनदेखी करता है। यह आंशिक रूप से प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त हल्के कमी से होने वाले आशाजनक लाभों के कारण है, जिसमें नियोप्लास्टिक फेनोटाइप, जीवनकाल और स्वास्थ्य-अवधि विस्तार में कमी शामिल है। हालांकि, ऐसे उभरते सबूत हैं जो इन सकारात्मक परिणामों (गुजरात अल।, 2016; होंग एट अल।, 2019) के साथ-साथ एक ठोस, प्रयोगात्मक रूप से निरंतर सैद्धांतिक रूपरेखा के बारे में अत्यधिक सावधानी बरतने की सलाह देते हैं जो एनएडीएच / एनएडीएच अनुपात को कम करने से नकारात्मक परिणामों की भविष्यवाणी करता है। एक दहलीज (एओएन एट अल।, 2010)। हमारे एनएडीएच/एनएडीटी असंतुलन सहिष्णुता प्रोफाइल इस उभरती तस्वीर को पूरा करते हैं, क्योंकि हल्के ऑक्सीडेटिव विचलन फायदेमंद हो सकते हैं, लेकिन उच्चतर विपरीत चरम के रूप में हानिकारक हैं।

अधिक विशेष रूप से, हमारे सहिष्णुता प्रोफाइल से पता चलता है कि रासायनिक या शारीरिक समस्याओं के कारण, निम्न और उच्च एनएडीएच / एनएडीएच अनुपात दोनों को विशुद्ध रूप से चयापचय संबंधी कमियों के साथ पूरा किया जाना चाहिए, जिसमें ऊर्जा की उपलब्धता में कमी और / या बायोसिंथेटिक आउटपुट शामिल हैं। इसके अलावा, और जैसा कि हमने बताया है, हमारे द्वारा हल किए गए कुछ प्रश्नों पर उपलब्ध सीमित प्रयोगात्मक अवलोकन हमारे द्वारा यहां रिपोर्ट किए गए परिणामों की याद दिलाते हैं।

अध्ययन की सीमाएं

यहां प्रस्तुत परिणामों में सुधार होगा जब नियोजित मॉडलों को और परिष्कृत किया जाएगा। हमारा काम भी एक तकनीक के रूप में FBA की आंतरिक सीमाओं से ग्रस्त है। उदाहरण के लिए, डायनेमिक जानकारी पहुंच से बाहर है, यह देखते हुए कि डायनेमिक फ्लक्स विश्लेषण के वर्तमान में उपलब्ध संस्करण बहुत कम दायरे में हैं। इसी तरह, प्रवाह संतुलन में निहित ऊर्जा बाधाओं की कमी उच्च विकास दर के लिए इसकी भविष्यवाणी को कम कर देती है। इस कमजोरी ने CAFBA जैसी तकनीकों को जोड़ने के लिए प्रेरित किया है, जैसा कि हमने पांडुलिपि में माना है। अंत में, नियामक जानकारी तक पहुंचना दिलचस्प होगा, जिसे आसानी से नियंत्रित और चालू या बंद किया जा सकता है। वर्तमान में, एफबीए में जीन विनियमन को लागू करने के लिए कोई मानकीकृत दृष्टिकोण नहीं हैं। इस संबंध में प्रतिक्रिया गतिविधि स्कोर को बाधा सीमा पर लागू करना इस संबंध में आशाजनक है।

यह लेख आईसाइंस 24, 102697, 23 जुलाई, 2021 से लिया गया है