FRIMED2-FRIPRO forskerprosjekt, medisin og helse

Biokjemiske prosesser i alle organismer er avhengige av en rekke nøkkel molekyl som spiller en viktig rolle i reguleringen av metabolismen. En del av disse molekylene er involvert i bioenergetiske prosesser som konverterer ingrediensene i mat til bygningsblokker som er viktige for organismens utvikling og normale funksjon. Nyere forskning har vist at molekylene er viktige for kontroll av mekanismer som styrer cellulære prosesser som gen ekspresjon, livslengde regulering og proliferasjon. Som en konsekvens har det vist seg at sykdommer er assosiert med ubalanser i produksjonen og bruken av disse biokjemiske regulatorene. NAD er blant de mest viktige av metabolske og regulatoriske molekyler. Det er en integral del av en mengde biokjemiske reaksjoner og spiller en nøkkel rolle i en rekke cellulære signaliserings veier. I mennesker syntetiseres NAD fra vitamin B3. Nyere studier har vist at det finnes flere alternative veier for NAD syntese fra vitamin B3 og relaterte molekyler. Det har vist seg at vitamin B3 derivater har imponerende helse fremmende effekter i både dyr og menneske, men de eksakte mekanismene i reguleringen av NAD biosyntese er ikke etablert. Dette prosjektet har som mål å identifisere de molekylære mekanismene som regulerer NAD biosyntese, mer spesifikt, hvordan de er fordelt i ulike cellulære organeller. Et annet viktig mål er å utvikle et modell system for å studere hvordan celler responderer til indusert NAD mangel, dette simulerer aldring og andre sykdommer. Vi nådde disse utfordrende målene ved hjelp av en rekke biokjemiske og cellulære analyser og avanserte instrumentelle metoder. Bruken av isotop merkede spor molekyler har gjort det mulig å kvantitativt studere NAD syntese og NAD avhengige prosesser, dette gir dermed grunnlag for å danne en fullstendig matematisk modell av NAD metabolismen. Det eksperimentelle arbeide ble gjennomført ved Universitetet i Bergen og var støttet av nasjonale og internasjonale eksperter som bidro med bioinformatisk og eksperimentell ekspertise og unike reagenser. I den første fasen av prosjektet har vi integrert sensorer i celler som lar oss observere NAD fluktuasjoner i ulike cellulære organeller. Disse verktøyene har gjort det mulig for oss å studere hvordan de ulike organellene tar opp eller genererer NAD. Dette verktøyet ble videreutviklet for å studere dynamikken til NAD i peroksisom, og hvordan NAD i peroksisom muligens interagerer med NAD i mitokondriene. Dette arbeidet ble gjennomført med våre samarbeidspartnere i St. Petersburg. Vi har også utviklet masse-spektrometri basert kvantifisering av NAD og relaterte metabolitter i humane celler. Våre samarbeidspartnere ved University of South Alabama har syntetisert isotop merkede standarder for kvantifisering. Ved hjelp av standardene kan vi også kvantifisere cellulære NAD fluktuasjoner. Bruken av denne teknologien har ført til fundamentale oppdagelser om rollen til NAD metabolismen i humane celler, inkludert samspillet mellom NAD i mitokondriene og NAD i andre organeller og cellens tilpasninger til en situasjon hvor NAD er nedregulert. Resultatene støtter opp om hypotesen at vedlikehold av spesielt NAD i mitokondriene er essensielt for cellens normale fysiologi. Samarbeids partnere ved Universitetet I Tromsø - Det arktiske universitet som er erfarne bioinformatikere og systembiologer, har gitt oss en ny forståelse av evolusjonen og dynamikken til NAD metabolisme. De fleste lavere organismer benytter en lite effektive reaksjonsgang for NAD biosyntese, til sammenligning har dyr, spesifikt pattedyr, utviklet meget aktive og effektive system for NAD biosyntese og katabolisme som gjør det mulig for organismen til å inneha flere NAD avhengige signalveier. Det vil si at differensieringen av NAD-avhengig signaliserings prosesser er en fordel i evolusjonen av pattedyr. Ved hjelp av målinger av NAD fluktuasjoner i celler gjennomført med de isotop merkede standardene har samarbeidspartnere ved UiT laget en optimalisert og parameterisert matematisk modell av NAD metabolisme. Denne modellen kan simulere dynamikken til NAD metabolismen i humane celler. Den kan også predikere omstillinger i det metabolske nettverket som følge av sykdom eller aldring. Våre studier har bidratt til utviklingen av avanserte diagnostiske og analytiske verktøy for et medisinsk og vitenskapelig felt som viser seg å være veldig lovende for behandlingen av alders relaterte sykdommer. Kombinasjonen av eksperimentelle studier og matematisk modellering muliggjør predikative simuleringer av dette kompliserte metabolske nettverket. Bruken av disse verktøyene har ført til nye store gjennombrudd i NAD biologi, og gir grunnlag for utviklingen av målrettede terapeutiske behandlinger.

This project was conducted as an international collaboration of researchers in Bergen, Tromsø, St. Petersburg (Russia) and Mobile (USA). It has laid the ground for future joint projects. Our studies combined experimental (Bergen, St. Petersburg), computational (Tromsø) and chemical biology approaches (Mobile) demonstrating the importance and the mutual benefit from interdisciplinarity. The involvement of a wide range of competences was of great value for the early stage researchers who got an idea of the opportunities when working in a multidisciplinary team. Our results will have an impact on the field of NAD biology and for medical applications. For example, the techniques to quantify NAD metabolites will be used in clinical trials of NAD supplementation (NAD-PARK, NO-PARK) conducted at the clinical research center NeuroSysMed in Bergen. The mathematical model will be further developed to predict the potential outcome of therapeutic interventions.

NAD is an essential redox carrier and NAD-mediated signaling regulates fundamental processes including the circadian clock, gene expression, DNA repair, metabolic pathways and apoptosis. Perturbations in this network can cause pathologies such as diabetes, cancer and neurodegenerative disorders. Research has so far focused on individual routes, barely considering crosstalk, e.g. between synthesis and signaling. Based on the hypothesis that NAD metabolism represents an integrated network, this project will lay the ground to study the dynamics of this network as a whole. Two fundamental issues have remained that need to be resolved to understand the NAD metabolome. First, the biosynthetic route to mitochondrial NAD, likely the largest subcellular pool, is still unknown. Recent studies suggest that NMN is taken up and converted to NAD in the matrix. Using biochemical, genetic and pharmacological approaches, we will identify and characterize the mitochondrial NMN carrier. Successful completion of this task would be a huge step forward towards understanding NAD metabolism. Second, a peroxisomal activity might constitute a vital buffer for NMN to feed subcellular NAD pools. NUDT12 is a peroxisomal enzyme that cleaves NAD to NMN (and AMP), which can be released into the cytosol. Thus, characterization of NUDT12 and its influence on subcellular NAD pools is critical. Many pathways of NAD synthesis and signaling have been well characterized providing a large data reservoir to generate a comprehensive mathematical model. Availability of metabolic flux rates would profoundly strengthen these efforts. Therefore, using LC-MS- and NMR- based metabolomics we will establish flux rates for different branches of the network. These measurements will allow parameterization of an initial model of human NAD metabolism. Leading national and international scientists will support the project and contribute research tools, analytical methods and expertise in modeling approaches.