Dysfunction of oxidative phosphorylation (OXPHOS) that takes place in mitochondria causes various metabolic disorders in human. However the metabolism of liver in complex I defect was poorly investigated so far. Here I show that hepatic metabolism was changed by energy depletion which causes aggravation of lactic acidosis through AMP-activated protein kinase (AMPK)-dependent pathway in hiPSC-derived hepatocytes from patient having homoplasmic m.3398T>C on mitochondrial-encoded NADH dehydrogenase 1 (MTND1). This in vitro cellular model revealed aberrant mitochondrial characteristics including their morphologies and biogenesis. In addition, glycogen storage level was significantly decreased in patient-derived hepatocytes. Patient iPSC-derived hepatocytes showed decreased Complex I activity, cellular ATP level and NAD+/NADH ratio which mean dysfunction of OXPHOS. Intriguingly, genes related to the conversion of lactate into other metabolite such as glucose and alanine were significantly decreased in patient iPSC-derived hepatocytes. This phenomenon would accelerate lactic acidosis in the patient. Metabolic changes in glycogen storage and lactate turnover were driven by activation of AMPK which is positively regulated by ATP depletion. I rescued phenotypes in glycogen and lactate metabolism by treating an AMPK inhibitor and small interfering RNA (siRNA). These results imply that energy depletion in hepatocytes may result in metabolic shift via AMPK.
미토콘드리아에서 발생하는 산화적 인산화 반응의 기능 장애는 환자로부터 다양한 대사 질환을 유발한다. 그러나, 산화적 인산화 반응의 주체인 미토콘드리아 호흡복합체에 문제가 발생했을 시, 간에서의 대사가 어떻게 변화하는지에 대하여는 지금까지 알려진 바가 없다. 이 연구는 호모플라즈미, 즉 세포 내 모든 미토콘드리아에 m.3398T>C 돌연변이가 발생한 환자로부터 유도만능줄기세포를 제작하고, 이를 간세포로 분화시켜 미토콘드리아 호흡복합체 기능장애에 의한 에너지 부족이 간세포에 어떠한 영향을 미치는지 세포 모델을 수립하여 알아보았다. 특히 이 환자의 경우 간부전 및 심한 젖산 혈증이 발견되었기 때문에, 이 증상에 대한 모델링 또한 시도되었다.
우선, 발생생물학적인 관점에서, 이 환자로부터 유래된 유도만능줄기세포는 형태학적인 면에서, 그리고 분화 기능적인 면에서 정상과 큰 차이를 보이지 않았다. 면역결핍 쥐에서 테라토마가 정상적으로 생성되었으며, 직접 분화시킨 간세포, 혈관내피세포, 심장세포도 정상적으로 분화되었다. 그러나, 이 세포모델에서 미토콘드리아의 모양 및 생합성에 있어 비정상적인 특징이 나타남이 확인되었다. 이에 더해서, 글리코겐 저장 또한 환자 유도만능줄기세포 유래 간세포에서 감소되어있음이 발견되었고, 미토콘드리아 호흡복합체 I의 활성이 감소하여 세포 내 ATP가 감소하여 있었으며, NAD+/NADH의 균형 또한 비정상적인 수준임이 발견되었다. 또한 저밀도 지방단백질을 더 많이 흡수하는 것으로 나타났는데, 이는 청소부 단백질들의 발현 증가에 의한 것으로 보인다. 흥미롭게도, 젖산의 대사에 관련된 유전자들의 발현이 현저하게 줄어들어 있는 것이 발견되었으며, 젖산의 대사율 역시 정상 세포에 비해서 감소되어 있는 것을 발견하였다. 이는 기존에 알려진 젖산 혈증의 주요 원인인 근육에서의 젖산 과다 생산 뿐만 아니라, 간세포에서의 젖산 대사율 감소가 젖산이 혈액 내에 쌓이는 것을 더욱 가속화시켰다는 것을 의미한다.
이 현상에 대해 분자적, 생화학적 수준에서 더 접근하여, 글리코겐 저장 및 젖산 대사에 중요한 글루코오스신생합성 과정을 조절하는 것으로 알려진 AMPK를 조사해 보았더니 환자에서 AMPK의 활성이 증가하여 있는 것이 확인되었다. 이러한 AMPK의 활성 증가는 ATP의 감소와 직접적으로 연결되어 있는 바, 결국 환자의 돌연변이가 미토콘드리아 호흡을 저해시켜 ATP 생산을 감소시키고, AMPK 활성을 증가시켜 대사 전환이 유도되었고, 결국 간에서의 젖산 대사를 방해했다는 결론을 내릴 수 있다. 실제로 AMPK의 활성을 억제제 처리 혹은 siRNA 처리를 통해 억제하여 본 결과, 글리코겐 및 젖산 대사율이 회복된 것을 확인할 수 있었다. 다만, 이는 미토콘드리아 자체의 회복에는 도움을 주지 못하기 때문에, AMPK 억제제의 처리가 이 질병을 완전히 낫게 할 수는 없고, 임시적으로 회복시킬 수 있을 것으로 보인다. 이 연구는 미토콘드리아와 활성과 간세포에서의 대사 변화에 대한 더 넓은 이해를 제공할 것이다.
