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Cell Metab：丙酮酸激酶可代謝反饋式調(diào)控細(xì)胞呼吸中的氧化還原能力

2019-04-11 08:47

文章背景簡介

BACKGROUND INTRODUCTION

糖酵解和氧化磷酸化是細(xì)胞能量的主要來源。丙酮酸是糖酵解的最終產(chǎn)物，其通過檸檬酸循環(huán)及呼吸鏈代謝或發(fā)酵成乳酸或乙醇。真核細(xì)胞可依賴糖酵解在沒有氧化磷酸化的情況下生長。在二十世紀(jì)上半葉，奧托·瓦爾堡（Otto Warburg ）等人觀察到細(xì)胞在腫瘤發(fā)生過程中會從氧化代謝轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)酵代謝。盡管存在氧氣，但大多數(shù)癌組織呼吸效率低且增加了葡萄糖消耗和乳酸分泌。最近，人們已經(jīng)清楚地認(rèn)識到，這種代謝轉(zhuǎn)變并不是癌細(xì)胞所特有的，而是快速增殖細(xì)胞的一種常見代謝特征。從不同丙酮酸激酶（PYK）活性的工程酵母菌株中發(fā)現(xiàn)，酵母催化磷酸烯醇丙酮酸（PEP）轉(zhuǎn)化為丙酮酸的糖酵解酶丙酮酸激酶（PYK）會涉及Warburg效應(yīng)的調(diào)節(jié)。

2011年，德國馬克斯·普朗克分子遺傳學(xué)研究所的Grüning NM等人在《Cell Metabolism》（IF＝20．565，生物1區(qū)）發(fā)表了題為“Pyruvate Kinase Triggers a metabolic feedback loop that controls redox metabolism in respiring cells”的文章。文章發(fā)現(xiàn)呼吸與PYK酶活性呈負(fù)相關(guān)，然而當(dāng)呼吸被激活時卻未檢測到ROS水平的變化、而細(xì)胞對氧化劑的抗性則表現(xiàn)為增強。進(jìn)一步分析顯示：代謝反饋回路阻止了呼吸激活后ROS的增加。低PYK酶活性引起PEP及其底物的積累，PEP反過來抑制TPI，即上游糖酵解酶對TPI的抑制增加了磷酸戊糖途徑（PPP）的代謝物含量，這是與糖酵解密切相關(guān)的分解代謝途徑。PPP是還原型NADPH的重要來源，在缺乏ppp途徑的酵母菌株中會造成ROS的積累。因此PPP的代謝反饋激活在氧化代謝過程中可以減少氧化脅迫。這兩個過程都由相同的酶PYK協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，即PYK是調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝過程的重要樞紐。

所用到的主要方法

METHODS

1．液相色譜／多反應(yīng)監(jiān)測（HILIC－ MRM）方法

2．代謝產(chǎn)物的MS／MS定量

3．Western Blot、PT－PCR

4．dihy－ droethidium （DHE）染色

5．DCFDA熒光法

文章主要內(nèi)容摘要

ABSTRACT

瓦爾堡效應(yīng)是增殖細(xì)胞中有氧代謝到厭氧代謝的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，逆轉(zhuǎn)這一效應(yīng)將可以抑制癌細(xì)胞的增殖。通過對瓦爾堡效應(yīng)調(diào)節(jié)因子丙酮酸激酶（PYK）的研究，作者發(fā)現(xiàn)：當(dāng)呼吸激活時，中心代謝會自動適應(yīng)到同步氧化還原代謝。較低的PYK活性會激活酵母菌呼吸。然而，活性氧（ROS）水平并無增加，細(xì)胞則獲得了對氧化劑的抵抗能力。這種適應(yīng)是由于PYK底物磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的積累所致。PEP是糖酵解酶三磷酸異構(gòu)酶（TPI）的反饋抑制劑。TPI會刺激磷酸戊糖通路，增加抗氧化代謝，阻止ROS。因此，由PYK啟動的代謝反饋回路，可通過其底物介導(dǎo)作用于TPI，刺激呼吸細(xì)胞中氧化還原代謝。這種起源于單一催化步驟的中心碳代謝自主重構(gòu)，可以防止在發(fā)酵和呼吸之間轉(zhuǎn)變時產(chǎn)生氧化應(yīng)激。