撰文|李淡寧

細(xì)胞代謝是一個由氧化還原反應(yīng)精密協(xié)調(diào)構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。此類氧化還原反應(yīng)依賴于電子載體，例如 NAD+、NADP+ 和 FAD。這些電子載體從還原性代謝物中接受還原當(dāng)量，從而形成 NADH、NADPH 和FADH2。細(xì)胞并不是直接將還原態(tài)電子載體跨膜運輸，而是通過轉(zhuǎn)運 還原代謝物 實現(xiàn)這一過程。代謝物進(jìn)入線粒體后，將還原當(dāng)量轉(zhuǎn)移給電子載體，從而生成氧化態(tài)代謝物和還原態(tài)電子載體。隨后，這些還原電子載體將電子輸送至電子傳遞鏈(ETC) ，而氧化態(tài)代謝物則被轉(zhuǎn)運回細(xì)胞質(zhì)并再次被還原，從而完成所謂的“ 電子穿梭 ”。

在哺乳動物細(xì)胞中，主要存在三種電子穿梭系統(tǒng): 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 , 檸檬酸-蘋果酸穿梭，甘油-3-磷酸穿梭。蘋果酸-天冬氨酸穿梭是哺乳動物細(xì)胞中最主要的電子穿梭機(jī)制 。盡管如此，只要細(xì)胞擁有替代途徑來處理過量的還原當(dāng)量，即使缺乏電子穿梭系統(tǒng)，甚至完全缺失 ETC，細(xì)胞仍然能夠存活甚至良好增殖。在許多情況下，通過乳酸脫氫酶(Lactate Dehydrogenase,LDH) 將丙酮酸還原為乳酸可以實現(xiàn) NAD ? 的再氧化，因此過量的還原當(dāng)量會以乳酸的形式被排出細(xì)胞。即然細(xì)胞能夠通過乳酸或其他還原性代謝物簡單地丟棄過量還原當(dāng)量，細(xì)胞在什么情況下會真正利用電子穿梭系統(tǒng)不得而知。

近日， 美國紐約紀(jì)念斯隆凱特琳癌癥中心， Lydia W.S. Finley 團(tuán)隊，在Molecular Cell 雜志上, 發(fā)表了題為Aspartate availability drives differential engagement of the malate-aspartate shuttle的文章，報道了天冬氨酸的可獲得性是蘋果酸-天冬氨酸穿梭系統(tǒng)的使用限制因素。在增殖細(xì)胞中，提高天冬氨酸的可利用性會增強(qiáng)該穿梭系統(tǒng)的使用，并促進(jìn)來源于葡萄糖的丙酮酸在線粒體中的代謝；且這一過程依賴于細(xì)胞質(zhì)中氧化型電子載體的再生。在細(xì)胞分化過程中，通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭的通量升高，使細(xì)胞能夠利用來源于葡萄糖的碳來為線粒體網(wǎng)絡(luò)提供燃料。通過工程化調(diào)控天冬氨酸需求，可以逆轉(zhuǎn)分化細(xì)胞所呈現(xiàn)的這種代謝特征。

為了識別決定蘋果酸-天冬氨酸穿梭 ( Malate - Aspartate Shuttle ) 活性的因素，研究人員首先嘗試確定在何種情況下該穿梭系統(tǒng)的各組成部分是必需的。通過分析 DepMap Project 基于全基因組 CRISPR-Cas9 篩選獲得的基因必需性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)蘋果酸-天冬氨酸穿梭的各組成基因在培養(yǎng)的癌細(xì)胞中并非普遍必需。值得注意的是GOT2 , MDH2 ( 在線粒體基質(zhì)中蘋果酸經(jīng)過兩者轉(zhuǎn)化為天冬氨酸) 在部分癌細(xì)胞系中表現(xiàn)出明顯的選擇性效應(yīng)；然而，GOT1 , MDH1 ( 在細(xì)胞質(zhì)中天冬氨酸經(jīng)過兩者轉(zhuǎn)化為蘋果酸) 在約 1100 個細(xì)胞系中均未被判定為必需基因。進(jìn)一步分析基因必需性評分的兩兩相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，在蘋果酸-天冬氨酸穿梭的 細(xì)胞質(zhì)部分 ( GOT1、MDH1 和 SLC25A11 ) 之間存在顯著正相關(guān)，而在 線粒體部分 (MDH2、GOT2、SLC25A12 和 SLC25A13) 之間也存在顯著相關(guān)性。相反，細(xì)胞質(zhì)和線粒體部分之間的相關(guān)性大多為負(fù)相關(guān) 。 更多的結(jié)果表明，蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭的線粒體部分與細(xì)胞質(zhì)部分之間最主要的差異在于它們對 天冬氨酸 的 生成 或 消耗 。接著，研究人員 探究GOT1 與 GOT2 在未轉(zhuǎn)化細(xì)胞中是否仍然具有不同功能 。結(jié)果證實，只有 GOT2 的缺失會抑制細(xì)胞增殖。提高或降低細(xì)胞內(nèi)天冬氨酸水平，會對通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭實現(xiàn)的 NAD ? 再氧化產(chǎn)生相反的影響。因此，在快速增殖細(xì)胞中，天冬氨酸需求是限制細(xì)胞質(zhì)NAD?再氧化的重要因素。

接下來，研究人員進(jìn)一步探究，內(nèi)源性天冬氨酸需求的變化是否會驅(qū)動 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 的參與程度發(fā)生變化。為了檢驗從增殖狀態(tài)向分化后終末細(xì)胞狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是否會增加該穿梭系統(tǒng)的利用，研究人員在誘導(dǎo) C3H/10T1/2 細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞的過程中進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，在細(xì)胞分化為脂肪細(xì)胞過程中，細(xì)胞質(zhì)部分的蘋果酸-天冬氨酸穿梭參與程度顯著增加。同時，增加天冬氨酸需求足以逆轉(zhuǎn)分化細(xì)胞中反映電子穿梭增強(qiáng)的代謝特征。隨后的結(jié)果表明， 蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭 在 增殖細(xì)胞中處于飽和狀態(tài) ，而在接觸抑制細(xì)胞中則不是。因此，僅改變細(xì)胞增殖狀態(tài) 不足以誘導(dǎo)該穿梭系統(tǒng)。相反，誘導(dǎo)增殖變化的強(qiáng)度、持續(xù)時間以及具體的生物學(xué)刺激等因素可能共同決定蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭的活性

緊隨其后 , 研究人員更進(jìn)一步探究增加蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭的活性是否能夠支持分化細(xì)胞特有的代謝程序。細(xì)胞分化通常伴隨著一種典型代謝變化, 即來自葡萄糖的碳 較少轉(zhuǎn)化為乳酸，而更多進(jìn)入TCA 循環(huán)。結(jié)果顯示，在脂肪細(xì)胞和肌管細(xì)胞中，分化顯著提高了由均一標(biāo)記的 13 C-葡萄糖 來源的 TCA 循環(huán)中間體比例。相反，分化伴隨著來源于 Glutamine 的碳進(jìn)入 TCA 循環(huán)的比例下降。隨后的結(jié)果表明，GOT1 對呼吸的影響并不僅僅源于電子傳遞至 ETC，而是通過促進(jìn)葡萄糖來源碳在線粒體中的氧化實現(xiàn)的。同時研究人員觀測到，在增殖細(xì)胞中，天冬氨酸可用性限制了蘋果酸-天冬氨酸穿梭支持葡萄糖進(jìn)入 TCA 循環(huán)的能力，而在分化細(xì)胞中則不存在這種限制。更進(jìn)一步的試驗結(jié)果表明，增加天冬氨酸需求能夠誘導(dǎo) TCA 循環(huán)從葡萄糖依賴轉(zhuǎn)向谷氨酰胺依賴，但這一現(xiàn)象主要發(fā)生在分化細(xì)胞中。

綜上所述， 本文在細(xì)胞水平，闡述了天冬氨酸在線粒體和細(xì)胞質(zhì)中的水平，以及細(xì)胞所處的狀態(tài)，如增殖細(xì)胞或分化分化，與蘋果酸-天冬氨酸穿梭之間的關(guān)系。細(xì)胞水平的數(shù)據(jù)充分完整，但缺乏體內(nèi)數(shù)據(jù)。至于體內(nèi)如何，有待進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276526000997

制版人： 十一

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