Mol Cell |?天冬氨酸與細胞狀態及蘋果酸-天冬氨酸穿梭之間的聯系

撰文|李淡寧

細胞代謝是一個由氧化還原反應精密協調構成的復雜網絡。此類氧化還原反應依賴于電子載體，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量，從而形成 NADH、NADPH 和FADH2。細胞并不是直接將還原態電子載體跨膜運輸，而是通過轉運 還原代謝物 實現這一過程。代謝物進入線粒體后，將還原當量轉移給電子載體，從而生成氧化態代謝物和還原態電子載體。隨后，這些還原電子載體將電子輸送至電子傳遞鏈(ETC) ，而氧化態代謝物則被轉運回細胞質并再次被還原，從而完成所謂的“ 電子穿梭 ”。

在哺乳動物細胞中，主要存在三種電子穿梭系統: 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胞中最主要的電子穿梭機制 。盡管如此，只要細胞擁有替代途徑來處理過量的還原當量，即使缺乏電子穿梭系統，甚至完全缺失 ETC，細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 NAD ? 的再氧化，因此過量的還原當量會以乳酸的形式被排出細胞。即然細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量，細胞在什么情況下會真正利用電子穿梭系統不得而知。

近日， 美國紐約紀念斯隆凱特琳癌癥中心， Lydia W.S. Finley 團隊，在Molecular Cell 雜志上, 發表了題為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-天冬氨酸穿梭系統的使用限制因素。在增殖細胞中，提高天冬氨酸的可利用性會增強該穿梭系統的使用，并促進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胞質中氧化型電子載體的再生。在細胞分化過程中，通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭的通量升高，使細胞能夠利用來源于葡萄糖的碳來為線粒體網絡提供燃料。通過工程化調控天冬氨酸需求，可以逆轉分化細胞所呈現的這種代謝特征。

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據，發現蘋果酸-天冬氨酸穿梭的各組成基因在培養的癌細胞中并非普遍必需。值得注意的是GOT2 , MDH2 ( 在線粒體基質中蘋果酸經過兩者轉化為天冬氨酸) 在部分癌細胞系中表現出明顯的選擇性效應；然而，GOT1 , MDH1 ( 在細胞質中天冬氨酸經過兩者轉化為蘋果酸) 在約 1100 個細胞系中均未被判定為必需基因。進一步分析基因必需性評分的兩兩相關性發現，在蘋果酸-天冬氨酸穿梭的 細胞質部分 ( GOT1、MDH1 和 SLC25A11 ) 之間存在顯著正相關，而在 線粒體部分 (MDH2、GOT2、SLC25A12 和 SLC25A13) 之間也存在顯著相關性。相反，細胞質和線粒體部分之間的相關性大多為負相關 。 更多的結果表明，蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭的線粒體部分與細胞質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 在未轉化細胞中是否仍然具有不同功能 。結果證實，只有 GOT2 的缺失會抑制細胞增殖。提高或降低細胞內天冬氨酸水平，會對通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭實現的 NAD ? 再氧化產生相反的影響。因此，在快速增殖細胞中，天冬氨酸需求是限制細胞質NAD?再氧化的重要因素。

接下來，研究人員進一步探究，內源性天冬氨酸需求的變化是否會驅動 蘋果酸-天冬氨酸穿梭 的參與程度發生變化。為了檢驗從增殖狀態向分化后終末細胞狀態的轉變是否會增加該穿梭系統的利用，研究人員在誘導 C3H/10T1/2 細胞分化為脂肪細胞的過程中進行測試。結果顯示，在細胞分化為脂肪細胞過程中，細胞質部分的蘋果酸-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分化細胞中反映電子穿梭增強的代謝特征。隨后的結果表明， 蘋果酸 - 天冬氨酸穿梭 在 增殖細胞中處于飽和狀態 ，而在接觸抑制細胞中則不是。因此，僅改變細胞增殖狀態 不足以誘導該穿梭系統。相反，誘導增殖變化的強度、持續時間以及具體的生物學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胞特有的代謝程序。細胞分化通常伴隨著一種典型代謝變化, 即來自葡萄糖的碳 較少轉化為乳酸，而更多進入TCA 循環。結果顯示，在脂肪細胞和肌管細胞中，分化顯著提高了由均一標記的 13 C-葡萄糖 來源的 TCA 循環中間體比例。相反，分化伴隨著來源于 Glutamine 的碳進入 TCA 循環的比例下降。隨后的結果表明，GOT1 對呼吸的影響并不僅僅源于電子傳遞至 ETC，而是通過促進葡萄糖來源碳在線粒體中的氧化實現的。同時研究人員觀測到，在增殖細胞中，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入 TCA 循環的能力，而在分化細胞中則不存在這種限制。更進一步的試驗結果表明，增加天冬氨酸需求能夠誘導 TCA 循環從葡萄糖依賴轉向谷氨酰胺依賴，但這一現象主要發生在分化細胞中。

綜上所述， 本文在細胞水平，闡述了天冬氨酸在線粒體和細胞質中的水平，以及細胞所處的狀態，如增殖細胞或分化分化，與蘋果酸-天冬氨酸穿梭之間的關系。細胞水平的數據充分完整，但缺乏體內數據。至于體內如何，有待進一步學習。

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

制版人： 十一

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