Cell Metab：丙酮酸激酶可代谢反馈式调控细胞呼吸中的氧化还原能力

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文章背景简介

BACKGROUND INTRODUCTION

糖酵解和氧化磷酸化是细胞能量的主要来源。丙酮酸是糖酵解的最终产物，其通过柠檬酸循环及呼吸链代谢或发酵成乳酸或乙醇。真核细胞可依赖糖酵解在没有氧化磷酸化的情况下生长。在二十世纪上半叶，奥托·瓦尔堡（Otto Warburg ）等人观察到细胞在肿瘤发生过程中会从氧化代谢转变为发酵代谢。尽管存在氧气，但大多数癌组织呼吸效率低且增加了葡萄糖消耗和乳酸分泌。最近，人们已经清楚地认识到，这种代谢转变并不是癌细胞所特有的，而是快速增殖细胞的一种常见代谢特征。从不同丙酮酸激酶（PYK）活性的工程酵母菌株中发现，酵母催化磷酸烯醇丙酮酸（PEP）转化为丙酮酸的糖酵解酶丙酮酸激酶（PYK）会涉及Warburg效应的调节。

2011年，德国马克斯·普朗克分子遗传学研究所的Grüning NM等人在《Cell metabolism》（IF＝20．565，生物1区）发表了题为“Pyruvate Kinase Triggers a metabolic feedback loop that controls redox metabolism in respiring cells”的文章。文章发现呼吸与PYK酶活性呈负相关，然而当呼吸被激活时却未检测到ROS水平的变化、而细胞对氧化剂的抗性则表现为增强。进一步分析显示：代谢反馈回路阻止了呼吸激活后ROS的增加。低PYK酶活性引起PEP及其底物的积累，PEP反过来抑制TPI，即上游糖酵解酶对TPI的抑制增加了磷酸戊糖途径（PPP）的代谢物含量，这是与糖酵解密切相关的分解代谢途径。PPP是还原型NADPH的重要来源，在缺乏ppp途径的酵母菌株中会造成ROS的积累。因此PPP的代谢反馈激活在氧化代谢过程中可以减少氧化胁迫。这两个过程都由相同的酶PYK协调调节，即PYK是调节基础代谢过程的重要枢纽。

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所用到的主要方法

METHODS

1．液相色谱／多反应监测（HILIC－ MRM）方法

2．代谢产物的MS／MS定量

3．Western Blot、PT－PCR

4．dihy－ droethidium （DHE）染色

5．DCFDA荧光法

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文章主要内容摘要

ABSTRACT

瓦尔堡效应是增殖细胞中有氧代谢到厌氧代谢的转变现象，逆转这一效应将可以抑制癌细胞的增殖。通过对瓦尔堡效应调节因子丙酮酸激酶（PYK）的研究，作者发现：当呼吸激活时，中心代谢会自动适应到同步氧化还原代谢。较低的PYK活性会激活酵母菌呼吸。然而，活性氧（ROS）水平并无增加，细胞则获得了对氧化剂的抵抗能力。这种适应是由于PYK底物磷酸烯醇丙酮酸（PEP）的积累所致。PEP是糖酵解酶三磷酸异构酶（TPI）的反馈抑制剂。TPI会刺激磷酸戊糖通路，增加抗氧化代谢，阻止ROS。因此，由PYK启动的代谢反馈回路，可通过其底物介导作用于TPI，刺激呼吸细胞中氧化还原代谢。这种起源于单一催化步骤的中心碳代谢自主重构，可以防止在发酵和呼吸之间转变时产生氧化应激。