Mol Cell | 天冬氨酸与细胞状态及苹果酸-天冬氨酸穿梭之间的联系

撰文|李淡宁

细胞代谢是一个由氧化还原反应精密协调构成的复杂网络。此类氧化还原反应依赖于电子载体，例如 NAD+、NADP+ 和 FAD。这些电子载体从还原性代谢物中接受还原当量，从而形成 NADH、NADPH 和FADH2。细胞并不是直接将还原态电子载体跨膜运输，而是通过转运 还原代谢物 实现这一过程。代谢物进入线粒体后，将还原当量转移给电子载体，从而生成氧化态代谢物和还原态电子载体。随后，这些还原电子载体将电子输送至电子传递链(ETC) ，而氧化态代谢物则被转运回细胞质并再次被还原，从而完成所谓的“ 电子穿梭 ”。

在哺乳动物细胞中，主要存在三种电子穿梭系统: 苹果酸-天冬氨酸穿梭 , 柠檬酸-苹果酸穿梭，甘油-3-磷酸穿梭。苹果酸-天冬氨酸穿梭是哺乳动物细胞中最主要的电子穿梭机制 。尽管如此，只要细胞拥有替代途径来处理过量的还原当量，即使缺乏电子穿梭系统，甚至完全缺失 ETC，细胞仍然能够存活甚至良好增殖。在许多情况下，通过乳酸脱氢酶(Lactate Dehydrogenase,LDH) 将丙酮酸还原为乳酸可以实现 NAD ⁺ 的再氧化，因此过量的还原当量会以乳酸的形式被排出细胞。即然细胞能够通过乳酸或其他还原性代谢物简单地丢弃过量还原当量，细胞在什么情况下会真正利用电子穿梭系统不得而知。

近日， 美国纽约纪念斯隆凯特琳癌症中心， Lydia W.S. Finley 团队，在Molecular Cell 杂志上, 发表了题为Aspartate availability drives differential engagement of the malate-aspartate shuttle的文章，报道了天冬氨酸的可获得性是苹果酸-天冬氨酸穿梭系统的使用限制因素。在增殖细胞中，提高天冬氨酸的可利用性会增强该穿梭系统的使用，并促进来源于葡萄糖的丙酮酸在线粒体中的代谢；且这一过程依赖于细胞质中氧化型电子载体的再生。在细胞分化过程中，通过苹果酸-天冬氨酸穿梭的通量升高，使细胞能够利用来源于葡萄糖的碳来为线粒体网络提供燃料。通过工程化调控天冬氨酸需求，可以逆转分化细胞所呈现的这种代谢特征。

为了识别决定苹果酸-天冬氨酸穿梭 ( Malate - Aspartate Shuttle ) 活性的因素，研究人员首先尝试确定在何种情况下该穿梭系统的各组成部分是必需的。通过分析 DepMap Project 基于全基因组 CRISPR-Cas9 筛选获得的基因必需性数据，发现苹果酸-天冬氨酸穿梭的各组成基因在培养的癌细胞中并非普遍必需。值得注意的是GOT2 , MDH2 ( 在线粒体基质中苹果酸经过两者转化为天冬氨酸) 在部分癌细胞系中表现出明显的选择性效应；然而，GOT1 , MDH1 ( 在细胞质中天冬氨酸经过两者转化为苹果酸) 在约 1100 个细胞系中均未被判定为必需基因。进一步分析基因必需性评分的两两相关性发现，在苹果酸-天冬氨酸穿梭的 细胞质部分 ( GOT1、MDH1 和 SLC25A11 ) 之间存在显著正相关，而在 线粒体部分 (MDH2、GOT2、SLC25A12 和 SLC25A13) 之间也存在显著相关性。相反，细胞质和线粒体部分之间的相关性大多为负相关 。 更多的结果表明，苹果酸 - 天冬氨酸穿梭的线粒体部分与细胞质部分之间最主要的差异在于它们对 天冬氨酸 的 生成 或 消耗 。接着，研究人员 探究GOT1 与 GOT2 在未转化细胞中是否仍然具有不同功能 。结果证实，只有 GOT2 的缺失会抑制细胞增殖。提高或降低细胞内天冬氨酸水平，会对通过苹果酸-天冬氨酸穿梭实现的 NAD ⁺ 再氧化产生相反的影响。因此，在快速增殖细胞中，天冬氨酸需求是限制细胞质NAD⁺再氧化的重要因素。

接下来，研究人员进一步探究，内源性天冬氨酸需求的变化是否会驱动 苹果酸-天冬氨酸穿梭 的参与程度发生变化。为了检验从增殖状态向分化后终末细胞状态的转变是否会增加该穿梭系统的利用，研究人员在诱导 C3H/10T1/2 细胞分化为脂肪细胞的过程中进行测试。结果显示，在细胞分化为脂肪细胞过程中，细胞质部分的苹果酸-天冬氨酸穿梭参与程度显著增加。同时，增加天冬氨酸需求足以逆转分化细胞中反映电子穿梭增强的代谢特征。随后的结果表明， 苹果酸 - 天冬氨酸穿梭 在 增殖细胞中处于饱和状态 ，而在接触抑制细胞中则不是。因此，仅改变细胞增殖状态 不足以诱导该穿梭系统。相反，诱导增殖变化的强度、持续时间以及具体的生物学刺激等因素可能共同决定苹果酸 - 天冬氨酸穿梭的活性

紧随其后 , 研究人员更进一步探究增加苹果酸 - 天冬氨酸穿梭的活性是否能够支持分化细胞特有的代谢程序。细胞分化通常伴随着一种典型代谢变化, 即来自葡萄糖的碳 较少转化为乳酸，而更多进入TCA 循环。结果显示，在脂肪细胞和肌管细胞中，分化显著提高了由均一标记的 13 C-葡萄糖 来源的 TCA 循环中间体比例。相反，分化伴随着来源于 Glutamine 的碳进入 TCA 循环的比例下降。随后的结果表明，GOT1 对呼吸的影响并不仅仅源于电子传递至 ETC，而是通过促进葡萄糖来源碳在线粒体中的氧化实现的。同时研究人员观测到，在增殖细胞中，天冬氨酸可用性限制了苹果酸-天冬氨酸穿梭支持葡萄糖进入 TCA 循环的能力，而在分化细胞中则不存在这种限制。更进一步的试验结果表明，增加天冬氨酸需求能够诱导 TCA 循环从葡萄糖依赖转向谷氨酰胺依赖，但这一现象主要发生在分化细胞中。

综上所述， 本文在细胞水平，阐述了天冬氨酸在线粒体和细胞质中的水平，以及细胞所处的状态，如增殖细胞或分化分化，与苹果酸-天冬氨酸穿梭之间的关系。细胞水平的数据充分完整，但缺乏体内数据。至于体内如何，有待进一步学习。

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

制版人： 十一

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