如同降水過量會(huì)促使河流改道，洪水泛濫，過多營(yíng)養(yǎng)物攝取也會(huì)引起代謝通路異常，其中一個(gè)表現(xiàn)是代謝底物氧化不完全和代謝副產(chǎn)物的產(chǎn)生。這種現(xiàn)象在自然界普遍存在，不僅發(fā)生在眾所周知的酵素發(fā)酵過程，同時(shí)也發(fā)生在代謝紊亂的動(dòng)物和人身上。在糖尿病患者體內(nèi)，過高的血糖導(dǎo)致有害的酮和醛類化合物聚集。癌細(xì)胞喜歡將大部分葡萄糖轉(zhuǎn)化成乳酸，而非在線粒體內(nèi)被徹底氧化成二氧化碳（Warburg 效應(yīng)）。此外，劍橋大學(xué)的Patel研究組揭示體內(nèi)過多的葉酸會(huì)被代謝成甲醛。

乙酰輔酶 A（Ac-CoA）是個(gè)代謝通路中的重要分子，其中的乙?；ǔＵJ(rèn)為是來自傳統(tǒng)的碳源，例如葡萄糖、谷氨酰胺和脂肪酸，進(jìn)而為三羧酸循，內(nèi)源性脂肪合成和蛋白質(zhì)乙?；峁┨荚矗⑶疫@些轉(zhuǎn)換通常需要ATP-檸檬酸裂解酶（ACLY）的參與，所以ACLY被認(rèn)為是一個(gè)重要的降血脂或者抗癌藥物靶點(diǎn)。然而，一些研究顯示在人類腦癌中，在乙酰輔酶A合成酶（ACSS2）的調(diào)控下，乙酰輔酶A中50% 的乙?；鶃碜源姿?，所以作為傳統(tǒng)碳源以外的碳源，醋酸間接的促進(jìn)了脂肪合成和腫瘤生長(zhǎng)。此外，另一項(xiàng)研究表明醋酸為記憶T細(xì)胞提供碳源。這些研究引起了杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院Jasom Locasale研究小組探索自身合成醋酸的路徑的興趣。盡管已有研究顯示外加的丙酮酸可能被外加的高濃度的過氧化物氧化產(chǎn)生醋酸， 但細(xì)胞自身產(chǎn)生的丙酮酸和內(nèi)源性過氧化物是否足以反應(yīng)生成醋酸，并且這是否是體內(nèi)自身合成醋酸的唯一或者主要機(jī)制仍不是很清楚。

為發(fā)現(xiàn)新的醋酸合成路徑， Locasale研究組設(shè)計(jì)了體內(nèi)和體外的多個(gè)穩(wěn)定性同位素示蹤實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合液相色譜-高分辨質(zhì)譜儀（LC-high resolution MS）終發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞自然生長(zhǎng)條件下，內(nèi)源性過氧化物和alpha酮酸脫氫酶催化丙酮酸發(fā)生氧化脫羧反應(yīng)生成醋酸，隨后醋酸可以被轉(zhuǎn)換成乙酰輔酶A中的乙?；?/strong>。因?yàn)檫@是有助于理解為什么ACLY缺失和沒有外加醋酸的情況下，乙酰輔酶A仍然可以為內(nèi)源性脂肪合成和蛋白質(zhì)乙?；峁┨荚匆跃S持細(xì)胞生長(zhǎng)。相關(guān)工作于北京時(shí)間9月20日以Acetate production from glucose and coupling to mitochondrial metabolism in mammals為題在線發(fā)表在Cell雜志上，論文第一作者劉曉靜博士現(xiàn)為北卡羅萊納州立大學(xué)教授。BioArt也特別邀請(qǐng)到了廈門大學(xué)長(zhǎng)期從事代謝研究的林圣彩教授做點(diǎn)評(píng)，以饗讀者！

在這項(xiàng)研究中，研究人員首先通過用液相色譜-高分辨質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)在葡萄糖充足的情況下，進(jìn)行糖酵解的細(xì)胞會(huì)生成并釋放大量的醋酸。結(jié)合小分子抑制劑和蛋白質(zhì)組學(xué)分析 （和賓夕法尼亞大學(xué)的Garcia 組合作），研究者排除了這些醋酸來自于乙?；乃夥磻?yīng)。

早前有文獻(xiàn)顯示過氧化物可能促使丙酮酸分解成醋酸，為了進(jìn)一步驗(yàn)證在沒有外加氧化劑的條件下，內(nèi)源的氧化物足夠把丙酮酸氧化分解成醋酸，研究人員引入了18O （氧的穩(wěn)定性同位素）標(biāo)記的氧氣，從而達(dá)到標(biāo)記內(nèi)源氧化物的目的，并用液相色譜-高分辨質(zhì)譜儀檢測(cè)新生成的被18O標(biāo)記的醋酸。通過這種特殊的同位素示蹤法，研究者可以直接檢測(cè)氧化壓力對(duì)醋酸生成的貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示在葡萄糖充足的情況下，大約5-10%的醋酸來自于氧化壓力催化的丙酮酸氧化分解反應(yīng)。

當(dāng)葡萄糖缺失但丙酮酸充足的條件下，氧化壓力對(duì)醋酸生產(chǎn)的貢獻(xiàn)明顯增加，但并未增加到100%，說明內(nèi)源醋酸還存在其他的生成機(jī)制。隨后，酶動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)果顯示alpha-酮酸脫氫酶（丙酮酸脫氫酶PDH和酮戊二酸脫氫酶AKGDH）在底物輔酶A不足的情況下會(huì)生成大量的乙酸。于此一致的是當(dāng)細(xì)胞內(nèi)PDH被敲除尤其是細(xì)胞生長(zhǎng)在維生素B1（thiamine）缺乏的條件下（alpha-酮酸脫氫酶正常工作需要利用維生素B1的衍生物），內(nèi)源性醋酸的生成極大地減少了。隨后，和杜克大學(xué)的Kirsch實(shí)驗(yàn)室合作，研究人員利用正常血糖鉗夾技術(shù) (euglycemic glucose clamp technique) 對(duì)6個(gè)小時(shí)未進(jìn)食的軟組織肉瘤（soft tissue sarcoma）小鼠通過靜脈進(jìn)行穩(wěn)定性同位素13C標(biāo)記的葡萄糖灌注使血糖濃度維持在正常水平, 采集了小鼠的血清和肉瘤組織樣品并檢測(cè)其中被13C標(biāo)記的代謝物，結(jié)果表明在軟組織肉瘤內(nèi)葡萄糖被轉(zhuǎn)化成醋酸。

在驗(yàn)證葡萄糖和丙酮酸可以被轉(zhuǎn)化成醋酸及其轉(zhuǎn)化機(jī)制后，為探索這個(gè)通路的重要性，研究人員使用了賓夕法尼亞大學(xué)的Wellen 實(shí)驗(yàn)室提供的ACLY敲除的MEF細(xì)胞。因?yàn)镸EF的內(nèi)源醋酸很少，所以ACLY敲出后細(xì)胞生長(zhǎng)很慢，需要依賴外源的醋酸才能維持生長(zhǎng)。于是研究人員把ACLY敲除的MEF細(xì)胞和釋放大量?jī)?nèi)源醋酸的HCT116癌細(xì)胞進(jìn)行共培養(yǎng)。在不添加外源醋酸的條件下，共培養(yǎng)的MEF細(xì)胞生長(zhǎng)得到了維持。此外，當(dāng)研究人員在HCT116癌細(xì)胞內(nèi)敲減或者用藥物抑制乙酰輔酶A合成酶（ACSS2），脂類合成幾乎減少為零，這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步說明了內(nèi)源醋酸對(duì)脂類合成的重要性。當(dāng)線粒體功能受阻并且氧化壓力增大的情況下，氧化壓力催化生成的醋酸被更多的轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A從而提供細(xì)胞內(nèi)的乙酰基。

除了乙酸，丙酮酸代謝的副產(chǎn)物還包括乙醛。盡管通常乙醛被認(rèn)為是酒精代謝的產(chǎn)物，并且是1類致癌物質(zhì)，但當(dāng)正常的乙酰輔酶A生成路徑受阻（ACLY基因敲除）或者極低血清的情況下，乙醛被被氧化成乙酸，及時(shí)的補(bǔ)充了乙酰輔酶A。此外，丙酮酸被氧化物氧化成醋酸這一發(fā)現(xiàn)揭示了丙酮酸作為體內(nèi)天然的抗氧化劑的功能。質(zhì)譜分析表明，丙酮酸的存在有效的抑制了氨基酸的氧化。

細(xì)胞內(nèi)乙酸生成的途徑

總的來說，該研究從發(fā)現(xiàn)新的代謝副產(chǎn)物的角度出發(fā)，在選好合適的穩(wěn)定性同位素標(biāo)記物的情況下通過運(yùn)用質(zhì)譜分析方法并結(jié)合酶動(dòng)力學(xué)最終發(fā)現(xiàn)了自身合成醋酸的新路徑，然后進(jìn)一步通過小鼠模型驗(yàn)證了該路徑體內(nèi)相關(guān)性，最后充分運(yùn)用質(zhì)譜分析手段并結(jié)合分子與細(xì)胞生物學(xué)方法闡明了內(nèi)源性醋酸作為乙酰輔酶A合成的分子機(jī)制。將來需要更多的工作去進(jìn)一步探索這個(gè)新的通路在肥胖、癌癥等疾病中的作用。

專家點(diǎn)評(píng)

林圣彩（廈門大學(xué)教授）

腫瘤細(xì)胞因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)攝取能力增加，會(huì)攝入過多的營(yíng)養(yǎng)，而當(dāng)攝入的碳源超出細(xì)胞完全氧化葡萄糖能力的時(shí)候會(huì)通過轉(zhuǎn)化成乳酸為其他細(xì)胞所用，這已經(jīng)廣為人知。而這項(xiàng)研究顛覆性地?cái)U(kuò)展了細(xì)胞中的葡萄糖代謝路線圖，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)過剩的碳源在轉(zhuǎn)化為丙酮酸以后，還可以通過兩種代謝途徑生成乙酸。這些可以自由通透細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)的乙酸在胞漿中，可以用來生成乙酰輔酶A，這條途徑和經(jīng)典的由ACLY催化胞漿檸檬酸成為乙酰輔酶A的途徑平行進(jìn)行。這樣在胞漿中的乙酰輔酶A就可以作為細(xì)胞內(nèi)乙酰基團(tuán)的來源以及脂肪酸從頭合成途徑的原料。這就提供了一條全新的從糖到脂轉(zhuǎn)化的途徑。除此之外，營(yíng)養(yǎng)過剩細(xì)胞生成的乙酸釋放到細(xì)胞外，還可以作為其他缺乏細(xì)胞質(zhì)乙酰輔酶A的細(xì)胞用于生成胞質(zhì)乙酰輔酶A原料。在這一方面，又與葡萄糖生成乳酸后為其他細(xì)胞所用的途徑有一個(gè)很大差異，就是這條途徑在供體細(xì)胞中是和線粒體代謝偶聯(lián)的，有可能在供體細(xì)胞內(nèi)起到抗氧化的作用。該研究很大程度上拓展了當(dāng)前學(xué)術(shù)界對(duì)葡萄糖代謝途徑的認(rèn)識(shí)，對(duì)豐富葡萄糖的生物學(xué)功能具有重要意義。

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