線粒體NADH穿梭的飽和驅動增殖細胞的有氧糖酵解

癌細胞的代謝與健康細胞有所不同。

有氧糖酵解，也被稱為Warburg效應，其特點是在不考慮氧氣供應的情況下，葡萄糖發酵產生乳酸的高速率。這種代謝表型長期以來一直與癌細胞的快速分裂有關。最近，有氧糖酵解已被確定為大多數增殖細胞的一般特徵，包括淋巴細胞、幹細胞和成纖維細胞。增殖的細胞會將葡萄糖碳以乳酸的形式排出體外，這似乎與直覺相悖，但已經提出了許多理論來解釋為什麼有氧糖酵解可能是細胞增殖的代謝驅動因素。一種觀點認為，透過發酵產生ATP的速度可能比透過線粒體呼吸產生ATP的速度更快。另一種可能是有氧糖酵解使細胞將葡萄糖碳轉移到糖酵解的分支點，從而驅動增殖所必需的生物合成途徑的通量，如單碳代謝和戊糖磷酸途徑。另一種考慮是，與氧化磷酸化相比，細胞有限的物理體積可能使糖酵解產生能量的空間效率更高。儘管這些解釋和其他解釋都很有趣，但它們也帶來了更多的問題，而更好地理解有氧糖酵解的努力還在繼續。

在糖酵解過程中，甘油醛3-磷酸（GAP）被甘油醛3-磷酸脫氫酶（GAPDH）氧化為1，3-二磷酸甘油酸酯。這種轉化伴隨著胞質NAD+還原為胞質NADH。細胞內NAD+的再生是維持GAPDH活性和繼續糖酵解所必需的。雖然NADH可以被電子傳遞鏈氧化為NAD+，這一過程透過氧化磷酸化來驅動ATP的產生，但這一反應發生線上粒體中，NAD+和NADH都不能穿過線粒體內膜。因此，有三種不同的機制主要用於氧化細胞質中的NADH，從而為GAPDH再生NAD+。前兩種機制依賴於胞質酶蘋果酸脫氫酶1 （MDH1）和甘油3-磷酸脫氫酶1 （GPD1），它們分別是蘋果酸-天冬氨酸梭（MAS）和甘油3-磷酸梭（G3PS）的組成部分。我們注意到，一些細胞在胞漿中表達甘油3-磷酸脫氫酶1樣蛋白（GPD1L），其功能與GPD1冗餘。第三種氧化胞質NADH的機制是用乳酸脫氫酶（LDH）將丙酮酸還原為乳酸。然而，與LDH相比，MAS和G3PS是再生NAD+更有效的方式，因為它們允許糖酵解衍生的丙酮酸線上粒體中被氧化。此外，糖酵解過程中產生的還原等價物透過線粒體內膜轉運，然後它們可以透過氧化磷酸化來驅動ATP的產生。相比之下，LDH再生胞質NAD+的代價是將葡萄糖碳轉化為乳酸鹽，一般認為乳酸鹽會從細胞排出。

MAS和G3PS從胞質NADH轉移到線粒體NAD+的還原等價物最終用於還原電子傳遞鏈複合物IV中的分子氧。因此，當氧受限時，胞質NAD+再生的唯一機制是利用LDH產生乳酸鹽。這種現象被稱為厭氧糖酵解，會導致乳酸的積累。然而，在有氧糖酵解中，LDH仍然被用來再生胞質內的NAD+，即使氧氣是現成的。我們想要回答的主要問題是為什麼乳酸會在含氧細胞中積累。

越來越多的證據表明，線粒體在增殖過程中高度活躍。此外，增殖細胞中的乳酸生成最近與線粒體NAD+再生的ATP需求不足有關。

在這些發現的基礎上，研究人員試圖評估當癌細胞快速分裂時，葡萄糖的線粒體氧化最大化的可能性。研究人員推測，糖酵解產生NADH的速率可能超過了MAS和/或G3PS在增殖細胞線粒體內膜上轉運還原性當量的最大速率，從而驅動氧氣存在時LDH的活性。透過將穩定同位素標記和數學建模相結合的定量方法應用於不同的癌細胞系，研究人員比較了MDH1和GPD1/GPD1L的糖酵解通量與最大通量。結果表明，MDH1和GPD1/GPD1L在快速增殖過程中趨於飽和。只有在MDH1和GPD1/GPD1L飽和後，才會發生乳酸積累，這表明發酵不是癌細胞的首選代謝表型。

相關研究結果發表在《Molecular Cell》，文章標題為：“Saturation of the mitochondrial NADH shuttles drives aerobic glycolysis in proliferating cells”。

增殖細胞表現出一種被稱為“有氧糖酵解”的代謝表型，其特徵是葡萄糖發酵到乳酸的速度升高，而與氧的可用性無關。雖然已經提出了一些理論，但對於為什麼增殖細胞將葡萄糖碳以乳酸的形式排出體外，似乎是在浪費葡萄糖碳，其合理性仍然難以解釋。

利用NCI-60細胞系，研究人員確定乳酸排洩與線粒體NADH穿梭活性密切相關，而與增殖無關。透過對蘋果-天冬氨酸梭（MAS）、甘油- 3-磷酸梭（G3PS）和乳酸脫氫酶在不同條件下的通量的定量研究表明，當糖酵解速度超過線粒體NADH梭時，增殖細胞主要將葡萄糖轉化為乳酸。增加線粒體NADH穿梭通量可降低葡萄糖發酵，但不降低增殖率。研究結果表明，作為癌症標誌的葡萄糖發酵是MAS和G3PS飽和的次要後果，而不是細胞增殖的獨特代謝驅動因素。