Cell亮点丨刘晓静博士等发现新的醋酸合成路径以及丙酮酸的抗氧化功能——林圣彩点评

点评丨林圣彩 教授

责编丨迦溆

如同降水过量会促使河流改道，洪水泛滥，过多营养物摄取也会引起代谢通路异常，其中一个表现是代谢底物氧化不完全和代谢副产物的产生。这种现象在自然界普遍存在，不仅发生在众所周知的酵素发酵过程，同时也发生在代谢紊乱的动物和人身上。在糖尿病患者体内，过高的血糖导致有害的酮和醛类化合物聚集。癌细胞喜欢将大部分葡萄糖转化成乳酸，而非在线粒体内被彻底氧化成二氧化碳（Warburg 效应）。此外，剑桥大学的Patel研究组揭示体内过多的叶酸会被代谢成甲醛。

乙酰辅酶 A（Ac-CoA）是个代谢通路中的重要分子，其中的乙酰基通常认为是来自传统的碳源，例如葡萄糖、谷氨酰胺和脂肪酸，进而为三羧酸循，内源性脂肪合成和蛋白质乙酰基化提供碳源，并且这些转换通常需要ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）的参与，所以ACLY被认为是一个重要的降血脂或者抗癌药物靶点。然而，一些研究显示在人类脑癌中，在乙酰辅酶A合成酶（ACSS2）的调控下，乙酰辅酶A中50% 的乙酰基来自醋酸，所以作为传统碳源以外的碳源，醋酸间接的促进了脂肪合成和肿瘤生长。此外，另一项研究表明醋酸为记忆T细胞提供碳源。这些研究引起了杜克大学医学院Jasom Locasale研究小组探索自身合成醋酸的路径的兴趣。尽管已有研究显示外加的丙酮酸可能被外加的高浓度的过氧化物氧化产生醋酸， 但细胞自身产生的丙酮酸和内源性过氧化物是否足以反应生成醋酸，并且这是否是体内自身合成醋酸的唯一或者主要机制仍不是很清楚。

为发现新的醋酸合成路径，  Locasale研究组设计了体内和体外的多个稳定性同位素示踪实验，并结合液相色谱-高分辨质谱仪（LC-high resolution MS）终发现在细胞自然生长条件下，内源性过氧化物和alpha酮酸脱氢酶催化丙酮酸发生氧化脱羧反应生成醋酸，随后醋酸可以被转换成乙酰辅酶A中的乙酰基。因为这是有助于理解为什么ACLY缺失和没有外加醋酸的情况下，乙酰辅酶A仍然可以为内源性脂肪合成和蛋白质乙酰基化提供碳源以维持细胞生长。相关工作于北京时间9月20日以Acetate production from glucose and coupling to mitochondrial metabolism in mammals为题在线发表在Cell杂志上，论文第一作者刘晓静博士现为北卡罗莱纳州立大学教授。BioArt也特别邀请到了厦门大学长期从事代谢研究的林圣彩教授做点评，以飨读者！

在这项研究中，研究人员首先通过用液相色谱-高分辨质谱仪发现在葡萄糖充足的情况下，进行糖酵解的细胞会生成并释放大量的醋酸。结合小分子抑制剂和蛋白质组学分析 （和宾夕法尼亚大学的Garcia 组合作），研究者排除了这些醋酸来自于乙酰基的水解反应。 

早前有文献显示过氧化物可能促使丙酮酸分解成醋酸，为了进一步验证在没有外加氧化剂的条件下，内源的氧化物足够把丙酮酸氧化分解成醋酸，研究人员引入了18O （氧的稳定性同位素）标记的氧气，从而达到标记内源氧化物的目的，并用液相色谱-高分辨质谱仪检测新生成的被18O标记的醋酸。通过这种特殊的同位素示踪法，研究者可以直接检测氧化压力对醋酸生成的贡献。结果显示在葡萄糖充足的情况下，大约5-10%的醋酸来自于氧化压力催化的丙酮酸氧化分解反应。

当葡萄糖缺失但丙酮酸充足的条件下，氧化压力对醋酸生产的贡献明显增加，但并未增加到100%，说明内源醋酸还存在其他的生成机制。随后，酶动力学的研究结果显示alpha-酮酸脱氢酶（丙酮酸脱氢酶PDH和酮戊二酸脱氢酶AKGDH）在底物辅酶A不足的情况下会生成大量的乙酸。于此一致的是当细胞内PDH被敲除尤其是细胞生长在维生素B1（thiamine）缺乏的条件下（alpha-酮酸脱氢酶正常工作需要利用维生素B1的衍生物），内源性醋酸的生成极大地减少了。随后，和杜克大学的Kirsch实验室合作，研究人员利用正常血糖钳夹技术 (euglycemic glucose clamp technique) 对6个小时未进食的软组织肉瘤（soft tissue sarcoma）小鼠通过静脉进行稳定性同位素13C标记的葡萄糖灌注使血糖浓度维持在正常水平, 采集了小鼠的血清和肉瘤组织样品并检测其中被13C标记的代谢物，结果表明在软组织肉瘤内葡萄糖被转化成醋酸。

在验证葡萄糖和丙酮酸可以被转化成醋酸及其转化机制后，为探索这个通路的重要性，研究人员使用了宾夕法尼亚大学的Wellen 实验室提供的ACLY敲除的MEF细胞。因为MEF的内源醋酸很少，所以ACLY敲出后细胞生长很慢，需要依赖外源的醋酸才能维持生长。于是研究人员把ACLY敲除的MEF细胞和释放大量内源醋酸的HCT116癌细胞进行共培养。在不添加外源醋酸的条件下，共培养的MEF细胞生长得到了维持。此外，当研究人员在HCT116癌细胞内敲减或者用药物抑制乙酰辅酶A合成酶（ACSS2），脂类合成几乎减少为零，这个结果进一步说明了内源醋酸对脂类合成的重要性。当线粒体功能受阻并且氧化压力增大的情况下，氧化压力催化生成的醋酸被更多的转化成乙酰辅酶A从而提供细胞内的乙酰基。

除了乙酸，丙酮酸代谢的副产物还包括乙醛。尽管通常乙醛被认为是酒精代谢的产物，并且是1类致癌物质，但当正常的乙酰辅酶A生成路径受阻（ACLY基因敲除）或者极低血清的情况下，乙醛被被氧化成乙酸，及时的补充了乙酰辅酶A。此外，丙酮酸被氧化物氧化成醋酸这一发现揭示了丙酮酸作为体内天然的抗氧化剂的功能。质谱分析表明，丙酮酸的存在有效的抑制了氨基酸的氧化。

细胞内乙酸生成的途径

总的来说，该研究从发现新的代谢副产物的角度出发，在选好合适的稳定性同位素标记物的情况下通过运用质谱分析方法并结合酶动力学最终发现了自身合成醋酸的新路径，然后进一步通过小鼠模型验证了该路径体内相关性，最后充分运用质谱分析手段并结合分子与细胞生物学方法阐明了内源性醋酸作为乙酰辅酶A合成的分子机制。将来需要更多的工作去进一步探索这个新的通路在肥胖、癌症等疾病中的作用。

专家点评

林圣彩（厦门大学教授）

肿瘤细胞因为营养摄取能力增加，会摄入过多的营养，而当摄入的碳源超出细胞完全氧化葡萄糖能力的时候会通过转化成乳酸为其他细胞所用，这已经广为人知。而这项研究颠覆性地扩展了细胞中的葡萄糖代谢路线图，发现细胞内过剩的碳源在转化为丙酮酸以后，还可以通过两种代谢途径生成乙酸。这些可以自由通透细胞的膜结构的乙酸在胞浆中，可以用来生成乙酰辅酶A，这条途径和经典的由ACLY催化胞浆柠檬酸成为乙酰辅酶A的途径平行进行。这样在胞浆中的乙酰辅酶A就可以作为细胞内乙酰基团的来源以及脂肪酸从头合成途径的原料。这就提供了一条全新的从糖到脂转化的途径。除此之外，营养过剩细胞生成的乙酸释放到细胞外，还可以作为其他缺乏细胞质乙酰辅酶A的细胞用于生成胞质乙酰辅酶A原料。在这一方面，又与葡萄糖生成乳酸后为其他细胞所用的途径有一个很大差异，就是这条途径在供体细胞中是和线粒体代谢偶联的，有可能在供体细胞内起到抗氧化的作用。该研究很大程度上拓展了当前学术界对葡萄糖代谢途径的认识，对丰富葡萄糖的生物学功能具有重要意义。

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