胡汛团队发现乳酸脱氢酶在氧化刺激下可以放大癌细胞中的活性氧

来源：iNature

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先前的研究表明，超氧化物可以启动和放大水相中乳酸脱氢酶（ LDH ）催化的过氧化氢产生，但其生理相关性尚不清楚。

2021年6月28日，浙江大学胡汛团队在Signal Transduction and Targeted Therapy （IF=13.49）上在线发表了题为“Lactate dehydrogenases amplify reactive oxygen species in cancer cells in response to oxidative stimuli”的研究论文，该研究发现 LDHA 和 LDHB 都表现出产生过氧化氢的活性，而从 HeLa 细胞和患者胆管癌标本中分离出的线粒体产生的超氧化物显著增强了这种活性。

LDHA或LDHB被敲除后，Hela或4T1癌细胞产生的过氧化氢明显减少。在敲除 LDHA 的 HeLa 细胞中重新表达 LDHA 部分恢复了过氧化氢的产生。在 HeLa 和 4T1 细胞中，LDHA 或 LDHB 敲除或 LDH 抑制剂 FX11 显著降低了线粒体电子转移链调节剂（抗霉素、寡霉素、鱼藤酮）、缺氧和药理学 ROS 诱导剂哌氯胺 (PL) 和苯乙基异硫氰酸酯 (PEITC) 对 ROS 的诱导。此外，由 LDHA 或 LDHB 敲除的 HeLa 或 4T1 细胞形成的肿瘤表现出比对照细胞形成的肿瘤明显更少的氧化状态。总的来说，该研究提供了对体外和体内癌细胞中 LDH 与细胞过氧化氢产生或氧化应激之间联系的机制理解。

过氧化氢 (H2O2) 在癌症的发生和发展中起着重要作用，但癌细胞中产生 H2O2 的分子机制尚不完全清楚。据目前了解，细胞中的H2O2主要由超氧化物歧化酶（SOD）产生。然而，LDH 也可能有助于细胞 H2O2。此前，Chan 和 Bielski 发现兔 LDH 可以催化 NADH 的单电子还原生成 H2O2，超氧化物作为反应的引发剂。后来，Patrat 等人证明分子氧、H2O2、过氧亚硝酸盐、超氧化物都可以在兔 LDH 结合的 NADH 上引发这条自由基反应链，但只有超氧化物可以放大反应，在以下顺序反应中：

理论上，在一个反应循环中，产生一分子H2O2，超氧化物分子被循环利用，因此可以引发上述反应的另一个循环。结果，一分子超氧化物可以引发许多循环反应，从而产生许多分子的 H2O2。尽管这些研究为 LDH 涉及的 H2O2 产生奠定了坚实的理论基础，但此后一直没有引起太多关注。迄今为止，尚不清楚 LDH 催化产生的 H2O2 是否具有生理相关性。

LDH 催化的 H2O2 产生也应存在于癌细胞中，其依据如下。首先，超氧自由基，引发剂和放大器，可以从各种来源产生。据估计，线粒体中大约 0.12-2% 的呼吸在体外转化为超氧化物，而在体内则较少。电子从线粒体内膜上的复合物 III 和线粒体 3-磷酸甘油脱氢酶 (mGPDH) 中泄漏可被分子氧捕获形成超氧化物，可向膜间隙或细胞溶胶一侧释放。线粒体外膜可渗透 MW 小于 5000 道尔顿的小分子，因此超氧化物可从膜间隙扩散到细胞溶胶。细胞中产生超氧化物的其他来源包括 NAPDH 氧化酶、黄嘌呤氧化酶、细胞色素 P450 过氧化物酶。当四氢生物蝶呤和精氨酸含量低时，一氧化氮合酶也会产生超氧化物。

其次，大多数癌细胞表现出非常高的糖酵解速率，称为 Warburg 效应，可以有效地将 NAD+ 循环为 NADH，NADH 是维持由 LDH 催化的自由基链反应的底物。最后，LDHA 水平升高是许多肿瘤的特征。LDH 活性在培养的癌细胞系中非常高，例如宫颈癌细胞系 HeLa、胃癌细胞系 MGC803、结肠癌细胞系 RKO、肺癌细胞系 A549 和肝癌细胞系 SK-HEP-1 。基于丰富的超氧化物来源、足够的 NADH 生成通量和非常高的活性癌细胞中的 LDH，研究人员认为 LDH 可能在体外和体内对癌细胞中的 H2O2 产生和氧化应激有显著贡献。该研究发现 LDHA 和 LDHB 都表现出产生过氧化氢的活性，而从 HeLa 细胞和患者胆管癌标本中分离出的线粒体产生的超氧化物显著增强了这种活性。

LDHA或LDHB被敲除后，Hela或4T1癌细胞产生的过氧化氢明显减少。在敲除 LDHA 的 HeLa 细胞中重新表达 LDHA 部分恢复了过氧化氢的产生。在 HeLa 和 4T1 细胞中，LDHA 或 LDHB 敲除或 LDH 抑制剂 FX11 显著降低了线粒体电子转移链调节剂（抗霉素、寡霉素、鱼藤酮）、缺氧和药理学 ROS 诱导剂哌氯胺 (PL) 和苯乙基异硫氰酸酯 (PEITC) 对 ROS 的诱导。此外，由 LDHA 或 LDHB 敲除的 HeLa 或 4T1 细胞形成的肿瘤表现出比对照细胞形成的肿瘤明显更少的氧化状态。总的来说，该研究提供了对体外和体内癌细胞中 LDH 与细胞过氧化氢产生或氧化应激之间联系的机制理解。

原始文献：

Wu, H., Wang, Y., Ying, M. et al. Lactate dehydrogenases amplify reactive oxygen species in cancer cells in response to oxidative stimuli. Sig Transduct Target Ther  6, 242 (2021). https://doi.org/10.1038/s41392-021-00595-3

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