如同降水過量會促使河流改道，洪水泛濫，過多營養(yǎng)物攝取也會引起代謝通路異常，其中一個表現(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，同時也發(fā)生在代謝紊亂的動物和人身上。在糖尿病患者體內(nèi)，過高的血糖導致有害的酮和醛類化合物聚集。癌細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）。此外，劍橋大學的Patel研究組揭示體內(nèi)過多的葉酸會被代謝成甲醛。

乙酰輔酶 A（Ac-CoA）是個代謝通路中的重要分子，其中的乙酰基通常認為是來自傳統(tǒng)的碳源，例如葡萄糖、谷氨酰胺和脂肪酸，進而為三羧酸循，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被認為是一個重要的降血脂或者抗癌藥物靶點。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% 的乙酰基來自醋酸，所以作為傳統(tǒng)碳源以外的碳源，醋酸間接的促進了脂肪合成和腫瘤生長。此外，另一項研究表明醋酸為記憶T細胞提供碳源。這些研究引起了杜克大學醫(yī)學院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研究組設計了體內(nèi)和體外的多個穩(wěn)定性同位素示蹤實驗，并結(jié)合液相色譜-高分辨質(zhì)譜儀（LC-high resolution MS）終發(fā)現(xiàn)在細胞自然生長條件下，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>。因為這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持細胞生長。相關工作于北京時間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教授。BioArt也特別邀請到了廈門大學長期從事代謝研究的林圣彩教授做點評，以饗讀者！

在這項研究中，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，進行糖酵解的細胞會生成并釋放大量的醋酸。結(jié)合小分子抑制劑和蛋白質(zhì)組學分析 （和賓夕法尼亞大學的Garcia 組合作），研究者排除了這些醋酸來自于乙?；乃夥磻?。

早前有文獻顯示過氧化物可能促使丙酮酸分解成醋酸，為了進一步驗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）標記的氧氣，從而達到標記內(nèi)源氧化物的目的，并用液相色譜-高分辨質(zhì)譜儀檢測新生成的被18O標記的醋酸。通過這種特殊的同位素示蹤法，研究者可以直接檢測氧化壓力對醋酸生成的貢獻。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。

當葡萄糖缺失但丙酮酸充足的條件下，氧化壓力對醋酸生產(chǎn)的貢獻明顯增加，但并未增加到100%，說明內(nèi)源醋酸還存在其他的生成機制。隨后，酶動力學的研究結(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不足的情況下會生成大量的乙酸。于此一致的是當細胞內(nèi)PDH被敲除尤其是細胞生長在維生素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，和杜克大學的Kirsch實驗室合作，研究人員利用正常血糖鉗夾技術 (euglycemic glucose clamp technique) 對6個小時未進食的軟組織肉瘤（soft tissue sarcoma）小鼠通過靜脈進行穩(wěn)定性同位素13C標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其中被13C標記的代謝物，結(jié)果表明在軟組織肉瘤內(nèi)葡萄糖被轉(zhuǎn)化成醋酸。

在驗證葡萄糖和丙酮酸可以被轉(zhuǎn)化成醋酸及其轉(zhuǎn)化機制后，為探索這個通路的重要性，研究人員使用了賓夕法尼亞大學的Wellen 實驗室提供的ACLY敲除的MEF細胞。因為MEF的內(nèi)源醋酸很少，所以ACLY敲出后細胞生長很慢，需要依賴外源的醋酸才能維持生長。于是研究人員把ACLY敲除的MEF細胞和釋放大量內(nèi)源醋酸的HCT116癌細胞進行共培養(yǎng)。在不添加外源醋酸的條件下，共培養(yǎng)的MEF細胞生長得到了維持。此外，當研究人員在HCT116癌細胞內(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，這個結(jié)果進一步說明了內(nèi)源醋酸對脂類合成的重要性。當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。盡管通常乙醛被認為是酒精代謝的產(chǎn)物，并且是1類致癌物質(zhì)，但當正常的乙酰輔酶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，及時的補充了乙酰輔酶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)定性同位素標記物的情況下通過運用質(zhì)譜分析方法并結(jié)合酶動力學最終發(fā)現(xiàn)了自身合成醋酸的新路徑，然后進一步通過小鼠模型驗證了該路徑體內(nèi)相關性，最后充分運用質(zhì)譜分析手段并結(jié)合分子與細胞生物學方法闡明了內(nèi)源性醋酸作為乙酰輔酶A合成的分子機制。將來需要更多的工作去進一步探索這個新的通路在肥胖、癌癥等疾病中的作用。

專家點評

林圣彩（廈門大學教授）

腫瘤細胞因為營養(yǎng)攝取能力增加，會攝入過多的營養(yǎng)，而當攝入的碳源超出細胞完全氧化葡萄糖能力的時候會通過轉(zhuǎn)化成乳酸為其他細胞所用，這已經(jīng)廣為人知。而這項研究顛覆性地擴展了細胞中的葡萄糖代謝路線圖，發(fā)現(xiàn)細胞內(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的途徑平行進行。這樣在胞漿中的乙酰輔酶A就可以作為細胞內(nèi)乙?；鶊F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，營養(yǎng)過剩細胞生成的乙酸釋放到細胞外，還可以作為其他缺乏細胞質(zhì)乙酰輔酶A的細胞用于生成胞質(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胞所用的途徑有一個很大差異，就是這條途徑在供體細胞中是和線粒體代謝偶聯(lián)的，有可能在供體細胞內(nèi)起到抗氧化的作用。該研究很大程度上拓展了當前學術界對葡萄糖代謝途徑的認識，對豐富葡萄糖的生物學功能具有重要意義。

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