陈立博士等揭示氧化磷酸戊糖通路在维持叶酸代谢中的重要作用和机理

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还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）代谢通路和叶酸代谢通路均为细胞生长提供重要的原料。NADPH可为细胞的合成代谢（如脂肪酸，核苷酸的合成等）提供还原电子对，并抵御细胞氧化应激；而叶酸代谢通路则可为核苷酸等的合成提供一碳单位。NADPH和叶酸均为细胞中不可或缺的重要通路。

2014年，Nature曾报道叶酸通路可产生NADPH【1】。叶酸代谢中两个重要的酶，细胞质中的ALDH1L1酶或线粒体中的ALDH1L2，可通过氧化10-甲酰基-THF产生NADPH，THF 和CO2。2016年,另一篇Nature文章报道了ALDH1L2可通过产生NADPH减少细胞氧化应激，以增强促进肿瘤转移【2】。那么，细胞是如何维持NADPH和叶酸代谢通路之间的平衡？众多产生NADPH的通路，如氧化戊糖磷酸途径（oxPPP），苹果酸酶1（ME1）和异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）之间的关系又是如何呢？

近日，来自普林斯顿大学Rabinowitz组的研究人员（第一作者为陈立博士）在Nature Metabolism杂志上发表文章NADPH production by the oxidative pentosephosphate pathway supports folate metabolism，发现了一个NADPH和叶酸之间代谢通路相互影响的机理。

研究人员发现，三个可产生NADPH的途径（oxPPP，ME1和IDH1）中，任意一个都足以产生足够的NADPH维持细胞生长，但是oxPPP是唯一一个维持正常NADPH/NADP比例，二氢叶酸还原酶（DHFR）活性和正常叶酸代谢所必须的。oxPPP中的限速酶，葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）的缺失会导致细胞内NADP的累积，进而诱导ME1和IDH1的代谢流的代偿增加。NADP累积的同时也会抑制DHFR的活性，导致叶酸介导的生物合成受损。这一抑制过程可通过重组表达大肠杆菌DHFR逆转。研究人员同时发现，G6PD的缺失对叶酸相关代谢物在不同的癌细胞系中有相同的影响，进一步表明了氧化戊糖磷酸途径（oxPPP）在维持正常叶酸代谢中的重要作用及普适性。

研究人员通过CRISPR基因敲除、CRISPR高通量基因库筛选和同位素示踪的代谢流分析等方法，系统地研究了G6PD、ME1 以及IDH1这三条产生NADPH的通路在结肠癌细胞系HCT116中之间的关系。oxPPP是产生NADPH最多，也是唯一维持NADPH/NADP比率所必须的通路，而IDH1和ME1则起到候补作用。这是由于：

（1）在常氧状态下，对ME1或（和）IDH1进行基因敲除并不会细胞生长，但是在缺乏oxPPP的情况下，ME1或IDH1任意一个酶都能代偿产生足够的NADPH以维持细胞生长，并且ME1的作用大于IDH1；

（2）基因敲除IDH1或ME1对细胞的氧化应激影响很小。另外，在不同癌细胞系更广泛的实验中，oxPPP在NADPH代谢中都有主导作用。尽管在细胞培养中的实验结果显示oxPPP是最重要的NADPH生成通路，但研究人员认为，在真实的生物体中，NADPH生成途径也可能因组织和细胞类型而不同。

在G6PD基因敲除的细胞中，研究人员意外地发现叶酸代谢受到了显著的影响。进一步实验表明这是由二氢叶酸还原酶（DHFR）活性受到上调的NADP抑制所导致的。进一步实验表明，G6PD敲除不仅会导致二氢叶酸（DHF）的累积和一碳单位载体四氢叶酸（THF）的下调，同时也碱基合成中叶酸参与的反应均受到抑制，导致dUMP，AICAR的限制上调。细胞中DHFR抑制的现象可通过重组表达大肠杆菌的DHFR而逆转，进一步证实了G6PD是通过DHFR活性来调控叶酸代谢的。

NADPH通路和叶酸代谢间紧密关联且相互调节背后的逻辑是什么呢？一定比例的NADPH和叶酸代谢产生的一碳单位是维持细胞生长和生物合成（如碱基，脂肪酸等）的关键。一方面当一碳单位供应超过NADPH时，ALDH1L酶可以氧化一碳单位用于产生NADPH来维持一碳单位和NADPH间的平衡。另一方面如果NADPH合成受阻或消耗过快（如用于氧化应激），NADP的积累可抑制叶酸通路一碳单位的合成，从而降低核苷酸合成速度并停止增殖，以保证细胞在逆境的存活。因此氧化磷酸戊糖通路（oxPPP）是维持细胞正常NADPH/NADP比例，二氢叶酸还原酶（DHFR）活性和叶酸代谢中重要的一环。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s42255-019-0043-x

制版人：子阳

参考文献

1.    Fan, J. et al. Quantitative flux analysis reveals folate-dependent NADPH production. Nature 510, 298–302 (2014).

2.    Piskounova, E. et al. Oxidative stress inhibits distant metastasis by human melanoma cells. Nature 527, 186–191 (2015).