脱氢酶产生ROS的生物化学机理及其在维持肿瘤细胞内ROS平衡的作用

All cells rely on redox reactions for survival. Cancer cells have a higher basal level of ROS than normal cells. Currently, it is recognized that there are 4 major biochemical mechanisms to generate ROS in tumor cells: electron leak from mitochondrial electron transfer chain to generate superoxide, xanthine oxidase-catalyzed generation of hydrogen peroxide, NADPH oxidase-generated superoxide, and nitric oxide synthase-catalyzed nitric oxide. Many ROS species then can be derived from superoxide, hydrogen peroxide, and nitric oxide. We propose that major biochemical pathways to generate ROS in tumor cells are not fully explored. According to biochemical principles, dehydrogenases can potentially generate ROS. Experimentally, we observed that lactate dehydrogenase could generate quantity ROS under certain conditions and played a significant role in modulating cellular ROS level. Thus, in this proposed study, we will investigate 4 dehydrogenases (lactate dehydrogenase, glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase, isocitrate dehydrogenase, malate dehydrogenase, and their isoenzymes), with respect to the biochemical mechanisms to generate ROS, to their contribution to cellular ROS level, and to their corporation in balancing cellular ROS level. The study will unveil the roles of dehydrogenases in maintaining and regulating cellular ROS and exploit new knowledge in the redox field.

氧化还原是所有细胞赖以生存的基础。若细胞内的氧化还原平衡被打破，细胞的生物学行为也将改变。与正常细胞相比，肿瘤细胞中ROS含量较高。当前认为，肿瘤细胞内ROS产生的途径主要有4条： 线粒体呼吸链的电子逃逸产生自由基，黄嘌呤氧化酶催化产生双氧水，NADPH氧化酶催化产生超氧化物，一氧化氮合成酶合成自由基一氧化氮。我们认为，肿瘤细胞中产生ROS的生化反应未被完全发掘。脱氢酶具有产生ROS的潜能，我们观察到乳酸脱氢酶可催化产生ROS，并且参与调控肿瘤细胞内ROS的含量。据此，我们在本课题中将系统研究糖酵解和三羧酸循环中的4种脱氢酶脱氢酶（3-磷酸甘油醛脱氢酶，乳酸脱氢酶，异柠檬酸脱氢酶，苹果酸脱氢酶，及其同工酶）催化ROS生成的生物化学机理，以及在不同生理因子作用下，这些酶对细胞内ROS的调控。该研究将拓展肿瘤细胞ROS领域的认知。

本课题研究了6种脱氢酶在维持肿瘤细胞中的氧化还原的作用，简述如下： ..LDHA（乳酸脱氢酶A）和LDHB（乳酸脱氢酶B）具有催化产生双氧水的活性，肿瘤细胞的线粒体和实体肿瘤线粒体可增强LDHA和LDHB催化产生双氧水的活性。敲除LDHA或LDHB，肿瘤细胞内双氧水的产生显著降低。LDHB抑制剂显著抑制肿瘤细胞内线粒体电子呼吸链引起的ROS的产生。敲除LDHA或LDHB后，肿瘤内的氧化胁迫显著降低。研究揭示体内外肿瘤细胞LDH与双氧水/ROS产生的内在联系。此外，由于在lactic acidosis条件下，NADH含量升高，提供了LDH产生双氧水的电子供体，提示了LDH在lactic acidosis诱导的ROS中起了重要的作用。 .实体肿瘤常处于葡萄糖剥夺状态，这导致以葡萄糖为底物的磷酸戊糖途径不能充分地为肿瘤细胞提供NADPH形式的还原力，从而造成氧化压力。我们发现，肿瘤细胞在葡萄糖剥夺条件下，可以利用乳酸生成异柠檬酸，利用谷氨酰胺生成苹果酸，然后分别在异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）和苹果酸酶1（ME1）的作用下生成NADPH，从而维持细胞内氧化还原平衡。体内实验也证明了IDH1和ME1在实体肿瘤生长中的重要作用。.建立了GAPDH与糖酵解速率的函数关系，发现了糖酵解热力学性质和GAPDH酶特性存在一种内在的关系，这种内在关系可稳定GAPDH在糖酵解中的实际酶活性，因此GAPDH敲低或抑制剂虽可抑制GAPDH的表观酶活性，但其实际酶活性却并不受影响，GAPDH的这一特性使得糖酵解维持相对稳态，后者可维持NAD/NADH稳定，因此GAPDH在细胞的氧化还原中起了一定的作用。.ME2（苹果酸酶2）在乳腺癌中表达增强，与患者预后不良相关。敲除ME2抑制小鼠乳腺癌转移。在缺氧条件下，ME2通过分流乳腺癌细胞内苹果酸含量，降低α-KG水平，增加 HIF-1α稳定促进转移。相反，其同工酶ME3（苹果酸酶3）表达与预后良好相关。提示线粒体苹果酸酶参与乳腺癌发生发展过程，ME2和ME3有望成为干预靶点和潜在标志物。