還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）代謝通路和葉酸代謝通路均為細(xì)胞生長提供重要的原料。NADPH可為細(xì)胞的合成代謝（如脂肪酸，核苷酸的合成等）提供還原電子對，并抵御細(xì)胞氧化應(yīng)激；而葉酸代謝通路則可為核苷酸等的合成提供一碳單位。NADPH和葉酸均為細(xì)胞中不可或缺的重要通路。

2014年，Nature曾報(bào)道葉酸通路可產(chǎn)生NADPH【1】。葉酸代謝中兩個(gè)重要的酶，細(xì)胞質(zhì)中的ALDH1L1酶或線粒體中的ALDH1L2，可通過氧化10-甲?；?THF產(chǎn)生NADPH，THF 和CO2。2016年,另一篇Nature文章報(bào)道了ALDH1L2可通過產(chǎn)生NADPH減少細(xì)胞氧化應(yīng)激，以增強(qiáng)促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移【2】。那么，細(xì)胞是如何維持NADPH和葉酸代謝通路之間的平衡？眾多產(chǎn)生NADPH的通路，如氧化戊糖磷酸途徑（oxPPP），蘋果酸酶1（ME1）和異檸檬酸脫氫酶1（IDH1）之間的關(guān)系又是如何呢？

近日，來自普林斯頓大學(xué)Rabinowitz組的研究人員（第一作者為陳立博士）在Nature Metabolism雜志上發(fā)表文章NADPH production by the oxidative pentosephosphate pathway supports folate metabolism，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)NADPH和葉酸之間代謝通路相互影響的機(jī)理。

研究人員發(fā)現(xiàn)，三個(gè)可產(chǎn)生NADPH的途徑（oxPPP，ME1和IDH1）中，任意一個(gè)都足以產(chǎn)生足夠的NADPH維持細(xì)胞生長，但是oxPPP是唯一一個(gè)維持正常NADPH/NADP比例，二氫葉酸還原酶（DHFR）活性和正常葉酸代謝所必須的。oxPPP中的限速酶，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PD）的缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)NADP的累積，進(jìn)而誘導(dǎo)ME1和IDH1的代謝流的代償增加。NADP累積的同時(shí)也會(huì)抑制DHFR的活性，導(dǎo)致葉酸介導(dǎo)的生物合成受損。這一抑制過程可通過重組表達(dá)大腸桿菌DHFR逆轉(zhuǎn)。研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)，G6PD的缺失對葉酸相關(guān)代謝物在不同的癌細(xì)胞系中有相同的影響，進(jìn)一步表明了氧化戊糖磷酸途徑（oxPPP）在維持正常葉酸代謝中的重要作用及普適性。

研究人員通過CRISPR基因敲除、CRISPR高通量基因庫篩選和同位素示蹤的代謝流分析等方法，系統(tǒng)地研究了G6PD、ME1 以及IDH1這三條產(chǎn)生NADPH的通路在結(jié)腸癌細(xì)胞系HCT116中之間的關(guān)系。oxPPP是產(chǎn)生NADPH最多，也是唯一維持NADPH/NADP比率所必須的通路，而IDH1和ME1則起到候補(bǔ)作用。這是由于：

（1）在常氧狀態(tài)下，對ME1或（和）IDH1進(jìn)行基因敲除并不會(huì)細(xì)胞生長，但是在缺乏oxPPP的情況下，ME1或IDH1任意一個(gè)酶都能代償產(chǎn)生足夠的NADPH以維持細(xì)胞生長，并且ME1的作用大于IDH1；

（2）基因敲除IDH1或ME1對細(xì)胞的氧化應(yīng)激影響很小。另外，在不同癌細(xì)胞系更廣泛的實(shí)驗(yàn)中，oxPPP在NADPH代謝中都有主導(dǎo)作用。盡管在細(xì)胞培養(yǎng)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示oxPPP是最重要的NADPH生成通路，但研究人員認(rèn)為，在真實(shí)的生物體中，NADPH生成途徑也可能因組織和細(xì)胞類型而不同。

在G6PD基因敲除的細(xì)胞中，研究人員意外地發(fā)現(xiàn)葉酸代謝受到了顯著的影響。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明這是由二氫葉酸還原酶（DHFR）活性受到上調(diào)的NADP抑制所導(dǎo)致的。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，G6PD敲除不僅會(huì)導(dǎo)致二氫葉酸（DHF）的累積和一碳單位載體四氫葉酸（THF）的下調(diào)，同時(shí)也堿基合成中葉酸參與的反應(yīng)均受到抑制，導(dǎo)致dUMP，AICAR的限制上調(diào)。細(xì)胞中DHFR抑制的現(xiàn)象可通過重組表達(dá)大腸桿菌的DHFR而逆轉(zhuǎn)，進(jìn)一步證實(shí)了G6PD是通過DHFR活性來調(diào)控葉酸代謝的。

NADPH通路和葉酸代謝間緊密關(guān)聯(lián)且相互調(diào)節(jié)背后的邏輯是什么呢？一定比例的NADPH和葉酸代謝產(chǎn)生的一碳單位是維持細(xì)胞生長和生物合成（如堿基，脂肪酸等）的關(guān)鍵。一方面當(dāng)一碳單位供應(yīng)超過NADPH時(shí)，ALDH1L酶可以氧化一碳單位用于產(chǎn)生NADPH來維持一碳單位和NADPH間的平衡。另一方面如果NADPH合成受阻或消耗過快（如用于氧化應(yīng)激），NADP的積累可抑制葉酸通路一碳單位的合成，從而降低核苷酸合成速度并停止增殖，以保證細(xì)胞在逆境的存活。因此氧化磷酸戊糖通路（oxPPP）是維持細(xì)胞正常NADPH/NADP比例，二氫葉酸還原酶（DHFR）活性和葉酸代謝中重要的一環(huán)。

原文鏈接：

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

制版人：子陽

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).