Nature：非经典TCA循环调节细胞命运变化

2022年3月14日讯/生物谷BIOON/---每年，世界各地成千上万的生物化学专业学生和医科学生都要学习记住让细胞发挥功能的主要生化途径。自20世纪初首次发现这10条左右的生化途径以来，教科书中对这些途径的描述没有什么变化。但是，随着过去十年对癌症代谢的兴趣重新燃起，科学家们开始意识到细胞的生物化学比以前认为的要复杂得多。

在一项新的研究中，来自美国纪念斯隆凯特琳癌症中心的研究人员发现了一种以前未被重视的代谢途径---广为人所知的也称为三羧酸（TCA）循环的克雷布斯循环（Krebs cycle）的替代版本。相关研究结果于2022年3月9日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“A non-canonical tricarboxylic acid cycle underlies cellular identity”。

TCA循环---以1937年发现它的德国生物化学家Hans Krebs的名字命名--是细胞代谢的一个中心枢纽。它是细胞“燃烧”糖类物来制造ATP（细胞的能量运送分子）的过程中的一个核心部分。在TCA循环的标准形式中，它完全发生在细胞的线粒体中。

论文通讯作者、纪念斯隆凯特琳癌症中心细胞生物学者Lydia Finley说，“我们和其他科学家已经认识到，细胞利用TCA循环的程度上存在着差异，这表明细胞可能有多种方式来满足它的其本代谢需求。如今，通过这项新的研究，我们可以说有经典TCA循环的一种完全替代版本，我们解释它是如何发挥作用的。”

对理解癌细胞代谢的影响

通过一系列证据，Finley博士及其团队发现TCA循环的一种替代版本部分发生在线粒体，部分发生在细胞质。TCA循环的这种替代版本并不燃烧糖分子来获取能量，而是让细胞利用糖分子中的碳元素来构建重要的分子，如细胞膜的脂质。不仅如此，他们还发现，细胞对TCA循环的一种或另一种版本的使用与它的身份变化有关。

这些发现对了解细胞如何调整其代谢以满足不断变化的需求具有广泛的意义。它们还可能为开发靶向肿瘤代谢的癌症疗法提供更多途径。

拼完拼图的最后一块

这些新结果是纪念斯隆凯特琳癌症中心研究生Paige Arnold和博士生Benjamin Jackson在Finley实验室进行的富有成效的合作的结果。

Arnold一直在使用碳追踪技术来研究不同类型细胞中碳元素在TCA循环中的流动。例如，她已注意到，细胞将其碳元素放入TCA循环的程度与跳过TCA循环的一部分似乎存在差异。大约在同一时间，Jackson正在使用计算方法来分析从实验中获得的公开数据，在这些实验中，基因组编辑工具CRISPR被用来系统性地地敲除多种酶的基因，一次一个基因地敲除，以便观察这对细胞有什么影响。

Finley博士指出，“你会猜测如果TCA循环是一个功能模块，那么当你移除这些酶中的任何一个时，应该会产生相对类似的影响。Jackson注意到的是，实际情况并非如此。这些代谢酶似乎形成了两个独立的模块。这支持了我们正在积累的传闻证据，即细胞可以使用或不使用TCA循环的不同部分。”

Jackson分析的CRISPR研究是在癌细胞系中进行的，换句话说，就是那些不“正常”的细胞。Arnold想知道正常细胞是否也参与了这种替代循环或者说非经典循环。Finley实验室经常研究胚胎干细胞，因此Arnold很容易获得这些正常细胞。Arnold追踪了碳元素在这些细胞中的流动，发现它们也参与了非经典的TCA循环。

80年前的教训

这两组实验似乎证实了确实有一种执行TCA循环的替代方法，一种在教科书中没有的方法。但为什么Krebs当时错过了它？

为了尝试回答这个问题，Arnold决定回顾Krebs在20世纪30年代和40年代的原始论文。她惊讶地发现Krebs在一种特殊的组织类型---鸽子的乳房肌肉---中做出他的关键性发现。Arnold说，“没有人真正谈论这个。但这让我们想知道，也许不同的细胞类型在是否使用经典TCA循环或这种替代版本方面有不同的偏好。”

胚胎干细胞中的ACO2和ACL破坏，图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04475-w。

她决定重建Kreb的原始实验，只是在培养皿中，而不是在鸽子肌肉中。她用小鼠干细胞状肌肉细胞（stem-like muscle cell）生长出一种叫做肌管（myotube）的肌纤维前体，然后追踪碳元素。当她这样做时，她观察到了一些有趣的东西：“当这些细胞还处于更像干细胞的阶段时，它们似乎大量地经历这种非典型的TCA循环，类似于胚胎干细胞和癌细胞。但是一旦这些细胞分化成肌管，它们就会立即切换到更为经典的TCA循环。这与Krebs在鸽子肌肉组织中观察到的情况相一致。”

对这些作者来说，这一结果表明细胞身份的变化与特定生化途径的使用之间存在着明确的联系。为了测试细胞命运的变化是否需要使用不同的途径，他们进行了额外的实验，他们用化学或基因方法阻断了这些循环中的某些酶，并探究这些细胞是否仍能改变其命运。它们不能。这一发现提示着细胞命运的改变需要不同的生化途径。

燃烧或构建

为什么细胞会选择不同形式的TCA循环？根据Finley博士的说法，经典TCA循环在最大化ATP产生方面非常出色。它帮助细胞将其所有的营养物燃烧成二氧化碳。

Finley博士说，“如果你真正关心的是制造ATP，这很好。但如果你想生长，ATP实际上不是限制性试剂。你实际上需要保留这些碳元素来制造新的生物量。这就是非经典TCA循环的作用：它允许你从葡萄糖中获取碳元素并将其输出到细胞质，在那里它们可以被用来制造其他分子。因此，你不是在燃烧碳，而是在保留它。”

这种以生长为导向的非经典TCA循环可能与癌症特别相关，因为癌症的标志性特征是无限生长。Finley博士告诫说，他们的实验室实验都是在培养皿里而不是在动物身上完成的。该团队对了解它是否以及何时在体内发生非常感兴趣，包括在正常动物和肿瘤中。Finley博士说，“这将帮助我们知道它是否可能是一种较好的癌症药靶标。”

COVID-19大流行的一个意想不到的好处

Finley博士认为，科学家们越是开始寻找替代的生化途径，他们可能发现的就越多。在某些方面，由于COVID-19大流行，他们发现了非经典TCA循环，而实验室中的意外停工促进了这一发现。

正如Jackson解释的那样：“我当时在家里，由于大流行病，我们不能进入实验室。因此，这是一个非常幸运的时间来做这个项目，以便找到解决问题的方法。”

对Arnold来说，与COVID-19大流行有关的停工期也提供了一个机会，可以真正深入研究历史文献，琢磨其他实验室的数据，她认为她可以在这些数据中观察到这种非经典TCA循环运行的证据。

Jackson说，“最后，我所做的计算工作和Arnold正在建立的模型结合在一起，这成为一个真正令人满意的合作。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Paige K. Arnold et al. A non-canonical tricarboxylic acid cycle underlies cellular identity. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-04475-w.