ATP 생산은 췌관 선암종에서 해당과정보다 지방산 산화에 의존

https://www.mdpi.com/2072-6694/12/9/2477/htm

ATP Production Relies on Fatty Acid Oxidation Rather than Glycolysis in Pancreatic Ductal Adenocarcinoma

ATP Production Relies on Fatty Acid Oxidation Rather than Glycolysis in Pancreatic Ductal Adenocarcinoma

본 연구는 포도당이 ATP 생산의 주요 공급원이 아닌 반면, 지방산은 암세포에서 지방산 산화(FAO) 및 산화적 인산화(OxPhos)를 통한 ATP 생산의 주요 전자 공급원임을 밝혀냈습니다. 

NADH는 주로 암 세포에서 전자 전달 복합체와 OxPhos를 통해 ATP 합성에 사용되는 FAO에서 모집되는 반면, ATP는 정상 세포에서 TCA 회로에서 생성되는 NADH에서 합성됩니다. 

따라서 칼로리 균형 잡힌 저지방 식단은 종양 형성의 3배 감소를 보인 반면, 고지방 식단은 인간 췌관 선암종 이종이식편 및 동종 이식 KC 모델에서 대조군과 비교하여 종양의 2배 증가를 유발했습니다. .

Abstract

해당 과정은 암세포에서 ATP 생산의 주요 경로로 알려져 있습니다. 

그러나 암세포에서 24시간 동안의 포도당 결핍은 ATP 수준을 감소시키지 않지만 젖산 생성을 억제합니다. 

이 연구에서는 PDAC(췌관 선암종)에서 ATP 생산의 주요 경로를 식별하기 위해 대사 경로를 차단했습니다. 

지방산 산화(FAO)를 차단하면 정상 세포에는 영향을 미치지 않으면서 암세포에서 ATP 생성이 40% 감소했습니다. 

칼로리 균형 잡힌 고지방 또는 저지방 식단의 효과는 암 성장이 칼로리 대신 지방산에 의해 조절되는지 여부를 확인하기 위해 테스트되었습니다. 

저지방 식단은 대조군에 비해 췌장 종양 전 병변을 70% 감소시켰으며, 반면 고지방 식단은 Kras(G12D)/Pdx1-cre PDAC 모델에서 ATP 생산 증가와 함께 전종양 병변의 2배 증가를 유발했습니다. 

현재의 결과는 암세포에서 ATP 생산이 해당작용보다는 FAO에 의존한다는 것을 시사하며, 이는 암 에너지 대사를 표적으로 하는 치료적 접근이 될 수 있습니다.

1. 소개

바르 부르크는 정상 세포가 CO 생산하면서 암 세포가 포도당에서 젖산을 생산하는 것을 발견 2 . 

그는 미토콘드리아 파괴로 인해 암세포가 ATP 생산의 주요 원천으로 해당 작용에 의존해야 한다고 오해했습니다. 

미토콘드리아 파괴 아이디어로 인해 활성 산화적 인산화(OxPhos)는 암세포 대사를 설명할 수 없었습니다[ 1 , 2 , 3 , 4 ]. 

그러나 암세포의 미토콘드리아는 온전하고 암세포의 호흡률은 정상세포보다 높다[ 5 , 6]. 

암세포는 ATP 생산을 위해 미토콘드리아 OxPhos에 의존합니다. 

미토콘드리아 전사 인자 A의 녹다운에 의한 미토콘드리아 산화 OxPhos 기능의 파괴는 폐암 의 발암성 Kras 구동 마우스 모델 에서 종양 형성을 감소시킵니다 [ 7 ]. 

해당과정은 암세포의 포도당 1몰에서 ATP 2몰만 생성하는 반면, 정상 세포의 트리카복실산(TCA) 회로는 36몰의 ATP를 생성할 수 있습니다. 

그러나 암세포에서 ATP 생산에 대한 해당과정의 평균 기여도는 약 17%로, 이는 간암에서 총 ATP 생산의 1.4%입니다[ 8 ]. 

암세포의 미토콘드리아 막 전위는 정상 세포와 유사하지만 포도당에 의한 TCA 주기는 정지되어 있습니다이것은 TCA 주기의 중간체가 암세포의 다른 탄소원에 의해 공급된다는 것을 시사합니다. 

대안적으로, NADH 또는 FADH 2 는 세포질 내 탈수소효소 반응과 같은 부산물로부터 공급된다. 다른 암세포로부터 ATP 공급 경로의 기여에 대한 보고서에 따르면 해당 과정의 증가에도 불구하고 OxPhos는 ATP 생산의 약 90%를 담당합니다[ 15 , 16 , 17 ]. OxPhos에서 NADH 또는 FADH 2 에서 O 2 로 전자 이동일련의 전자 운반체에 의해 ATP가 생성됩니다. OxPhos는 NADH 및 FADH 2 의 주요 공급원 이 확인되지 않은 상태로 남아 있지만 암세포에서 ATP 합성에 활성입니다 [ 18 ].

우리는 암세포가 전자 전달 복합체를 통한 ATP 생산을 위한 전자 공여체로 세포질 NADH를 사용하는 것을 선호한다는 것을 발견했습니다. 

세포질 NADH가 미토콘드리아로 전달되는 것을 차단하기 위해 우리는 말산 아스파르테이트 셔틀(MAS)에서 미토콘드리아 2-옥소글루타레이트/말레이트 운반 단백질인 SLC25A11을 녹다운했습니다. 이것은 ATP 생산을 현저히 낮추고 정상 세포에서는 관찰되지 않는 암세포의 성장을 억제했습니다. [ 22]. 

이러한 발견은 MAS가 암에서 ATP 생산에 주요 기여자임을 시사합니다. 

지방산 산화(FAO)의 조절에 의해 밝혀진 흥미로운 치료 기회가 제안되었습니다[ 23 ].

FAO는 순환 반응을 통해 4탄소 지방산의 이화작용으로부터 NADH, FADH 2 및 아세틸 CoA를 생성합니다. NADH와 FADH 2 는 전자 수송 사슬을 통해 OxPhos에 의해 ATP를 생성합니다[ 23]. 

1몰의 팔미트산이 129몰의 ATP를 생성하기 때문에 FAO의 증가는 풍부한 ATP 공급을 통해 암세포 증식에 ​​기여할 수 있습니다. 

이 연구에서 우리는 24시간 동안 포도당이 없는 조건에서 성장한 PDAC(췌관 선암종) 세포에서 ATP 수준이 감소하지 않는다는 것을 발견했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 정상 배양 조건에서 췌장암 세포에서 해당과정, TCA 회로, MAS 및 지방산 산화를 포함한 ATP 생성을 담당하는 주요 대사 경로를 조사했습니다. 경로를 억제하기 위해 포도당이 없는 배지 또는 2-Deoxy-D-glucose(2-DG)가 해당과정을 차단하는 데 사용되었으며[ 24 ] TCA 회로[ 25 ], amino- MAS 차단용 옥시아세트산(AOA) [ 26], 그리고 지방산 산화를 차단하기 위한 트리메타지딘[ 27 ]. 대사 경로 차단에 대한 모든 실험은 무글루코스 배지를 제외한 정상 배양 조건에서 수행되었습니다.

3. 토론

이 연구에서 무포도당 배지에 대한 노출은 ATP 생산을 감소시키거나 세포 사멸을 유도하지 않은 반면, 젖산 생산을 억제했습니다. 

이 결과는 포도당이 바이오 빌딩 블록 형성에 필요하지만  ATP 생산에는 필요하지 않다는 이전 관찰과 일치 합니다[ 38 ]. 연구에 따르면 암세포는 포도당이 절대적으로 필요하지 않으며 다른 탄소 공급원이 있는 곳에서 성장할 수 있습니다[ 39 ]. 설탕이 전혀 없는 상태에서 HeLa 세포는 투석된 소 혈청과 보충 뉴클레오사이드가 포함된 배지에서 무기한 성장했습니다[ 39 ].

해당 과정은 암세포에서 ATP 합성에 기여하는 주요 경로로 간주됩니다. 그러나 이 연구에서 우리는 ATP 생산에 대한 해당과정의 기여가 무시할 수 있음을 발견했습니다.

따라서 암세포는 에너지 생산을 위해 호흡 TCA 순환에 의존하지 않는 반면 MAS 또는 FAO를 차단하면 ATP 수준이 감소합니다. 이러한 결과는 FAO가 MAS 시스템을 통해 미토콘드리아로 수송되는 호기성 인산화를 위한 NADH의 주요 공급원임을 시사합니다.

 

암세포는 MAS 또는 지방산 산화의 억제에 의해 ATP 생산의 유의한 감소를 보인 반면

정상 세포는 TCA 사이클의 억제에 의해서만 ATP 생산의 유의한 감소를 나타내었다. 

따라서 지방산은 ATP 생산을 위한 주요 전자 공급원이며 FAO는 암세포에서 전자 공급을 위한 주요 시스템입니다. 이는 OxPhos가 암에서 ATP의 주요 공급원이라는 이전 보고서와 일치합니다[ 8 ]. 

일관되게 칼로리 균형 저지방 식단을 사용하여 통화 흐름을 차단하면 KC 마우스 모델에서 ADM 및 PanIN 병변이 약 70% 감소했습니다.

PKM2(Pyruvate kinase, PKM2)를 녹아웃(knock out)하여 해당 ATP 생성을 감소시키는 것은 종양 형성을 예방하지 못하는데, 이는 PKM2가 암세포 증식에 ​​필요하지 않음을 시사합니다[ 42 ]. 

게다가 대부분의 암세포는 해당과정 대신 ATP 생산을 위해 미토콘드리아 OxPhos에 의존합니다. 

암세포는 미토콘드리아 기능을 조정하여 생존을 지원합니다. 

저산소성 암세포에서 미토콘드리아 OxPhos는 산소 농도가 0.5%로 감소할 때 정상적으로 기능합니다. 

OxPhos는 암세포에서 활성이며 암세포에서 TCA 주기 활성이 중단되어 있음에도 불구하고 치료 표적으로 제안되었습니다[ 44 ]. 

우리는 최근에 세포질 NADH 수준이 정상 세포보다 암세포에서 더 높다는 것을 보여주었습니다

또한, 암세포는 MAS 시스템을 사용하여 세포질 NADH를 OxPhos를 위한 미토콘드리아로 수송합니다

FAO는 퍼옥시좀과 미토콘드리아 모두에서 발생할 수 있습니다. 

상당한 양의 NADH가 MAS 시스템을 통해 미토콘드리아로 전달됩니다. 

ALDH에 의해 촉매되는 세포질 지방 알데하이드 분해는 암세포에서 NADH 생성 감소에 대한 ALDH 녹다운의 효과에서 알 수 있듯이 NADH의 상당한 공급원이 될 수 있습니다[ 12 , 14 , 20 ]. 

지방 알데하이드는 세포질에서 활성 산소 종에 의해 유도된 지방산 과산화에 의해 생성될 수 있습니다[ 14 ]. 

따라서 세포질 지방산은 ATP 생성을 위한 전자의 주요 공급원으로 간주됩니다. 

지방세포의 지방산은 암세포의 ATP 생산에도 사용될 수 있습니다[ 45]. 

미토콘드리아의 지방산 산화(β-산화)는 TCA 회로를 위한 아세틸-CoA와 OxPho를 통한 ATP 생산을 위한 환원 당량인 NADH 및 FADH2를 생성합니다.. 

이 연구의 결과는 지방산이 제한된 식단에 노출된 생쥐에서 종양 성장의 현저한 감소에 의해 입증된 바와 같이 암세포의 지방산 합성보다는 영양소로부터 얻어짐을 시사합니다.

우리는 인간 이종이식 모델과 동종 이식 KC 모델에서 칼로리 균형 잡힌 고지방 또는 저지방 식단의 효과를 테스트했습니다. 그 결과, 저지방 식이는 ADM 및 PanIN 병변의 형성을 유의하게 억제한 반면, 고지방식이는 대조군에 비해 ADM 및 PanIN 병변의 약 2배 증가를 유발하는 것으로 나타났습니다. 그 결과는 고지방식이와 비만이 PDAC의 더 높은 발병률 및 사망률과 강하게 연관되어 있음을 보여주는 인간에 대한 이전 연구의 결과와 일치했습니다[ 46 , 47 , 48 ]. 

 

요약하면, 모든 암세포가 포도당으로부터 젖산을 생산하기 위해 보존하기 때문에 에너지 공급을 위한 보존된 경로가 암세포에 존재해야 합니다. 본 연구의 결과는 포도당이 ATP 생산의 주요 공급원이 아닌 반면 지방산은 FAO 및 OxPhos를 통한 ATP 생산의 주요 전자 공급원임을 나타냅니다.