Das Verständnis der NADPH-Produktions- und Verbrauchswege ist für ein umfassendes Verständnis des Krebsstoffwechsels unerlässlich. Wie in Abb. 2 gezeigt, wird die NADPH-Homöostase hauptsächlich durch verschiedene Stoffwechselwege und Enzyme reguliert, darunter die NAD-Kinase (NADK), der Pentosephosphatweg (PPP), der Folat-vermittelte Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel, Apfelsäureenzyme (ME), die Nicotinamid-Nukleotid-Transhydrogenase (NNT), die zytosolische oder mitochondriale NADP-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase (IDH1 und IDH2), den Glutamin-Stoffwechsel und die Fettsäure-Oxidation (FAO). Für die allgemeine NADPH-Erzeugung in Zellen ist der relative Beitrag dieser Wege und Enzyme zur NADPH-Produktion jedoch nach wie vor schwer zu bestimmen. Neuere Studien zeigen, dass zelluläres NADPH in Krebs- und Proliferationszellen größtenteils durch PPP, den Folat-vermittelten Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel und ME erzeugt werden könnte.32,33 Außerdem gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass diese verschiedenen Prozesse und Enzyme funktionelle Verbindungen zur NADPH-Homöostase bei Krebs haben. So beschleunigt FAO beispielsweise den TCA-Zyklus, um Citrat zu produzieren, das in das Zytosol exportiert wird, um über ME1 und IDH1 an der NADPH-Produktion mitzuwirken.34 Im Folgenden wird der aktuelle Wissensstand über die zugrundeliegenden Mechanismen der NADPH-Homöostase nach seiner De-novo-Synthese und den relativen Beitrag verwandter Enzyme und Wege bei Krebs untersucht.

NAD-Kinase

Die De-novo-Synthese von NADPH wird durch NADKs katalysiert, die die Phosphorylierung von NAD+ zur Bildung von NADP+ katalysieren. Anschließend wandeln die Dehydrogenasen/Reduktasen in verschiedenen Stoffwechselwegen NADP+ in NADPH um.10,12 NADKs sind in fast allen menschlichen Organen außer dem Skelettmuskel zu finden und sowohl im Zytosol als auch in den Mitochondrien lokalisiert. Im Vergleich zur zytosolischen NADK (cNADK) hat die mitochondriale NADK (mNADK) die Besonderheit, dass sie direkt Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) phosphorylieren kann, um NADPH zu erzeugen und so den oxidativen Stress in den Mitochondrien zu verringern.35

Die Datenbank des Cancer Genome Atlas (TCGA) weist sowohl auf eine Überexpression von cNADK als auch auf das Vorhandensein mehrerer cNADK-Mutanten in verschiedenen Tumorarten hin.10 Insbesondere wurde eine neue cNADK-Mutante, NADK-I90F, bei Patienten mit duktalem Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse (PDAC) gefunden. CNADK-I90F hat einen niedrigeren Km und eine höhere Vmax für NAD+ im Vergleich zum Wildtyp cNADK, was auf eine erhöhte Enzymaktivität hinweist. Im Vergleich zu cNADK-Wildtyp-Zellen weisen Zellen, die cNADK-I90F exprimieren, erhöhte NADPH-Konzentrationen und geringere ROS-Konzentrationen auf.36,37 Darüber hinaus beeinträchtigt das Silencing von cNADK mit shRNA beim diffusen großzelligen B-Zell-Lymphom (DLBCL) und beim Dickdarmkrebs den NADPH-Pool und unterdrückt das Wachstum der Krebszellen.38 Was die NADK-Aktivitäten betrifft, so hat cNADK, das an S44, S46 und S48 phosphoryliert ist, was möglicherweise durch die Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K)-Akt-Signalisierung vermittelt wird, eine erhöhte Aktivität in Brustkrebs- und Lungenkrebszellen, wodurch die NADPH-Produktion erhöht wird.39 Aufgrund seiner jüngsten Entdeckung muss die relevante Rolle von mNADK bei menschlichen Krebserkrankungen noch geklärt werden, aber der Wildtyp und die mutierte cNADK sind potenzielle klinische Ziele für die Krebstherapie.

Pentosephosphat-Weg

Der PPP divergiert im ersten Schritt der Glykolyse, die als größter Lieferant von zytosolischem NADPH dient, und die NADPH-Erzeugung durchläuft drei irreversible Reaktionen im oxidativen Zweig des PPP.40,41,42 Studien haben bewiesen, dass die NADPH-Produktion durch die Erhöhung des Glukoseflusses in den oxidativen Zweig der PPP bei verschiedenen Krebsarten dramatisch gesteigert wird.43,44 Die Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase (G6PD), die entweder als aktives Dimer oder als inaktives Monomer vorliegt, dehydriert G6P, um in der ersten Reaktion 6-Phosphogluconolacton (6-PGL) und NADPH zu erzeugen. Anschließend katalysiert die 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase (PGD), die häufig als Homodimer fungiert, die oxidative Decarboxylierung von 6-Phosphogluconat (6-PG), um Ribulose-5-phosphat (Ru5P) und ein zweites NADPH in der dritten Reaktion zu synthetisieren.45,46

Immer mehr Studien haben gezeigt, dass die G6PD-Aktivität bei verschiedenen Krebsarten, einschließlich Blasen-, Brust-, Prostata- und Magenkrebs, im Vergleich zu normalem Gewebe erhöht ist, und die hohe Expression von G6PD sagt bei verschiedenen Krebspatienten ein schlechtes klinisches Ergebnis voraus und spielt eine entscheidende Rolle bei der Tumorentstehung und Chemoresistenz.47,48 PGD ist ebenfalls hyperaktiv und spielt eine fundamentale Rolle beim Tumorwachstum.49,50 Der Entzug von G6PD oder PGD senkt den NADPH-Spiegel signifikant und verstärkt die durch Chemotherapeutika induzierte Zellapoptose durch Redox-Modulation.51,52 Was die Aktivitätsregulierung betrifft, so ist NADP+ für die enzymatische Aktivität von G6PD erforderlich, während NADPH die Aktivität negativ reguliert. Daher weisen Tumorzellen mit höherem NADPH-Verbrauch höhere Werte an aktivem G6PD auf.45 Interessanterweise zeigt eine Studie auch, dass sich der NADPH-Spiegel durch das Silencing der PGD-Expression nicht verändert, was darauf hindeutet, dass ein zeitlich erhöhtes NADP+/NADPH-Verhältnis kompensatorisch die G6PD-Aktivität erhöht und somit NADPH erzeugt.45

Die NADPH-Homöostase wird auch durch die ratenlimitierende Enzymaktivität reguliert, die durch die posttranslationale Modifikation beeinflusst wird. Studien deuten darauf hin, dass die Glykosylierung, die SIRT5-vermittelte Deglutarylierung und die SIRT2-vermittelte Deacetylierung die G6PD-Aktivität verstärken und die zelluläre NADPH-Homöostase aufrechterhalten.53,54,55 Sowohl die Phosphorylierung von PGD an Y481 bei EGFR-Aktivierung als auch die Acetylierung von PGD an K76 und K294 durch Acetyltransferasen verstärken seine Aktivierung zur Produktion von NADPH in Krebszellen.56,57 Umgekehrt hemmt die Proteinkinase A (PKA) die G6PD-Aktivität, indem sie sie direkt an Serin- und Threoninresten phosphoryliert.58 Darüber hinaus kann die G6PD-Aktivität in Tumoren durch verschiedene Signalwege wie PI3K/AKT, Ras, Src, Nrf2, mTORC1, PETEN, ATM und TP53 direkt oder indirekt reguliert werden (siehe Literaturhinweise 45, 47). So binden beispielsweise das PTEN-Protein und das zytosolische TP53 an G6PD, um den Zusammenbau von G6PD-Monomeren zu aktiven Dimeren zu verhindern und so den PPP-Fluss zu verringern.59,60

Folat-vermittelter Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel

Der Folat-vermittelte Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel ist seit langem bekannt und wird auf seine Funktion der Herstellung von Ein-Kohlenstoff-Einheiten für die Nukleinsäure- und Methionin-Synthese zurückgeführt. Eine weitere wichtige Funktion dieses Stoffwechselwegs ist die Erzeugung der reduzierenden Kraft NADPH.61,62 Serin und Glycin sind die wichtigsten Kohlenstoffquellen dieses Stoffwechselwegs. Die Aktivierung des Serin-Biosynthesewegs steigert die NADPH-Erzeugung in Krebszellen.63 Umgekehrt verringert die Eliminierung von Serin aus dem Medium das NADPH/NADP+-Verhältnis und beeinträchtigt das Wachstum der Krebszellen.64 Methylentetrahydrofolat-Dehydrogenasen (MTHFD1 im Zytosol und MTHFD2 oder MTHFD2L in den Mitochondrien) katalysieren die Oxidation von 5,10-Methylen-THF (CH2-THF) zur Bildung von 10-Formyl-THF, und 10-Formyl-THF-Dehydrogenasen (ALDH1L1 im Zytosol und ALDH1L2 in den Mitochondrien) katalysieren die Oxidation von 10-Formyl-THF zur Erzeugung von CO2 unter gleichzeitiger NADPH-Produktion. Im Zellkern wird der THF-Träger in einer NADPH-erzeugenden Reaktion zu DHF oxidiert, wobei die Elektronen zur Reduktion von Ein-Kohlenstoff-Einheiten auf das Methylniveau verwendet werden.65,66,67

MTHFD2 wird als „Hauptschalter“ postuliert, der in den Mitochondrien zusätzliche Ein-Kohlenstoff-Einheiten erzeugt, um schnelles Wachstum zu ermöglichen.63 Die Expression von MTHFD2 steht in engem Zusammenhang mit dem Ansprechen auf den Folat-Antagonisten Methotrexat (MTX) und den Thymidylat-Synthase-Inhibitor Pemetrexed.68,69 Sowohl MTHFD2 als auch MTHFD1 sind deutlich erhöht und korrelieren mit einer schlechten Überlebensrate bei menschlichen Krebserkrankungen.70,71,72 Darüber hinaus deutet eine Studie darauf hin, dass die Kombination von Serum-AFP mit MTHFD1 die Prognosegenauigkeit bei hepatozellulärem Karzinom (HCC) verbessert.73 Die quantitative Flussanalyse zeigt, dass die Abreicherung von MTHFD2 oder MTHFD1 zu einem verringerten zellulären NADPH/NADP+- und GSH/GSSG-Verhältnis und einer erhöhten Empfindlichkeit der Zellen gegenüber oxidativem Stress führt.32 Die Unterdrückung von MTHFD2 stört die Redox-Homöostase und beschleunigt den Zelltod sowohl bei kolorektalem Krebs (CRC),74,75 als auch bei akuter myeloischer Leukämie (AML).64 MTHFD2 ist auch entscheidend für krebsstammähnliche Eigenschaften und Chemoresistenz, was darauf hindeutet, dass eine Störung der NAPDH-Homöostase das Wiederauftreten von Tumoren verhindern und diese ausrotten kann.76 Und die Abreicherung von MTHFD1 verringert sowohl die Häufigkeit zirkulierender Melanomzellen im Blut als auch die Metastasierungslast in Mäusen mit Melanom,77 was darauf hindeutet, dass die NAPDH-Homöostase therapeutische Ziele zur Verhinderung der Fernmetastasierung darstellt. Der Zusammenhang zwischen MTHFD2L, das entweder NAD+ oder NADP+ für die Dehydrogenase-Aktivität verwenden kann, und Tumoren muss jedoch noch untersucht werden.

Das zytosolische ALDH1L1 reguliert hauptsächlich reduzierte Folat-Pools und die Purin-Biosynthese, während das mitochondriale ALDH1L2 als Reaktion auf oxidativen Stress NADPH produziert.78 Obwohl ALDH1L1 bei NSCLC und GC-Krebs überexprimiert wird,79,80 wird berichtet, dass ALDH1L1 bei Krebserkrankungen stark herunterreguliert oder zum Schweigen gebracht wird, was es zu einem möglichen Tumorsuppressor macht.81,82 ALDH1L2 wird jedoch in hohem Maße exprimiert und stellt einen unabhängigen prognostischen Faktor für das Gesamtüberleben bei Melanomen, PDAC und CRC dar.77,78,83 Die Abreicherung von ALDH1L2 führt zu einer deutlichen Verringerung des NADPH/NADP+- und GSH/GSSG-Verhältnisses, reduziert die im Blut zirkulierenden Tumorzellen und mindert die Metastasenlast.77,83,84 Darüber hinaus wird die Expression von ALDH1L2 durch bestimmte Medikamente wie Thapsigargin und Tunicamycin, die den Stress des endoplasmatischen Retikulums in immortalisierten menschlichen B-Zellen induzieren,85 Mitotan, eine adjuvante Monotherapie zur Behandlung des Nebennierenrindenkarzinoms,86 und Indomethacin, ein entzündungshemmendes Mittel, in Brustkrebszellen hochreguliert.87 Daher ist eine weitere Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den Auswirkungen dieser Medikamente auf die ALDH1L2-Expression und die zelluläre Reaktion auf Redox-Stress erforderlich.

Maleinsäureenzyme

ME sind an Reaktionen beteiligt, die die Komponenten des katabolen Stoffwechsels in der Glykolyse und im Krebszyklus über die oxidative Decarboxylierung von Malat zu Pyruvat verbinden und dadurch den anabolen Stoffwechsel mit gleichzeitiger NADPH-Produktion induzieren.32,88 Eine quantitative Flussanalyse ergab, dass der direkte Beitrag von ME zur NADPH-Erzeugung schätzungsweise dem Beitrag der PPP entspricht.89 Die ME-Familie besteht aus drei Isoformen: ME1 befindet sich im Zytosol und ME2, ME3 sind in den Mitochondrien lokalisiert. ME1 und ME3 benötigen NADP+ und ME2 nutzt entweder NAD+ oder NADP+ für ihre katalytischen Aktivitäten, so dass NADPH sowohl direkt als auch indirekt durch die Aktivität des NNT, das die Übertragung von Hydridionen von NADH auf NADP+ katalysiert und NADPH in den Mitochondrien produziert, von ME produziert werden kann.90 ME1 und ME2 scheinen jedoch die wichtigsten Isoformen zu sein, da ME3 in vielen untersuchten Säugetierzellen kaum nachweisbar ist.91

Die Überexpression von ME1 steht in signifikantem Zusammenhang mit einer schlechten Prognose für Menschen mit Krebs, einschließlich solcher mit Magenkrebs, Plattenepithelkarzinom der Mundhöhle, Brustkrebs, Lungenkrebs usw.92,93,94,95 Durch das Silencing von ME1 wird die NADPH-Konzentration deutlich reduziert und die ROS-Konzentration erhöht, was letztlich zur Apoptose der Zellen unter oxidativem Stress, wie z. B. Glukose-Mangel oder Anoikis, führt.96,97 Darüber hinaus wird das ME1-Protein durch das PGAM-Familienmitglied 5 und die Acetyl-CoA-Acetyltransferase an S336 hypophosphoryliert bzw. an K337 hyperacetyliert, was zur Translokation von ME1 aus den Mitochondrien in das Zytosol, zur Dimerisierung und Aktivierung führt und damit die NADPH-Bildung und die Tumorentstehung stark fördert.98 Die ME1-Expression wird auch durch bekannte Tumorsuppressoren oder Onkogene wie TP53 oder KRAS reguliert.91,99 Interessanterweise gibt es eine direkte Wechselwirkung zwischen ME1 und PPP-Komponenten, und ME1 erhöht die Fähigkeit von PGD, an 6-PG zu binden, was die NADPH-Bildung fördert.100

ME2 wird neueren Untersuchungen zufolge auch in verschiedenen Krebsarten überexprimiert und steht in engem Zusammenhang mit Krebswachstum, Metastasierung und schlechten Behandlungsergebnissen.101,102 ME2-Abreicherung, begleitet von einem erhöhten NADP+/NADPH-Verhältnis und ROS-Spiegeln, wirkt sich auf die PI3K/AKT-Signalübertragung aus und erhöht die Empfindlichkeit von Erythroleukämie- und NSCLC-Zellen gegenüber Cisplatin.103,104 Außerdem führt die Ablation von ME2 zu einem erhöhten zellulären ROS-Spiegel, der den AMPK-Signalweg aktiviert und anschließend TP53 stimuliert, um die Proliferation von Melanomzellen zu dämpfen.105,106 ME2 wird in soliden menschlichen Tumoren, einschließlich Magenkrebs und PDAC, häufig zusammen mit dem Tumorsuppressor SMAD4 hemizygot kodiert.107,108 In Magenkrebszellen, in denen ME2 nicht exprimiert wird, wird sein Isoenzym ME1 hochreguliert, um intrazelluläres NADPH aufzufüllen und das Überleben der Zellen unter Glukose-Mangel und Anoikis zu fördern.107 ME3 hat eine geringere enzymatische Aktivität als ME2 in Mitochondrien. In PDAC-Zelllinien, bei denen ME2 homozygot deletiert wurde, spielt sein Isoenzym ME3 jedoch die kompensatorische Rolle für die intrazelluläre NADPH-Homöostase.108,109 Diese Erkenntnisse bieten eine erstklassige therapeutische Strategie der „kollateralen Letalität“ für die Behandlung eines beträchtlichen Teils der GC- oder PDAC-Patienten.

Nikotinamid-Nukleotid-Transhydrogenase

NNT ist ein integrales mitochondriales Innenmembranprotein in Eukaryonten, das den Transfer von Hydridionen von NADH zu NADP+ katalysiert und NADPH unter Nutzung der von der Elektronentransportkette (ETC) erzeugten Protonenmotivkraft produziert.110 Der Prozess ist für die Aufrechterhaltung der mitochondrialen NADPH- und NADH-Pools unerlässlich. Die NNT-Aktivität trägt zu 45 % des gesamten NADPH im mitochondrialen Pool bei, was auf eine bedeutende Rolle der NNT für die Aufrechterhaltung des NADPH-Pools hindeutet,111 und das durch die NNT gewonnene NADPH wird auch für die reduktive Carboxylierung von α-KG zu Isocitrat verwendet, die durch IDH2 vermittelt wird.112 Im Gegensatz zu dieser vorherrschenden Ansicht zeigt eine faszinierende Arbeit, dass die NNT die Richtung beim NADPH-Verbrauch umkehrt, um die NADH- und ATP-Produktion unter einer pathologischen Arbeitsbelastung zu unterstützen, was auf Kosten der NADPH-gebundenen antioxidativen Kapazität geht. Die Modelle zeigen überraschenderweise, dass das Fehlen einer funktionellen NNT im Vergleich zu Mäusen mit aktiver NNT weniger oxidative Schäden am Herzen verursacht.113 Diese Erkenntnis bietet möglicherweise neue Einblicke in die Pathologie und die Stoffwechselregulierung, aber es sind dringend weitere Studien über den NNT-Umkehrprozess bei Krebs erforderlich.

In Krebszellen wird die NNT-Aktivität durch hyperpolarisierte Mitochondrien stimuliert. Außerdem kann das NADH aus der verstärkten Glykolyse im Zytosol in die Mitochondrien übertragen werden, um die NADH-abhängige NNT anzutreiben.89 Darüber hinaus wird NNT in Magenkrebszellen überexprimiert, was mit einer geringeren Gesamtüberlebensrate und einem geringeren krankheitsfreien Überleben verbunden ist. Der Knockdown von NNT zeigt eine begrenzte Fähigkeit, den NADPH-Spiegel aufrechtzuerhalten, und reduziert die Tumorigenität unter oxidativen Stressbedingungen, wie sie durch Anoikis und Glukoseentzug in vitro induziert werden, oder beeinträchtigt die peritoneale Dissemination und Lungenmetastasierung in vivo.114 Ähnliche Effekte werden bei Leberkrebs,115 Phäochromozytom116 und NSCLC111 beobachtet, und NNT wird wahrscheinlich durch NADPH-Verbrauch aktiviert, wie z. B. in IDH-mutierten Zellen.117 Darüber hinaus ist NNT als antioxidatives Schlüsselenzym entscheidend für die Induktion von Makrophagen-Entzündungsreaktionen118 und die Verhinderung von ROS-induzierter Zytotoxizität in T-Zellen, die Asbest ausgesetzt sind, was zu einer Verringerung der Antitumor-Immunität führen kann.119 Bislang scheint NNT eine Schlüsselrolle bei der Tumorentstehung zu spielen, und eine Modifizierung von NNT kann die Immunwirkung von Antitumormitteln regulieren. Leider gibt es keine spezifischen pharmakologischen Hemmstoffe für NNT, die noch entwickelt werden müssen.

Isocitratdehydrogenasen (IDH)

IDH erleichtert auch die Erzeugung von NADPH aus NADP+, indem sie die oxidative Decarboxylierung von Isocitrat zu α-Ketoglutarat (α-KG) für den TCA-Zyklus katalysiert.120 Es gibt drei IDH-Subtypen: IDH1 befindet sich im Zytosol und in den Peroxisomen, während IDH2/3 hauptsächlich in den Mitochondrien zu finden sind. IDH1/2 verwenden NADP+ als Cofaktor und führen eine reversible Reaktion durch, während IDH3 NAD+ als Cofaktor verwendet und eine irreversible Umwandlung durchführt.121,122

Mehrere Beweise haben gezeigt, dass IDH1 bei zahlreichen Krebsarten überexprimiert wird und eng mit der schlechten Prognose von Patienten mit nicht-kleinzelligem Lungenkarzinom (NSCLC),123 PDAC,124 oder einem von mehreren hämatologischen Malignomen korreliert ist.125 ELISA-Tests haben gezeigt, dass der IDH1-Spiegel auch im Plasma von NSCLC-Patienten signifikant erhöht ist, was darauf hindeutet, dass er als potenzieller Plasmabiomarker verwendet werden kann.126 Die Hochregulierung von IDH1 könnte eine gemeinsame Stoffwechselanpassung zur Verringerung von oxidativem Stress und zur Unterstützung der Makromolekülsynthese darstellen, wodurch das Tumorwachstum und die Therapieresistenz gefördert werden.125 Darüber hinaus führt das Ausschalten von IDH1 zu einer Verringerung der NADPH- und α-KG-Konzentrationen, was mit erhöhten ROS-Konzentrationen einhergeht und zur Apoptose von Krebszellen bei NSCLC führt.123 Darüber hinaus erhöhen oxidative Stressbedingungen auch die von Natur aus hohe IDH1-Expression, und die Ausschaltung von IDH1 erhöht die Empfindlichkeit der Zellen gegenüber Chemotherapie, Strahlentherapie und photodynamischer Therapie durch die Verringerung von NADPH.124,127,128 Darüber hinaus ist IDH1 in CRC-Zellen hyperacetyliert und korreliert signifikant mit Fernmetastasierung und schlechter Überlebensrate. Die SIRT2-abhängige Deacetylierung von IDH1 an K224 beeinträchtigt seine enzymatische Aktivität und unterdrückt sein malignes Verhalten bei CRC.129 In Studien wurde außerdem festgestellt, dass IDH1 in klarzelligen Nierenzellkarzinomen (ccRCC) im Vergleich zu normalen Nierenzellen signifikant herunterreguliert ist, was darauf hindeutet, dass IDH1 als Tumorsuppressor für ccRCC fungieren könnte.130,131

Die meisten Studien weisen darauf hin, dass IDH2 auch bei ESCC,132 Eierstockkrebs,133 Lungenkrebs und anderen Krebsarten signifikant hochreguliert ist,134 was eine pro-onkogene Rolle spielt. Eine Überexpression von IDH2 senkt die ROS-Konzentration und steigert das Wachstum von Krebszellen.121 Die Verarmung von IDH2 verringert die Expression von HIF1α und führt zu einer Abschwächung des Tumorwachstums bei Lungenkrebs.134 Aufgrund der Heterogenität von Krebszellen haben andere Studien jedoch gezeigt, dass die IDH2-Expression in metastasierendem HCC- und Magenkrebsgewebe im Vergleich zu normalem Gewebe verringert ist.135,136 Der zugrundeliegende Mechanismus ist, dass diese Zellen, denen IDH2 fehlt, aufgrund der Zunahme von Matrix-Metalloproteasen, die vom NF-κB-Signalweg abhängen, ein verstärktes invasives Verhalten zeigen. Darüber hinaus steigert die NAD+-Produktion durch die NNT die SIRT3-vermittelte Deacetylierung und der Verlust der NAD+-abhängigen Deacetylase SIRT3 erhöht die Acetylierung von IDH2 an K413 und verringert seine enzymatische Aktivität durch Verringerung der Dimerisierung, reguliert somit den mitochondrialen Redoxstatus und fördert die Zelltumorigenese bei luminalem B-Brustkrebs137 und B-Zell-Malignomen.138 Die durch SIRT5 vermittelte IDH2-Desuccinylierung reguliert auch die zelluläre NADPH-Homöostase und das Redoxpotenzial.54

Der Beitrag von IDH zur NADPH-Erzeugung bei Krebs bleibt umstritten. IDH1 und IDH2 katalysieren auch die reduktive Carboxylierung und unterstützen das Wachstum von Tumorzellen mit defekten Mitochondrien. Studien zeigen, dass IDH1/2 Isocitrat/Citrat aus α-KG unter NADPH-Verbrauch synthetisiert, dann Isocitrat/Citrat in die Mitochondrien importiert und zur Unterdrückung mitochondrialer ROS beiträgt.139,140 Darüber hinaus wurden in jüngster Zeit IDH1- und IDH2-Genmutationen bei verschiedenen malignen Erkrankungen festgestellt, darunter Gliome, AML, angioimmunoblastische Lymphome, Chondrosarkome und Melanome.141,142 Wiederkehrende somatische Mutationen von Resten befinden sich hauptsächlich an aktiven Stellen des Enzyms, die an Isocitrat binden, typischerweise an R132, einschließlich R132H, R132L, R132S, R132C und R132G in IDH1, und R140Q oder R172K in IDH2.143,144 Die mutierten IDH1- und IDH2-Proteine sind mit einer neuartigen Fähigkeit ausgestattet, die Reduktion von α-KG zu katalysieren, um einen seltenen Metaboliten, 2-Hydroxyglutarat (2-HG), zu erzeugen, während sie NADPH verbrauchen.145 Die Bedeutung dieser Mutationen und ihre Rolle bei der Krebsentstehung sowie mögliche therapeutische Auswirkungen wurden an anderer Stelle ausführlich untersucht.141,146,147

Glutamin-Stoffwechsel

Der Glutamin-Stoffwechsel ist eine wichtige zelluläre Kohlenstoffquelle für den TCA-Zyklus, ein Stickstoffspender für die Nukleotid-, Aminosäure- und Lipidbiosynthese und außerdem entscheidend für die Aufrechterhaltung des NADPH-Spiegels.148,149 Proliferierende Krebszellen weisen eine aerobe Glykolyse auf, was zu einer Verlagerung des Glukosekohlenstoffs weg vom TCA-Zyklus führt, was eine verstärkte Verwendung von Glutamin als Treibstoff für anabole Prozesse zur Folge hat, um ein schnelles Zellwachstum mit erhöhter NADPH- und Ammoniakbildung zu unterstützen. Die Glutaminolyse ist der mitochondriale Stoffwechselweg, bei dem Glutamin zunächst durch Glutaminasen (GLS1/2) zu Glutamat desaminiert wird. Anschließend wandeln entweder NADPH-abhängige Glutamat-Dehydrogenasen (GDH) oder andere Transaminasen, darunter Glutamat-Oxaloacetat-Transaminase 2 (GOT2) und Glutamat-Pyruvat-Transaminase 2 (GPT2), Glutamat in a-KG um, um den Bedarf an entsprechenden Aminosäuren zu decken.89

Konventionell ist GDH (kodiert durch das GLUD-Gen) das vorherrschende Enzym, das für die Reaktionen, die zur Auffüllung des TCA-Zyklus und zur Gewinnung von NADPH benötigt werden, wichtiger ist als GOT2 und GPT2, die aus ubiquitär exprimiertem GDH1 und GDH2 bestehen, die hauptsächlich in neuronalem und Hodengewebe vorkommen und eine geringere Aktivität als GDH1 aufweisen.150 GDH1 wird in den meisten Tumorproben stark exprimiert und korreliert mit dem Stadium der Tumorprogression, einschließlich Brustkrebs- und Lungenkrebszellen.151,152 Eine Depletion von GDH1 führt zu einer unausgewogenen Redox-Homöostase und Zellzytotoxizität und dämpft die Proliferation von Krebszellen, was auch bei Erythroleukämiezellen der Fall ist, während die Proliferation normaler Zellen nur geringfügig beeinflusst wird.151 Darüber hinaus wurde berichtet, dass eine erhöhte GDH1-Aktivität ein möglicher prognostischer Marker und ein Indikator für die Metastasierung bei Patienten mit CRC oder Magenkrebs ist.153,154 Unter Bedingungen unzureichender Glykolyse, die durch Glukoseentzug, 2-Desoxyglukose-Behandlung oder Akt-Signalhemmung verursacht werden, sind glutaminsüchtige Zellen empfindlicher gegenüber GDH1-Mangel.155 Darüber hinaus wird GDH-abgeleitetes NADPH verbraucht, um die reduktive Carboxylierung von α-KG durch IDH2 zu unterstützen, und der kompensatorische Anstieg der Expression von GDH1 oder GDH2 fördert das Wachstum von IDH-mutierten Gliomzellen.156 Außerdem kann GDH mit dem Verbrauch von extrazellulärem Glutamin auch Ammoniak aus der Glutaminolyse und α-KG katalysieren, um die Synthese von Glutamat und nachgeschalteten Metaboliten durch reduktive Aminierung in einer NADPH-verbrauchenden Weise zu unterstützen, um das Wachstum der Krebszellen zu fördern.148,157,158

Speziell einige Krebszellen, wie PDAC- und CRC-Zellen, sind auf einen nicht-kanonischen Glutamin-Stoffwechselweg im Zytosol angewiesen, der durch die onkogene KRAS-Aktivierung reguliert wird. Aus Glutamin gewonnenes Aspartat, das durch GOT2 induziert wird, wird ins Zytosol transportiert und durch GOT1 in Oxalacetat umgewandelt, dann durch Malatdehydrogenase (MDH1) in Malat umgewandelt und anschließend durch ME1 zu Pyruvat oxidiert, um NADPH zu erzeugen.159,160 GHD1 shRNA hat keine Auswirkung auf das Wachstum von PDAC-Zellen, während das Ausschalten von GOT2 die ROS-Konzentration erhöht und zu Zellseneszenz führt.161 Darüber hinaus verringert die zytosolische GOT1-Hemmung die Oxalacetat-Konzentration und reduziert das zelluläre NADPH/NADP+- und GSH/GSSG-Verhältnis.159 In Übereinstimmung mit diesen Ergebnissen schützt die Zugabe von exogenem Malat die Zellen vor übermäßiger ROS-Akkumulation in MDH1-Knockdown-Zellen.162 Folglich könnte die gezielte Beeinflussung des Glutamin-Stoffwechselwegs, der für Krebszellen essentiell, für normale Zellen jedoch entbehrlich ist, zu neuen therapeutischen Ansätzen zur Behandlung refraktärer Tumoren führen.

Fettsäureoxidation

Darüber hinaus ist der FAO-Stoffwechselweg auch entscheidend für die indirekte Bereitstellung von NADPH, das in vielen Krebsarten, insbesondere bei metabolischem Stress, unverzichtbar ist. FAO erzeugt in jeder Runde NADH, FADH2 und Acetyl-Coenzym A (CoA),163 und NADH und FADH2 gelangen in die ETC, während das Acetyl-CoA in den TCA-Zyklus gelangt, um Citrat zu erzeugen, das in das Zytosol exportiert wird, um über ME1 und IDH1 an der NADPH-Produktion mitzuwirken.34 FAO und FAS sind beide für die Tumorprogression wesentlich und unterstützen sich gegenseitig. Acetyl-CoA und NADPH, die sich aus dem FAO-Stoffwechsel im Zytosol ansammeln, werden benötigt, um FAS zu initiieren.164 Die Carnitin-Palmitoyl-Transferasen (CPT), die geschwindigkeitsbeschränkenden Enzyme im FAO-Weg, transportieren langkettiges Acyl-CoA aus dem Zytosol in die Mitochondrien.165 Es wird berichtet, dass die CPT-vermittelte FAO-Aktivierung eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung der NADPH-Homöostase und der Förderung der Zellmetastasierung und Chemoresistenz bei Magen-Darm-Krebs166,167 und Melanomen spielt.168 Jüngste Studien zeigen auch, dass das Ausschalten von PPAR-Coaktivator 1α (PGC1α), einem wichtigen transkriptionellen Coaktivator, der CPT1A und CPT1B reguliert, das Verhältnis von NADPH/NADP+ und ATP-Spiegeln deutlich verringert und die Strahlenresistenz von Zellen des Nasopharynxkarzinoms (NPC) beeinträchtigt.169 Darüber hinaus reguliert die AMP-aktivierte Proteinkinase (AMPK) auch die Funktion von FAO bei der Aufrechterhaltung der NADPH-Homöostase und fördert das Überleben von Tumorzellen unter oxidativem Stress oder metabolischem Stress.170,171,172,173

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