NADPH:n tuotanto- ja kulutusreittien ymmärtäminen on olennaista syövän aineenvaihdunnan kokonaisvaltaisen ymmärtämisen kannalta. Kuten on esitetty kuvassa. 2, NADPH:n homeostaasiaa säätelevät pääasiassa useat aineenvaihduntareitit ja entsyymit, mukaan lukien NAD-kinaasi (NADK), pentoosifosfaattirata (PPP), folaattivälitteinen yhden hiilen aineenvaihdunta, omenaentsyymit (ME), nikotiiniamidinukleotiditranshydrogenaasi (NNT), sytosolinen tai mitokondriaalinen NADP-riippuvainen isositraattidehydrogenaasi (IDH1 ja IDH2), glutamiinimetabolia ja rasvahappojen hapetus (FAO). Solujen yleisen NADPH-tuotannon osalta näiden reittien ja entsyymien suhteellinen osuus NADPH:n tuotannossa on kuitenkin edelleen vaikeasti määriteltävissä. Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat, että solujen NADPH:ta voitaisiin tuottaa suurelta osin PPP:n, folaattivälitteisen yhden hiilen aineenvaihdunnan ja ME:n avulla syöpä- ja proliferaatiosoluissa.32,33 Lisäksi yhä useammat todisteet viittaavat siihen, että näillä eri prosesseilla ja entsyymeillä on toiminnallisia yhteyksiä NADPH:n homeostaasiin syövässä. Esimerkiksi FAO kiihdyttää TCA-sykliä tuottamaan sitraattia, joka viedään sytosoliin osallistumaan NADPH:n tuotantoon ME1:n ja IDH1:n kautta.34 Seuraavassa tarkastellaan nykytietämystä NADPH:n homeostaasin taustalla olevista mekanismeista sen de novo -synteesin jälkeen, siihen liittyvien entsyymien suhteellista osuutta ja reittejä syövässä.

NAD-kinaasi

NADPH:n de novo -synteesiä katalysoivat NADK:t, jotka katalysoivat NAD+:n fosforylaatioita NADP+:ksi. Tämän jälkeen eri aineenvaihduntareittien dehydrogenaasit/reduktaasit muuttavat NADP+:n NADPH:ksi.10,12 NADK:ita esiintyy lähes kaikissa ihmisen elimissä luurankolihasta lukuun ottamatta, ja ne paikallistuvat sekä sytosoliin että mitokondrioihin. Sytosoliseen NADK:hon (cNADK) verrattuna mitokondriaalisella NADK:lla (mNADK) on se erityispiirre, että se voi fosforyloida suoraan nikotiiniamidiadeniinidinukleotidia (NADH) tuottaakseen NADPH:ta mitokondrioiden oksidatiivisen stressin lievittämiseksi.35

Cancer Genome Atlas (TCGA) -tietokanta osoittaa sekä cNADK:n yliekspressiota että useiden cNADK-mutanttien esiintymistä useissa eri kasvaintyypeissä.10 Erityisesti uutta cNADK-mutanttia, NADK-I90F:ää, on löydetty haiman duktaalisen duktaalisen adenokarsinooman syöpäpotilailla (PDAC). CNADK-I90F:n Km-arvo on alhaisempi ja Vmax-arvo korkeampi NAD+:lle verrattuna villityyppiseen cNADK:hon, mikä viittaa entsyymiaktiivisuuden lisääntymiseen. Johdonmukaisesti cNADK-I90F:ää ilmentävien solujen NADPH-tasot ovat koholla ja ROS-tasot alentuneet verrattuna cNADK:n villityyppisiin soluihin.36,37 Lisäksi diffuusissa suurisoluisessa B-solulymfoomassa (DLBCL) ja paksusuolen syövässä cNADK:n hiljentäminen shRNA:lla heikentää NADPH:n varantoa ja tukahduttaa syöpäsolujen kasvua38 . NADK:n aktiivisuudesta voidaan todeta, että S44-, S46- ja S48-kohdissa fosforyloidulla cNADK:lla, jota voi välittää fosfoinositidi-3-kinaasi (PI3K)-Akt-signalointi, on lisääntynyt aktiivisuus rintasyöpä- ja keuhkosyöpäsoluissa, mikä lisää NADPH:n tuotantoa.39 Sen äskettäisen löydön perusteella mNADK:n merkityksellinen rooli ihmisen syövissä on vielä selvitettävä, mutta villityyppinen ja mutantti cNADK ovat potentiaalisia kliinisiä kohteita syöpähoidossa.

Pentoosifosfaattireitti

PPP erkanee glykolyysin ensimmäisellä askeleella, joka toimii suurimpana sytosolista NADPH:ta tuottavana tekijänä, ja PPP oksidatiivisessa oksidatiivisessa oksidatiivisessa haarakohdassa PPPH:n tuottaminen läpikäy kolmea irreversiibeliä reaktiota.40,41,42 Tutkimukset ovat osoittaneet, että NADPH:n tuotanto lisääntyy dramaattisesti lisäämällä glukoosin virtausta PPP:n oksidatiiviseen haaraan eri syövissä.43,44 Glukoosi-6-fosfaattidehydrogenaasi (G6PD), joka esiintyy joko aktiivisena dimeerinä tai inaktiivisena monomeerinä, dehydrogenoi G6P:n tuottaen ensimmäisessä reaktiossa 6-fosfoglukonolaktonia (6-PGL) ja NADPH:ta. Tämän jälkeen 6-fosfoglukonaattidehydrogenaasi (PGD), joka toimii usein homodimeerinä, katalysoi 6-fosfoglukonaatin (6-PG) oksidatiivista dekarboksylaatiota syntetisoidakseen ribuloosa-5-fosfaattia (Ru5P) ja toista NADPH:ta kolmannessa reaktiossa45,46 .

Vähemmänkin useammat tutkimukset ovat osoittaneet, että G6PD:n aktiivisuus on lisääntynyt useissa syöpätyypeissä, mukaan lukien virtsarakon, rinnan, eturauhasen ja mahalaukun syövät verrattuna normaaleihin kudoksiin, ja G6PD:n korkea ilmentyminen ennustaa huonoa kliinistä lopputulosta erilaisilla syöpäpotilailla, ja sillä on kriittisiä rooleja kasvainten syntyprosessissa ja sytostaattiresistenssissä.47,48,48 PGD on myös hyperaktiivinen, ja sillä on perustavanlaatuinen rooli kasvainten kasvussa.49,50 G6PD:n tai PGD:n vähentäminen vähentää merkittävästi NADPH:n tasoja ja tehostaa kemoterapeuttisten lääkkeiden aiheuttamaa solujen apoptoosia redox-modulaation avulla.51,52 Aktiivisuuden säätelyn osalta voidaan todeta, että G6PD:n entsymaattisen aktiivisuuden edellytyksenä on, että G6PD:n entsymaattiseen aktiivisuuteen tarvitaan NADP+:aa, kun taas NADPH säätelee sen aktiivisuutta negatiivisesti. Näin ollen kasvainsoluilla, joilla on suurempi NADPH:n kulutus, on korkeampi aktiivisen G6PD:n taso.45 Mielenkiintoista on myös se, että eräässä tutkimuksessa on osoitettu, että NADPH:n taso ei muutu PGD:n ilmentymisen hiljentämisellä, mikä on mahdollista, että ajallisesti lisääntynyt NADP+/NADPH-suhde kompensoivasti kasvattaa G6PD:n aktiivisuutta, jolloin syntyy NADPH:ta.45

NADPH:n homeostaasiaa säätelevät myös entsyymin nopeutta rajoittavat aktiivisuudet, joihin vaikuttaa posttranslationaalinen muuntelu. Tutkimukset osoittavat, että glykosylaatio, SIRT5:n välittämä deglutarylaatio ja SIRT2:n välittämä deasetylaatio lisäävät kaikki G6PD:n aktiivisuutta ja ylläpitävät solujen NADPH-homeostaasia.53,54,55 Sekä PGD:n fosforylaatio Y481:ssä EGFR:n aktivoituessa että PGD:n asetylaatio K76:ssä ja K294:ssä asetyylitransferaasien toimesta parantavatG6PD:n aktivoitumista tuottamaan NADPH:ta syöpäsoluille.56,57,57 Sitä vastoin proteiinikinaasi A (PKA) estää G6PD:n aktiivisuutta fosforyloimalla sitä suoraan seriini- ja treoniinijäämiin.58 Lisäksi G6PD:n aktiivisuutta voivat säädellä kasvaimissa useat signaalireitit, kuten PI3K/AKT-, Ras-, Src-, Nrf2-, mTORC1-, PETEN-, ATM- ja TP53-reitit, suoralla tai epäsuoralla tavalla (tarkasteltu viitteissä 45, 47). Esimerkiksi PTEN-proteiini ja sytosolista peräisin oleva TP53 sitoutuvat G6PD:hen estääkseen G6PD-monomeerien kokoamisen aktiivisiksi dimeereiksi ja vähentääkseen siten PPP-virtaa.59,60.

Folaattivälitteinen yhden hiilen aineenvaihdunta

Folaattivälitteinen yhden hiilen aineenvaihdunta on tunnustettu jo pitkään, ja sen tehtävänä on tuottaa yhden hiilen yksiköitä nukleiinihappo- ja metioniinisynteesiä varten, ja tämän reitin toinen ratkaiseva tehtävä on pelkistävän voiman, NADPH:n, tuottaminen.61,62 Seriini ja glysiini ovat tämän reitin tärkeimpiä hiililähteitä. Seriinin biosynteesireitin aktivointi lisää NADPH:n muodostumista syöpäsoluissa.63 Sitä vastoin seriinin poistaminen väliaineesta vähentää NADPH/NADP+ -suhdetta ja heikentää syöpäsolujen kasvua.64 Metyleenitetrahydrofolaattidehydrogenaasit (MTHFD1 sytosolissa ja MTHFD2 tai MTHFD2L mitokondrioissa) katalysoivat 5,10-metyleeni-THF:n (CH2-THF) hapettumista 10-formyyli-THF:ksi, ja 10-formyyli-THF-dehydrogenaasit (ALDH1L1 sytosolissa ja ALDH1L2 mitokondrioissa) katalysoivat 10-formyyli-THF:n hapettumista CO2:n tuottamiseksi ja samanaikaista NADPH:n tuotantoa. Ytimessä THF-kantaja hapetetaan DHF:ksi NADPH:ta tuottavassa reaktiossa, jossa elektronit käytetään yhden hiilen yksiköiden pelkistämiseen metyylitasolle.65,66,67

MTHFD2:n oletetaan olevan ”pääkytkin”, joka tuottaa lisää yhden hiilen yksiköitä mitokondrioissa nopean kasvun mahdollistamiseksi.63 MTHFD2:n ilmentyminen liittyy läheisesti vasteeseen folaattiantagonistille metotreksaatille (MTX) ja tymidylaattisyntaasin estäjälle pemetreksedille.68,69 Sekä MTHFD2:n että MTHFD1:n pitoisuudet ovat selvästi koholla, ja ne korreloivat huonoon eloonjäämiskykyyn kaikissa ihmisen syövissä.70,71,72 Lisäksi tutkimus osoittaa, että seerumin AFP:n ja MTHFD1:n yhdistäminen parantaa ennustetarkkuutta hepatosellulaarisessa karsinoomassa (HCC).73 Kvantitatiivinen virtausanalyysi paljastaa, että joko MTHFD2:n tai MTHFD1:n köyhtyminen johtaa solujen NADPH/NADP+- ja GSH/GSSG-suhteiden pienenemiseen ja solujen lisääntyneeseen herkkyyteen oksidatiiviselle stressille.32 MTHFD2:n tukahduttaminen häiritsee redox-homeostaasiaa ja kiihdyttää solukuolemaa sekä kolorektaalisessa syövässä (CRC),74,75 että akuutissa myelooisessa leukemiassa (AML).64 MTHFD2 on myös kriittinen syövän kantojen kaltaisille ominaisuuksille ja sytostaattiresistenssille, mikä viittaa siihen, että NAPDH:n homeostaasiin puuttuminen voi ehkäistä uusiutumista ja hävittää kasvaimia.76 Lisäksi MTHFD1:n vähentäminen vähentää sekä veressä kiertävien melanoomasolujen tiheyttä että metastaattista tautitaakkaa melanoomaa kantavilla hiirillä77 , mikä viittaa siihen, että NAPDH:n homeostaasi on terapeuttinen kohde, jonka avulla voidaan estää etäiset etäpesäkkeet. MTHFD2L:n, joka voi käyttää dehydrogenaasiaktiivisuuteensa joko NAD+:a tai NADP+:a, ja kasvainten välinen yhteys on kuitenkin vielä tutkimatta.

Sytosolinen ALDH1L1 säätelee pääasiassa pelkistyneen folaatin varantoja ja puriinien biosynteesiä, kun taas mitokondriaalinen ALDH1L2 tuottaa NADPH:ta vasteena oksidatiiviselle stressille.78 Vaikka ALDH1L1 yliekspressoituu NSCLC:ssä ja GC-syövässä,79,80 ALDH1L1:n on raportoitu olevan syvästi alasreguloitunut tai hiljentynyt syövissä, mikä tekee siitä kasvainsuppressoriehdokkaan81,82. ALDH1L2:n ilmentyminen on kuitenkin voimakasta, ja se on riippumaton ennusteellinen tekijä kokonaiseloonjäämiselle melanoomassa, PDAC:ssa ja CRC:ssä.77,78,83 ALDH1L2:n vähentäminen vähentää huomattavasti NADPH/NADP+- ja GSH/GSSG-suhteita, vähentää veressä kiertävien kasvainsolujen määrää ja lievittää metastaattista taakkaa.77,83,84 Lisäksi ALDH1L2:n ilmentymistä säätelevät ylöspäin eräät tietyt lääkkeet, kuten endoplasmisen retikulumin stressiä indusoivat endoplasminen retikulum stressin aiheuttajat ihmisen immortalisoiduissa B-soluissa kapsigargin ja tunikamysiini,85 lisämunuaiskuoren karsinooman hoidossa käytetty adjuvantti-monoterapia mitotaani,86 ja rintasyöpäsolujen tulehdusta ehkäisevä indometasiini.87 Näin ollen näiden lääkkeiden ALDH1L2:n ilmentymiseen ja solujen vasteeseen redox-stressille kohdistuvien vaikutusten välistä yhteyttä on tutkittava tarkemmin.

Maliini-entsyymit

ME osallistuvat reaktioihin, jotka yhdistävät katabolisen aineenvaihdunnan komponentit glykolyysissä ja Krebsin syklissä malaatin oksidatiivisen dekarboksylaation kautta pyruviitiksi, mikä indusoi anabolista aineenvaihduntaa ja samanaikaista NADPH:n tuotantoa.32,88 Kvantitatiivinen virtausanalyysi osoitti, että ME:n suoran osuuden NADPH:n tuotantoon arvioitiin olevan yhtä suuri kuin PPP:n osuuden.89 ME-perhe koostuu kolmesta isoformista: ME1 sijaitsee sytosolissa ja ME2, ME3 sijaitsevat mitokondrioissa. ME1 ja ME3 vaativat NADP+:a ja ME2 käyttää katalyyttiseen toimintaansa joko NAD+:a tai NADP+:a. Näin ollen ME voi tuottaa NADPH:ta sekä suoraan että epäsuorasti NNT:n toiminnan kautta, joka katalysoi hydridi-ionien siirtoa NADH:sta NADP+:aan ja tuottaa NADPH:ta mitokondrioissa.90 ME1 ja ME2 näyttävät kuitenkin olevan tärkeimmät isomuodot, koska ME3:aa ei juurikaan havaita monissa arvioiduissa nisäkässoluissa.91

ME1:n yliekspressio liittyy merkitsevästi huonoon ennusteeseen syöpää sairastavilla ihmisillä, mukaan lukien mahasyövän, suun levyepiteelisolusyövän, rintasyövän, keuhkosyövän ym. diagnoosiin.92,93,94,95 ME1:n hiljentäminen vähentää huomattavasti NADPH:n määrää ja lisää ROS-tasoja, mikä lopulta indusoi solujen apoptoosin oksidatiivisen stressin, kuten glukoosin nälänhädän tai anoikiksen, yhteydessä.96,97,97. Lisäksi ME1-proteiini hypofosforyloidaan S336:ssa ja hyperasetyloidaan K337:ssä PGAM-perheen jäsenen 5 ja asetyyli-CoA-asetyylitransferaasin toimesta, mikä johtaa ME1:n translokaatioon mitokondrioista sytosoliin, dimerisaatioon ja aktivoitumiseen, mikä edistää voimakkaasti NADPH:n muodostumista ja kasvainten syntyä.98 ME1:n ilmentymistä säätelevät myös tunnetut kasvainsuppressorit tai onkogeenit, kuten TP53 tai KRAS.91,99 Mielenkiintoista on, että ME1:n ja PPP-komponenttien välillä on suora ristikkäisvaikutus, ja ME1 lisää PGD:n kykyä sitoutua 6-PG:hen, mikä lisää NADPH:n muodostumista.100

ME2 yliekspressoituu viimeaikaisten tutkimusten mukaan myös useissa syövissä, ja se liittyy läheisesti syövän kasvuun, etäpesäkkeisiin ja huonoihin hoitotuloksiin.101,102 ME2:n köyhtyminen, johon liittyy lisääntynyt NADP+/NADPH-suhde ja lisääntyneet ROS-tasot, vaikuttaa PI3K/AKT-signalointiin ja lisää erytroleukemiasolujen ja NSCLC-solujen herkkyyttä sisplatiinille.103,104 Lisäksi ME2:n ablaatio johtaa kohonneisiin solun ROS-tasoihin, mikä aktivoi AMPK-reittiä ja stimuloi sitten TP53:a heikentämään melanoomasolujen proliferaatiota.105,106 ME2 on usein hemizygisesti koodattu yhdessä kasvainsuppressori SMAD4:n kanssa ihmisen kiinteissä kasvaimissa, mukaan lukien mahasyöpä ja PDAC.107,108 ME2-unekspressoituneissa mahasyöpäsoluissa sen isoentsyymi ME1 on ylösreguloitunut täydentämään solunsisäistä NADPH:ta ja edistää solujen selviytymistä glukoosin nälässä ja anoikiksessa.107 ME3:n entsymaattinen aktiivisuus mitokondrioissa on pienempi kuin ME2:n. Kuitenkin ME2:n homotsygoottisesti deletoiduissa PDAC-solulinjoissa sen isoentsyymi ME3:lla on kompensoiva rooli solunsisäisen NADPH:n homeostaasissa108,109. Nämä havainnot tarjoavat ensisijaisen ”kollateraalisen tappavuuden” hoitostrategian merkittävän osan GC- tai PDAC-potilaista hoitamiseksi.

Nikotiiniamidinukleotiditranshydrogenaasi

NNT on eukaryooteissa olennainen mitokondrioiden sisemmän kalvon proteiini, joka katalysoi hydridi-ionien siirtoa NADH:sta NADP+:aan ja tuottaa NADPH:ta hyödyntäen elektroninkuljetusketjun (ETC, electron transport chain) synnyttämää protonin liikkeellepanevaa voimaa.110 Prosessi on välttämätön mitokondrioiden NADPH- ja NADH-varastojen ylläpitämisessä. NNT:n aktiivisuuden osuus mitokondrioiden NADPH:n kokonaismäärästä on 45 %, mikä osoittaa, että NNT:llä on merkittävä rooli NADPH-altaan ylläpidossa,111 ja NNT:n tuottamaa NADPH:ta käytetään myös IDH2:n välittämään α-KG:n reduktiiviseen karboksylaatioon isositraatiksi.112 Vastoin tätä vallitsevaa näkemystä eräs kiehtova työ osoittaa, että NNT kääntää suunnan NADPH:n kulutuksen yhteydessä tukeakseen NADH:n ja ATP:n tuotantoa patologisessa työtahdissa NADPH:hen liittyvän antioksidatiivisen kapasiteetin kustannuksella. Mallit osoittavat yllättäen, että toimivan NNT:n puuttuessa sydämen oksidatiiviset vauriot ovat vähäisemmät verrattuna hiiriin, joilla on aktiivinen NNT.113 Tämä havainto tarjoaa mahdollisesti uusia oivalluksia patologiasta ja aineenvaihdunnan säätelystä, mutta lisää tutkimusta NNT:n käänteisprosessista syövässä tarvitaan kipeästi.

Syöpäsoluissa NNT:n aktiivisuutta stimuloivat hyperpolarisoituneet mitokondriot. Lisäksi sytosolin lisääntyneestä glykolyysistä peräisin oleva NADH voidaan siirtää mitokondrioihin NADH-riippuvaisen NNT:n käyttämiseksi.89 Lisäksi NNT:tä yliekspressoidaan mahasyöpäsoluissa, mikä liittyy alhaisempaan kokonaiseloonjäämiseen ja taudittomaan eloonjäämiseen. NNT:n knockdown osoittaa rajoitettua kykyä ylläpitää NADPH-tasoja ja vähentää kasvaimen kasvainherkkyyttä oksidatiivisissa stressiolosuhteissa, kuten anoikis, glukoosin puute in vitro, tai heikentää peritoneaalista disseminaatiota ja keuhkometastaasiaa in vivo.114 Samanlaisia vaikutuksia on havaittu maksasyövässä,115 feokromosytoomassa116 ja NSCLC:ssä111 , ja NNT aktivoituu todennäköisesti NADPH:n kulutuksen seurauksena, kuten IDH-mutantti-soluissa.117 Lisäksi NNT:tä pidetään keskeisenä antioksidatiivisena entsyyminä, ja se on ratkaisevan tärkeä makrofagien tulehdusreaktioiden118 indusoimiseksi ja ROS:n aiheuttaman sytotoksisuuden estämiseksi asbestille altistuneissa T-soluissa, mikä voi heikentää kasvainvastaista immuniteettia.119 Toistaiseksi NNT:llä näyttäisi olevan keskeinen rooli kasvainten synnyssä, ja NNT:n muokkaaminen voi säädellä kasvainvastaista immuunivaikutusta. Valitettavasti NNT:lle spesifisiä farmakologisia estäjiä ei ole raportoitu, ja niitä on kehitettävä.

Isositraattidehydrogenaasit (IDH)

IDH helpottaa myös NADPH:n tuottamista NADP+:sta katalysoimalla isositraatin oksidatiivista dekarboksylaatiota α-ketoglutaraatiksi (α-KG:ksi)

TCA-sykliä varten.120 IDH:lla on kolme alatyyppiä: IDH1 sijaitsee sytosolissa ja peroksisomeissa, ja IDH2/3 esiintyy pääasiassa mitokondrioissa. IDH1/2 käyttää kofaktorina NADP+:a ja toteuttaa reversiibelin reaktion, kun taas IDH3 käyttää kofaktorina NAD+:a ja toteuttaa irreversiibelin muunnoksen.121,122

Lukuisten todisteiden perusteella on käynyt ilmi, että IDH1:tä yliekspressoidaan lukuisissa syövissä, ja se korreloi läheisesti sellaisten potilaiden huonoon ennusteeseen, jotka sairastavat ei-pienisoluista keuhkokarsinoomaa (non-small cell lung carcinoma, nSCLC)123 , PDAC:tä124 tai jotakin useista hematologisista pahanlaatuisista kasvaimista125 . ELISA-tutkimukset osoittavat, että IDH1-taso on merkittävästi koholla myös NSCLC-potilaiden plasmassa, mikä viittaa siihen, että sitä voidaan käyttää mahdollisena plasman biomarkkerina.126 IDH1:n nouseva säätely voi edustaa yleistä metabolista sopeutumista hapetusstressin vähentämiseksi ja makromolekyylisynteesin tukemiseksi, mikä edistää kasvaimen kasvua ja hoitoresistenssiä.125 Lisäksi IDH1:n vaimentaminen johtaa NADPH- ja α-KG-tasojen pienenemiseen ja ROS-tasojen nousuun, mikä johtaa syöpäsolujen apoptoosiin NSCLC:ssä.123 Lisäksi hapetusstressiolosuhteet lisäävät myös IDH1:n synnynnäisesti korkeaa ilmentymistä, ja IDH1:n vaimentaminen parantaa merkittävästi solujen herkkyyttä syövän kemoterapialle, sädehoidolle ja fotodynaamiselle terapialle vähentämällä NADPH:ta.124,127,128 Lisäksi IDH1 on hyperasetyloidut CRC-soluissa, ja se korreloi merkittävästi etämetastaasiin ja huonoon eloonjäämiseen. SIRT2-riippuvainen IDH1:n deasetylaatio K224:ssä heikentää sen entsymaattista aktiivisuutta ja tukahduttaa sen pahanlaatuista käyttäytymistä CRC:ssä.129 Erityisesti tutkimuksissa havaittiin myös, että IDH1 on merkittävästi alasreguloitunut kirkassoluisessa munuaissolusyövässä (ccRCC) verrattuna normaaleihin munuaissoluihin, mikä viittaa siihen, että IDH1 voi toimia ehdokkaana kasvainsuppressorina ccRCC:ssä130,131.

Useimmat tutkimukset osoittavat, että IDH2 on myös merkittävästi säännelty ylöspäin ESCC:ssä,132 munasarjasyövässä,133 keuhkosyövässä ja muissa syöpätyypeissä,134 joilla on pro-onkogeeninen rooli. IDH2:n yliekspressio vähentää ROS-tasoja ja lisää syöpäsolujen kasvua.121 IDH2:n depletio vähentää HIF1α:n ilmentymistä ja johtaa kasvaimen kasvun vaimenemiseen keuhkosyövässä.134 Syöpäsolujen heterogeenisuuden vuoksi muut tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että IDH2:n ilmentyminen on vähentynyt metastaattisessa HCC- ja mahasyövän kudoksissa verrattuna paritettuihin normaaleihin kudoksiin.135,136 Taustalla on mekanismi, jonka mukaan näillä soluilla, joilta puuttuu IDH2, on lisääntynyt invasiivinen käyttäytyminen, mikä johtuu matriksin metalloproteaasien lisääntymisestä, jotka ovat riippuvaisia NF-κB-reitistä. Lisäksi NNT:n NAD+-tuotanto tehostaa SIRT3-välitteistä deasetylaatiota ja NAD+-riippuvaisen deasetylaasi SIRT3:n menetys lisää IDH2:n asetylaatiota K413:n kohdalla ja vähentää sen entsymaattista aktiivisuutta vähentämällä dimerisaatiota, säätelemällä siten mitokondrioiden redox-statusta ja edistämällä solujen tumorigeneesiä luminaalisessa B- rintasyövässä137 ja B-solujen pahanlaatuisissa kasvaimissa138 . SIRT5-välitteinen IDH2:n desuccinyloituminen säätelee myös solujen NADPH-homeostaasiaa ja redox-potentiaalia.54

IDH:n osuus NADPH:n muodostumiseen syövässä on edelleen kiistanalainen. IDH1 ja IDH2 katalysoivat myös pelkistävää karboksylaatiota ja tukevat kasvainsolujen kasvua, joilla on vialliset mitokondriot. Tutkimukset osoittavat, että IDH1/2 syntetisoi isositraattia/sitraattia α-KG:stä NADPH:n kulutuksen avulla, minkä jälkeen isositraatti/sitraatti tuodaan mitokondrioihin ja vaikuttaa osaltaan mitokondriaalisen ROS:n tukahduttamiseen.139,140 Lisäksi viime aikoina IDH1- ja IDH2-geenimutaatioita on esiintynyt useissa erilaisissa pahanlaatuisissa kasvaimissa, mukaan lukien glioomassa, AML:ssä, englanninkielisissä immuuniomalablastisissa imusolmukkeissa (lymfoomissa), kondrosarkoomassa ja melanoomissa.141,142 Toistuvat somaattiset mutaatiot sijaitsevat pääasiassa entsyymin aktiivisissa kohdissa, jotka sitoutuvat isositraattiin, tyypillisesti R132:ssa, mukaan lukien R132H, R132L, R132S, R132C ja R132G IDH1:ssä ja R140Q tai R172K IDH2:ssa.143,144 Mutatoituneilla IDH1- ja IDH2-proteiineilla on uudenlainen kyky katalysoida α-KG:n pelkistymistä tuottamaan harvinaista metaboliittia, 2-hydroksiglutaraattia (2-HG), kuluttamalla samalla NADPH:ta.145 Lisäksi näiden mutaatioiden merkitystä ja niiden roolia karsinogeneesissä sekä mahdollisia terapeuttisia vaikutuksia on tarkasteltu laajasti muualla.141,146,147

Glutamiiniaineenvaihdunta

Glutamiiniaineenvaihdunta on tärkeä solun hiililähde TCA-kiertoa varten, typen luovuttaja nukleotidien, aminohappojen ja lipidien biosynteesiä varten, ja se on myös kriittinen NADPH-tasojen ylläpitämisessä.148,149. Proliferoivissa syöpäsoluissa esiintyy aerobista glykolyysiä, mikä johtaa glukoosihiilen siirtymiseen pois TCA-kierrosta, mikä johtaa glutamiinin lisääntyneeseen käyttöön anabolisten prosessien polttoaineena solujen nopean kasvun tukemiseksi lisääntyneen NADPH:n ja ammoniakin tuotannon myötä. Glutaminolyysi on mitokondriaalinen reitti, jossa glutamiini ensin deaminoidaan glutamaatiksi glutaminaasien (GLS1/2) toimesta. Tämän jälkeen joko NADPH-riippuvaiset glutamaattidehydrogenaasit (GDH) tai muut transaminaasit, kuten glutamaattioksaloasetaattitransaminaasi 2 (GOT2) ja glutamaattipyruviittitransaminaasi 2 (GPT2), muuttavat glutamaatin a-KG:ksi vastaavien aminohappojen tarpeen tyydyttämiseksi.89

Konventionaalisesti GDH (jota koodaa GLUD-geeni) on hallitsevampi entsyymi, joka on elintärkeämpi TCA-kierron täydentämiseen ja NADPH:n tuottamiseen tarvittavien reaktioiden kannalta kuin GOT2 ja GPT2, jotka koostuvat ubikvitaarisesti ilmentyneistä GDH1:stä ja GDH2:sta, joita esiintyy pääasiassa hermosolu- ja kiveskudoksessa ja joiden aktiivisuus on alhaisempi kuin GDH1:llä.150 GDH1:llä on korkea ilmentymismäärä suurimmassa osassa kasvainnäytteistä, ja se on yhteydessä kasvaimen etenemisvaiheeseen, mukaan luettuna rinta- ja keuhkosyövän soluihin151,152 . GDH1:n ehtyminen johtaa epätasapainoiseen redox-homeostaasiin ja solujen sytotoksisuuteen ja heikentää syöpäsolujen proliferaatiota, mikä samoin kuin tulokset erytroleukemiasoluissa, kun taas normaalien solujen proliferaatioon se vaikuttaa merkityksettömän vähän.151 Lisäksi GDH1:n lisääntyneen aktiivisuuden on raportoitu olevan myös mahdollinen ennusteellinen markkeri ja metastaasin indikaattori CRC- tai mahasyöpäpotilailla.153,154 Glukoosin puutteen, 2-deoksiglukoosikäsittelyn tai Akt-signalisaation eston aiheuttamissa riittämättömän glykolyysin olosuhteissa glutamiiniriippuvaiset solut ovat herkempiä GDH1:n puutokselle.155 Lisäksi GDH:sta peräisin oleva NADPH kuluu tukemaan IDH2:n suorittamaa α-KG:n reduktiivista karboksylaatiota, ja GDH1:n tai GDH2:n ekspression kompensatorinen lisääntyminen edistää IDH-mutanttien glioomasolujen kasvua.156 Lisäksi solunulkoisen glutamiinin kulutuksen myötä GDH voi myös katalysoida glutaminolyysistä ja α-KG:stä peräisin olevaa ammoniakkia tukeakseen glutamaatin ja myöhempien aineenvaihduntatuotteiden synteesiä reduktiivisella aminoitumisella NADPH:ta kuluttavalla tavalla syöpäsolujen kasvun tyydyttämiseksi.148,157,158.

Eräät syöpäsolut, kuten PDAC- ja CRC-solut, ovat riippuvaisia ei-kanonisesta glutamiinin metaboliareitistä sytosolissa onkogeenisen KRAS-aktivaation säätelyn alaisena. GOT2:n indusoima glutamiinista peräisin oleva aspartaatti kuljetetaan sytosoliin ja GOT1:n toimesta se muunnetaan oksaloasetaatiksi, minkä jälkeen malaattidehydrogenaasi (MDH1) muuntaa sen malaatiksi ja sen jälkeen ME1:n toimesta se hapetetaan pyruvaatiksi, jolloin syntyy NADPH.159,160. GHD1 shRNA:lla ei ole vaikutusta PDAC-solujen kasvuun, kun taas GOT2:n tyrmääminen nostaa ROS-tasoja ja johtaa solujen senesenssiin.161 Lisäksi sytosolisen GOT1:n esto vähentää oksaloasetaattitasoja ja pienentää solujen NADPH/NADP+- ja GSH/GSSG-suhteita.159. Näiden havaintojen mukaisesti eksogeenisen malaatin lisääminen suojaa soluja liialliselta ROS:n kertymiseltä MDH1-knockdown-soluissa.162 Näin ollen glutamiiniaineenvaihduntareitin, joka on välttämätön syöpäsoluille mutta tarpeeton normaaleille soluille, kohdistaminen voi johtaa uusiin terapeuttisiin lähestymistapoihin refraktoristen kasvainten hoidossa.

Rasvahappojen hapettuminen

Lisäksi FAO-reitti on avainasemassa epäsuorasti NADPH:n aikaansaamiseksi, joka on välttämätön monissa syöpätyypeissä, erityisesti aineenvaihdunnallisessa rasituksessa. FAO tuottaa NADH:ta, FADH2:ta ja asetyylikoentsyymi A:ta (CoA) jokaisella kierroksella,163 ja NADH ja FADH2 siirtyvät ETC:hen, kun taas asetyylikoA siirtyy TCA-kiertoon tuottamaan sitraattia, joka viedään sytosoliin osallistumaan NADPH:n tuotantoon ME1:n ja IDH1:n välityksellä.34 FAO- ja FAS-reitit ovat kumpikin välttämättömiä kasvaimen etenemiselle, ja ne tukevat toisiaan. FAO-metaboliasta sytosoliin kertynyttä asetyyli-CoA:ta ja NADPH:ta tarvitaan FAS:n käynnistämiseen.164 Karnitiinipalmitoyylitransferaasit (CPT), FAO-reitin nopeutta rajoittavat entsyymit, kuljettavat pitkäketjuista asyyli-CoA:ta sytosolista mitokondrioihin.165 CPT:n välittämän FAO:n aktivaation on raportoitu olevan avainasemassa NADPH:n homeostaasin ylläpitämisessä sekä solujen etäpesäkkeiden ja kemoresistenssin edistämisessä ruoansulatuskanavan syövässä166,167 ja melanoomassa168 . Viimeaikaiset tutkimukset osoittavat myös, että PPAR-koaktivaattori 1α:n (PGC1α), joka on tärkeä CPT1A:ta ja CPT1B:tä säätelevä transkriptionaalinen koaktivaattori, tyrmääminen vähentää selvästi NADPH/NADP+- ja ATP-tasojen suhdetta, mikä heikentää säteilyresistenssiä nenänielun karsinooman (NPC) soluissa.169 Lisäksi AMP-aktivoitu proteiinikinaasi (AMPK) säätelee myös FAO:n toimintaa NADPH:n homeostaasin ylläpitämisessä ja edistää kasvainsolujen selviytymistä hapetusstressissä tai metabolisessa stressissä.170,171,172,173

.