A rákos anyagcsere átfogó megértéséhez elengedhetetlen a NADPH termelési és fogyasztási útvonalainak megértése. Amint azt az ábra mutatja. 2. ábrán látható, a NADPH homeosztázist elsősorban számos metabolikus útvonal és enzim szabályozza, köztük a NAD-kináz (NADK), a pentóz-foszfát útvonal (PPP), a folát-mediált egy szénatomos anyagcsere, a malázenzimek (ME), a nikotinamid-nukleotid-transzhidrogenáz (NNT), a citoszolikus vagy mitokondriális NADP-függő izocitrát-dehidrogenáz (IDH1 és IDH2), a glutamin-anyagcsere és a zsírsav-oxidáció (FAO). A sejtek általános NADPH-termelését illetően azonban továbbra sem világos, hogy ezek az útvonalak és enzimek milyen arányban járulnak hozzá a NADPH-termeléshez. A legújabb tanulmányok azt mutatják, hogy a sejtek NADPH-ját nagyrészt a PPP, a folsav-mediált egy szénatomos anyagcsere és a ME termelheti a rákos és proliferációs sejtekben.32,33 Emellett egyre több bizonyíték utal arra, hogy ezek a különböző folyamatok és enzimek funkcionális kapcsolatban állnak a NADPH homeosztázisával a rákban. Például a FAO felgyorsítja a TCA-ciklust, hogy citrátot termeljen, amelyet a citoszolba exportálnak, hogy az ME1 és az IDH1 révén részt vegyen a NADPH-termelésben.34 Az alábbiakban áttekintjük a NADPH homeosztázis mögöttes mechanizmusainak jelenlegi ismereteit a de novo szintézisét követően, a kapcsolódó enzimek és útvonalak relatív hozzájárulását a rákban.

NAD kináz

A NADPH de novo szintézisét a NADK-k katalizálják, amelyek a NAD+ foszforilálását katalizálják NADP+ képződéséhez. Ezt követően a különböző metabolikus útvonalak dehidrogenázai/reduktázai a NADP+-t NADPH-vá alakítják.10,12 A NADK-k a vázizomzat kivételével szinte minden emberi szervben megtalálhatók, és mind a citoszolban, mind a mitokondriumokban lokalizálódnak. A citoszolikus NADK-hoz (cNADK) képest a mitokondriális NADK (mNADK) különlegessége, hogy képes közvetlenül foszforilálni a nikotinamid-adenin-dinukleotidot (NADH), hogy NADPH-t hozzon létre, és ezzel enyhítse az oxidatív stresszt a mitokondriumokban.35

A Cancer Genome Atlas (TCGA) adatbázis mind a cNADK overexpresszióját, mind számos cNADK mutáns jelenlétét jelzi több tumortípusban.10 Nevezetesen, egy új cNADK mutáns, a NADK-I90F, a hasnyálmirigy ductus adenokarcinóma rákos (PDAC) betegekben található. A CNADK-I90F-nek a vad típusú cNADK-hoz képest alacsonyabb a Km értéke és magasabb a Vmax értéke a NAD+ számára, ami fokozott enzimaktivitásra utal. Következetesen a cNADK vad típusú cNADK sejtekhez képest a cNADK-I90F-et expresszáló sejtekben megemelkedett a NADPH szintje és csökkent a ROS szintje.36,37 Ezenkívül diffúz nagy B-sejtes limfómában (DLBCL) és vastagbélrákban a cNADK shRNS-sel történő csendesítése rontja a NADPH pool-t és elnyomja a rákos sejtek növekedését.38 Ami a NADK-k aktivitását illeti, az S44, S46 és S48 foszforilált cNADK, amelyet a foszfoinozid-3-kináz (PI3K)-Akt szignalizáció közvetíthet, fokozott aktivitással rendelkezik emlőrák- és tüdőráksejtekben, ezáltal növeli a NADPH-termelődést.39 A közelmúltban történt felfedezése alapján az mNADK releváns szerepét a humán rákokban még tisztázni kell, de a vad típusú és a mutáns cNADK potenciális klinikai célpontjai a rákterápiának.

Pentóz-foszfát út

A PPP a glikolízis első lépésénél válik szét, amely a citoszolikus NADPH legnagyobb hozzájárulójaként szolgál, és a NADPH-termelés három irreverzibilis reakción megy keresztül a PPP oxidatív ágában.40,41,42 Vizsgálatok bizonyították, hogy a NADPH-termelés drámaian megnövekszik a glükóz fluxusának fokozásával a PPP oxidatív ágába különböző rákbetegségekben.43,44 A glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz (G6PD), amely aktív dimer vagy inaktív monomer formájában létezik, dehidrogénezi a G6P-t, hogy az első reakcióban 6-foszfoglükonolaktont (6-PGL) és NADPH-t kapjon. Ezután a gyakran homodimer formájában működő 6-foszfoglükonát-dehidrogenáz (PGD) katalizálja a 6-foszfoglükonát (6-PG) oxidatív dekarboxilációját, hogy a harmadik reakcióban ribulóz-5-foszfátot (Ru5P) és egy második NADPH-t szintetizáljon45,46.

Egyre több vizsgálat mutatta ki, hogy a G6PD aktivitása többféle rákos megbetegedésben, beleértve a hólyag-, emlő-, prosztata-, gyomorrákot is, a normál szövetekhez képest megnövekedett, és a G6PD magas expressziója előre jelzi a különböző rákos betegek rossz klinikai kimenetelét, és kritikus szerepet játszik a tumorigenezisben és a kemorezisztenciában.47,48. A PGD szintén hiperaktív és alapvető szerepet játszik a tumor növekedésében.49,50 A G6PD vagy a PGD depletiója jelentősen csökkenti a NADPH szintjét és fokozza a kemoterápiás gyógyszerek által indukált sejt apoptózist a redox moduláció révén.51,52 Ami az aktivitás szabályozását illeti, a NADP+ szükséges a G6PD enzimatikus aktivitásához, míg a NADPH negatívan szabályozza az aktivitását. Ezért a nagyobb NADPH-fogyasztású tumorsejtek magasabb aktív G6PD-szintet mutatnak.45 Érdekes módon egy vizsgálat azt is kimutatta, hogy a NADPH-szint nem változik a PGD expresszió csendesítése által, ami lehetséges, hogy az időlegesen megnövekedett NADP+/NADPH arány kompenzálja a G6PD aktivitásának növekedését, így NADPH-t generálva.45

A NADPH homeosztázisát a poszttranszlációs módosítás által befolyásolt sebességkorlátozó enzimaktivitás is szabályozza. Vizsgálatok szerint a glikoziláció, a SIRT5 által közvetített deglutariláció és a SIRT2 által közvetített deacetiláció mind fokozza a G6PD aktivitását és fenntartja a sejtek NADPH homeosztázisát.53,54,55 Mind a PGD Y481-es foszforilációja az EGFR aktiválásakor, mind a PGD K76-os és K294-es acetilálása acetiltranszferázok által fokozza aktiválását a NADPH előállítására a rákos sejtekben.56,57,57 Ezzel szemben a protein kináz A (PKA) gátolja a G6PD aktivitását azáltal, hogy közvetlenül foszforilálja azt szerin- és treonin-maradványokon.58 Ezenkívül a G6PD aktivitását a tumorokban számos jelátviteli útvonal, például a PI3K/AKT, Ras, Src, Nrf2, mTORC1, PETEN, ATM és TP53 útvonalak szabályozhatják közvetlen vagy közvetett módon (áttekintés a 45,47. hivatkozásokban). Például a PTEN fehérje és a citoszolikus TP53 a G6PD-hez kötődve megakadályozza a G6PD monomerek aktív dimerekké való összeállását, és így csökkenti a PPP fluxust.59,60.

Folát-mediált egy szénatomos anyagcsere

A molát-mediált egy szénatomos anyagcserét már régóta felismerték és annak tulajdonítják, hogy a nukleinsav- és metioninszintézishez szükséges egy szénatomos egységek előállítása a feladata, egy másik fontos funkciója ennek az útvonalnak a redukáló NADPH előállítása.61,62 A szerin és a glicin ennek az útvonalnak a fő szénforrásai. A szerin bioszintézis útvonal aktiválása fokozza a NADPH termelődését a rákos sejtekben.63 Ezzel szemben a szerin kiiktatása a közegből csökkenti a NADPH/NADP+ arányt és károsítja a rákos sejtek növekedését.64 A metilén-tetrahidrofolát-dehidrogenázok (MTHFD1 a citoszolban és MTHFD2 vagy MTHFD2L a mitokondriumokban) katalizálják az 5,10-metilén-THF (CH2-THF) oxidációját 10-formil-THF-é, és a 10-formil-THF-dehidrogenázok (ALDH1L1 a citoszolban és ALDH1L2 a mitokondriumokban) katalizálják a 10-formil-THF oxidációját CO2 előállítására, egyidejű NADPH-termeléssel. A sejtmagban a THF-hordozó egy NADPH-termelő reakcióban DHF-fel oxidálódik, az elektronokat pedig az egy szénatomos egységek metil szintre történő redukciójára használják.65,66,67

Az MTHFD2 a feltételezések szerint a “főkapcsoló”, amely további egy szénatomos egységeket termel a mitokondriumokban a gyors növekedés érdekében.63 Az MTHFD2 expressziója szorosan összefügg a folsavantagonista metotrexátra (MTX) és a timidilát-szintáz inhibitor pemetrexedre adott válasszal.68,69 Mind az MTHFD2, mind az MTHFD1 jelentősen emelkedett és korrelál a rossz túléléssel az emberi rákos megbetegedésekben.70,71,72 Továbbá egy tanulmány szerint a szérum AFP és az MTHFD1 kombinálása növeli a prognosztikai előrejelzés pontosságát hepatocelluláris karcinómában (HCC).73 A kvantitatív fluxuselemzés kimutatta, hogy akár az MTHFD2, akár az MTHFD1 kimerülése a sejtek NADPH/NADP+ és GSH/GSSG arányának csökkenését és a sejtek oxidatív stresszel szembeni fokozott érzékenységét eredményezi.32 Az MTHFD2 szuppressziója megzavarja a redox homeosztázist, felgyorsítja a sejthalált mind a kolorektális rákban (CRC),74,75 mind az akut myeloid leukémiában (AML).64 Az MTHFD2 kritikus a rák törzsszerű tulajdonságai és a kemorezisztencia szempontjából is, ami arra utal, hogy a NAPDH homeosztázis megzavarása megelőzheti a kiújulást és felszámolhatja a daganatokat.76 Az MTHFD1 depletiója pedig csökkenti mind a vérben keringő melanomasejtek gyakoriságát, mind a metasztatikus betegségterhet melanomát hordozó egerekben,77 ami arra utal, hogy a NAPDH homeosztázis terápiás célpontot jelent a távoli metasztázis akadályozására. Az MTHFD2L, amely a dehidrogenáz-aktivitáshoz akár NAD+-t, akár NADP+-t használhat, és a tumorok közötti összefüggést azonban még vizsgálni kell.

A citoszolikus ALDH1L1 elsősorban a redukált folsav-poolokat és a purin bioszintézist szabályozza, míg a mitokondriális ALDH1L2 oxidatív stresszre válaszul NADPH-t termel.78 Bár az ALDH1L1 túlexpresszálódik az NSCLC-ben és a GC rákban,79,80 az ALDH1L1-ről beszámoltak, hogy a rákos megbetegedésekben mélyen downregulált vagy elnémult, ami tumorszuppresszor-jelöltnek minősül.81,82 Mindazonáltal az ALDH1L2 nagymértékben expresszálódik és független prognosztikai tényezőként jelenik meg a teljes túlélés szempontjából melanomában, PDAC-ban és CRC-ben.77,78,83 Az ALDH1L2 depletiója jelentősen csökkenti a NADPH/NADP+ és GSH/GSSG arányokat, csökkenti a vérben keringő tumorsejteket és enyhíti a metasztatikus terhet.77,83,84 Ezenkívül az ALDH1L2 expresszióját egyes gyógyszerek, például a thapsigargin és a tunicamycin, az endoplazmatikus retikulum stressz induktorai immortalizált humán B-sejtekben,85 a mitotán, az adrenokortikális karcinóma kezelésére használt adjuváns monoterápia,86 és az indometacin, egy gyulladáscsökkentő szer emlőráksejtekben felszabályozza.87 Ezért tovább kell vizsgálni az összefüggést e gyógyszerek ALDH1L2 expresszióra gyakorolt hatása és a redox stresszre adott sejtválasz között.

A malát enzimek

ME olyan reakciókban vesznek részt, amelyek a malát oxidatív dekarboxilációján keresztül a malát piruváttá történő oxidatív dekarboxilációján keresztül összekötik a glikolízis és a Krebs-ciklus katabolikus anyagcsere komponenseit, ezáltal az anabolikus anyagcserét indukálják, egyidejű NADPH-termeléssel.32,88 Egy kvantitatív fluxuselemzés kimutatta, hogy a ME közvetlen hozzájárulása a NADPH-termeléshez becslések szerint megegyezik a PPP hozzájárulásával.89 A ME család három izoformából áll: Az ME1 a citoszolban, az ME2 és ME3 pedig a mitokondriumokban található. Az ME1 és ME3 NADP+-t igényel, az ME2 pedig vagy NAD+-t vagy NADP+-t használ katalitikus aktivitásához, így a NADPH-t a ME közvetlenül és közvetve is előállíthatja az NNT aktivitásán keresztül, amely katalizálja a hidridionok NADH-ról NADP+-ra történő átvitelét, és NADPH-t termel a mitokondriumokban.90 Úgy tűnik azonban, hogy az ME1 és az ME2 a fő izoformák, mert az ME3 alig elhanyagolhatóan kimutatható számos vizsgált emlőssejtben.91

A ME1 túlterjedése szignifikánsan összefügg a rákos betegek rossz prognózisával, beleértve a gyomorrákot, a szájüregi laphámrákot, az emlőrákot, a tüdőrákot stb.92,93,94,95. A ME1 elnémítása jelentősen csökkenti a NADPH-t és növeli a ROS-szintet, végül oxidatív stressz, például glükóz éhezés vagy anoikisz esetén sejt apoptózist indukál.96,97,97 Továbbá a ME1 fehérjét a PGAM család 5 tagja és az acetil-CoA acetiltranszferáz hipofoszforilálja az S336-on és hiperacetilálja a K337-en, ami a ME1 transzlokációját eredményezi a mitokondriumból a citoszolba, dimerizációját és aktivációját, így erősen elősegíti a NADPH keletkezését és a tumorigenezist98. A ME1 expresszióját olyan jól ismert tumorszupresszorok vagy onkogének is szabályozzák, mint a TP53 vagy a KRAS.91,99 Érdekes módon a ME1 és a PPP komponensek között közvetlen keresztbeszélgetés van, és a ME1 növeli a PGD 6-PG-hez való kötődési képességét, fokozva a NADPH-termelődést.100

A ME2 a legújabb vizsgálatok szerint több rákos megbetegedésben is túlexpresszálódik, és szoros kapcsolatban áll a rák növekedésével, áttétképződésével és rossz kimenetelével.101,102 A ME2 depletiója, amelyet megnövekedett NADP+/NADPH arány és ROS-szint kísér, befolyásolja a PI3K/AKT szignalizációt, és fokozza az eritrolikémiás és NSCLC sejtek ciszplatinnal szembeni érzékenységét.103,104 Emellett a ME2 ablációja emelkedett sejtszintű ROS-szintet eredményez, ami aktiválja az AMPK útvonalat, majd stimulálja a TP53-at a melanomasejtek proliferációjának mérséklése érdekében.105,106 A ME2 gyakran hemizigóta kódolt a tumorszuppresszor SMAD4-gyel együtt humán szolid tumorokban, beleértve a gyomorrákot és a PDAC-t.107,108 A ME2-unexpresszált gyomorrák sejtekben a ME1 izoenzimje felszabályozódik, hogy pótolja az intracelluláris NADPH-t és elősegíti a sejtek túlélését glükóz éhezés és anoikisz alatt.107 A ME3 enzimaktivitása alacsonyabb, mint a ME2-é a mitokondriumokban. Azonban az ME2 homozigóta deletált PDAC sejtvonalakban az ME3 izoenzimje, az ME3 kompenzáló szerepet játszik az intracelluláris NADPH homeosztázisban.108,109 Ezek az eredmények elsődleges “járulékos letalitású” terápiás stratégiát kínálnak a GC- vagy PDAC-betegek jelentős részének kezelésére.

Nikotinamid-nukleotid-transzhidrogenáz

AzNNT egy integrális mitokondriális belső membránfehérje eukariótákban, amely katalizálja a hidridionok NADH-ról NADP+-ra történő átvitelét, és az elektrontranszportlánc (ETC) által generált protonmozgató erőt felhasználva NADPH-t állít elő.110 A folyamat elengedhetetlen a mitokondriális NADPH és NADH poolok fenntartásához. Az NNT aktivitása a mitokondriális poolban lévő teljes NADPH 45%-ához járul hozzá, ami azt jelzi, hogy az NNT jelentős szerepet játszik a NADPH pool fenntartásában,111 és az NNT által nyert NADPH-t az IDH2 által közvetített α-KG izocitráttá történő reduktív karboxilációjához is felhasználják.112 Ezzel az uralkodó nézettel ellentétben egy lenyűgöző munka bemutatja, hogy az NNT a NADPH fogyasztásakor megfordítja az irányt, hogy patológiás terhelés mellett támogassa a NADH- és ATP-termeléseket, a NADPH-hoz kapcsolódó antioxidatív kapacitás rovására. A modellek váratlanul azt mutatják, hogy a funkcionális NNT hiánya a szív kisebb oxidatív károsodását mutatja az aktív NNT-vel rendelkező egerekhez képest.113 Ez a felfedezés potenciálisan új betekintést nyújt a patológiába és a metabolikus szabályozásba, de sürgősen több tanulmányra van szükség az NNT fordított folyamatáról a rákban.

A rákos sejtekben az NNT aktivitását a hiperpolarizált mitokondriumok stimulálják. Továbbá, a citoszolban megnövekedett glikolízisből származó NADH átkerülhet a mitokondriumokba, hogy a NADH-függő NNT-t meghajtja.89 Továbbá, az NNT túlexpresszálódik a gyomorráksejtekben, ami alacsonyabb teljes túléléssel és betegségmentes túléléssel jár. Az NNT knockdown korlátozott képességet mutat a NADPH szint fenntartására, és csökkenti a tumorigenitást oxidatív stressz körülmények között, mint például az anoikisz, glükózmegvonás által indukált in vitro, vagy rontja a peritoneális disszeminációt és a tüdőmetasztázist in vivo.114 Hasonló hatások figyelhetők meg májrákban,115 feokromocitómában116 és NSCLC-ben,111 és az NNT valószínűleg a NADPH fogyasztásával aktiválódik, például IDH-mutáns sejtekben.117 Továbbá, kulcsfontosságú antioxidatív enzimnek tekintve az NNT kritikus fontosságú a makrofág gyulladásos válaszok118 kiváltásában és a ROS-indukált citotoxicitás megelőzésében az azbesztnek kitett T-sejtekben, ami a tumorellenes immunitás csökkenését okozhatja.119 A mai napig úgy tűnik, hogy az NNT kulcsszerepet játszik a tumorigenezisben, és az NNT módosítása szabályozhatja a tumorellenes immunhatásokat. Sajnos az NNT-re specifikus farmakológiai inhibitorokról még nem számoltak be, és ezek kifejlesztése még várat magára.

Izocitrát-dehidrogenázok (IDH)

Az IDH szintén elősegíti a NADPH előállítását NADP+-ból azáltal, hogy katalizálja az izocitrát oxidatív dekarboxilációját α-ketoglutaráttá (α-KG) a TCA-ciklus számára.120 Az IDH-nak három altípusa létezik: az IDH1 a citoszolban és a peroxiszómákban található, az IDH2/3 pedig elsősorban a mitokondriumokban. Az IDH1/2 NADP+-t használ kofaktorként és reverzibilis reakciót hajt végre, míg az IDH3 NAD+-t használ kofaktorként és irreverzibilis átalakulást hajt végre.121,122

A bizonyítékok több sora mutatta ki, hogy az IDH1 számos rákos megbetegedésben túlreprezentált, és szorosan összefügg a nem kissejtes tüdőrákos (NSCLC),123 PDAC,124 vagy számos hematológiai malignitás valamelyikében szenvedő betegek rossz prognózisával.125 Figyelemre méltó, hogy az ELISA kimutatta, hogy az IDH1 szintje jelentősen emelkedett az NSCLC-s betegek plazmájában is, ami arra utal, hogy potenciális plazma biomarkerként használható.126 Az IDH1 felszabályozása egy általános metabolikus adaptációt jelenthet az oxidatív stressz csökkentésére és a makromolekuláris szintézis támogatására, következésképpen elősegítve a tumor növekedését és a terápiás rezisztenciát.125 Továbbá, az IDH1 csendesítése csökkent NADPH és α-KG szintet eredményez, a megnövekedett ROS-szintekkel együtt, ami a rákos sejtek apoptózisához vezet NSCLC-ben.123 Emellett az oxidatív stresszkörülmények is növelik a veleszületetten magas IDH1-expressziót, és az IDH1 csendesítése jelentősen fokozza a sejtek érzékenységét a rákos kemoterápiával, sugárterápiával és fotodinamikus terápiával szemben a NADPH csökkentése révén.124,127,128 Ezenkívül az IDH1 hiperacetilált a CRC-sejtekben, és jelentősen korrelál a távoli metasztázisokkal és a rossz túléléssel. A SIRT2-függő IDH1 deacetiláció a K224-en károsítja enzimatikus aktivitását és elnyomja rosszindulatú viselkedését a CRC-ben.129 Különösképpen a vizsgálatok azt is megállapították, hogy az IDH1 jelentősen le van szabályozva a tiszta sejtes vesesejtes karcinómában (ccRCC) a normál vesesejtekhez képest, ami arra utal, hogy az IDH1 a ccRCC jelölt tumorszuppresszoraként működhet.130,131.

A legtöbb tanulmány szerint az IDH2 is jelentősen felszabályozódik ESCC-ben,132 petefészekrákban,133 tüdőrákban és más ráktípusokban,134 ami pro-onkogén szerepet játszik. Az IDH2 overexpressziója csökkenti a ROS-szintet és növeli a rákos sejtek növekedését.121 Az IDH2 depletiója csökkenti a HIF1α expresszióját és a tumor növekedésének mérséklődéséhez vezet tüdőrákban134. A rákos sejtek közötti heterogenitás miatt azonban más tanulmányok kimutatták, hogy az IDH2 expressziója csökkent a metasztatikus HCC és gyomorrák szövetekben a párosított normál szövetekhez képest.135,136 A mögöttes mechanizmus az, hogy ezek az IDH2-t nélkülöző sejtek fokozott invazív viselkedést mutatnak a mátrix metalloproteázok növekedése miatt, amelyek az NF-κB útvonaltól függnek. Ezenkívül az NNT által termelt NAD+ fokozza a SIRT3 által közvetített deacetilációt, és a NAD+-függő deacetiláz SIRT3 elvesztése növeli az IDH2 K413-as acetilációját és csökkenti az enzimatikus aktivitását a dimerizáció csökkentésével, így szabályozza a mitokondriális redox-státuszt és elősegíti a sejtek tumorigenezisét a luminális B emlőrákban,137 és a B-sejtes malignitásokban.138 A SIRT5 által közvetített IDH2 dezucciniláció szintén szabályozza a sejtek NADPH homeosztázisát és redox-potenciálját.54

Az IDH hozzájárulása a NADPH-termeléshez a rákban továbbra is ellentmondásos. Az IDH1 és IDH2 a reduktív karboxilációt is katalizálják, és támogatják a hibás mitokondriumokkal rendelkező tumorsejtek növekedését. Vizsgálatok szerint az IDH1/2 izocitrátot/citrátot szintetizál α-KG-ból NADPH-fogyasztással, majd az izocitrát/citrát importál a mitokondriumba, és hozzájárul a mitokondriális ROS elnyomásához.139,140 Emellett az utóbbi időben az IDH1 és IDH2 génmutációk számos különböző malignus betegségben, köztük gliómában, AML-ben, angioimmunoblasztos limfómában, chondrosarcomában és melanomában is elterjedtek.141,142 A visszatérő szomatikus maradékmutációk főként az izocitráthoz kötődő enzimatikus aktív helyeken helyezkednek el, jellemzően az R132-nél, beleértve az R132H, R132L, R132S, R132C és R132G-t az IDH1-ben, valamint az R140Q vagy R172K-t az IDH2-ben.143,144 A mutáns IDH1 és IDH2 fehérjék újszerű képességgel rendelkeznek, hogy katalizálják az α-KG redukcióját egy ritka metabolit, a 2-hidroxiglutarát (2-HG) előállítására, miközben NADPH-t fogyasztanak.145 Továbbá, ezeknek a mutációknak a jelentőségét, a karcinogenezisben betöltött szerepét és lehetséges terápiás következményeit máshol részletesen áttekintették.141,146,147

Glutamin metabolizmus

A glutamin metabolizmus a TCA-ciklus egyik fő sejtes szénforrása, nitrogéndonor a nukleotid-, aminosav- és lipidbioszintézishez, továbbá kritikus fontosságú a NADPH szint fenntartásához.148,149 A proliferáló rákos sejtek aerob glikolízist mutatnak, ami a glükóz-szén eltolódásához vezet a TCA-ciklustól, ami a glutamin fokozott felhasználását eredményezi az anabolikus folyamatok táplálására a gyors sejtnövekedés támogatása érdekében, fokozott NADPH- és ammónia-termeléssel. A glutaminolízis az a mitokondriális útvonal, amelynek során a glutamint először a glutaminázok (GLS1/2) deaminálják glutamáttá. Ezután vagy a NADPH-függő glutamát-dehidrogenázok (GDH) vagy más transzaminázok, köztük a glutamát-oxalacetát-transzamináz 2 (GOT2) és a glutamát-piruvát-transzamináz 2 (GPT2) a megfelelő aminosavak iránti igény kielégítésére a glutamátot a-KG-vé alakítják.89

Konvencionálisan a GDH (amelyet a GLUD gén kódol) a TCA-ciklus feltöltéséhez és a NADPH előállításához szükséges reakciókhoz szükséges fontosabb enzim, mint a GOT2 és a GPT2, amely ubikvitálisan expresszálódó GDH1-ből és GDH2-ből áll, amelyek főként neuronális és hereszövetben léteznek, és alacsonyabb aktivitással rendelkeznek, mint a GDH1.150 A GDH1 a legtöbb tumormintában magasan expresszálódik, és korrelál a tumor progressziós stádiumával, beleértve az emlőrák és a tüdőrák sejtjeit.151,152 A GDH1 depletiója kiegyensúlyozatlan redox homeosztázist és sejtcitotoxicitást eredményez, és csillapítja a rákos sejtek proliferációját, amely, valamint az erythroleukémiás sejtek eredményeit, míg a normál sejtek proliferációját elhanyagolható mértékben befolyásolja.151 Emellett a fokozott GDH1 aktivitásról azt is jelentették, hogy CRC vagy gyomorrákos betegeknél lehetséges prognosztikai marker és az áttétképződés indikátora.153,154 A glükózmegvonás, 2-deoxiglükóz kezelés vagy Akt szignalizáció gátlása által okozott elégtelen glikolízis körülményei között a glutamin-függő sejtek érzékenyebbek a GDH1 hiányára.155 Továbbá, a GDH-ból származó NADPH elfogy az IDH2 által végzett α-KG reduktív karboxilációjának támogatására, és a GDH1 vagy GDH2 expressziójának kompenzációs növekedése elősegíti az IDH-mutáns glióma sejtek növekedését.156 . Emellett az extracelluláris glutamin fogyasztásával a GDH a glutaminolízisből származó ammóniát és az α-KG-t is katalizálhatja, hogy reduktív aminációval, NADPH-fogyasztó módon támogassa a glutamát és a downstream metabolitok szintézisét, hogy megfeleljen a rákos sejtek növekedésének.148,157,158

Kifejezetten egyes rákos sejtek, mint például a PDAC és CRC sejtek, a citoszolban egy nem kanonikus glutamin anyagcsere útvonaltól függenek az onkogén KRAS aktiváció szabályozása alatt. A GOT2 által indukált glutamin-származék aszpartát a citoszolba transzportálódik és a GOT1 oxalacetáttá alakítja, majd a malát-dehidrogenáz (MDH1) maláttá alakítja, majd az ME1 által piruváttá oxidálja NADPH létrehozása céljából.159,160 A GHD1 shRNS nincs hatással a PDAC sejtek növekedésére, míg a GOT2 kiütése megemeli a ROS-szintet és a sejtek szeneszcenciájához vezet.161 Továbbá, a citoszolikus GOT1 gátlása csökkenti az oxalacetát szintjét és csökkenti a celluláris NADPH/NADP+ és GSH/GSSG arányokat.159 Összhangban ezekkel az eredményekkel, az exogén malát hozzáadása megvédi a sejteket a túlzott ROS-felhalmozódástól az MDH1-knockdown sejtekben.162 Következésképpen a glutamin anyagcsere útvonal célzott kezelése, amely a rákos sejtek számára nélkülözhetetlen, de a normál sejtek számára nélkülözhetetlen, új terápiás megközelítésekhez vezethet a refrakter tumorok kezelésében.

zsírsav oxidáció

A FAO útvonal emellett a NADPH közvetett biztosításában is kulcsfontosságú, amely számos rákos megbetegedésben nélkülözhetetlen, különösen metabolikus stressz esetén. A FAO minden körben NADH-t, FADH2-t és acetilkoenzim A-t (CoA) termel,163 és a NADH és a FADH2 belép az ETC-be, míg az acetil CoA a TCA-ciklusba lép citrát előállítására, amely a citoszolba exportálódik, hogy az ME1 és az IDH1 révén részt vegyen a NADPH-termelésben.34 A FAO és a FAS egyaránt nélkülözhetetlen a tumor progressziójához, és támogatják egymást. A FAO anyagcsere során a citoszolban felhalmozódott acetil-CoA és NADPH szükséges a FAS beindításához.164 A karnitin-palmitoil-transzferázok (CPT), a FAO-útvonal sebességkorlátozó enzimei, hosszú láncú acil-CoA-t szállítanak a citoszolból a mitokondriumokba.165 A CPT által közvetített FAO-aktiváció a jelentések szerint kulcsszerepet játszik a NADPH homeosztázis fenntartásában, valamint a sejtek metasztázisának és kemorezisztenciájának elősegítésében a gasztrointesztinális rákban166,167 és a melanomában168 . A legújabb vizsgálatok azt is mutatják, hogy a PPAR koaktivátor 1α (PGC1α), a CPT1A és CPT1B szabályozó fontos transzkripciós koaktivátor kiütése nyilvánvalóan csökkenti a NADPH/NADP+ és az ATP szintek arányát, rontva a sugárrezisztenciát az orrgarati karcinóma (NPC) sejtekben.169 Mi több, az AMP-aktivált protein kináz (AMPK) szintén szabályozza a FAO funkcióját a NADPH homeosztázis fenntartásában, és elősegíti a tumorsejtek túlélését oxidatív stressz vagy metabolikus stressz esetén.170,171,172,173

.