Het begrijpen van NADPH productie- en consumptieroutes is essentieel voor een algemeen begrip van het kankermetabolisme. Zoals aangetoond in Fig. 2, wordt de NADPH homeostase voornamelijk gereguleerd door verschillende metabolische routes en enzymen, waaronder NAD kinase (NADK), de pentose fosfaat route (PPP), het folaat-gemedieerde één-koolstof metabolisme, malische enzymen (ME), nicotinamide nucleotide transhydrogenase (NNT), cytosolisch of mitochondriaal NADP-afhankelijk isocitraatdehydrogenase (IDH1 en IDH2), het glutamine metabolisme, en de vetzuuroxidatie (FAO). Echter, voor de algemene NADPH generatie in cellen, blijft de relatieve bijdrage van deze paden en enzymen aan de NADPH productie onduidelijk. Recente studie tonen aan dat cellulaire NADPH grotendeels zou kunnen worden gegenereerd door PPP, het foliumzuur-gemedieerde één-koolstof metabolisme en ME in kanker- en proliferatiecellen.32,33 Ook is er toenemend bewijs dat deze verschillende processen en enzymen functionele verbindingen hebben voor NADPH homeostase in kanker. Zo versnelt FAO de TCA-cyclus om citraat te produceren, dat geëxporteerd wordt naar het cytosol om NADPH te produceren via ME1 en IDH1.34 Hier geven we een overzicht van de huidige kennis van de onderliggende mechanismen van de NADPH-homeostase na de novo-synthese, de relatieve bijdrage van verwante enzymen en routes bij kanker.

NAD kinase

De novo-synthese van NADPH wordt gekatalyseerd door NADK’s, die de fosforylering van NAD+ tot NADP+ katalyseren. Vervolgens zetten de dehydrogenases/reductases in verschillende metabolische routes NADP+ om in NADPH.10,12 NADKs worden gevonden in bijna alle menselijke organen behalve skeletspieren, en zijn gelokaliseerd in zowel cytosol als mitochondria. Vergeleken met cytosolische NADK (cNADK), heeft mitochondriale NADK (mNADK) de onderscheidende eigenschap dat het nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) direct kan fosforyleren om NADPH te genereren om oxidatieve stress in mitochondria te verlichten.35

De Cancer Genome Atlas (TCGA) database geeft zowel cNADK overexpressie als de aanwezigheid van verschillende cNADK mutanten aan in meerdere tumortypes.10 Met name een nieuwe cNADK mutant, NADK-I90F, wordt gevonden in pancreas ductaal adenocarcinoom kanker (PDAC) patiënten. CNADK-I90F heeft een lagere Km en een hogere Vmax voor NAD+ vergeleken met wild-type cNADK, wat wijst op een verhoogde enzymactiviteit. In vergelijking met wild-type cNADK-cellen hebben cellen die cNADK-I90F tot expressie brengen, verhoogde NADPH-spiegels en verlaagde ROS-spiegels.36,37 Bovendien wordt bij diffuus groot B-cel lymfoom (DLBCL) en colonkanker de NADPH-pool uitgeschakeld door cNADK met shRNA uit te schakelen, waardoor de groei van de kankercel wordt onderdrukt.38 In termen van NADK’s activiteiten, cNADK gefosforyleerd op S44, S46, en S48, die mogelijk worden gemedieerd door de fosfoinositide 3-kinase (PI3K)-Akt signalering, heeft verhoogde activiteit in borstkanker- en longkankercellen, waardoor de NADPH productie toeneemt.39 Gebaseerd op de recente ontdekking, moet de relevante rol van mNADK in menselijke kankers nog worden opgehelderd, maar de wild-type en mutante cNADK zijn potentiële klinische doelen voor kankertherapie.

Pentosefosfaatroute

De PPP divergeert bij de eerste stap van de glycolyse, die dient als de grootste bijdrager van cytosolisch NADPH en NADPH generatie ondergaat drie irreversibele reacties in de PPP oxidatieve tak.40,41,42 Studies hebben aangetoond dat de NADPH productie dramatisch wordt verhoogd door de flux van glucose in de PPP oxidatieve tak bij verschillende vormen van kanker te verhogen.43,44 Glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD) dat bestaat als een actieve dimeer of een inactief monomeer dehydrogeneert G6P om 6-fosfogluconolacton (6-PGL) en NADPH te produceren in de eerste reactie. Vervolgens katalyseert 6-fosfogluconaatdehydrogenase (PGD), dat vaak als homodimeer functioneert, de oxidatieve decarboxylering van 6-fosfogluconaat (6-PG) om ribulose-5-fosfaat (Ru5P) en een tweede NADPH te synthetiseren in de derde reactie.45,46

In toenemende mate hebben meer studies aangetoond dat de activiteit van G6PD verhoogd is bij verschillende soorten kanker, waaronder blaas-, borst-, prostaat- en maagkanker in vergelijking met normaal weefsel, en de hoge expressie van G6PD voorspelt een slechte klinische uitkomst bij verschillende kankerpatiënten en speelt een cruciale rol bij tumorigenese en chemoresistentie.47,48 PGD is ook hyperactief en speelt een fundamentele rol in tumorgroei.49,50 G6PD of PGD depletie verlagen NADPH niveaus aanzienlijk en verbeteren chemotherapeutische drugs-geïnduceerde celapoptose door redox modulatie.51,52 Voor wat betreft activiteitsregulatie, NADP+ is vereist voor G6PD enzymatische activiteit, terwijl NADPH de activiteit negatief reguleert. Vandaar dat tumorcellen met een hoger NADPH-verbruik hogere niveaus van actieve G6PD vertonen.45 Interessant is dat een studie ook aantoont dat het NADPH-niveau niet verandert door het uitschakelen van PGD-expressie, wat mogelijk is dat een tijdelijk verhoogde NADP+/NADPH-verhouding de G6PD-activiteit compenseert en zo NADPH genereert.45

De NADPH-homeostase wordt ook gereguleerd door de snelheidslimiterende enzymactiviteit die wordt beïnvloed door de posttranslationele modificatie. Studies tonen aan dat glycosylering, SIRT5-gemedieerde deglutarylering en SIRT2-gemedieerde deacetylering alle de G6PD activiteit versterken en cellulaire NADPH homeostase handhaven.53,54,55 Zowel de fosforylering van PGD op Y481 bij EGFR activering als acetylering van PGD op K76 en K294 door acetyltransferases versterken de activering ervan voor de productie van NADPH in kankercellen.56,57 Omgekeerd remt proteïne kinase A (PKA) de activiteit van G6PD door directe fosforylering op serine- en threonineresiduen.58 Bovendien kan de activiteit van G6PD op directe of indirecte wijze worden gereguleerd door verschillende signaalroutes in tumoren, zoals de PI3K/AKT, Ras, Src, Nrf2, mTORC1, PETEN, ATM, en TP53 routes (besproken in refs. 45,47). Zo binden het PTEN-eiwit en het cytosolische TP53 zich aan G6PD om de assemblage van G6PD-monomeren tot actieve dimeren te verhinderen en zo de PPP-flux te verminderen.59,60

Folaat-gemedieerd één-koolstof metabolisme

Folaat-gemedieerd één-koolstof metabolisme is al lang erkend en toegeschreven aan zijn functie van het produceren van één-koolstof eenheden voor nucleïnezuur en methionine synthese, een andere cruciale functie van deze route is het genereren van reductiekracht NADPH.61,62 Serine en glycine zijn de belangrijkste koolstofbronnen van deze route. De activering van de serine biosynthese route verhoogt de NADPH generatie in kankercellen.63 Omgekeerd, het elimineren van serine uit het medium verlaagt de NADPH/NADP+ ratio en belemmert de groei van kankercellen.64 Methyleentetrahydrofolaat dehydrogenases (MTHFD1 in cytosol en MTHFD2 of MTHFD2L in mitochondria) katalyseren de oxidatie van 5,10-methyleen-THF (CH2-THF) om 10-formyl-THF te vormen, en 10-formyl-THF dehydrogenases (ALDH1L1 in cytosol en ALDH1L2 in mitochondria) katalyseren de oxidatie van 10-formyl-THF tot CO2 met gelijktijdige productie van NADPH. In de kern wordt de THF-drager geoxideerd tot DHF in een NADPH-genererende reactie met elektronen die worden gebruikt om één-koolstofeenheden te reduceren tot het methylniveau.65,66,67

MTHFD2 wordt verondersteld de “hoofdschakelaar” te zijn die extra één-koolstofeenheden produceert in mitochondriën om snelle groei mogelijk te maken.63 De expressie van MTHFD2 is nauw verbonden met de respons van de foliumzuur antagonist methotrexaat (MTX) en de thymidylaat synthase remmer pemetrexed.68,69 Zowel MTHFD2 als MTHFD1 zijn duidelijk verhoogd en gecorreleerd met slechte overleving bij humane kankers.70,71,72 Bovendien blijkt uit onderzoek dat het combineren van serum-AFP met MTHFD1 de prognostische voorspellingsnauwkeurigheid in hepatocellulair carcinoom (HCC) verbetert.73 Kwantitatieve fluxanalyse toont aan dat depletie van ofwel MTHFD2 of MTHFD1 resulteert in verminderde cellulaire NADPH/NADP+ en GSH/GSSG ratio’s en verhoogde celgevoeligheid voor oxidatieve stress.32 Onderdrukking van MTHFD2 verstoort de redoxhomeostase en versnelt de celdood in zowel colorectale kanker (CRC),74,75 als acute myeloïde leukemie (AML).64 MTHFD2 is ook cruciaal voor kankerstam-achtige eigenschappen en chemoresistentie, wat suggereert dat verstoring van de NAPDH-homeostase recidief kan voorkomen en tumoren kan uitroeien.76 En, MTHFD1 depletie vermindert zowel de frequenties van circulerende melanoomcellen in het bloed als de metastatische ziektelast in muizen die melanoom dragen,77 wat suggereert dat NAPDH homeostase therapeutische doelwitten zijn om metastase op afstand te belemmeren. Het verband tussen MTHFD2L, dat zowel NAD+ als NADP+ kan gebruiken voor dehydrogenase activiteit, en tumoren moet echter nog worden onderzocht.

Cytosolisch ALDH1L1 reguleert voornamelijk gereduceerde folaatpools en purine biosynthese, terwijl mitochondriaal ALDH1L2 NADPH produceert in reactie op oxidatieve stress.78 Hoewel ALDH1L1 tot overexpressie komt in NSCLC en GC kanker,79,80 wordt ALDH1L1 sterk gedownreguleerd of tot zwijgen gebracht in kankers, waardoor het een kandidaat tumor suppressor wordt.81,82 Desondanks komt ALDH1L2 sterk tot expressie en is het een onafhankelijke prognostische factor voor de algehele overleving in melanoom, PDAC en CRC.77,78,83 Depletie van ALDH1L2 verlaagt de NADPH/NADP+ en GSH/GSSG ratio’s, vermindert de circulerende tumorcellen in het bloed en verlicht de metastatische belasting.77,83,84 Bovendien wordt de expressie van ALDH1L2 gestimuleerd door bepaalde geneesmiddelen, zoals thapsigargin en tunicamycine, endoplasmatisch reticulum stress inducers in geïmmortaliseerde humane B-cellen,85 mitotaan, een adjuvante monotherapie gebruikt voor de behandeling van adrenocorticaal carcinoom,86 en indomethacine, een anti-inflammatoir middel in borstkankercellen.87 Het verband tussen de effecten van deze geneesmiddelen op de expressie van ALDH1L2 en de cellulaire respons op redoxstress moet dus verder worden onderzocht.

Maleic enzymen

ME nemen deel aan reacties die de componenten van het katabole metabolisme in de glycolyse en de Krebs cyclus met elkaar verbinden via de oxidatieve decarboxylering van malaat tot pyruvaat, waardoor het anabole metabolisme met gelijktijdige NADPH productie wordt geïnduceerd.32,88 Een kwantitatieve fluxanalyse toonde aan dat de directe bijdrage van ME aan de NADPH-productie naar schatting gelijk was aan de bijdrage van de PPP.89 De ME-familie bestaat uit drie isovormen: ME1 bevindt zich in het cytosol en ME2, ME3 bevinden zich in de mitochondriën. ME1 en ME3 hebben NADP+ nodig en ME2 gebruikt NAD+ of NADP+ voor hun katalytische activiteiten, dus NADPH kan door ME zowel direct als indirect worden geproduceerd via de activiteit van het NNT dat de overdracht van hydride-ionen van NADH naar NADP+ katalyseert en NADPH produceert in mitochondria.90 ME1 en ME2 lijken echter de belangrijkste isovormen te zijn omdat ME3 nauwelijks verwaarloosbaar wordt gedetecteerd in veel beoordeelde zoogdiercellen.91

De overexpressie van ME1 is significant geassocieerd met een slechte prognose voor mensen met kanker, waaronder die met maagkanker, orale plaveiselcelcarcinomen, borstkanker, longkanker, enz.92,93,94,95 Het uitschakelen van ME1 vermindert NADPH aanzienlijk en verhoogt ROS niveaus, wat uiteindelijk celapoptose induceert onder oxidatieve stress, zoals glucose verhongering of anoikis.96,97 Bovendien wordt het ME1 eiwit gehypofosforyleerd op S336 en gehyperacetyleerd op K337 door respectievelijk PGAM familielid 5 en acetyl-CoA acetyltransferase, wat resulteert in ME1 translocatie van mitochondriën naar het cytosol, dimerisatie en activatie, waardoor NADPH generatie en tumorigenese sterk worden bevorderd.98 ME1 expressie wordt ook gereguleerd door bekende tumorsuppressors of oncogenen zoals TP53 of KRAS.91,99 Intrigerend is dat er een directe crosstalk is tussen ME1 en PPP componenten, en ME1 verhoogt het vermogen van PGD om zich te binden aan 6-PG, waardoor de NADPH generatie wordt versterkt.100

ME2 komt volgens recent onderzoek ook tot overexpressie in verschillende kankers, en wordt nauw geassocieerd met kankergroei, metastase, en slechte resultaten.101,102 ME2 depletie, vergezeld van een verhoogde NADP+/NADPH ratio en ROS niveaus, beïnvloedt de PI3K/AKT signalering en verhoogt de gevoeligheid van erytroleukemie en NSCLC cellen voor cisplatine.103,104 Bovendien resulteert ME2 ablatie in verhoogde cellulaire ROS niveaus, die het AMPK pad activeert en vervolgens TP53 stimuleert om de proliferatie van melanoomcellen te verminderen.105,106 ME2 is vaak hemizygously gecodeerd samen met tumor suppressor SMAD4 in humane solide tumoren, waaronder maagkanker en PDAC.107,108 In ME2-geëxpresseerde maagkankercellen wordt het isoenzym ME1 geüpreguleerd om intracellulair NADPH aan te vullen en bevordert het de overleving van de cel onder glucosestervatie en anoikis.107 ME3 is in lagere enzymatische activiteit dan ME2 in mitochondriën. Echter, in ME2 homozygoot verwijderde PDAC cellijnen, speelt zijn isoenzym ME3 de compenserende rol voor intracellulaire NADPH homeostase.108,109 Deze bevindingen bieden een uitstekende “collateral lethality” therapeutische strategie voor de behandeling van een aanzienlijk deel van de GC- of PDAC-patiënten.

Nicotinamide nucleotide transhydrogenase

NNT is een integraal mitochondriaal binnenmembraaneiwit bij eukaryoten dat de overdracht van hydride-ionen van NADH naar NADP+ katalyseert en NADPH produceert met behulp van de proton-motorkracht die door de elektronentransportketen (ETC) wordt gegenereerd.110 Het proces is essentieel voor het in stand houden van de mitochondriale NADPH- en NADH-pools. NNT activiteit draagt bij tot 45% van de totale NADPH in de mitochondriale pool, wat wijst op een significante rol van NNT voor NADPH pool onderhoud,111 en NADPH verkregen door NNT wordt ook gebruikt voor de reductieve carboxylering van α-KG tot isocitraat gemedieerd door IDH2.112 In tegenstelling tot deze heersende opvatting, illustreert een fascinerend werk dat de NNT de richting omkeert bij NADPH consumptie om NADH en ATP produktie te ondersteunen onder een pathologische werkbelasting, ten koste van NADPH-gekoppelde antioxidatieve capaciteit. De modellen tonen onverwacht aan dat het ontbreken van een functionele NNT leidt tot minder oxidatieve schade aan het hart in vergelijking met muizen met een actieve NNT.113 Deze bevinding biedt mogelijk nieuwe inzichten in pathologie en metabole regulatie, maar meer studie over het NNT omkeerproces bij kanker is dringend nodig.

In kankercellen wordt de NNT activiteit gestimuleerd door hypergepolariseerde mitochondriën. Verder kan het NADH van verhoogde glycolyse in het cytosol worden overgebracht naar de mitochondriën om NADH-afhankelijke NNT aan te drijven.89 Bovendien wordt NNT overgeëxpresseerd in maagkankercellen, wat wordt geassocieerd met lagere overall survival en ziektevrije overleving. NNT knockdown toont een beperkt vermogen om NADPH niveaus te handhaven en vermindert tumorigeniciteit onder oxidatieve stress condities, zoals die geïnduceerd door anoikis, glucose deprivatie in vitro, of belemmert peritoneale verspreiding en longmetastase in vivo.114 Vergelijkbare effecten worden waargenomen bij leverkanker,115 feochromocytoom116 en NSCLC,111 en NNT wordt waarschijnlijk geactiveerd door NADPH consumptie, zoals in IDH-mutant cellen.117 Bovendien, beschouwd als een belangrijk antioxidatief enzym, is NNT kritisch voor het induceren van macrofaag ontstekingsreacties118 en het voorkomen van ROS-geïnduceerde cytotoxiciteit in T-cellen blootgesteld aan asbest die een vermindering van de antitumor immuniteit kan veroorzaken.119 Tot op heden lijkt NNT een sleutelrol te spelen in tumorigenese en modificatie van NNT kan de immuuneffecten van antitumor reguleren. Helaas zijn er geen farmacologische remmers specifiek voor NNT gerapporteerd en moeten deze nog worden ontwikkeld.

Isocitraat dehydrogenases (IDH)

IDH vergemakkelijkt ook de generatie van NADPH uit NADP+ door de oxidatieve decarboxylering van isocitraat tot α-ketoglutaraat (α-KG) voor de TCA-cyclus te katalyseren.120 Er zijn drie subtypes van IDH: IDH1 bevindt zich in het cytosol en de peroxisomen, en IDH2/3 worden voornamelijk aangetroffen in de mitochondriën. IDH1/2 gebruiken NADP+ als cofactor en voeren een omkeerbare reactie uit, terwijl IDH3 NAD+ als cofactor gebruikt en een irreversibele omzetting uitvoert.121,122

Meerdere bewijzen hebben aangetoond dat IDH1 in talrijke kankersoorten tot overexpressie komt en nauw samenhangt met de slechte prognose van patiënten met niet-kleincellig longcarcinoom (NSCLC),123 PDAC,124 of een van de vele hematologische maligniteiten.125 Met name ELISA’s hebben aangetoond dat het IDH1 niveau ook significant verhoogd is in het plasma van NSCLC patiënten, wat suggereert dat het gebruikt kan worden als een potentiële plasma biomarker.126 De upregulatie van IDH1 kan een gemeenschappelijke metabolische aanpassing vertegenwoordigen voor het verminderen van oxidatieve stress en het ondersteunen van de macromoleculaire synthese, waardoor tumorgroei en therapieresistentie worden bevorderd.125 Bovendien resulteert het silencen van IDH1 in verminderde NADPH en α-KG niveaus, met verhoogde ROS niveaus, wat leidt tot kankercelapoptose in NSCLC.123 Bovendien verhogen oxidatieve stress-condities ook de van nature hoge IDH1-expressie, en IDH1-silencing verhoogt de gevoeligheid van cellen voor kankerchemotherapie, radiotherapie en fotodynamische therapie aanzienlijk door verlaging van NADPH.124,127,128 Bovendien is IDH1 gehyperacetyleerd in CRC-cellen en is het significant gecorreleerd met verre metastase en slechte overleving. SIRT2-afhankelijke deacetylering van IDH1 op K224 vermindert de enzymatische activiteit en onderdrukt het kwaadaardige gedrag in CRC.129 In het bijzonder hebben studies ook aangetoond dat IDH1 significant gedownreguleerd is in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) in vergelijking met normale niercellen, wat suggereert dat IDH1 kan functioneren als een kandidaat tumor suppressor voor ccRCC.130,131

De meeste studies tonen aan dat IDH2 ook significant geüpreguleerd is in ESCC,132 eierstokkanker,133 longkanker en andere kankertypes,134 en een pro-oncogene rol speelt. Overexpressie van IDH2 verlaagt het ROS-niveau en verhoogt de groei van kankercellen.121 Depletie van IDH2 verlaagt de expressie van HIF1α en leidt tot de afname van tumorgroei bij longkanker.134 Vanwege de heterogeniteit tussen kankercellen hebben andere studies echter aangetoond dat de expressie van IDH2 is afgenomen in metastatisch HCC en maagkankermateriaal in vergelijking met gepaarde normale weefsels.135,136 Het onderliggende mechanisme is dat deze cellen zonder IDH2 een verbeterd invasief gedrag vertonen als gevolg van de toename van matrix metalloproteasen, die afhankelijk zijn van de NF-κB pathway. Bovendien versterkt de NAD+ productie door het NNT de SIRT3-gemedieerde deacetylering en verlies van het NAD+-afhankelijke deacetylase SIRT3 verhoogt de acetylering van IDH2 bij K413 en vermindert de enzymatische activiteit ervan door de dimerisatie te verminderen, waardoor de mitochondriale redox-status wordt gereguleerd en de celtumorigenese wordt bevorderd in luminale B borstkanker,137 en B cel maligniteiten.138 SIRT5-gemedieerde IDH2 desuccinylering reguleert ook cellulaire NADPH homeostase en redoxpotentiaal.54

De bijdrage van IDH aan NADPH generatie in kanker blijft controversieel. IDH1 en IDH2 katalyseren ook de reductieve carboxylering en ondersteunen de groei van tumorcellen met defecte mitochondriën. Studies tonen aan dat IDH1/2 isocitraat/citraat synthetiseert uit α-KG met NADPH consumptie, vervolgens het isocitraat/citraat importeert in de mitochondria en bijdraagt aan de onderdrukking van mitochondriale ROS.139,140 Bovendien zijn IDH1 en IDH2 genmutaties de laatste tijd veelvuldig voorgekomen in verschillende maligniteiten, waaronder glioma, AML, angioimmunoblastische lymfomen, chondrosarcoom en melanomen.141,142 Terugkerende somatische mutaties van residuen bevinden zich voornamelijk op enzymatisch actieve plaatsen die zich binden aan isocitraat, meestal bij R132 waaronder R132H, R132L, R132S, R132C, en R132G in IDH1, en R140Q of R172K in IDH2.143,144 De gemuteerde IDH1- en IDH2-eiwitten bezitten een nieuw vermogen om de reductie van α-KG te katalyseren en zo een zeldzame metaboliet, 2-hydroxyglutaraat (2-HG), te genereren, terwijl ze NADPH verbruiken.145 Verder zijn de relevantie van deze mutaties en hun rol in carcinogenese en mogelijke therapeutische implicaties elders uitvoerig besproken.141,146,147

Glutamine metabolisme

Glutamine metabolisme is een belangrijke cellulaire koolstofbron voor de TCA cyclus, een stikstofdonor voor nucleotide, aminozuur, en lipide biosynthese, het is ook van cruciaal belang voor het behoud van NADPH niveaus.148,149 Prolifererende kankercellen vertonen aërobe glycolyse, wat leidt tot een verschuiving van glucosekoolstof weg van de TCA-cyclus, wat resulteert in een verhoogd gebruik van glutamine als brandstof voor anabole processen ter ondersteuning van snelle celgroei met verhoogde NADPH- en ammoniakproductie. Glutaminolyse is de mitochondriale route waarbij glutamine eerst wordt gedeamineerd tot glutamaat door glutaminases (GLS1/2). Vervolgens zetten NADPH-afhankelijke glutamaatdehydrogenasen (GDH) of andere transaminasen, waaronder glutamaatoxaloacetaattransaminase 2 (GOT2) en glutamaatpyruvaattransaminase 2 (GPT2), glutamaat om in a-KG om aan de behoefte aan overeenkomstige aminozuren te voldoen.89

Conventioneel gezien is GDH (gecodeerd door het GLUD-gen) het meest overheersende enzym dat van vitaal belang is voor de reacties die nodig zijn om de TCA-cyclus aan te vullen en NADPH op te leveren dan GOT2 en GPT2, die bestaan uit het alomtegenwoordig tot expressie komende GDH1 en GDH2, die voornamelijk voorkomen in neuronaal en testiculair weefsel en een lagere activiteit hebben dan GDH1.150 GDH1 komt in de meeste tumormonsters tot expressie en is gecorreleerd met het stadium van tumorprogressie, waaronder borstkanker- en longkankercellen.151,152 GDH1 depletie resulteert in een onevenwichtige redox homeostase en cel cytotoxiciteit en vermindert de proliferatie van kankercellen, wat ook het resultaat is in erytroleukemie cellen, terwijl het een verwaarloosbaar effect heeft op normale cel proliferatie.151 Bovendien is van verhoogde GDH1-activiteit ook gemeld dat het een mogelijke prognostische marker en een indicator van metastase is bij patiënten met CRC of maagkanker.153,154 Onder omstandigheden van ontoereikende glycolyse, veroorzaakt door glucose-deprivatie, behandeling met 2-deoxyglucose of remming van de Akt-signalering, zijn glutamine-geassocieerde cellen gevoeliger voor GDH1-deficiëntie.155 Bovendien wordt van GDH afkomstige NADPH verbruikt om de reductieve carboxylering van α-KG door IDH2 te ondersteunen, en de compensatoire toename van de expressie van GDH1 of GDH2 bevordert de groei van IDH-mutante glioma cellen.156 Bovendien, met de consumptie van extracellulaire glutamine, kan GDH ook ammoniak afkomstig van glutaminolyse en α-KG katalyseren om de synthese van glutamaat en metabolieten stroomafwaarts te ondersteunen door reductieve aminering op een NADPH-verbruikswijze om aan de groei van de kankercellen te voldoen.148,157,158

Specifiek zijn sommige kankercellen, zoals PDAC- en CRC-cellen, afhankelijk van een niet-canonieke glutaminemetabolismeweg in het cytosol onder de regulatie van oncogene KRAS-activering. Glutamine-afgeleid aspartaat geïnduceerd door GOT2 wordt getransporteerd naar het cytosol en omgezet door GOT1 in oxaloacetaat, vervolgens omgezet door malaat dehydrogenase (MDH1) in malaat en vervolgens geoxideerd in pyruvaat door ME1 om NADPH te creëren.159,160 GHD1 shRNA heeft geen effect op de groei van PDAC-cellen, terwijl het uitschakelen van GOT2 de ROS-niveaus verhoogt en leidt tot senescentie van de cellen.161 Verder verlaagt remming van het cytosolische GOT1 de oxaloacetaatniveaus en verlaagt het de cellulaire NADPH/NADP+ en GSH/GSSG-verhoudingen.159 In overeenstemming met deze bevindingen beschermt de toevoeging van exogeen malaat cellen tegen overmatige ROS accumulatie in MDH1-knockdown cellen.162 Bijgevolg kan het aanpakken van de glutamine metabolisme route, die essentieel is voor kankercellen maar overbodig voor normale cellen, leiden tot nieuwe therapeutische benaderingen om refractaire tumoren te behandelen.

Vetzurenoxidatie

Daarnaast is de FAO route ook essentieel voor het indirect leveren van NADPH, wat onmisbaar is in veel kankers, vooral onder metabole stress. FAO genereert NADH, FADH2, en acetyl co-enzym A (CoA) in elke ronde,163 en NADH en FADH2 komen in het ETC terecht, terwijl het acetyl CoA in de TCA-cyclus terechtkomt om citraat te produceren, dat naar het cytosol wordt geëxporteerd om NADPH te produceren via ME1 en IDH1.34 FAO en FAS zijn beide essentieel voor de progressie van tumoren en ondersteunen elkaar. Acetyl-CoA en NADPH uit het FAO-metabolisme in het cytosol zijn nodig om FAS op te starten.164 De carnitinepalmitoyltransferases (CPT), de snelheidsbeperkende enzymen in de FAO-traject, transporteren lange-keten acyl-CoA van het cytosol naar de mitochondriën.165 CPT-gemedieerde FAO-activering zou een sleutelrol spelen in het handhaven van de NADPH-homeostase en het bevorderen van celmetastase en chemoresistentie bij gastro-intestinale kanker166,167 en melanoom.168 Recente studies tonen ook aan dat het uitschakelen van PPAR coactivator 1α (PGC1α), een belangrijke transcriptionele coactivator die CPT1A en CPT1B reguleert, de verhouding NADPH/NADP+ en ATP-niveaus duidelijk verlaagt, waardoor de bestralingsweerstand in nasofaryngeaal carcinoom (NPC)-cellen wordt aangetast.169 Bovendien reguleert AMP-activated protein kinase (AMPK) ook de functie van FAO in het handhaven van de NADPH-homeostase en bevordert het de overleving van tumorcellen onder oxidatieve stress of metabole stress.170,171,172,173