Ketogenes, produktion av acetoacetat och β-hydroxibutyrat från oxidation av långkedjiga fettsyror, sker endast i levern. När glukosproduktionen är otillräcklig övergår kroppen till en lipidbaserad ekonomi. Hjärnan kan dock inte oxidera fettsyror för energi, så produktionen av ketoner är skyddande (1, 2).

Det är ganska anmärkningsvärt hur många framstående forskare började studera ketogenes för flera decennier sedan, bland annat nobelpristagarna professorerna H.A. Krebs och Feodor Lynen. Tidigt var en utbredd uppfattning att en brist på oxaloacetat i tricarboxylsyracykeln shuntar acetyl-CoA som härrör från fettsyraoxidation till acetoacetat, vilket beskrivs i en utmärkt föreläsning om denna historia som publicerades av professor Krebs 1966 (3). Acetoacetat är faktiskt det metaboliska substrat som föredras i däggdjursceller, framför glukos, fettsyror och andra substrat (1, 2). Oxidation av acetoacetat kräver dock enzymet succinyl-CoA:3-ketoacid-CoA-transferas, som inte finns i levern; levern kan således inte oxidera ketoner, utan endast frigöra dem.

Det sviktande intresset för oxaloacetat-teorin ledde till nästa tanke, nämligen att leverns produktion av ketoner var beroende av koncentrationen av långkedjiga fettsyror i blodet som levereras till levern. Genom att använda den isolerade perfunderade råttlevern visade vi emellertid att oleat inte omvandlades nämnvärt till ketoner förrän sex timmar efter det att fastan inletts. Detta visade att det fanns en on/off-signal i levern för att initiera och avsluta ketogenesen (4).

Min kollega Denis McGarry och jag visste tidigt att fettsyrasyntes och oxidation var ömsesidiga, men det var oklart hur detta förhållande reglerades. Vi trodde till en början att kontrollen låg på den lipogena sidan, men när vi akut blockerade fettsyraoxidationen skedde ett omedelbart återupptagande av fettsyra- och triglyceridsyntesen, vilket tyder på att en hämmare av fettsyraoxidationen måste reglera processen. Vi stod inför två utmaningar: att identifiera hämningspunkten och identifiera vad som styrde den. För att undersöka detta jämförde vi i nästa steg ketogenesen från oktano- och oljesyror. Vi visste att oktanoat fritt kunde tränga in i mitokondrien, och vi fann att ketogenesen från den var identisk i både utfodrade och fastande tillstånd. Octanoatoxidation är därför ett mått på kapaciteten hos det β-oxidativa systemet. Oleat måste däremot transesterifieras från oleyl-CoA till oleylkarnitin av enzymet karnitinpalmitoyltransferas 1 (CPT1) för att komma in i mitokondrien. Hastigheten för oleatoxidation ökade sex gånger mellan mat- och fastatillstånd. Vi drog därför slutsatsen att regleringen skedde på CPT1-nivå (4).

Vad var inhibitorn? Vi visste att det skedde en minskning av glykogen som följde med ökningen av ketogenesen. Vi testade dussintals molekyler på CPT1 och ingen av dem förändrade dess aktivitet. En morgon kom McGarry in i labbet och sa: ”Det måste vara malonyl-CoA. Det är substratet för fettsyrasyntesen, och det måste också vara inhibitorn”. Vi kunde faktiskt testa detta direkt, och uppgifterna bekräftade hans insiktsfulla hypotes (5, 6).

Vi visste att glukagon var den primära on-signalen för hepatisk ketogenes (7). När den väl har inletts är ketonproduktionens hastighet beroende av nivån av långkedjiga fettsyror som når levern. Glukagonsignalering utlöser fosforylering och aktivering av AMPK. AMPK fosforylerar i sin tur de två acetyl-CoA-karboxylaserna och blockerar därmed syntesen av malonyl-CoA. Det ökar samtidigt destruktionen av malonyl-CoA genom att aktivera malonyl-CoA-dekarboxylas (Figur (Figur1).1). Fallet i malonyl-CoA stoppar fettsyrasyntesen och aktiverar CPT1 och ketogenes (8). Vi visade också att malonyl-CoA-systemet fungerar i skelett- och hjärtmuskulaturen, trots att dessa vävnader inte tillverkar ketoner (9).

Interessant nog upptäckte vi senare att interaktionen mellan malonyl-CoA och karnitin med CPT1 skiljer sig åt i lever och muskler. Hämning av CPT1 i levern kräver tio gånger högre koncentration av malonyl-CoA än vad hämning av CPT1 i muskeln och hjärtat gör. Omvänt är Km för karnitin mycket lägre i levern än i muskeln. Dessa skillnader blev viktiga när vi klonade och sekvenserade lever- och muskelenzymerna.

Den minskade malonyl-CoA-koncentrationen är livräddande under nattfastan och, ännu viktigare, under långvarig fasta eller svält (1, 2). Den kan dock också vara dödlig vid okontrollerad typ 1-diabetes, där markant ökade koncentrationer av långkedjiga fettsyror flyttar det kemiska tillståndet från blygsam ketos till fullfjädrad ketoacidos om den inte behandlas (10).

Ett allvarligare problem än den övergående sänkningen av malonyl-CoA inträffar hos individer som bär på genetiska brister i de enzymer som kontrollerar karnitinnivåerna och fettoxidationen. Systemisk karnitinbrist på grund av en mutation i karnitintransportören OCTN2 var den första identifierade orsaken till syndromet hypoketotisk hypoglykemi, som kan leda till plötslig spädbarnsdöd (11). Karnitinbrist orsakar också leversvikt, hög ammoniakhalt, hjärnödem, hjärtarytmier, kardiomyopati och muskelsvaghet med rhabdomyolys.

I efterhand har upptäckten av malonyl-CoA-regleringssystemet haft en inverkan som sträcker sig långt utanför frågan om ketogenes. Systemet är aktivt i hypotalamus, där det bidrar till regleringen av födointag, i hjärtat, där fettsyraoxidation påverkar utfallet av hjärtinfarkt, och i levern, där icke-alkoholisk steatos kan minskas genom ökad fettsyraoxidation, och det är relevant vid fetma, där en ökad mitokondriefunktion kan leda till viktnedgång.

Jag träffade professor Krebs när han undervisade vid UT Southwestern i biokemikursen för förstaårsstudenter i flera år. Det var anmärkningsvärt och rörande att han, upptäckaren av citronsyracykeln, gratulerade oss till att ha löst ketogenesen.