葡萄糖代谢在细胞生物学中的广泛关注，尤其是低氧条件下癌细胞如何调整其代谢途径以适应能量和营养需求的变化。尽管葡萄糖代谢已经得到了深入研究，但葡萄糖衍生的分泌型甘油在代谢中的作用尚不明确。在低氧条件下，癌细胞为了适应环境变化，必须重新调整其代谢途径，以管理电子传递和防止因NADH积累而引起的还原性压力，而甘油的生物合成和分泌可能在这一过程中扮演关键角色。
首都医科大学
李兵辉教授
团队
研究了在低氧条件下，细胞如何通过调节甘油的生物合成和分泌来维持代谢平衡。研究发现，低氧诱导的NADH积累促进了甘油的分泌，这一过程不仅减轻了还原性压力，还通过消耗ATP影响了能量平衡。关键酶ALDOB与GPD1/GPD1L形成复合物，促进甘油的生物合成，而AMPK通过磷酸化ALDOB来负向调节这一过程，以防止能量耗竭。
详细内容以“AMPK-regulated glycerol excretion maintains metabolic crosstalk between reductive and energetic stress”为题发表在《
Nature Cell Biology
》上。
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主要内容
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图1 低氧促进甘油排泄以支持细胞生长
通过敲除GPD1、GPD1L或PGP基因，研究者发现这些基因的敲除显著降低了甘油排泄和细胞活力，并诱导了细胞死亡，尤其是在同时敲除GPD1和GPD1L时效果更为明显。此外，PGP基因敲除几乎完全阻断了甘油排泄，并显著抑制了细胞活力和诱导了细胞死亡，这些表型在PGP重新表达时得以恢复。上图显示了PGP基因敲除对裸鼠肿瘤生长的抑制效果，以及与PGP基因型相比，PGP基因敲除肿瘤组织中细胞死亡的增加。研究还发现肿瘤携带小鼠的血清甘油水平显著升高，且患有宫颈癌、肺癌和肝癌的患者血清甘油水平高于健康对照组，这些发现表明低氧条件下促进甘油生物合成和排泄以支持肿瘤细胞增殖。
图2 低氧通过NADH积累促进甘油排泄
低氧增加了NADH/NAD
+
比例，而甘油的生物合成和排泄有助于维持NADH/NAD
+
平衡。通过抑制或过表达特定酶，研究者们发现甘油的生物合成和排泄对于细胞在低氧条件下的存活至关重要。此外，AMPK通过磷酸化ALDOB来抑制甘油的合成，以减轻因NADH积累引起的能量危机。
图3 低氧促进的甘油排泄依赖于HIF1α的诱导
低氧条件下NADH/NAD
+
比例的增加，以及通过补充α-ketobutyrate或抑制LDH和FADS2来调节NADH积累，进而影响甘油分泌的实验结果。并且揭示了HIF1α的诱导对于低氧条件下甘油分泌的重要性，以及GLUT1和HK2在调节葡萄糖摄取和乳酸排泄中的作用。
图4 组成性增加的甘油生物合成抑制肿瘤生长
图中展示了在低氧条件下，通过过表达GPD1、GPD1L或PGP来增加甘油分泌对HeLa和A549细胞的影响。结果显示，这些酶的过表达增加了甘油的分泌，并且在低氧条件下促进了细胞增殖，但在营养不足的条件下却降低了细胞活力，这可能是由于加速了葡萄糖的消耗。此外，过表达这些酶的细胞在营养不足的条件下显示出能量应激的迹象，如AMPKα T172和ACC1 S79的磷酸化增加。在体内，这些酶过表达的HeLa或A549细胞形成的肿瘤生长速度比野生型细胞慢，且肿瘤组织中也观察到了能量应激的迹象。这些发现表明，虽然甘油的生物合成和分泌对肿瘤生长是必要的，但其失调可能对肿瘤生长不利。
图5 ALDOB和GPD1/GPD1L形成一个负责甘油生物合成的复合物
ALDOB的过表达显著促进了甘油的分泌，而不影响葡萄糖摄取和乳酸排泄，而ALDOB的敲低则减少了甘油分泌并抑制了低氧条件下的细胞增殖。此外，通过共免疫沉淀实验和体外下拉实验，证实了GPD1与GPD1L以及ALDOB之间的直接相互作用，这些发现强调了ALDOB在甘油生物合成途径中的核心地位，以及其与GPD1/GPD1L复合物的形成对于调节甘油分泌的重要性。
图6 AMPK使ALDOB磷酸化并失活
研究发现，AMPK激活剂A769662能够减少甘油的分泌并略微增加葡萄糖摄取，而AMPK的抑制剂Compound C则增加了甘油分泌。通过免疫共沉淀和体外激酶实验，证实了AMPK可以直接与ALDOB相互作用并磷酸化其Thr-245位点，导致ALDOB活性降低。此外，ALDOB的Thr-245位点的突变实验进一步证实了该位点的磷酸化对ALDOB活性和甘油分泌的影响，从而揭示了AMPK在调节细胞代谢和应对能量应激中的作用。
图7 还原应力与能量应力之间的权衡调节
研究发现，通过α-ketobutyrate (αKB) 和 LbNOX 减少NADH积累可以缓解由呼吸链抑制或低氧条件引起的能量危机，表现为ATP/AMP比率的恢复和AMPK及ACC1磷酸化的减少。同时，使用mTOR抑制剂Torin-1和Rapamycin可以恢复ATP/AMP比率并抑制AMPK和ACC1的磷酸化，而不会影响NADH积累，表明增加的NADH/NAD+比例并不直接引起能量压力，而是NADH积累通过代谢重编程在低氧或呼吸链抑制下驱动能量危机。此外，AMPK的抑制可能使癌细胞在营养不足的环境中对NADH积累更加敏感。这些结果揭示了在低氧条件下，细胞如何通过调节代谢途径来平衡还原性压力和能量需求，以及AMPK在这一过程中的关键作用。
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全文总结
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本文揭示了在低氧条件下，癌细胞通过AMPK-ALDOB信号轴调节甘油的生物合成和分泌，以维持还原性压力和能量压力之间的代谢平衡。研究发现，低氧诱导的NADH积累促进了甘油的分泌，这一过程虽然减轻了还原性压力，但也消耗了ATP，可能导致能量危机。为了应对这一挑战，AMPK通过磷酸化ALDOB来抑制甘油的合成，从而在低氧环境下平衡细胞的代谢需求。这一发现不仅增进了我们对癌细胞代谢适应性的理解，也为癌症治疗提供了新的靶点。
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