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Science丨嘧啶维持线粒体丙酮酸氧化以支持脂肪从头合成

BioArt · 公众号 · · 2024-04-30 10:31

正文

撰文丨亦

众所周知，嘌呤尤其是腺苷三磷酸ATP为许多代谢反应提供能量【1-2】。嘧啶核苷酸在核酸合成、糖基化和磷脂合成等生物学过程中扮演重要作用【3-5】，但我们对细胞内的另一类物质嘧啶在代谢中的直接作用却知之甚少。

近日，来自美国西北大学范伯格医学院的Issam Ben-Sahra团队在Science上发表了题为Pyrimidines maintain mitochondrial pyruvate oxidation to support de novo lipogenesis的文章，揭示了嘧啶在维持丙酮酸氧化和三羧酸循环TCA中的作用。

作者首先在人宫颈癌细胞系HeLa中进行了靶向代谢物图谱分析，而后利用CRISPRCas9技术构建了缺失了嘧啶从头合成的限速酶CAD或UMPS的人胚胎肾HEK293E和HeLa细胞系模型，利用同位素追踪技术，作者发现无论是酵母还是小鼠模型亦或是人类细胞，嘧啶的丰度下降都会影响丙酮酸代谢。接下来，作者对缺失CAD或UMPS的细胞系进行丙酮酸代谢中不同角度的评估，发现在嘧啶减少的情况下，丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）的活性、线粒体NADH氧化的维持以及复合物I的活性均受到影响。进一步地，作者惊奇地发现嘧啶对PDH的调控不依赖于丙酮酸脱氢激酶（pyruvate dehydrogenase kinases，PDKs）。对缺失CAD的HeLa细胞系的非靶向代谢物图谱分析显示，嘧啶的丰度改变富集对特定代谢物丰度的影响，包括丙酮酸、维生素B1、蛋氨酸、酪氨酸和葡萄糖代谢。其中，抑制嘧啶合成显著减少了HeLa、HEK293E和mES细胞系中焦磷酸硫胺素（thiamine pyrophosphate，TPP）的数目。同位素追踪显示，细胞内的嘧啶在小鼠肝TPP合成中发挥独特作用，嘧啶支持TPP的合成和中心碳代谢。

以往的研究表明，焦磷酸硫胺素激酶1（thiamine pyrophosphate kinase 1，TPK1）能够将UTP作为底物。作者试验后发现，UTP对于TPP合成和丙酮酸氧化是必需的。当UTP浓度减少约50%时，丙酮酸氧化出现明显下滑，而CTP的删除却不影响丙酮酸代谢。进一步地，作者发现UTP是TPK1在产TPP时的偏好底物，二者存在特异且直接的结合。通过对核苷酸结合位点的虚拟筛选，作者鉴定出了TPK1结构中高度保守的残基，其会形成UTP结合口袋。

在发现UTP的浓度影响TPP合成和柠檬酸合成后，作者对脂肪合成和三羧酸循环也进行了探究。他们对HEK293E、HeLa和小鼠成纤维细胞系进行碳定量，发现嘧啶对脂肪生成有调控作用且可能依赖于PDH。于是作者构建了缺失PDHA1和UMPS的细胞系，这些细胞系中尿苷的缺失减少了脂肪生成。进一步地，嘧啶的缺失影响了脂肪细胞的分化，在低浓度的尿苷中，脂肪细胞的分化能力下降。