がん細胞におけるグリコーシスの調節におけるラクテートデヒドロゲナーゼの動力学的および熱力学的洞察とその三酸化炭素サイクルおよび酸化的リン酸化への影響の解明

Centrala begrepp

ラクテートデヒドロゲナーゼ(LDH)の阻害は、グリコーシス、三酸化炭素サイクル(TCA)、および酸化的リン酸化(OXPHOS)を抑制する。この抑制は、LDHの阻害によって引き起こされる一連の動力学的および熱力学的変化の結果である。

Sammanfattning

本研究は、ラクテートデヒドロゲナーゼ(LDH)の阻害ががん細胞のグリコーシス、三酸化炭素サイクル(TCA)、および酸化的リン酸化(OXPHOS)を抑制する機序を解明したものである。

主な知見は以下の通り:

1. LDHAまたはLDHBの単独欠損では、グリコーシス、TCA、OXPHOSに大きな影響はなかった。しかし、LDH阻害剤GNE-140を併用すると、これらのプロセスが大幅に抑制された。

2. LDH阻害は、遊離NADH濃度の上昇と遊離NAD+濃度の低下を引き起こし、これがグリコーシス上流のGAPDHの活性を阻害した。その結果、グリコーシス中間体の濃度バランスが乱れ、グリコーシス経路の熱力学的状態が変化し、グリコーシスが抑制された。

3. LDH阻害は、グリコーシス由来のピルビン酸のTCAへの流入を減少させるとともに、TCA中間体の流出も抑制した。その結果、TCAおよびOXPHOSが抑制された。

4. 低酸素条件下では、LDH阻害によるエネルギー危機、酸化還元状態の不均衡が誘発され、がん細胞死が引き起こされた。

以上の結果から、LDHの阻害はグリコーシス、TCA、OXPHOSを抑制することが明らかになった。この抑制は、LDH阻害によって引き起こされる一連の動力学的および熱力学的変化が原因であることが示された。

Statistik

LDHAまたはLDHBの欠損は、グルコース消費率や乳酸生成率に大きな影響を与えなかった。
GNE-140によるLDH阻害は、HeLa-LDHBKO細胞でグリコーシスを強く抑制した。
GNE-140処理によって、グリコーシス中間体(FBP、DHAP、GA3P)の濃度が増加し、3PGの濃度が減少した。
GNE-140処理によって、PFK1、アルドラーゼ、TPI、PGAMの反応のΔGが変化し、反応が逆方向に傾いた。
GNE-140処理によって、グルコース由来のピルビン酸のTCAへの流入が減少し、TCA中間体の流出も抑制された。
低酸素条件下では、GNE-140によるグリコーシス抑制がより強く、エネルギー危機と酸化還元状態の不均衡が誘発された。

Citat

「LDHの阻害は、遊離NADH濃度の上昇と遊離NAD+濃度の低下を引き起こし、これがグリコーシス上流のGAPDHの活性を阻害した。」
「LDH阻害は、グリコーシス由来のピルビン酸のTCAへの流入を減少させるとともに、TCA中間体の流出も抑制した。その結果、TCAおよびOXPHOSが抑制された。」
「低酸素条件下では、LDH阻害によるエネルギー危機、酸化還元状態の不均衡が誘発され、がん細胞死が引き起こされた。」

Viktiga insikter från

Elucidating the kinetic and thermodynamic insight into regulation of glycolysis by lactate dehydrogenase and its impact on tricarboxylic acid cycle and oxidative phosphorylation in cancer cells

by Zeng,S., Wan... på www.biorxiv.org 06-27-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.26.600909v1

Djupare frågor

がん細胞以外の細胞におけるLDHの代謝調節機能はどのように異なるか?

がん細胞における乳酸脱水素酵素（LDH）は、主に解糖系とミトコンドリア呼吸の間の代謝フラックスを調節する重要な役割を果たしています。がん細胞では、LDHの活性が高く、解糖系から生成されたピルビン酸の大部分が乳酸に変換され、ミトコンドリアへの流入が抑制されることが一般的です。一方、正常な細胞では、LDHの活性はがん細胞ほど高くなく、解糖系からのピルビン酸はより多くミトコンドリアに送られ、トリカルボン酸回路（TCA）や酸化的リン酸化（OXPHOS）に利用されます。このため、正常細胞ではエネルギー生産がより効率的に行われ、解糖系とTCAのバランスが保たれています。さらに、正常細胞では酸素供給が十分であれば、解糖系の活性は低下し、ミトコンドリア呼吸が優先される傾向があります。したがって、LDHの代謝調節機能は、がん細胞と正常細胞で異なり、がん細胞では解糖系が優位に働く一方で、正常細胞ではミトコンドリア呼吸が優位に働くことが示唆されます。

LDH以外の代謝酵素の阻害がグリコーシス、TCA、OXPHOSに及ぼす影響はどのようなものか?

LDH以外の代謝酵素の阻害は、解糖系、TCA、OXPHOSに多様な影響を及ぼします。例えば、解糖系の初期段階であるヘキソキナーゼ（HK）やグリセルアルデヒド-3-リン酸脱水素酵素（GAPDH）の阻害は、解糖系のフラックスを直接的に低下させ、ピルビン酸の生成を減少させます。これにより、TCAへの基質供給が減少し、最終的にはOXPHOSの効率も低下します。また、TCA回路の酵素であるイソクエン酸デヒドロゲナーゼやα-ケトグルタル酸デヒドロゲナーゼの阻害は、TCAの中間体の生成を妨げ、NADHやFADH2の供給を減少させ、OXPHOSの効率を低下させる可能性があります。これらの酵素の阻害は、細胞のエネルギー代謝に深刻な影響を与え、ATPの生成を減少させ、細胞の生存に影響を及ぼすことがあります。

本研究の知見は、がん治療以外の分野でどのように応用できるか?

本研究の知見は、がん治療以外の分野でも多くの応用が考えられます。例えば、代謝異常が関与する糖尿病や肥満などのメタボリックシンドロームにおいて、LDHの阻害が解糖系の調節に寄与する可能性があります。LDHの阻害によって、解糖系のフラックスが抑制され、エネルギー代謝のバランスが改善されることで、インスリン感受性が向上するかもしれません。また、心筋梗塞や脳卒中などの虚血性疾患においても、LDHの阻害が細胞のエネルギー代謝を改善し、細胞死を防ぐ可能性があります。さらに、LDHの阻害剤は、運動生理学においても利用され、持久力トレーニングや疲労回復に寄与することが期待されます。このように、本研究の知見は、がん治療に限らず、さまざまな代謝関連疾患の治療や予防に応用できる可能性があります。