细胞代谢与疾病：代谢异常值教给我们什么？

摘要

简介–新陈代谢渗透生物学的各个方面

代谢被广泛定义为生物体内产生或消耗能量的生物化学过程的总和。这是一个惊人的大总和：现在京都基因和基因组百科全书中注释了8700多个反应和16000多种代谢产物(http://www.genome.jp/kegg/pathway.html). 核心代谢可以简化为包含丰富营养物质的途径，如碳水化合物、脂肪酸和氨基酸，这些营养物质对人体能量平衡和大分子合成至关重要(图1). 核心代谢途径可以很方便地分为三类：合成简单分子或将其聚合为更复杂的大分子的途径（合成代谢）；降解分子以释放能量的物质（分解代谢）；以及那些有助于消除其他类别产生的有毒废物的废物（废物处理）。这些途径极其重要。坦率地说，它们是唯一的能量来源，使生命能够抵抗退化为熵的冲动。

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图1

中间代谢综述

核心代谢的简化观点，重点是利用主要营养物质（葡萄糖、氨基酸和脂肪酸）生产或储存能量以及生长。

定义这些途径并理解它们的生理作用是生物学研究中最富有成果的追求之一。“生物化学的黄金时代”（大约20世纪20年代至20世纪60年代）定义了负责人类和其他生物体营养利用和能量生产的大多数代谢网络。这些核心活动包括糖酵解（Embden、Meyerhof和Parnas）、呼吸（Warburg）、三羧酸（TCA）和尿素循环（Krebs）、糖原分解代谢（Cori和Cori）、氧化磷酸化（Mitchell）和ATP在能量传递反应中的优势（Lipmann）。在这几十年中，生物化学和代谢途径分析主导了基础和医学研究，大约有十五项生理学/医学或化学诺贝尔奖授予与能量平衡或核心代谢途径相关的工作。到这一时期结束时，在酶控制的层面上，人们有可能理解诸如燃料偏好的时间和组织特定调节等复杂问题(克雷布斯，1972年).

新陈代谢紊乱伴随着人类常见疾病的认识推动了新陈代谢研究。这种见解早于对新陈代谢的正式研究好几个世纪。大约2000年前，Celsus知道丰富的食物和饮料会诱发痛风发作，印度医生知道糖尿病患者的尿液会吸引蚂蚁，而正常的尿液则不会(特洛伊尔，1982年). 在黄金时代，人们对精确的代谢活动与疾病状态之间的关系有了更大的认识，但随着20世纪后半期生物学研究新领域的出现，代谢研究的势头逐渐减弱^第个可能是因为人们怀疑，关于中间代谢的大部分已知信息都已经被发现了。对癌症、糖尿病、肥胖和神经退行性变的遗传和分子基础的研究，取代了人们对这些疾病代谢状态改变的认识。许多常见疾病现在被理解为遗传或体细胞突变，这些突变影响基因表达、信号转导、细胞分化和其他传统上从生物能量学或代谢角度看不到的过程。

具有讽刺意味的是，对细胞生物学和疾病的不断探索最近激发了人们对小分子代谢的兴趣(2010年，麦克奈特). 过去的十年揭示了代谢物和代谢途径的许多功能，这些功能是无法从传统的生物化学理解中预测的。因此，不再可能仅仅将新陈代谢视为独立于其他生物系统运行的自我调节网络。相反，新陈代谢影响或受到几乎所有其他细胞过程的影响；生物学研究中再也没有完全摆脱新陈代谢影响的空间了。当人们认为能量代谢的基本方面在整个进化过程中是保守的，而多细胞生物的更高水平的调节和复杂的组织出现得更晚时，这也许并不奇怪。

最近的工作已经确定了许多调节机制，这些机制要么将细胞信号与代谢途径的协调联系起来，要么使细胞能够感知燃料可用性并通过信号网络传输信息(图2). 生物化学途径在细胞对生长因子的反应中的整合就是一个很好的例子。在大多数哺乳动物细胞中，只有在细胞外配体的促进下才能生长。这些生长因子刺激信号转导途径，如磷酸肌醇3'-激酶（PI3K）/Akt/哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）途径。这一途径和其他途径的激活改变了许多靶点的磷酸化状态，这些靶点共同协调细胞活动，最终导致细胞分裂。但是，只有重新规划新陈代谢以满足日益增长的增殖需求，才能从静止状态成功过渡到生长状态。生长因子诱导的信号传导协调这些功能，包括维持允许生长的生物能量状态(Lum等人，2005年). 尤其是，PI3K/Akt/mTOR途径刺激必需营养素吸收的快速增加，以及这些营养素在分解代谢和合成代谢途径中的适当分配，以分别产生能量和大分子(Gibbons等人，2009年). 任何这些代谢作用的中断都会使生长因子失效。

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图2

新陈代谢有助于实施细胞生长计划

在哺乳动物中，细胞生长和增殖受细胞外因子控制。这些配体与细胞表面受体结合并启动信号转导级联，刺激多种细胞活动以实现生长和复制分裂。这些影响需要适当控制新陈代谢。生长因子信号转导的近期效应之一是增加葡萄糖和其他营养物质转运体的表面表达，这些转运体提供能量和代谢前体以产生大分子。这些营养素的分解代谢（重箭头）产生二氧化碳和能量。如果营养素过量，通过这些基本分解代谢途径的流量得到满足，则来自核心代谢的其他途径会被诱导传播生长信号。己糖胺生物合成通过使细胞维持生长因子受体和营养物质转运蛋白的表面表达来增强生长信号。由乙酰辅酶A合成酶（ACS）和ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）产生的乙酰辅酶a为脂类和其他大分子的合成以及乙酰化反应提供底物，以调节基因表达和酶功能。生长因子信号传导期间的有利能量状态也抑制AMPK，从而允许细胞参与能量消耗生物合成途径并在细胞周期中进行。

动态机制还可以感知细胞能量状态，调节合成代谢和分解代谢之间的平衡。当PI3K/Akt/mTOR途径促进合成代谢并抑制分解代谢时，AMP-activated protein kinase（AMPK）起相反作用(图2). 这种丝氨酸-三嘌呤激酶是一种“燃料传感器”，在受到损害的生物能量状态（如急性营养剥夺和缺氧）下被激活(Hardie，2011年). 通过磷酸化许多关键靶点，AMPK使蛋白质和脂质合成等消耗能量、促进生长的途径失活，并激活脂肪酸和其他燃料的分解代谢。这使电池能够重新平衡能源供应和需求。有趣的是，AMPK还调节培养细胞中由葡萄糖剥夺激活的p53依赖性细胞周期检查点，从而限制能量不利状态下的生长(Jones等人，2005年). AMPK还通过在丝氨酸36上定位到染色质和磷酸化组蛋白H2B来协调应激反应基因的表达，这种活性促进了AMPK对基因表达的影响(Bungard等人，2010年). 因此，AMPK执行了一系列活动，使细胞能够对能源短缺做出决定性和全面的反应。

新陈代谢还通过为翻译后修饰提供底物来影响细胞信号传递，这些修饰可调节蛋白质运输、定位和酶活性。最明显的例子是ATP，它为激酶级联中的磷酸化提供底物。但其他例子涉及由核心代谢产生的更复杂途径中产生的代谢物。这些修饰可以表明营养丰富的状态，因为产生足够数量的蛋白质修饰所需的代谢产物需要获得超过运行基本生物能量计划所需水平的营养。例如，葡萄糖和谷氨酰胺都是丰富的营养物质，在生长因子刺激的细胞中分解代谢产生能量。但他们也在另一种生化途径中合作生产己糖胺，己糖胺修饰营养物质转运蛋白和生长因子受体，使其能够在细胞膜上表达(图2). 除非葡萄糖的含量足以通过己糖途径提供流量，否则细胞将失去对生长因子信号的反应能力，不再吸收生长所需的全部营养素(Wellen等人，2010年). 类似的例子包括脂肪酸和其他类脂质分子对信号传导介质的翻译后修饰，这有助于这些蛋白质的膜定位和/或活化。

乙酰辅酶a（Acetyl-CoA）是碳水化合物、脂肪酸和氨基酸氧化交汇处的一种中枢代谢物，对细胞信号传导具有重要影响。组蛋白N末端尾部赖氨酸残基的乙酰化是染色质动力学和基因表达的主要因素。用于修饰组蛋白的乙酰-CoA基团主要由酵母中的乙酰-Co a合成酶和哺乳动物细胞中的ATP-柠檬酸裂解酶产生，这两种酶都进入细胞核，从而产生局部的乙酰-CoS池(图2). 这些酶功能的丧失减少了组蛋白乙酰化，对基因表达产生全局影响(Takahashi等人，2006年;Wellen等人，2009年). 除组蛋白外，许多其他细胞蛋白也被乙酰化，包括核心代谢途径中的大多数酶(赵等，2010). 在肝脏中，这些修饰似乎与喂食/快速循环同步调节代谢流量。例如，糖异生和尿素循环中几个关键酶的乙酰化状态与其稳定性或活性相关。在哺乳动物和细菌中，酶乙酰化作用根据细胞可获得的营养物质而波动(Wang等人，2010年;赵等，2010). 因此，单细胞和多细胞生物都使用代谢介导的翻译后修饰来匹配营养丰富性和碳在整个代谢网络中的分布。

脱乙酰反应也调节新陈代谢(图2). 脱乙酰酶的一类，即西尔图因，是依赖于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的脱乙酰酶，其靶点包括组蛋白和代谢酶。Sirtuins是将热量限制与长寿联系在一起的关键进化保守因素。模型系统中sirtuins的过度表达可改善多种与年龄相关的表型，包括癌症、糖尿病和神经变性(Guarente，2011年). 人们对识别西尔图因的有效药理激活剂来治疗或预防这些疾病有着极大的兴趣。有趣的是，一些sirtuin定位于线粒体，在那里它们去乙酰化或以其他方式修饰代谢酶。目前尚不清楚这些sirtuins是否能拮抗as-y未经鉴定的线粒体乙酰转移酶的作用或逆转非酶乙酰化，但证据表明它们在调节饲料/快速循环期间分解代谢诱导和废物处理方面的重要性。例如，尿素循环酶氨甲酰磷酸合成酶（CPS）在禁食期间被sirtuin SIRT5脱乙酰化(Nakagawa等人，2009年). 这可能使肝脏能够适应因禁食状态刺激而增加的氨基酸降解和氨生成。CPS是以前被认为主要通过变构机制调节的许多酶之一，但现在被认为受到额外水平的控制。

乙酰辅酶A水平也调节真核生物中较高水平的组织，特别是基本过程，如细胞生长的承诺。当芽殖酵母在葡萄糖限制条件下培养时，它们在与同步细胞生长相关的代谢循环中集体振荡(Tu等人，2005年). 细胞内乙酰辅酶A的增加与生长基因的诱导同步发生，一团细胞外营养物质很容易转化为乙酰辅酶A，导致细胞缩短代谢周期并直接进入生长(Cai等人，2011年). 在含有生长基因的染色质的特定区域，乙酰辅酶A的峰值伴随组蛋白乙酰化。因此，在这些细胞中，细胞外营养素通过乙酰辅酶a传递的信号刺激基因表达，最终导致细胞生长/分裂。

所有这些领域的工作都强调，从单细胞到整体水平，新陈代谢渗透到生物学的各个方面。没有独立于新陈代谢的细胞功能发生，一个节点的新陈代谢扰动具有连锁反应，可以扩展到整个网络并延伸到其他系统。因此，代谢紊乱的影响范围非常长，这延伸到了疾病表型。

人类新陈代谢中的遗传变异及其对健康和疾病的影响

个体间的代谢变异大多是由基因决定的。代谢衍生表型对人类疾病和实验生物学史都具有深远的意义。事实上，遗传学的大多数经典实验都遵循由代谢突变引起的表型。根据孟德尔的豌豆种子是否表达淀粉支链酶的野生型或突变等位基因，其种子光滑或起皱(Bhattacharyya等人，1990年)T·H·摩根紧随其后果蝇属反映色素合成所需代谢物运输改变的眼睛颜色表型(Sullivan和Sullivan，1975年). 这样的观察最终导致了遗传和表型遗传的“单基因一酶”形式(Beadle and Tatum，1941年)是分子生物学中心法则的先驱。

代谢变异也会导致人类表型，极端代谢扰动的特征培养了这样一个概念，即人类疾病可以作为简单性状遗传。这个想法是由阿奇博尔德·加罗德（Archibald Garrod）在20世纪头十年在伦敦提出的^第个世纪。加罗德的发现是由一种不同寻常的兴趣组合推动的：化学、尿液色素和关节疾病（其中一些显然是从他的父亲那里遗传的，他第一次在痛风患者的尿液中观察到尿酸晶体）。加罗德的突破是观察到，尿碱尿症（一种以尿中大量分泌色素生成的匀浆酸为特征的关节炎疾病）在常染色体隐性遗传的家庭中复发(加罗德，1902年). 值得注意的是，加罗德在论文中提到的孟德尔豌豆实验被重新发现后仅仅两年就报告了这一发现。加罗德在白化病、胱氨酸尿症和戊糖尿症中观察到类似的遗传代谢异常，将这些疾病统称为“先天性代谢错误”，并于1923年发表了关于这一主题的开创性论文。这最终确立了代谢途径在人类健康中的重要性，相反，也确立了遗传定义的代谢异常值对疾病的影响。

现在有大约500个公认的IEM(Childs等人，2001年)使其成为最大的可遗传人类疾病类别。IEM基本上涉及到所有已知的生物化学途径和器官系统，导致一系列极其广泛的表型，包括代谢产物丰度的临床沉默异常、有毒大分子的慢性/渐进性积累，以及严重、严重威胁生命的生物能量灾难状态。绝大多数IEM都是由酶和转运体的隐性遗传功能丧失突变引起的，尽管有些是由刺激基本酶活性或激发全新功能的突变引起的(Kranendijk等人，2010年;Stanley等人，1998年). 受IEM影响的个体通常表现出接近完全丧失正常的通路功能，这使他们相当于人类基因敲除。尽管如此，许多严重的IEM与胚胎发育和产后生活相适应，但可能会导致严重的器官系统功能障碍或特定的病理。许多IEM，尤其是涉及核心路径的IEM图1通过调整饮食来减少接触有害营养素，这些干预措施大大改善了健康和寿命。

IEM提供了代谢功能障碍“边缘生活”的宝贵观点。事实上，我们对人类新陈代谢的全面了解在很大程度上归功于IEM患者的临床护理。线粒体脂肪酸氧化被认为是一种有效的生物能量代谢途径，但其在人体能量稳态中的特殊作用从长期禁食导致的严重的、危及生命的低酮症低血糖症中变得明显，这种低血糖症是由该途径功能减弱的儿童引起的(Houten and Wanders，2010年). 同样，柠檬酸循环中的葡萄糖氧化为大脑产生大部分能量，但丙酮酸脱氢酶（PDH）在大脑发育中的关键作用明显表现为PDH催化亚基突变导致的严重中枢神经系统功能障碍(Robinson等人，1996年). 在其他例子中，一种酶或途径的生理功能在患者被鉴定为遗传缺陷之前是未知的。过氧化物酶体酶缺陷属于这一类。过氧化物酶体中发生血浆白蛋白的合成和长度为24-26个碳的脂肪酸的氧化，但只有在过氧化物酶功能障碍患者中观察到这些代谢物的异常水平时才能实现这一点(Wanders and Waterham，2006年).

自20世纪60年代以来，基于人群的努力大大拓宽了人类代谢多样性的视野，使其超越了明显疾病严重影响的个体。国家运营的新生儿筛查项目量化干血点中诊断代谢物的水平，目的是确定有症状的早产儿，及时治疗可以改善临床结果。这些程序源于罗伯特·古思里（Robert Guthrie）的工作，他在20世纪60年代开发了一种简单、廉价的检测苯丙酮尿症（PKU）新生儿的方法。苯丙氨酸（Phe）氧化和毒性Phe相关代谢物积累损害认知发育的遗传缺陷导致PKU。由于受影响的婴儿不会立即出现症状，通过筛查确定的新生儿早期开始减少Phe饮食可以避免发病。美国的PKU筛查试点工作非常成功，在10年内，美国和欧洲都在进行全面的筛查项目。自20世纪90年代以来，改进的分析技术，特别是高通量质谱法，使项目能够大幅增加所分析代谢物的数量。大多数程序现在从单个血液样本中检测到20多种个人疾病(Chace等人，2002年). 这些程序揭示了诊断代谢物水平异常的个体中存在显著程度的表型异质性，其中许多人从未出现任何临床症状。在某些情况下，在接受筛查项目的无症状婴儿的母亲中检测到临床上无症状的“疾病”，显然是因为母亲的少量代谢物通过胎盘、母乳或其他途径转移给未受影响的婴儿(Eichhorst等人，2010年). 在其他情况下，IEM曾被认为具有很强的渗透性和严重性，但现在在大多数人中似乎没有临床表现(Alfardan等人，2010年). 总的来说，对数百万婴儿进行代谢物筛查已经获得了关于人类代谢物丰度谱及其对疾病的预测价值的丰富数据。

将代谢产物分析与基因组研究相结合，确定了代谢多样性的其他遗传决定因素及其与疾病的关系。对大量人群的血脂水平进行分析发现，序列变异对血脂表型有重大影响(Cohen等人，2005年;Teslovich等人，2010年). 其他研究已经在数百名健康成年人中描述了更广泛的代谢物（酰基肉碱、氨基酸、前列腺素、鞘氨醇和甘油磷脂等）(Gieger等人，2008年;Illig等人，2010年). 将每种代谢物的丰度或相关代谢物比率视为数量性状，作者使用全基因组关联研究来搜索对代谢物丰度有较大影响的多态性。令人惊讶的是，这些研究确定了一些相对常见的等位基因，这些等位基因占代谢物水平变异的重要部分，有时超过总变异的20%(Gieger等人，2008年;Illig等人，2010年). 有几个例子表明，多态性改变了与可变代谢物直接相关的代谢酶的编码序列。其他多态性先前被证明与心血管疾病、痛风和2型糖尿病有关，所有这些都与核心代谢途径的改变有关(Suhre等人，2011年). 然而，也与药物毒性、克罗恩病和其他传统上认为与中间代谢无关的疾病有关(Suhre等人，2011年). 这些研究证明，人类广泛的新陈代谢多样性是由遗传程序决定的，它们强调新陈代谢与健康之间的密切联系。

癌症作为遗传定义的代谢异常的范例

癌症是一种常见的人类疾病，具有遗传定义的病理性代谢紊乱。细胞代谢的改变是癌症的标志，有助于恶性转化以及肿瘤的发生、生长和维持(Hanahan和Weinberg，2011年). 尽管最近代谢研究的复兴，特别是在核心代谢途径的基本调控方面的工作，在很大程度上归功于癌细胞生物学(Bensaad等人，2006年;Christofk等人，2008年;Gao等人，2009年;Matoba等人，2006年;Vander Heiden等人，2010年)肿瘤代谢紊乱的原理由来已久，几乎可以追溯到化学致癌物和病毒作为致癌剂的早期研究时代。20世纪20年代初，奥托·沃伯格（Otto Warburg）在癌症代谢方面进行了第一项严谨的研究，研究了组织切片的行为体外使用他自己实验室开发的测压技术(Koppenol等人，2011年). Warburg观察到，大鼠和人类的癌症切片比正常组织消耗更多的葡萄糖，分泌更多的乳酸，即使有足够的氧气将葡萄糖完全代谢为CO₂这被解释为癌症细胞中葡萄糖代谢调控方式的根本改变(沃堡，1956年). 在沃伯格对生物化学的许多开创性贡献中（他因在呼吸方面的工作而于1931年获得诺贝尔奖），他因这一观察而被人们铭记和引用最多，现在被称为沃伯格效应。

在Warburg之后，几代癌症生物学家和生物化学家完善了他的假设，并试图为其提供机械解释——但基本上，这些研究证实了一个中心观察结果，即许多肿瘤可以比周围组织更容易获得葡萄糖。这一特点解释了¹⁸氟-2-脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）对多种组织学类型的肿瘤进行成像。其他研究已经确定了肿瘤组织的额外代谢特征，最一致的是代谢谷氨酰胺和合成脂肪酸的趋势，这两种物质在实验模型中都能促进肿瘤生长(DeBerardinis和Cheng，2010年;Swinnen等人，2006年). 统一这些代谢途径的一个常见假设是，侵袭性肿瘤生长需要重新调整代谢，以满足细胞快速生长的生物能量和生物合成需求，并保护细胞免受恶劣微环境诱导的压力(Debrardinis等人，2008年;塞门扎，2010年;Shanware等人，2011年). 癌症细胞的代谢通量研究验证了这一模型，强调了这三条核心途径的整合(DeBerardinis等人，2007年). 因此，癌症是细胞水平的代谢紊乱如何导致疾病的范例。

是什么驱动肿瘤细胞的代谢重编程？与IEM一样，肿瘤的代谢特性是由基因定义的，由促进恶性肿瘤的相同突变引起。然而，在IEM中，种系突变会引起代谢的大规模变化，从而降低整体健康水平。癌症突变通常是通过身体获得的，并与代谢效应相关，这些代谢效应似乎会在细胞水平上增加适应性和生长。两类不同的突变可以重新编程肿瘤的代谢。首先，许多人类致癌基因和肿瘤抑制因子调节葡萄糖代谢(图3A) (DeBerardinis，2008年;琼斯和汤普森，2009年). 这些基因中的致瘤突变倾向于集中在糖酵解和能量生成增强的代谢表型上，从而促进生长的自给自足和回避生长抑制信号。PI3K/Akt/mTOR途径对这一过程至关重要，因为它调节营养吸收以及碳和氮在生物合成途径中的分配(Zoncu等人，2011年). 该途径下游的细胞生长需要诱导从头开始通过mTOR进行脂质合成，这种效应部分归因于甾醇调节元件结合蛋白（SREBP）的核定位增加，SREBP是一种碱性螺旋环-亮氨酸拉链转录因子，可激活一系列脂肪酶的表达(Porstmann等人，2008年). 最近的研究表明，mTOR对SREBP的影响涉及磷脂酸磷酸酶Lipin-1的磷酸化。mTOR依赖的Lipin-1磷酸化使其保留在胞质溶胶中，而mTOR抑制导致Lipin-1去磷酸化并转移到细胞核，在细胞核中参与核SREBP的耗竭(Peterson等人，2011年). 因此，将新陈代谢重新编程为促进细胞生长和增殖的平台，是生长因子信号通路和由这些通路的组成性激活导致的恶性肿瘤的重要组成部分。

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图3

癌细胞代谢

（A） 癌细胞主要依赖葡萄糖和谷氨酰胺来提供中间代谢。由这些营养物质喂养的、被认为对肿瘤细胞生长至关重要的几个代谢产物池以黄色突出显示。葡萄糖和谷氨酰胺的摄取和分解代谢受致癌信号调节。疑似代谢性肿瘤抑制因子（红色）和致癌基因（绿色）控制少数关键代谢物（粗体）的丰度，这些代谢物调节文本中描述的其他信号功能。这些信号传导活性可能有助于恶性转化或转化细胞内生长信号的传播。因此，除了它们在新陈代谢中的传统作用外，FH、SDH和2-HG脱氢酶还可以抑制致癌代谢物的水平。2SC，S-（2-琥珀酰）-半胱氨酸。

（B） 文中讨论的选定代谢物和酶的详细视图。缩写：Aco，乌头糖；异柠檬酸脱氢酶；α-酮戊二酸脱氢酶；SCS，琥珀酰辅酶A合成酶；琥珀酸脱氢酶；FH，富马酸水合酶；mut IDH1/IDH2，突变异柠檬酸脱氢酶1或2；(D类)-2HG DH；(D类)-2-羟基戊二酸脱氢酶。

其次，代谢重编程可以作为酶突变的直接影响发生。这是首次在一组IEM患者中观察到的，这些患者的癌症风险增加，尤其是肝细胞癌（HCC）。许多这些疾病要么涉及诱变剂的积累，要么导致肝硬化，肝硬化是肝癌的独立危险因素(Erez等人，2011年). 在这些情况下，代谢和恶性肿瘤之间的联系可能是间接的。但其他疾病会产生一种模拟癌基因激活的代谢状态。糖原贮积病1a型中葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）缺乏是肝细胞腺瘤和肝癌的危险因素，但肝硬化不是一个显著特征。G6Pase催化糖原分解和糖异生的最后一个共同步骤，G6Pase缺乏会导致极端的空腹不耐受和低血糖。这两条途径中的任何一条都不能生成葡萄糖，导致肝脏中葡萄糖-6-磷酸供应的其他途径大量流动，包括糖酵解、脂质合成和核苷酸代谢。伴随着肝内糖原和脂肪的大量积累，G6Pase缺乏患者的血液中乳酸、血脂和尿酸严重升高。肿瘤发生的病理生理学尚不清楚，葡萄糖代谢的重新定向如何影响肝细胞分化尚不清楚。但值得注意的是，G6Pase缺乏模仿了Warburg效应和其他肿瘤相关的代谢现象，将葡萄糖-6-磷酸分流到乳酸和其他代谢物池中。

最近很明显，癌症也与局限于肿瘤的代谢突变有关。在这些疾病中，代谢酶在基因上表现为致癌基因或肿瘤抑制因子(图3A) (Frezza等人，2011年a;汤普森，2009). 这些形式的癌症是确定代谢紊乱的细胞内在后果的独特机会。第一个这样的例子是家族性癌症综合征中TCA循环酶的突变。琥珀酸脱氢酶（SDH）是一种氧化还原酶复合物，在ETC和TCA循环中发挥作用，在家族性副神经节瘤中发现了突变(Baysal，2008年;Baysal等人，2000年). 在SDH复合体的所有四个亚单位中都发现了功能丧失突变(Baysal，2008年;Burnichon等人，2010年)中的、和SDH5型，编码与SDH的黄素腺嘌呤二核苷酸辅因子结合有关的蛋白质(Hao等人，2009年). 在以肾细胞癌和平滑肌瘤病（子宫和皮肤的平滑肌肿瘤）易感性为特征的家族综合征中，发现了TCA循环酶富马酸水合酶（FH）的突变(Tomlinson等人，2002年). 在患有SDH或FH缺乏肿瘤的家族中，受影响的个体遗传一个突变，其肿瘤显示野生型等位基因缺失。因此，SDH和FH都是肿瘤抑制剂。

SDH/FH功能障碍与恶性肿瘤之间的联系可能是多因素的(图3A). 强有力的证据表明，琥珀酸盐和/或富马酸盐刺激的细胞信号传导功能失调，这些信号在肿瘤中积累到高水平。这两种代谢物都被证明可以干扰可能参与肿瘤抑制的过程，包括c-Jun介导的嗜铬细胞瘤细胞凋亡(Lee等人，2005年)和AMPK信号(Tong等人，2011年). 此外，琥珀酸和富马酸均异常增加缺氧诱导因子（HIF）的功能。这些二聚体转录因子协调缺氧的代谢效应，包括葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶的表达增加。当细胞有足够的氧气供应时，HIF转录活性通过其α亚基（HIF-1α和HIF-2α）的结构性降解而受到限制。这需要脯氨酰羟化酶（PHD）、α-酮戊二酸依赖酶进行翻译后修饰，这些酶产生琥珀酸作为最终产物(图3B). 琥珀酸和富马酸都是具有竞争性的PHD抑制剂，这些代谢物在缺乏SDH或FH活性的细胞中大量积累，即使在氧气充足的条件下也会引发缺氧反应(Isaacs等人，2005年;Selak等人，2005年). 无论是否有氧气，这些作用都会长期平衡SDH和FH缺乏的细胞进行糖酵解。活性氧物种的积累是HIF稳定的一个独立触发因素，在SDH或FH缺陷的某些情况下可能会促成这一过程(Guzy等人，2008年;Sudarshan等人，2009年). 然而，HIF-1α和HIF-2α对于肾脏中FH缺乏的小鼠增生性肾囊肿的形成是不必要的(Adam等人，2011年)这表明了这些酶缺乏的额外后果。

有趣的是，由于富马酸的亲电特性，高水平的富马酸可以通过一种称为琥珀酸的过程来修饰半胱氨酸残基。这个过程将半胱氨酸上的巯基转化为S-（2-琥珀酰）-半胱氨酸（2SC），在某些情况下会干扰蛋白质功能(Alderson等人，2006年). 缺乏FH的细胞在Kelch-like ECH-associated protein 1（KEAP1）上具有高水平的琥珀酸化，KEAP1是一种电泳传感器，也是转录因子核因子E2相关因子2（Nrf2）的负调控因子(Adam等人，2011年;Ooi等人，2011年). Nrf2诱导一系列参与防御活性氧物种的基因表达，可能使恶性FH缺乏细胞能够耐受高水平的外源或内源性氧化剂。另一种可能性是，Nrf2激活对FH缺乏细胞产生代谢优势。Nrf2的目标之一是编码血红素氧合酶-1（HMOX1）的基因，HMOX1是一种参与血红素降解的酶。在FH缺乏细胞中，谷氨酰胺合成血红素然后通过HMOX1降解的途径得到增强，HMOX1沉默可阻止这些细胞形成集落(Frezza等人，2011年b). 尽管尚不清楚如何最好地利用这些效应进行癌症治疗，但这些发现共同表明，功能失调的线粒体代谢和TCA循环中二羧酸中间体的升高会促进肿瘤细胞中的异常信号传导。

其他酶突变可能作为致癌基因发挥作用。胶质瘤基因组测序(Parsons等人，2008年;Yan等人，2009年)和急性髓细胞白血病(Mardis等人，2009年)NADP两种亚型的突变⁺-依赖性异柠檬酸脱氢酶（IDH1和IDH2）。这些酶通常用NADP将异柠檬酸氧化为α-酮戊二酸⁺在该过程中还原为NADPH。癌症中的IDH1和IDH2突变是通过身体获得的，仅存在于一个等位基因上，并且局限于酶的活性部位。因此，与FH和SDH不同，很难将IDH1和IDH2作为肿瘤抑制剂。这些数据与改变酶活性位点的功能增益更为一致。代谢组学证实了这一怀疑：表达突变IDH1或IDH2的肿瘤组织和细胞系产生大量代谢物(D类)-2-羟基戊二酸（2-HG），当仅表达野生型酶时，其含量几乎不存在(Dang等人，2009年). 这种代谢物是由NADPH依赖性地将α-酮戊二酸还原为2-HG而产生的(图3A、B)，当突变和野生型等位基因同时表达时，一种非常有效的新形态酶活性(Pietrak等人，2011年). 2-HG在这些肿瘤中的存在是引人注目的，因为它反映了IEM和癌症之间最为确定的联系之一。儿童(L（左）)-2-羟基戊二酸尿，一种由缺乏(L（左）)-2-HG脱氢酶将2-HG转化为α-酮戊二酸，积累(L（左）)-所有体液中2-HG的异构体。大部分患有这种疾病的儿童都患有脑瘤或其他类型的癌症(Moroni等人，2004年). 因此，IDH1和IDH2的活性位点突变似乎赋予该酶致癌特性，而癌代谢物2-HG的产生可能是使易感细胞群进入转化状态的关键因素。

造成这种现象的机制现在正受到深入研究。令人惊讶的是，即使2-HG的大量积累也不会引起IDH1-突变肿瘤中代谢物水平的整体扰动(Dang等人，2009年). 最近的数据表明，2-HG通过影响以α-酮戊二酸为底物的50多种哺乳动物双氧酶中的一些来发挥其作用(图3A、B). 这些酶调节许多关键过程，包括组蛋白和DNA的甲基化。事实上，高浓度的2-HG抑制了α-酮戊二酸依赖性组蛋白去甲基酶和5-甲基胞嘧啶羟化酶的功能在体外、和主印尼盾1-或IDH2公司-突变肿瘤显示组蛋白和DNA甲基化发生广泛改变体内(Figueroa等人，2010年;Xu等人，2011年). 此外，尽管印尼盾1/25-甲基胞嘧啶羟化酶TET2测试急性髓细胞白血病经常发生，突变被发现是相互排斥的，表明这两种不同类型的突变对细胞产生多余的影响(Figueroa等人，2010年). 由于组蛋白和DNA的广泛甲基化变化可以广泛影响表观遗传学，印尼盾1/2突变有可能对细胞功能和分化产生巨大影响(图3A). 此外，如果这种表观遗传状态是由持续的2-HG效应维持的，则可能通过抑制突变的IDH1/2酶活性或增加α-酮戊二酸的可用性以重新刺激双加氧酶功能来逆转某些效应。应该强调的是印尼盾1/2胶质瘤的突变与较低的组织学分级和较慢的疾病进展率有关，这表明抑制突变的IDH功能可能会阻止其发展为最恶性的形式，多形性胶质母细胞瘤(Parsons等人，2008年;Yan等人，2009年).

IDH1、IDH2、SDH和FH在癌症中的惊人参与促使人们努力识别其他代谢基因，这些基因在基因组水平上的改变导致或促进肿瘤发生。这项工作最近发现了磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH），一种从葡萄糖中产生氨基酸丝氨酸和甘氨酸所需的酶(图3A). 丝氨酸和甘氨酸是各种生物合成过程中的关键中间体，包括核苷酸、蛋白质、谷胱甘肽、肌酸和甲基化DNA的生成。与正常组织相比，PHGDH蛋白的高水平表达与乳腺癌患者的疾病严重程度相关(Pollari等人，2011年). 有趣的是，与传统致癌基因一样，染色体1p12编码区PHGDH公司在很大一部分肿瘤中扩增，从这些肿瘤中获得的细胞株往往高度依赖PHGDH的表达(Locasale等人，2011年;波塞马托等人，2011年). PHGDH是否为真诚地癌基因，但过表达PHGDH足以促进乳腺上皮细胞的锚定独立性并干扰细胞极性，表型与恶性肿瘤一致(Locasale等人，2011年). 因此，高水平的PHGDH定义了另一类遗传定义的代谢异常值，这些异常值具有可能在癌症治疗中被利用的脆弱性。

前景、前沿和应用

我们从这里要去哪里？有了对新陈代谢影响的更广泛观点的支持，扭转由遗传决定的新陈代谢功能障碍引起的疾病状态应该变得越来越可行。应该从这一新信息中受益的一个领域是使用IEM治疗儿童。虽然饮食调整和其他进步大大降低了其中一些疾病的发病率和死亡率，但这些治疗往往是侵入性的，不能完全保护患者免受偶尔出现的严重代谢失代偿状态的影响，这可能导致永久性残疾。开发用于控制癌症代谢的药物可能会应用于其他具有相同代谢特征的疾病，如乳酸生产失调或TCA循环功能改变。例如，最近的研究表明，TCA周期或ETC突变的肿瘤细胞(Mullen等人，2011年)，或缺氧诱导的氧化代谢抑制(Metallo等人，2011年;Scott等人，2011年;怀斯等人，2011年)在生长过程中，使用α-KG的还原羧基化反应生成柠檬酸盐和其他前体。在这个反应中，IDH的NADPH依赖亚型与它们作为氧化脱羧酶的传统作用相反(图3B). 线粒体代谢固定缺陷患者，或围产期窒息、中风、心脏缺血和其他涉及病理性缺氧的疾病患者，可能存在类似的途径导致疾病。

此外，我们对肠易激综合征的病理生理学的理解仍然很大程度上依赖于主要关注分解代谢的传统中间代谢观点。大分子合成、染色质动力学和细胞更新的代谢调控才刚刚开始被考虑，代谢产物积累、细胞信号传递和其他与这些疾病高度相关的过程之间的相互作用应进一步研究。例如，IDH1/2突变肿瘤的生物学可能提供对以下患者中全球2-HG积聚的影响的见解(L（左）)-或(D类)-2-羟基戊二酸尿。最近的观察强调了这一点，即多达一半的患者患有(D类)-2-羟基戊二酸尿中含有杂合活性位点突变IDH2公司(Kranendijk等人，2010年). 目前尚不清楚这些患者或其他遗传形式的2-HG尿酸患者是否有任何表观遗传效应印尼盾1/2-突变肿瘤。

相反，应该可以将近100年的IEM临床经验用于癌症和其他疾病。人们对开发抑制肿瘤中Warburg效应的药物非常感兴趣，但由于糖酵解在人体组织中几乎普遍存在，因此人们担心此类药物的毒性。几乎每个已知代谢途径中都有大量特征明确的IEM，这可能为预测某些靶点的毒性类型提供了指导。SLC2A1型是HIF-1转录靶点，编码癌细胞中主要的葡萄糖转运蛋白GLUT1。GLUT1也是血脑屏障的主要转运蛋白，负责向大脑提供葡萄糖。GLUT1缺乏症具有广泛的表型谱，但其最常见的形式涉及严重的中枢神经系统表现，包括癫痫发作、精神发育迟缓和出生后大脑发育不良。脑脊液中的葡萄糖水平可能低于正常水平的一半。目前尚不清楚肿瘤相对于分化组织的糖依赖性增加是否会支持癌症治疗中可接受的治疗窗口，但在抑制GLUT1的尝试中显然需要格外谨慎。其他糖酵解性IEM表现不太严重。LDHA公司是HIF-1和c-Myc的转录靶点。它编码在大多数肿瘤中观察到的乳酸脱氢酶亚型，并负责癌细胞系中强劲的乳酸合成。严重LDHA缺乏也是一种特征鲜明的人类疾病，即糖原贮积病XI型。这种疾病会导致青少年和成年人的运动不耐受、痉挛和偶尔的肌红蛋白尿，但与主要稳态器官的严重功能障碍无关。也许在间歇性癌症治疗中可以耐受LDHA的抑制。正在进行的代谢组学和基因组学的基于人群的研究应揭示健康人类代谢多样性的全部范围，该信息可能有助于预测如何安全地靶向癌症中的代谢途径。

疾病中代谢状态的改变也为发展诊断成像的新方法提供了巨大的机会。一些代谢成像平台已经在临床实践中，尤其是FDG-PET。但是，随着对新陈代谢和疾病之间相互作用的认识不断扩大，扩大非侵入性技术的储备以检测病变组织并监测其对治疗的反应将变得更加可行。这方面的许多努力已经在进行中，并且在不久的将来有很好的机会转化为人类患者。除葡萄糖外，其他营养素对肿瘤代谢的重要性促使了几种新型PET癌症药物的开发，包括谷氨酸和谷氨酰胺(Koglin等人，2011年;Qu等人，2011年). 这些药物将增加另一级别的分子细节，以帮助评估单个肿瘤，并可能提高对FDG-PET上看不见的肿瘤的检测。几十年来，1.5特斯拉的磁共振波谱（MRS）一直被用于对癌症中丰富的代谢产物库进行半定量、非侵入性测量(Glunde和Bhujwalla，2011年). 最近，高场人体MRI系统大大提高了¹H光谱，使检测人类肿瘤中许多其他代谢物成为可能。人类胶质瘤中甘氨酸和2-HG等重要代谢物的成功定量已被报道(Choi，2011年a;Choi等人，2011年b)，其他代谢物将被添加到列表中，因为它们与癌症、IEM或其他疾病的相关性更为明确。现在也可以对标记有¹³C并监测特定的酶活性体内通过跟踪标签从基板到产品的转移。该方法要求¹³通过将自由基中未成对电子的高自旋极化转移到C核自旋态，这一过程被称为超极化¹³C核。这会产生灵敏度的瞬态增益¹³C检测10000倍或更多。超极化已成功用于量化实验肿瘤中肿瘤基因驱动的代谢活动(Hu等人，2011年). 虽然仍然是一种研究方法，但代谢成像使用超极化¹³C和其他稳定同位素在人类疾病中具有相当大的转化潜力，因为它具有高灵敏度，与MRI结合，不需要放射性示踪剂，特别是它能够探测特定酶反应的通量体内(Kurhanewicz等人，2011年).

事实上，目前人类新陈代谢研究的主要挑战之一，也是系统生物学的下一个前沿领域之一，是分析疾病对新陈代谢通量的影响体内; 也就是说，使用敏感和有效的方法测量有疾病和无疾病的活体受试者沿代谢途径的碳、氮等转移。虽然分类和量化生物流体中小分子的方法（代谢组学）信息量很大，但它们不能完整地反映代谢，在某些情况下可能产生误导性的结果。新生儿筛查项目为这一问题提供了一个有价值的例子。在这些筛选测试中，代谢产物水平的升高几乎总是反映出路径流量的减少而不是增加，类似于红绿灯对汽车聚集的影响(图4A). 此外，由于新陈代谢涉及如此多的交叉途径，当观察到代谢产物的异常水平时，可能不可能推断出哪些途径受到影响。例如，尚不清楚哪些细胞外营养素在印尼盾1/2-突变型肿瘤体内解决这些问题的一种方法是将代谢途径分析与代谢组学研究相结合。这类研究包括将同位素标记的营养素引入动物模型或人类患者，然后从血液、尿液、呼吸或组织样本中获取感兴趣的代谢物(图4B). 使用代谢组学平台测量这些代谢物的总丰度，然后通过质谱和/或核磁共振波谱进一步研究信息最丰富的代谢物子集，以确定每个分子中同位素标记的丰度和位置。以少量代谢物为重点的类似方法已经在人类中成功用于测量糖异生和尿素循环体内以及比较肺部肿瘤和周围组织的代谢(Fan等人，2009年;Landau等人，1996年;Yudkoff等人，2010年). 代谢组学-代谢通量联合研究尽管面临技术挑战，但仍具有巨大价值，因为它们可以定量、全面地读出代谢途径活动的变化，从而加深对人类代谢个体性和疾病生物学基础的理解。

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图4

代谢通量分析

（A） 新陈代谢分析原则上与交通模式分析类似，具有许多相同的不确定性。四车道公路上的高“流量”导致汽车密度低，所有汽车向南畅通无阻。驶出高速公路时，由于红绿灯的亮起，驾驶员的流量减少，这类似于代谢酶的突变或表达不足。这导致光线以北的汽车密度增加。区块下游的流量畅通无阻。请注意，双车道上的红色汽车也与黑色汽车合并，导致十字路口下游红色汽车的比例减少。通过对通过方格旗的汽车进行计数，证明了这些因素对总流量的总和影响。在高速公路上，1000辆红色汽车在一小时内驶过。在双车道公路上，只有200辆汽车通过，只有一半是红色的。

（B） 代谢通量分析的简单示意图。葡萄糖标记为¹³位置1和6处的C（红色星号）通过注射或口服给受试者，受试者对其进行代谢。一段时间后，对组织或体液进行取样，以确定各种代谢物的丰度，代谢物中含有¹³C、 以及¹³分子内的C。数据通过质谱或核磁共振波谱获得。然后应用数学模型将数据转换为代谢流量。在本例中，检查了乳酸和乙酰辅酶A的标记。产生这两种代谢物的途径在丙酮酸时发生分歧。乳酸脱氢酶（LDH）是一种高活性酶，能迅速将丙酮酸转化为乳酸，从而在短时间内使乳酸池中的浓度极高。同时，有两个因素共同减少乙酰辅酶A的富集。首先，该途径涉及PDH，一种高度调节且活性较低的酶。其次，未标记营养素中的碳进入乙酰辅酶A库，减少含有¹³C来自葡萄糖。

结论

人们对中间代谢的兴趣以及研究中间代谢所需的分析技术的快速改进从未如此高。以疾病为导向的新陈代谢研究的主要新发现每周都会被报道，这强化了新陈代谢遍及生物学和病理学各个领域的概念。下一个十年有望在理解常见人类疾病的代谢基础方面取得持续进展，其中一些知识将被转化为新的诊断和治疗方法，尤其是在癌症方面，变得越来越可行。

致谢

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