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.2013年12月3:9:712。
doi:10.1038/msb2013.65。

谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化是正常氧和缺氧条件下转化哺乳动物细胞的主要ATP来源

京凡 1, Jurre J Kamphorst先生, 罗宾·马修, Michelle K Chung女士, 艾琳·怀特, 托梅·什洛米, 约书亚·D·拉比诺维茨
附属公司

谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化是正常氧和缺氧条件下转化哺乳动物细胞的主要ATP来源

京凡等。 分子系统生物. .

摘要

哺乳动物细胞可以通过糖酵解或线粒体呼吸产生ATP。癌基因激活和缺氧促进糖酵解和乳酸分泌。然而，这些代谢变化对ATP生成的重要性仍不明确。在这里，我们将基于LC-MS的同位素示踪研究与吸氧测量结合在哺乳动物细胞代谢的定量氧化还原平衡代谢通量模型中。然后，我们应用此方法评估Ras和Akt激活和缺氧对能量代谢的影响。癌基因激活和缺氧都会导致糖酵解通量大约增加两倍。Ras活化和缺氧也会强烈降低葡萄糖氧化。然而，主要由谷氨酰胺驱动的TCA转向驱动的氧化磷酸化持续存在，并占ATP生成的大部分。与此一致，在所有情况下，药物抑制氧化磷酸化显著降低能量电荷，而谷氨酰胺而非葡萄糖的去除显著降低氧气摄取。因此，谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化是ATP产生的主要手段，即使在缺氧的癌细胞中也是如此。

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数字

图1
图1
谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化支持iBMK亲代细胞中的ATP生成。(A类)氧化还原平衡代谢通量分析方案。将包括摄取/排泄率和稳态细胞内标记模式在内的实验测量值输入到氧化还原平衡代谢通量分析模型中。通过优化模拟以拟合稳态实验观测值，获得了具有置信区间的通量。所得通量也很好地符合动力学标记数据。(B)亲代iBMK细胞系中的代谢通量。数字表示nmole/h/μl细胞的代谢通量。颜色表示葡萄糖（黄色）或谷氨酰胺（蓝色）在驱动每个氧化还原反应中的作用。不产生高能电子的反应以黑色显示。字体大小反映了代谢物的绝对浓度。丙酮酸；AKG，α-酮戊二酸；OAA，草酰乙酸。(C类)氧化磷酸化抑制剂对ATP/ADP比率和NADH/NAD的影响+比率。ATP、ADP、NADH和NAD的绝对浓度+通过基于同位素比率的MS 5测量 添加载体（DMSO）后min，复合III抑制剂抗霉素A（4 μg/ml）或ATP合酶抑制剂寡霉素（8 μg/ml）（平均值±标准差N个=3). (天)耗氧率和NADH/NAD+将细胞与完全培养基或缺乏葡萄糖或谷氨酰胺的培养基交换8天后测得的比率 h（平均值±标准差N个=3).
图2
图2
肿瘤驱动细胞的能量代谢。(A类)表达H-Ras的iBMK细胞的代谢通量V12G版本或myr-Akt。颜色表示癌基因驱动的细胞系与亲本细胞相比的通量变化，仅显示癌基因激活细胞中通量置信区间与亲代细胞系中相应置信区间不重叠的反应。(B)亲代、Ras和Akt-iBMK细胞中氧化磷酸化和糖酵解产生ATP的速率。(C类)氧化磷酸化抑制剂对ATP/ADP比率的影响。测定ATP和ADP 5 在加入载体（DMSO）后分钟，复合物III抑制剂抗霉素A（4 μg/ml）或ATP合酶抑制剂寡霉素（8 μg/ml）（平均值±标准差N个=3). (天)各种营养素对驱动辅因子减少的贡献（NAD总和+和FAD）。(E类)将细胞切换至完全培养基或缺乏葡萄糖或谷氨酰胺的培养基8天后测得的耗氧率 h（平均值±标准差N个=3).
图3
图3
低氧条件下iBMK亲代细胞的能量代谢（1%O2). (A类)低氧时亲代iBMK细胞系的代谢通量。颜色表示与常氧相比，缺氧时的通量变化，仅显示缺氧时通量置信区间与常氧时相应置信区间不重叠的反应。(B)iBMK亲代细胞在常氧和缺氧条件下氧化磷酸化和糖酵解产生ATP的速率。(C类)氧化磷酸化抑制剂对ATP/ADP比率和NADH/NAD的影响+缺氧时亲代细胞的比率。ATP、ADP、NADH和NAD+水平测量5 添加载体（DMSO）后min，复合III抑制剂抗霉素A（4 μg/ml）或ATP合酶抑制剂寡霉素（8 μg/ml）。(天)各种营养素对驱动辅因子减少的贡献（NAD总和+和FAD）。(E类)耗氧率和NADH/NAD+将细胞切换至完全培养基或缺乏葡萄糖或谷氨酰胺的培养基8天后，测定缺氧时亲代细胞的比率 h（平均值±标准差N个=3). (F类)氧化磷酸化抑制剂对ATP/ADP比率和NADH/NAD的影响+缺氧时Ras和Akt细胞的比率。(G公司)耗氧率和NADH/NAD+在将细胞切换到完全培养基或缺乏葡萄糖或谷氨酰胺的培养基8天后测量的缺氧Ras和Akt细胞的比率 h（平均值±标准差N个=3).
图4
图4
常氧和缺氧癌细胞中谷氨酰胺驱动的氧化ATP生成。(A类)4T1和ASPC1癌细胞氧化磷酸化和糖酵解产生ATP的速率。(B)将细胞切换至完全培养基或缺乏葡萄糖或谷氨酰胺的培养基8天后测量的缺氧耗氧率 h（平均值±标准差N个=3，显著差异(P（P）<0.05）通过标记为*的T检验。(C类)通过营养素摄取率约束通量平衡分析预测氧化磷酸化对NCI-60细胞系ATP生成的贡献。
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参考文献

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