细胞子问题:癌细胞不是故意浪费葡萄糖 而是“无能为力”

葡萄糖是食物中常见的糖类,是人体最重要的营养物质之一。长期以来,科学家们观察到癌细胞倾向于以惊人的速度消耗葡萄糖。乍一看,这似乎是合理的。毕竟,随着肿瘤的快速生长和癌细胞的扩张,每个细胞都必须复制其全部内容。

但是这种现象背后有一个问题,就是癌细胞不能很有效的利用葡萄糖。它们不是从葡萄糖中吸收所有的能量,而是将大部分能量作为废物释放出来。

早在1921年,德国科学家奥托沃伯格(Otto Warburg)就发现癌细胞消耗葡萄糖的速度非常快。与正常分化的细胞不同,癌细胞通过有氧呼吸消耗葡萄糖,但倾向于糖酵解。即使在氧气充足的情况下,这也导致了葡萄糖能量的极大浪费。癌细胞这种异常的糖代谢行为被称为“沃伯格效应”,奥托沃伯格因发现细胞呼吸氧化转移酶而获得了1931年诺贝尔生理学或医学奖。

一个多世纪以来,癌细胞代谢一直被认为是一个悖论。为什么快速增殖的癌细胞会利用如此低效的葡萄糖代谢?这个问题一直困扰着科学家。

近日,美国圣路易斯华盛顿大学教授加里j帕蒂(Gary J. Patti)领导的研究小组对这一问题给出了新的答案。

该研究结果发表在《分子细胞杂志》上,标题为:线粒体NADH穿梭的饱和驱动生产细胞中的有氧糖酵解。在代谢组学技术的帮助下,在分析了数百种不同的人类癌细胞系代谢途径后,发现癌细胞的这种独特代谢特征是由癌细胞中运输一些关键营养物质的途径饱和引起的。

低效的葡萄糖代谢途径与细胞内转运系统密切相关。在癌细胞中,由于运输葡萄糖的途径饱和,癌细胞不得不浪费葡萄糖。

细胞子问题:癌细胞不是故意浪费葡萄糖 而是“无能为力”

在技术层面上,这项研究依赖于一种名为代谢组学的技术。近十年来,代谢组学和质谱学取得了飞速的进步,现在已经达到了可以测量单个细胞内代谢分子的水平。在这项研究中,研究人员将代谢组学与稳定同位素示踪剂相结合,以便他们可以标记葡萄糖的不同部分,从而可以在细胞中跟踪它,并观察葡萄糖进入线粒体或从细胞中分泌的速率。

通过这种方式,研究小组分析了60种人类癌细胞的数百种不同代谢途径,发现低效的葡萄糖代谢途径与细胞内转运系统密切相关。在癌细胞中,由于运输葡萄糖的途径饱和,癌细胞不得不浪费葡萄糖。

它是线粒体细胞中的关键细胞器,也是细胞中产生能量的重要场所。然而,大多数分子不能自由进出线粒体,它们需要一个运输系统将一些代谢产物从线粒体外转移到线粒体内。

癌细胞想要代谢线粒体中的葡萄糖,以获得更多的能量。葡萄糖衍生的代谢物必须通过转运系统转运到线粒体,但由于转运系统的容量有限,一些葡萄糖在此过程中被浪费。比如说,这就像浴缸水龙头放水比排水管快,最终会让水溢出到地板上。

该研究的通讯记者Gary J. Patti教授说:为了从葡萄糖中提取最大的能量,细胞必须将其转化产物运输到线粒体。因此,细胞的新陈代谢应该遵循一定的生化规律,探索为什么肿瘤可能会打破这一规律是很有趣的。然而,我们的研究结果表明,癌细胞实际上并没有超过这一规则。

当研究人员限制癌细胞吸收的葡萄糖量时,几乎所有的葡萄糖都会进入线粒体。但随着葡萄糖消耗的增加,葡萄糖衍生分子向线粒体内移动的速度跟不上,运输系统饱和,造成葡萄糖的浪费。

Gary J. Patti教授总结道:因此,癌细胞并没有全新的代谢模式。正如大多数细胞更喜欢氧化线粒体中的葡萄糖而不是浪费它一样,癌细胞也不例外。它们似乎遵循与其他细胞相同的生化模式。

几十年来,肿瘤高速消耗葡萄糖的特性一直被临床医生用作诊断癌症和确定其发展阶段的方法。这让一些人认为,用药物或无糖饮食限制葡萄糖的摄入,可能会饿死癌细胞。

但显然,这项研究的发现对这一策略提出了质疑。结果表明,葡萄糖发酵(一种癌症标志物)是线粒体转运系统饱和的次级结果,而不是细胞增殖的独特代谢驱动力。这一结果也对癌症治疗提出了新的挑战,因为如果癌细胞的代谢更类似于正常细胞,那么开发针对肿瘤的特异性药物将更加困难。

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