Редокс-переключатель GAPDH защищает восстановительную способность и обеспечивает выживание опухолевых клеток, подвергшихся стрессу.

Природный метаболизм, том 5, страницы 660–676 (2023 г.) Процитировать эту статью

5430 Доступов

1 Цитаты

92 Альтметрика

Подробности о метриках

Известно, что глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФДГ) содержит остаток цистеина в активном центре, подвергающийся окислению в ответ на перекись водорода, что приводит к быстрой инактивации фермента. Здесь мы показываем, что клетки человека и мыши, экспрессирующие мутант GAPDH, лишенный этого окислительно-восстановительного переключателя, сохраняют каталитическую активность, но не способны стимулировать окислительный пентозофосфатный путь и повышать свою восстановительную способность. В частности, мы обнаружили, что независимый от закрепления рост клеток и сфероидов ограничивается повышением уровня эндогенного пероксида и в значительной степени зависит от функционального окислительно-восстановительного переключателя GAPDH. Аналогично, рост опухоли in vivo ограничивается перекисным стрессом и подавляется, когда в опухолевых клетках отключен окислительно-восстановительный переключатель GAPDH. Индукция дополнительного внутриопухолевого окислительного стресса с помощью химио- или лучевой терапии синергично с деактивацией окислительно-восстановительного переключателя GAPDH. У мышей, у которых отсутствует окислительно-восстановительный переключатель GAPDH, наблюдается измененный метаболизм жирных кислот в почках и сердце, по-видимому, в качестве компенсации отсутствия окислительно-восстановительного переключателя. В совокупности наши результаты демонстрируют физиологическую и патофизиологическую значимость окислительной инактивации ГАФД у млекопитающих.

Гликолитический фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФД) необычен тем, что он легко окисляется в своем активном центре цистеине в ответ на умеренное повышение внутриклеточного уровня перекиси водорода (H2O2)1,2. Ни один другой фермент не окисляется H2O2 так заметно, как GAPDH2,3, хотя известно, что некоторые другие метаболические ферменты, включая пируваткиназу4, также чувствительны к окислению. Действительно, GAPDH выделяется среди других тиолсодержащих белков, поскольку реактивность H2O2 его тиола в активном центре выше, чем это типично для белковых тиолов в целом5. Окисление тиола ГАФД сначала приводит к сульфенилированию (R-SH + H2O2 → R-SOH + H2O), а затем к глутатионилированию (R-SOH + GSH → R-SSG + H2O). Результатом является обратимое ингибирование гликолитической активности GAPDH6.

Окисление ГАФД, опосредованное H2O2, было обнаружено более 50 лет назад7, но первоначально широко предполагалось, что окисление ГАФД представляет собой непреднамеренную побочную реакцию, потенциально отражающую повреждение белка. Всего около 15 лет назад стало ясно, что окислительная инактивация ГАФД приносит пользу клеткам, подвергшимся воздействию оксидантов, а не вредна. Дрожжевые клетки, подвергшиеся воздействию H2O2, перенаправляют поток глюкозы из гликолиза в окислительную ветвь пентозофосфатного пути (oxPPP), тем самым увеличивая регенерацию восстанавливающих эквивалентов в форме НАДФН. В результате эти клетки становятся толерантными к H2O28,9. В этих экспериментах было обнаружено, что активация oxPPP коррелирует с окислительной инактивацией GAPDH, а вычислительная метаболическая модель, основанная на обычных дифференциальных уравнениях, предполагает возможность того, что окисление GAPDH может быть причиной активации oxPPP8. Впоследствии активация oxPPP, индуцированная окислительным стрессом, также наблюдалась в клетках млекопитающих, но биологическая значимость окисления GAPDH оставалась неясной. Действительно, причинная связь между окислением GAPDH и активацией oxPPP не была продемонстрирована ни в одной системе млекопитающих. H2O2 может быть частой причиной как окисления GAPDH, так и активации oxPPP, что объясняет наблюдаемую корреляцию. В этом направлении два недавних исследования предположили, что активация oxPPP может быть независимой от окисления GAPDH и вместо этого зависеть от деингибирования глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (G6PDH), чтобы разблокировать «резервную пропускную способность» oxPPP, по крайней мере у недрожжевых видов11,12. Таким образом, остается открытым вопрос, необходима ли и достаточна ли окислительная инактивация GAPDH, деингибирование G6PDH или их комбинация для активации oxPPP. Если окисление GAPDH действительно имеет отношение к клеткам млекопитающих, то связанный с этим вопрос, пока еще оставшийся без ответа, заключается в физиологическом контексте и функции окисления GAPDH у млекопитающих. При каких физиологических или патологических обстоятельствах повышение эндогенного H2O2 активирует окислительно-восстановительный переключатель GAPDH? Или, другими словами, каковы были бы последствия для клеток млекопитающих, если бы они экспрессировали неокисляемую ГАФД вместо окисляемой?