[albert52]

Продолжим.

Аллостерическая регуляция гликолиза придает метаболическую пластичность по отношению к локальному pO2. Поскольку гликолитический поток номинально быстрее, чем у OXPHOS, эволюционно выбран эффект Пастера, чтобы связать обе скорости метаболизма. Энергетические метаболиты глюкоза-6-P, АТФ и цитрат сдерживают гликолитический поток посредством аллостерического ингибирования ключевых гликолитических ферментов. Ингибирование достигает своего апогея, когда кислород не является ограничивающим субстратом для OXPHOS, что позволяет полностью окислить глюкозу. Когда уровни кислорода ограничены или когда pO2 кол***ется, полное окисление глюкозы и, как следствие, уровни АТФ и цитрата, образующихся окислительно, снижаются. Эффект Пастера сбрасывается до менее выраженного ингибирования, что позволяет ускоренному гликолизу компенсировать дефектное производство АТФ.

Экстремальная ситуация, характеризующаяся полным подавлением эффекта Пастера, встречается при тяжелой гипоксии. Энергетический кризис связан с увеличением клеточных уровней фруктозо-1,6-bisР, АДФ, АМФ и неорганического фосфата (Pi). Эти молекулы вызывают серию аллостерических стимулов, которые ускоряют гликолитический поток. Таким образом, гликолиз становится основным источником клеточного производства АТФ, спасательной ситуацией, позволяющей кратковременное выживание клеток до восстановления pO2.

Oпухолевые клетки из-за стремления к безудержному распространению постоянно теряют доступный запас кислорода, вторгаясь в регионы, удаленные от кровеносных сосудов. Рост также связан с ослаблением изначально плотной сосудистой сети. Эти условия составляют исходную почву для установления устойчивой гипоксии опухоли, которая не может быть долгосрочно преодолена единственно подавлением эффекта Пастера. В формирующихся опухолях опухолевые клетки на дальнем краю кислородного градиента имеют две возможные судьбы: смерть или метаболическая адаптация. Гипоксическая смерть - типичный признак спящих опухолей, то есть микроскопических бессимптомных поражений, характеризующихся динамическим равновесием между пролиферацией оксигенированных клеток и гибелью гипоксических. Для сравнения (и, надеюсь, для нас) стойкое переключение на гликолитический метаболизм - редкое событие, знаменующее вступление опухоли в фазу экспоненциального роста.

Во время гипоксии HIF-1α избегает протеолитической деградации, чтобы мигрировать в ядро ​​клетки, где он связывается с HIF-1β (см.выше). Для инициации транскрипции дополнительно требуется взаимодействие HIF-1 с кофакторами p300 и комплексом ДНК-полимеразы II для связывания с элементами, чувствительными к гипоксии (HRE) генов-мишеней. Генные продукты в основном относятся к двум категориям: такие, как
эритропоэтин, фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) и индуцибельная синтаза оксида азота (iNOS), направленные на восстановление местного pO2; и те, кто участвует в ускорении гликолитического потока.

HIF-1, как я уже упомянул, активно влияет на процесс гликолиза. Так, HK2 связываясь с внешней митохондриальной мембраной, не только тормозит апоптоз, но и приобретает нечувствительность к ингибированию отрицательной обратной связью с помощью G6P, тем самым обеспечивая эффективный захват глюкозы опухолевыми клетками.

Фруктозо-2,6-бисфосфат (F2,6BP) - побочный продукт гликолиза и одновременно его ключевой регулятор, действующий как аллостерический активатор PFK1, одного из ферментов, контролирующих скорость гликолиза. F2,6BP продуцируется из фруктозо-6-фосфата (F6P) семейством гомодимерных ферментов, известных как 6-фосфофрукто-2-киназа / фруктозо-2,6-бисфосфатаза (PFKFB).

PFKFB представляют собой бифункциональные ферменты, которые катализируют либо АТФ-зависимое фосфорилирование F6P до F2,6BP (активность PFK2), либо дефосфорилирование F2,6BP до F6P (активность FBPase). Семейство состоит из четырех членов, среди которых PFKFB1, PFKFB2 и PFKFB4 в базовых условиях проявляют одинаковую активность PFK2 и FBPase , тогда как PFKFB3 имеет высокую активность PFK2 и почти не имеет активности FBPase. Транскрипция всех четырех генов PFKFB индуцируется гипоксией, но основная индукция наблюдается для гена PFKFB3, который является мишенью для HIF-1. Гипоксическая стимуляция активности PFK2 PFKFB3 дополнительно усиливается за счет фосфорилирования остатка серина в положении 462, в процессе с участием AMPK. В результате гликолитический поток приобретает еще одно регулирующее ответвление.

Пируваткиназа (PK) имеет четыре изоформы, из которых PKM1 / M1-PK и PKM2 / M2-PK продуцируются альтернативным сплайсингом транскриптов гена PKM, гена-мишени HIF-1. Альтернативный сплайсинг регулируется гетерогенными ядерными рибонуклеопротеидами (hnRNP) I, A1 и A2 (которые связываются с экзоном 9 и подавляют сплайсинг с PKM1), в свою очередь контролируемых c -Myc. Селекция изоферментов обеспечивает быстрое размножение, наблюдаемое в опухолях.

В отличие от PKM1, PKM2 является характерным изоферментом клеток с высокоскоростным синтезом нуклеиновых кислот, включая нормальные пролиферирующие клетки, эмбриональные клетки, взрослые стволовые клетки, а также, что важно, опухолевые клетки. Во время тканевой дифференцировки в процессе развития эмбриональная PKM2 заменяется тканеспецифичными изоформами. Однако опухолеобразование связано с повторной экспрессией PKM2 вместе с подавлением экспрессии PKM1 и других изоферментов. Эта «гликолитическая дедифференцировка» предлагает ключевое преимущество с точки зрения метаболической пластичности, потому что, в отличие от PKM1 (существующей только в активной тетрамерной форме), PKM2 может экспрессироваться либо как активный тетрамер, либо как димер с низким сродством к фосфоенолпирувату(PEP).

PKM2 в своей высокоактивной тетрамерной конформации обеспечивает в результате гликолиза производство АТФ с высоким выходом, тогда как в своей почти неактивной димерной конформации он обеспечивает метаболическое узкое место, позволяющее перенаправлять гликолитические промежуточные продукты на биосинтез, в частности, подпитка через PPP для синтеза ДНК.

Баланс между тетрамерным и димерным PKM2 - это кол***ющийся феномен, подверженный аллостерической регуляции. Вкратце, тетрамерной активной форме способствует накопление вышестоящего гликолитического промежуточного соединения F1,6BP и побочного продукта биосинтеза серина; инактивирующая димеризация, наоборот, индуцируется, когда концентрация последующих продуктов биосинтеза (аланина, других аминокислот и липидов) увеличивается (см.выше). Димерная конформация дополнительно стимулируется фосфорилированием тирозина 105 несколькими онкогенными тирозинкиназами.

Пируват находится в центре между различными метаболическими путями: он является продуктом гликолиза, продуктом окисления малата в пролиферирующих клетках, основным топливом цикла TCA, предшественником аланина в обратимом трансаминировании, реакции с участием глутамата в качестве донора азота и субстратом окислительно-восстановительной реакции с образованием лактата. Последняя реакция, сочетающая восстановление пирувата с окислением NADH до NAD +, позволяет пополнить пул NAD +, необходимый для самодостаточности гликолиза.

Восстановление пирувата до лактата также позволяет гликолитическим клеткам поддерживать уровни пирувата на достаточно низком уровне; эта обратимая реакция катализируется семейством тетрамерных ферментов ЛДГ. LDH образуются путем расположения до четырех копий двух различных субъединиц: субъединица LDH-H кодируется геном LDH-B и повсеместно экспрессируется в здоровых тканях, тогда как субъединица LDH-M кодируется HIF-1-мишенью - геном LDH-A и, следовательно, индуцируется гипоксией.

Расположение субъединиц с образованием активных тетрамеров может привести к образованию пяти различных ферментов, от LDH1 до LDH5. LDH5 / LDH-4M предпочтительно катализирует восстановление пирувата в лактат и играет ключевую роль в поддержании высокого гликолитического потока и устойчивости к апоптозу. LDH1 / LDH-4H предпочтительно катализирует окисление лактата в пируват, а LDH2, LDH3 и LDH4 обладают промежуточной ферментативной активностью. Повышенная экспрессия LDH5 имеет н***агоприятное прогностическое значение для многих опухолей человека. Напротив, LDH1 / LDH-4H чаще всего подавляется в гликолитических раковых клетках.