戊糖磷酸通路是重要的葡萄糖代謝分支，分為氧化磷酸化（oxPPP）和非氧化磷酸化（non-oxPPP）兩個階段。戊糖磷酸通路產生的5-磷酸核糖和NADPH，在核苷酸、脂肪酸合成以及維繫細胞內氧化還原穩態具有重要生物作用。6-磷酸葡萄糖脫氫酶（G6PD）是氧化磷酸戊糖途徑（oxPPP）中的第一個限速酶，其在氧化6-磷酸葡萄糖時生成的NADPH是胞質內還原當量的重要來源。在腫瘤中圍繞G6PD脫氫酶活性的功能研究已被大量報道【1,2】。從遺傳上看，人群中有著一定比例的G6PD酶活突變攜帶者（蠶豆病）【3】，但目前為止並無G6PD基因完全缺失的相關病例報道；推測完全缺失G6PD的生物體無法正常發育或存活，這提示G6PD可能存在有別於傳統酶活的重要生物學功能。
2021年2月4日，首都醫科大學李兵輝和中科院昆明動物研究所陳策實課題組在Signal transduction and targeted therapy雜誌線上發表了題為Glucose-6-phosphate dehydrogenase neutralizes stresses by supporting reductive glutamine metabolism and AMPK activation 的研究成果【4】，揭示了葡萄糖6磷酸脫氫酶（G6PD）透過促進谷氨醯胺還原代謝維持NADH/NAD+平衡以及AMPK的活化，從而發揮抗氧化等應激的作用，並不依賴它的經典酶活性，即氧化磷酸戊糖途徑。
在這項研究中，研究人員發現敲除G6PD的腫瘤細胞對缺氧、氧化應激等刺激極度敏感，這與以往報道一致。意外的是，存在天然蠶豆病突變體，即使沒有活性維持正常的脫氫酶活性和oxPPP，也與野生型G6PD一樣、甚至有更好的抗氧化應激能力以維持細胞存活。研究人員發現這與G6PD傳統酶活耦聯的NADPH產生無必要關係，而與細胞內NADH/NAD+穩態的維持密切相關。最近，李兵輝團隊建立了一個電子平衡模型揭示了oxPPP在缺氧和呼吸鏈抑制下會被抑制並代償增強non-oxPPP【5】；同時還發現細胞可以全面重新程式設計其代謝途徑，如葡萄糖發酵和還原性谷氨醯胺代謝，透過促進電子傳遞來減輕應激刺激【6】。與之相似，研究人員透過代謝組學分析發現敲除G6PD的腫瘤細胞中NADH/NAD+比例異常升高，谷氨醯胺還原性代謝途徑受到明顯抑制。與廣泛報道的NADPH/NADP+在細胞抗氧化應激中起主要作用不同，研究者發現利用化合物α酮戊二酸、丙酮酸等處理，或表達工具酶LbNOX恢復NADH/NAD+穩態，而不是NADPH/NADP+，能有效提升G6PD缺失細胞的抗氧化應激能力。進一步研究發現，電子傳遞鏈抑制劑AntiA處理能誘導野生型腫瘤細胞AMPK T172磷酸化以對抗應激，而在G6PD缺失細胞中AMPK的活化則被顯著延遲。同樣，使用AMPK激動劑AICAR則能顯著提升G6PD缺失細胞應對氧化應激的能力。
總的來說，研究人員發現G6PD可以支援還原性谷氨醯胺代謝以維持NADH/NAD+穩態以及AMPK訊號的啟用，這對於細胞抵抗過氧化氫、缺氧和抑制電子傳遞鏈所引起的應激等是必不可少的。有趣的是，與野生型G6PD相似，存在天然蠶豆病突變體G6PD，即使喪失活性，亦能有效地恢復谷氨醯胺的還原性代謝和AMPK啟用來拮抗應激。該研究揭示了之前未被明確的G6PD的功能，這些功能在腫瘤細胞抗氧化應激中具有重要意義，而與其oxPPP酶活性抗氧化機制完全不同。該發現將有助於更好地理解G6PD的生理作用及其與人類疾病的關係。
該項工作李兵輝教授和陳策實研究員為論文共同通訊作者，天津醫科大學鍾本富博士和中科院昆明動物研究所蔣德偉副研究員為本文共同第一作者，技術員洪陽、李立方博士和博士生陽榮輝等也有重要貢獻；清華大學國家蛋白質中心劉曉惠教授團隊對本研究代謝組學提供了技術支援和幫助。
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https://www.nature.com/articles/s41392-020-00399-x#article-info
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參考文獻
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