GAPDH 산화환원 스위치는 환원 능력을 보호하고 스트레스를 받은 종양 세포의 생존을 가능하게 합니다

Nature Metabolism 5권, 660~676페이지(2023)이 기사 인용

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글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소(GAPDH)는 과산화수소에 반응하여 산화되는 활성 부위 시스테인 잔기를 함유하여 효소를 빠르게 비활성화시키는 것으로 알려져 있습니다. 여기서 우리는 이 산화환원 스위치가 결여된 GAPDH 돌연변이를 발현하는 인간 및 마우스 세포가 촉매 활성을 유지하지만 산화성 오탄당 인산염 경로를 자극하고 환원 능력을 향상시킬 수 없음을 보여줍니다. 특히, 우리는 세포와 회전 타원체의 고정 독립적 성장이 내인성 과산화물 수준의 상승에 의해 제한되고 기능적 GAPDH 산화 환원 스위치에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. 마찬가지로, 생체 내 종양 성장은 과산화물 스트레스에 의해 제한되고 종양 세포에서 GAPDH 산화환원 스위치가 비활성화되면 억제됩니다. 화학요법이나 방사선요법에 의한 추가적인 종양 내 산화 스트레스 유도는 GAPDH 산화환원 스위치의 비활성화와 시너지 효과를 냅니다. GAPDH 산화환원 스위치가 결여된 생쥐는 신장과 심장에서 변화된 지방산 대사를 나타냈는데, 이는 산화환원 스위치의 결여에 대한 보상인 것으로 보입니다. 함께, 우리의 연구 결과는 포유류에서 산화성 GAPDH 불활성화의 생리학적, 병리생리학적 관련성을 입증합니다.

해당효소인 글리세르알데히드 3-인산 탈수소효소(GAPDH)는 세포 내 과산화수소(H2O2) 수준1,2의 적당한 상승에 반응하여 활성 부위 시스테인에서 쉽게 산화된다는 점에서 특이합니다. 피루브산 키나제4를 포함한 몇몇 다른 대사 효소도 산화에 민감한 것으로 알려져 있지만 GAPDH2,3만큼 H2O2에 의해 눈에 띄게 산화되는 효소는 없습니다. 실제로, GAPDH는 활성 부위 티올의 H2O2 반응성이 일반적으로 단백질 티올의 전형적인 반응보다 높기 때문에 다른 티올 함유 단백질에 비해 두드러집니다5. GAPDH 티올 산화는 먼저 설페닐화(R-SH + H2O2 → R-SOH + H2O)로 이어진 다음 글루타티온화(R-SOH + GSH → R-SSG + H2O)로 이어집니다. 그 결과 GAPDH 해당작용 활성이 가역적으로 억제됩니다6.

H2O2 매개 GAPDH 산화는 50년 전에 인식되었지만 처음에는 GAPDH 산화가 잠재적으로 단백질 손상을 반영하는 부주의한 부반응을 나타낸다고 널리 가정되었습니다. 불과 15년 전만 해도 산화성 GAPDH 불활성화는 산화제에 노출된 세포에 해롭기보다는 유익하다는 것이 분명해졌습니다. H2O2에 노출된 효모 세포는 해당작용에서 오탄당 인산 경로(oxPPP)의 산화 분지로 포도당 흐름을 재설정하여 NADPH 형태의 환원 당량의 재생을 증가시킵니다. 결과적으로, 이들 세포는 H2O2 내성을 가지게 됩니다8,9. 이 실험에서 oxPPP의 활성화는 산화성 GAPDH 불활성화와 상관관계가 있는 것으로 밝혀졌으며 일반 미분 방정식을 기반으로 한 계산 대사 모델은 GAPDH 산화가 oxPPP 활성화의 원인일 수 있다는 가능성을 제시했습니다8. 그 후, 산화 스트레스에 의해 유발된 oxPPP 활성화가 포유류 세포에서도 관찰되었지만 GAPDH 산화의 생물학적 관련성은 불분명했습니다. 실제로 GAPDH 산화와 oxPPP 활성화 사이의 인과 관계는 어떤 포유류 시스템에서도 입증되지 않았습니다. H2O2는 GAPDH 산화와 oxPPP 활성화의 공통 원인일 수 있으므로 관찰된 상관관계를 설명합니다. 이러한 맥락에서 최근 두 연구에서는 oxPPP 활성화가 GAPDH 산화와 무관할 수 있으며 대신 포도당-6-인산 탈수소효소(G6PDH)의 억제에 의존하여 적어도 oxPPP의 '예비 플럭스 용량'을 잠금 해제할 수 있다고 제안했습니다. 비 효모 종11,12. 따라서 GAPDH의 산화적 불활성화, G6PDH의 억제 해제 또는 이 둘의 조합이 oxPPP 활성화에 필요하고 충분한지 여부는 공개된 질문으로 남아 있습니다. GAPDH 산화가 실제로 포유류 세포와 관련이 있다면 아직 답이 나오지 않은 질문은 포유류에서 GAPDH 산화의 생리학적 맥락과 기능입니다. 어떤 생리학적 또는 병리학적 상황에서 내인성 H2O2의 상승이 GAPDH 산화환원 스위치를 활성화합니까? 또는 달리 말하면, 포유류 세포가 산화성 GAPDH 대신 비산화성 GAPDH를 발현한다면 그 결과는 어떻게 될까요?

1.3 cm in any dimension) as the sole endpoint. Arrows indicate timepoints of treatment. Based on n = 17 (WT), n = 9 (Y314F), n = 16 (WT cisplatin) and n = 9 (Y314F cisplatin) mice. b, Growth kinetics of tumours expressing WT or mutant GAPDH, either mock-treated or treated with cisplatin. Arrows indicate timepoints of treatment. Based on n = 16 (WT cisplatin) and n = 9 (Y314F cisplatin) mice. c, The roGFP2-Orp1 405 nm/488 nm fluorescence ratio as measured in cells isolated from explanted WT and mutant tumours, either mock-treated or treated with cisplatin. Data are presented as mean ± standard deviation (s.d.), based on n = 15 (WT), n = 8 (Y314F), n = 9 (WT cisplatin) and n = 4 (Y314F cisplatin) mice. ***P < 0.001; ****P < 0.0001; P = <0.0001, 0.0004 and <0.0001, based on a two-tailed unpaired t-test. d, Survival of tumour-bearing mice either mock-treated or treated with ionizing radiation. Arrows indicate cycles of fractionated radiation. Based on n = 9 (WT), n = 6 (Y314F), n = 9 (WT radiation) and n = 6 (Y314F radiation) mice. e, Growth kinetics of tumours expressing WT and mutant GAPDH, untreated or treated with ionizing radiation. Arrows indicate cycles of fractionated radiation. Based on n = 9 (WT radiation) and n = 6 (Y314F radiation) mice. f, Quantitation of activated Caspase 3 in slices of tumours expressing WT or mutant GAPDH, untreated or treated with ionizing radiation. Data are presented as mean ± s.d., based on n = 6 (WT), n = 3 (Y314F), n = 4 (WT radiation) and n = 4 (Y314F radiation) mice. ***P < 0.001; P = 0.0002, based on a two-tailed unpaired t-test./p>10%, <10% and <5%, respectively. Vertical lines indicate fold change thresholds of ±1.25. Based on n = 5 mice per group. d, Gene set enrichment analysis of proteins differentially expressed in the GAPDH mutant kidney. Mapping to KEGG pathways. Blue bars: gene sets with decreased representation in mutant kidneys. Red bars: gene sets with increased representation in mutant kidneys. Based on n = 5 mice per group. ECM, extracellular matrix. e, Interaction analysis of proteins most strongly upregulated in the GAPDH mutant kidney. Edges represent experimentally supported interactions (confidence score >0.7) from the STRING database (https://string-db.org). Purple nodes represent proteins included in Uniprot pathway ‘Lipid metabolism’ (KW-0443), and green nodes represent proteins with a specific function in blood pressure control. f, Examples of enzymes involved in β-oxidation. Based on n = 5 mice per group. FC, fold change. g, Examples of enzymes involved in blood pressure control. Based on n = 5 mice per group. h, Examples of redox enzymes upregulated in the GAPDH mutant kidney. Based on n = 5 mice per group./p>

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