非典型三羧酸循环的发现及其在细胞命运决定中的作用
三羧酸循环（TCA cycle）是生物体能量代谢的核心，糖类、脂肪、蛋白和核酸的碳链降解产物都最终都进入TCA循环并被分解为CO2排出体外，TCA循环的代谢中间产物也是化合物生物合成的重要前体，并且细胞能够选择性地利用TCA循环的组分，以满足特殊的生理需求。然而，纪念斯隆凯特琳癌症研究中心Lydia Finley实验室在Nature杂志发表了题为A non-canonical tricarboxylic acid cycle underlies cellular identity 的研究文章，揭示了一种非典型TCA循环在细胞命运转换中发挥关键作用。
作者利用代谢酶遗传共本质映射分析，发现TCA循环相关基因经共本质分析后会形成两个簇，将每个簇中的基因定位到经典TCA循环中后，两个簇中的基因分别位于柠檬酸的上游和下游，而参与胞质柠檬酸代谢的酶（包括Slc25a1和ACL）与线粒体中参与柠檬酸合成的酶存在关联性，暗示了ACL也可能通过形成非典型TCA循环来满足细胞代谢需求。接着，作者利用[U-13C]标记的葡萄糖在非小细胞肺癌细胞系（NSCLC）中对柠檬酸的去路进行了示踪，发现利用抑制剂处理降低ACL活性会促进[U-13C]标记的苹果酸的产生，这表明ACL介导的柠檬酸代谢与典型TCA循环间存在拮抗。随后作者追踪了小鼠胚胎干细胞（ES）中[U-13C]标记葡萄糖的命运，发现抑制ACL活性同样会促进[U-13C]标记苹果酸的合成。另一方面， Aco2缺陷型ES细胞中经典TCA循环中间产物的合成受到抑制，以及ACL缺失会导致胞质NADH/NAD+比例上升，并会降低线粒体耗氧量。在构建的SLC25A1及MDH1缺陷型细胞中，发现SLC25A1和MDH1突变会抑制非典型TCA循环活性，并导致柠檬酸下游TCA循环代谢物的量上升。因此，SLC25A1、ACL和MDH1能够介导非典型TCA循环并协调柠檬酸代谢的跨区室（胞质-线粒体）循环。作者还发现原始态ES细胞的经典TCA循环中间产物逐渐减少，同时伴随胞质中间体枸橼酸含量的上升。表明，ES细胞在失去原始态多能性时会从经典TCA循环活性切换到非典型TCA循环活性。
综上，本研究发现柠檬酸在非典型TCA循环中被柠檬酸/苹果酸转运蛋白（SLC25A1）转运到细胞质后，会在ATP柠檬酸裂解酶（ACL）和苹果酸脱氢酶1（MDH1）的催化下依次转化为草酰乙酸和苹果酸，并再次通过SLC25A1的转运回到线粒体，实现“柠檬酸-苹果酸”穿梭。并利用多种干细胞与已分化细胞模型，揭示了该非典型TCA循环在细胞命运转换中发挥的关键作用。
参考文献：Arnold PK, Jackson BT, Paras KI, et al. A non-canonical tricarboxylic acid cycle underlies cellular identity. Nature. 2022;603(7901):477-481. doi:10.1038/s41586-022-04475-w
撰写人：傅艺婷/熊永伟