Տեղեկատվություն

3.2. TCA ցիկլ - Կենսաբանություն

3.2. TCA ցիկլ - Կենսաբանություն


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

3.2. TCA ցիկլ

Հակադարձ TCA ցիկլ 2-օքսոաթթու՝ ֆերեդոքսին օքսիդորեդուկտազ, որը ստեղծում է C-C կապեր CO-ից 2

2-օքսոգլուտարատ. Ֆերեդոքսին օքսիդորեդուկտազա (OGOR) թիամին պիրոֆոսֆատ (TPP) և [4Fe-4S] կլաստերային կախված ֆերմենտ է ռեդուկտիվ տրիքարբոքսիկաթթվի (rTCA) ցիկլից, որն ամրագրում է CO2 դեպի սուկցինիլ-CoA՝ ձևավորելով 2-օքսօղլուտարատ և CoA: Այստեղ մենք հաղորդում ենք OGOR- ից rTCA ցիկլից Magnetococcus marinus MC-1, բոլոր երեք հնարավոր ֆերեդոքսինի (Fd) ռեդոքս գործընկերների հետ միասին: Մենք ցույց ենք տալիս ՄմOGOR-ը գործում է երկկողմանի (երկուսն էլ CO2-ամրացում և 2-օքսոգլուտարատ օքսիդացում), և որ միայն մեկ Fd (ՄմFd1) աջակցում է արդյունավետ կատալիզին: Մեր 1,94-Å և 2,80-Å թույլտվությամբ բյուրեղային կառուցվածքները բնիկ և սուբստրատով կապված ձևերի ՄմOGOR-ը բացահայտում է ենթաշերտի յուրահատկության և CoA-ի կապակցման որոշիչները OGOR-ում և լուսավորում [4Fe-4S] կլաստերային միջավայրը՝ պատկերելով էլեկտրոնային խողովակը, որը թույլ է տալիս ՄմFd1-ը պետք է միացվի կապված TPP-ին: Կառուցվածքային և կենսաքիմիական տվյալները հետագայում բացահայտում են Glu45α-ն որպես շարժական մնացորդ, որն ազդում է CO-ի նկատմամբ կատալիտիկ կողմնակալության վրա:2- Ֆիքսացիա, թեև այն ուղղակիորեն չի շփվում TPP-ով կապված միջանկյալ նյութերի հետ, ինչը ցույց է տալիս, որ ռեակցիայի ուղղությունը կարող է կարգավորվել երկրորդ շերտի փոխազդեցությունների միջոցով: (149-ը 150 բառի սահմանաչափ):

Հիմնաբառեր: 2-օքսօղլուտարատ.ֆերեդոքսին օքսիդորեդուկտազ CO2 ֆիքսում Magnetococcus marinus MC-1 կատալիտիկ կողմնակալության էլեկտրոնների փոխանցման ֆերեդոքսին երկաթ-ծծմբային կլաստերների ռեդուկտիվ եռաքարբոքսիլաթթվի (rTCA) ցիկլով թիամին պիրոֆոսֆատ:

Շահերի բախման մասին հայտարարություն

Շահերի հռչակագիր Հեղինակները չեն հայտարարում շահերի բախման մասին:

Ֆիգուրներ

Նկար 1.. 2-օքսոաթթու՝ ֆերեդոքսին օքսիդորեդուկտազներ (OFORs) և…

Նկար 1. 2-օքսոաթթու:ֆերեդոքսին օքսիդորեդուկտազներ (OFORs) և կառուցվածքային բնութագրվող OFOR-ների տիրույթի դասավորությունները:

Նկար 2 .. Սպեկտրոսկոպիկ հատկությունները Մմ ՕԳՈՐ

Նկար 2 .. Սպեկտրոսկոպիկ հատկությունները Մմ ՕԳՈՐ.

(A) 5 մկՄ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման սպեկտրը որպես մաքրված Մմ ՕԳՈՐ…

Նկար 3 .. Կառուցվածքը Մմ ՕԳՈՐ…

Նկար 3 .. Կառուցվածքը Մմ OGOR- ը և OFOR- ների միջև ակտիվ կայքերի համեմատությունը:

Նկար 4 .. Մոտակա միջավայրի միջավայրը…

Նկար 4.. Մոտակա [4Fe-4S] կլաստերի միջավայրը կառուցվածքային բնութագրվող OFOR-ներում:

Նկար 5.. Structure of Մմ OGOR-ի հետ…

Նկար 5.. Structure of Մմ OGOR 2-օքսօղլուտարատով և սուկցինիլ-CoA-ով կապված:


Աբդել-Ալեմ, Ս., Նադա, Մ. Ա., Սայեդ-Ահմեդ, Մ., Հենդրիկսոն, Ս. Ք., Սենտ Լուիս, Ջ., Ուոլթալ, Հ. Պ. և այլն: (1996): Մեկուսացված միոցիտներում գլյուկոզայի օգտագործումից առաջացած ացետիլ-CoA-ով ճարպաթթվի օքսիդացման կարգավորումը: Մոլեկուլային և բջջային սրտաբանության ամսագիր, 28(5), 825–833.

Akiba, T., Hiraga, K., & amp Tuboi, S. (1984): Ֆումարազի ներբջջային բաշխումը տարբեր կենդանիների մեջ: Journal of Biochemistry (Տոկիո), 96, 189–195.

Baldwin, J. E., & amp; Krebs, H. (1981): Նյութափոխանակության ցիկլի գնահատում: Բնություն, 292, 291–381.

Bowtell, J. L., Marwood, S., Bruce, M., Constantin-Teodosiu, D., & Greenhaff, P. L. (2007): Տրիկարբոքսիլաթթվի ցիկլի միջանկյալ լողավազանի չափը. Ֆունկցիոնալ նշանակություն օքսիդատիվ նյութափոխանակության համար՝ մարդու կմախքի մկանների մարզման համար: Սպորտային բժշկություն (Օքլենդ, Ն. Զ.), 37(12), 1071–1088.

Briere, J. J., Favier, J., El Ghouzzi, V., Djouadi, F., Benit, P., Gimenez, A. P., et al. (2005): Մարդու մոտ սուկցինատդեհիդրոգենազի անբավարարություն. Բջջային և մոլեկուլային կյանքի գիտություններ, 62, 2317–2324.

Costello, L. C., & amp Franklin, R. B. (1981). Ակոնիտազի ակտիվությունը, ցիտրատի օքսիդացումը և ցինկի արգելումը առնետի փորոքային շագանակագեղձի մեջ: Ֆերմենտ, 26, 281–287.

Fonnum, F., Johnsen, A., & amp Hassel, B. (1997): Ուղեղի նյութափոխանակության ուսումնասիրության մեջ ֆտորոցիտրատի և ֆտորացետատի օգտագործումը: Գլիա, 21(1), 106–113.

Hellemond, J. J., Opperdoes, F. R., & Tielens, A. G. (2005): Արտասովոր միտոքոնդրիոնը և կիտրոնաթթվի անսովոր ցիկլը Տրիպանոսոմա բրուսեյ ֆուրգոն: Կենսաքիմիական հասարակության գործարքներ, 33(5), 967–971.

Jones, J. G., Sherry, A. D., Jeffrey, F. M., Story, C. J., & Malloy, C. R. (1993): Տրիկարբոքսիլաթթվի ցիկլ մտնող ացետիլ-CoA-ի աղբյուրները, որոնք որոշվում են սուկցինատ 13C իզոտոպոմերների վերլուծությամբ: Կենսաքիմիա, 32(45), 12240–12244.

Կամզոլովա, Ս. Վ., Շիշկանովա, Ն. Վ., Մորգունով, Ի. Գ., Եվ ամպ Ֆինոգենովա, Տ. Վ. (2003): Թթվածնի պահանջները աճի և կիտրոնաթթվի արտադրության համար Yarrowia lipolytica. FEMS խմորիչի հետազոտություն, 3(2), 217–222.

Krebs, H. A. (1970): Տրիկարբոքսիլաթթվի ցիկլի պատմությունը. Կենսաբանության և բժշկության հեռանկարներ, 14(1), 154–170.

Melendez, E., Waddell, T., & Cascante, M. (1996): Կիտրոնաթթվի ցիկլի հանելուկը: Մոլեկուլային էվոլյուցիայի ամսագիր, 43, 293–303.

Nazaret, C., Heiske, M., Thurley, K., & Mazat, J. P. (2009): Միտոքոնդրիալ էներգետիկ նյութափոխանակություն. TCA ցիկլի պարզեցված մոդել՝ ATP արտադրությամբ: Տեսական կենսաբանության հանդես, 258(3), 455–464.

Reeds, P. J., Berthold, H. K., Boza, J. J., Burrin, D. G., Jahoor, F., Jaksic, T., et al. (1997): Ամինաթթուների և ածխածնի միջանկյալ նյութափոխանակության ինտեգրում. Ուսումնասիրություններ միատեսակ պիտակավորված հետքերով և զանգվածային իզոտոպոմերի վերլուծությամբ: Եվրոպական մանկաբուժության ամսագիր, 156(1), 50–58.

Սրեր, Պ. Ա. (1975): Ցիտրատի առաջացման և քայքայման ֆերմենտաբանություն. Ընդլայնված ֆերմենտաբանություն, 43, 57.

Wan, B., LaNoue, K. F., Cheung, J. Y., & amp Scaduto, R. C, Jr. (1989): Կիտրոնաթթվի ցիկլի կարգավորումը կալցիումով: Journal of Biological Chemistry, 264(23), 13430–13439.

Zatta, P., Lain, E., & Cagnolini, C. (2000): Ալյումինի ազդեցությունը Կրեբսի ցիկլի ֆերմենտների և գլյուտամատ դեհիդրոգենազի ակտիվության վրա առնետի ուղեղի համասեռ նյութում: European Journal of Biochemistry, 267(10), 3049–3055.


TCA ցիկլի արատները և քաղցկեղը. Երբ նյութափոխանակությունը մեղմացնում է Redox վիճակը

Տրիկարբոքսիլաթթվի (TCA) ցիկլի ֆերմենտների բնածին արատները հայտնի են ավելի քան քսան տարի: Մինչև վերջերս նկարագրված էին միայն ռեցեսիվ մուտացիաներ, որոնք թեև հանգեցրին ծանր բազմահամակարգային սինդրոմների, բայց նախատրամադրված չէին քաղցկեղի առաջացմանը: Վերջին տասը տարիների ընթացքում պատճառահետևանքային դերը քաղցկեղածինության մեջ փաստագրվել է ժառանգական և ձեռքբերովի փոփոխությունների համար երեք TCA ցիկլի ֆերմենտների՝ սուկցինատդեհիդրոգենազի (SDH), ֆումարատ հիդրատազի (FH) և իզոցիտրատ դեհիդրոգենազի (IDH) նկատմամբ՝ մատնանշելով նյութափոխանակության փոփոխությունները որպես քաղցկեղի հիմնական հատկանիշը. Այս հոդվածը ամփոփում է TCA ցիկլի ֆերմենտների նորագոյացվող փոփոխությունները `կենտրոնանալով կեղծ-հիպոքսիկ ֆենոտիպի առաջացման և էպիգենետիկ հոմեոստազի փոփոխության վրա` որպես TCA ցիկլի ուռուցքի խթանման հիմնական հետևանքների վրա: Ավելին, մենք քննարկում ենք այս մուտացիաների ունակության մասին՝ ազդելու բջջային ռեդոքս վիճակի վրա և խթանելու քաղցկեղածինությունը՝ ազդելով ռեդոքս կենսաբանության վրա:

1. Ներածություն

Քաղցկեղի բջիջները տարբերվում են սովորականներից ՝ օնկոգենների վրա հիմնված կենսաքիմիական փոփոխությունների առատության պատճառով, որոնք նախատեսված են պահպանելու աճի և տարածման բարձր տեմպը [1]: Նյութափոխանակության մեջ ուռուցքին բնորոշ առաջին փոփոխությունը արձանագրվել է 20-րդ դարի սկզբին Վարբուրգի կողմից [2]: Նրա դիտարկումները ցույց տվեցին, որ քաղցկեղի բջիջների նյութափոխանակությունը հիմնված է գլիկոլիտիկ հոսքի ավելացման վրա, որը պահպանվում է նույնիսկ թթվածնի առկայության դեպքում («աէրոբ գլիկոլիզ» կամ «Վարբուրգի էֆեկտ»), առանց օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացման արագության բարձրացման: Շնչառությունից դեպի գլիկոլիզ անցումը սովորաբար համարվում է քաղցկեղի հետևանք, այլ ոչ թե պատճառ: Այնուամենայնիվ, վերջին տասնամյակում հայտնագործությունը, որը ժառանգել և ձեռք է բերել փոփոխություններ երեք ֆերմենտների մեջ tricarboxylic թթու (TCA) ունեն պատճառահետեւանքային դեր քաղցկեղածնության մեջ, փոխեց այս տեսակետը `մատնանշելով փոփոխված նյութափոխանակությունը` որպես նորագոյացությունների վերափոխման հիմնական նշան: Այս փոփոխությունները բաղկացած են SDH և FH ստորաբաժանումները կոդավորող գեների սերմնաբջիջների արատներից, ինչպես նաև IDH- ի կոդավորման հաջորդականության սոմատիկ մուտացիաներից: Մետաբոլոմիկայի ուսումնասիրությունների հետ մեկտեղ, որոնք փաստում են HIF-ից կախված ազդանշանային ուղու փոփոխությունը և էպիգենետիկ դինամիկան՝ որպես այս մուտացիաների ուռուցքը խթանող հիմնական էֆեկտներ, աճող ապացույցները նաև հաստատում են, թե ինչպես կարող են TCA ցիկլի ֆերմենտների փոփոխությունները նպաստել ուռուցքի առաջացմանը՝ ազդելով բջջային ռեդոքս վիճակի վրա: Հետևաբար, այս հոդվածում մենք ամփոփում ենք TCA ցիկլի ֆերմենտների պրոոնկոգեն արատները ՝ քննարկելով դրանց ներգրավվածությունը օքսիդավերականգնման միջավայրի կարգավորմանը և օքսիդավերականգնման կախված ուռուցքածնման ազդանշանի ներգրավմանը:

2. TCA ցիկլի հիմունքները

TCA ցիկլը շաքարների, լիպիդների և ամինաթթուների նյութափոխանակության հիմնական ուղին է [3]: Սովորաբար այն ներկայացվում է ցիկլային միտոխոնդրիալ ճանապարհի միամիտ տեսանկյունից ՝ անընդհատ օքսիդացնելով ացետիլ-կոենզիմի ացետիլային մի մասը CO- ին2, առաջացնելով NADH և FADH2, որի էլեկտրոնները վառում են միտոքոնդրիալ շնչառական շղթան ATP-ի առաջացման համար: TCA ցիկլը սկսվում է ացետիլ-CoA-ի խտացումով օքսալացետատով և ձևավորվում է ցիտրատ, որը կատալիզացվում է ցիտրատ սինթազով: Ցիտրատը կարող է արտահանվել ցիտոպլազմա, որտեղ այն օգտագործվում է որպես լիպիդների կենսասինթեզի պրեկուրսոր կամ մնում է միտոքոնդրիայում, որտեղ այն փոխակերպվում է իզոցիտրատի՝ ակոնիտազի միջոցով։ Հաջորդ քայլին ՝ α-ketoglutarate (α-KG), որը ձևավորվում է IDH-ով կատալիզացված իզոցիտրատի օքսիդատիվ դեկարբոքսիլացման արդյունքում, որը վերածվում է սուկցինիլ-CoA-ի՝ հետագա դեկարբոքսիլացման միջոցով: α-KG դեհիդրոգենազային համալիր: Սուկցինիլ-CoA-ն այնուհետև փոխակերպվում է սուկցինատի սուկցինիլ-CoA սինթետազի միջոցով: Ֆումարատը, որն արտադրվում է SDH համալիրի կողմից կատալիզացված սուկցինատի օքսիդացումով, FH-ով հիդրացվում է մինչև մալատ: Մալաթի օքսիդացումը, որը կատալիզացվում է մալատդեհիդրոգենազով, վերջապես վերականգնում է օքսալացետատը՝ այդպիսով ապահովելով ցիկլի ավարտը (Նկար 1): Biուտ կենսաքիմիական տեսանկյունից, ոչ ուռուցքային բջիջներում TCA ցիկլը բաժանված է երկու փուլի.2 մոլեկուլներ (ii) ռեդուկտիվ, որը ներառում է սուկցինատի հաջորդական օքսիդացում դեպի օքսալոացետատ: Հետաքրքիր է, որ անցյալ տարվա նոր բացահայտումները հաստատում են այն վարկածը, որ մի քանի բջջային համակարգերում, ինչպիսիք են (i) էլեկտրոնային տրանսպորտի շղթայի I կամ III համալիրի մուտացիաներ (ETC), (ii) հիվանդներից ստացված երիկամների քաղցկեղի բջիջները: FH-ի մուտացիաներով, (iii) նորմալ միտոքոնդրիաներով բջիջներով, որոնք ենթարկվում են սուր դեղաբանական ETC-ի, արգելակմանը, ինչպես նաև (iv) հիպոքսիայի ենթարկված ուռուցքային բջիջներին, ցիկլի առաջին փուլը կարող է ընթանալ հակառակ ուղղությամբ՝ ռեդուկտիվ կարբոքսիլացման միջոցով: α-KG ցիտրատ ձևավորելու համար: Սա թույլ է տալիս բջիջներին արտադրել acetyl-coenzyme A աջակցելու համար դե նորո լիպոգենեզը և դրանց կենսունակությունը [4-6]: Թեև ֆիզիոլոգիական և հանգստի պայմաններում միտոքոնդրիումները անհրաժեշտ և բավարար են ցիկլը կատարելու համար, դրա որոշ ֆերմենտների իզոֆորմներ հայտնաբերվել են նաև ցիտոզոլում: Սա ապահովում է ռեակցիաների և մետաբոլիտների երկակի բաժանում (ցիտոսոլիկ և միտոքոնդրիալ), որոնք, ազատորեն համապատասխանաբար արտաքին և ներքին միտոքոնդրիալ մեմբրանների միջոցով ցրվելով ալիքներով և ակտիվ կրիչներով, թույլ են տալիս ցիկլին արձագանքել շրջակա միջավայրի և զարգացման ազդանշաններին ՝ պահպանելով անաբոլիկ ռեակցիաները, ինչպես նաև սնուցում են ATP արտադրող մեքենաները: TCA ցիկլը նաև հանդիսանում է ամինաթթուների փոխպատվաստման և դեամինացիայի ենթարկվող մետաբոլիտների փոխադարձ փոխակերպման հիմնական ուղին և ապահովում է տրանսամինացիայի միջոցով ամինաթթուների սինթեզի, ինչպես նաև գլյուկոնեոգենեզի և ճարպաթթուների սինթեզի հիմքերը: TCA ցիկլի կարգավորումը հիմնականում կախված է օքսիդացված կոֆակտորների մատակարարումից. Հյուսվածքներում, որտեղ դրա առաջնային դերը էներգիայի արտադրությունն է, գործում է շնչառական վերահսկողությունը `միջնորդավորված շնչառական շղթայով և օքսիդացնող ֆոսֆորիլացմամբ: Այս գործունեությունը հիմնված է NAD + և ADP-ի առկայության վրա, որն իր հերթին կախված է քիմիական և ֆիզիկական աշխատանքում ATP-ի օգտագործման արագությունից:


Redox փոփոխությունները, որոնք առաջացել են TCA ցիկլի արատներով: Ցուցադրված են ռեդոքս փոփոխությունները, որոնք առաջացել են SDH, FH և IDH-ի մուտացիաներով: SDH-ի ֆունկցիայի կորուստը մեծացնում է ROS մակարդակը, ինչը հանգեցնում է ԴՆԹ-ի մուտացիաների և HIF-1-իα կայունացում: IDH1 և IDH2 (ցուցադրված չեն) մուտացիաները նվազեցնում են GSH և NADPH մակարդակները: (Ռ)-2-HG, որը առաջանում է IDH1-ի և IDH2-ի օնկոգեն մուտացիաների արդյունքում, առաջացնում է ROS-ի կուտակում: FH- ի թերությունները խթանում են Nrf2- ի միջուկային տեղափոխումը և հակաօքսիդիչ ֆերմենտների արտագրումը Keap1- ի սուկցինացիայի միջոցով: Ֆերմենտները և մետաբոլիտները, որոնք ներգրավված են ուռուցքի ձևավորման և ռեդոքսի փոփոխության մեջ, կարմիր են: Կապույտ սլաքները ցույց են տալիս TCA ցիկլի ռեակցիաները: Կետավոր սլաքները ցույց են տալիս բջիջների օքսիդավերականգնման վիճակը կարգավորող ուղիներ:

3. Գենետիկական թերություններ TCA ցիկլի մեջ

TCA ցիկլի ֆերմենտների վրա ազդող գենետիկական արատները հայտնի են ավելի քան երկու տասնամյակ: Մինչև վերջերս փաստագրված էին միայն ռեցեսիվ մուտացիաներ, որոնց կլինիկական հետևանքները նման էին էլեկտրոնների տեղափոխման շղթայի (ETC) և օքսիդատիվ ֆոսֆորիլացման փոփոխություններին [7]: Այս արատները կապված էին բազմահամակարգային խանգարումների և նյարդաբանական ծանր վնասների հետ, բայց առանց քաղցկեղի նախատրամադրվածության՝ կենտրոնական նյարդային համակարգում ATP-ի ձևավորման զգալի խախտման հետևանքով: Վերջին տասը տարում օնկոգենեզի հետ կապված գերիշխող թերությունները նկարագրվել են միջուկային կոդավորված երեք ֆերմենտների ցիտոպլազմային և միտոքոնդրիալ իզոֆորմներում՝ SDH, FH և IDH, ինչը թույլ է տալիս ուսումնասիրել TCA ցիկլի մետաբոլիտների արտամետաբոլիկ դերերը և դրանց ազդանշանը ուռուցքի առաջացմանը:

3.1. Succinate Dehydrogenase

SDH համալիրը (նաև հայտնի է որպես սուկցինատ՝ ուբիկինոն օքսիդորեդուկտազ կամ միտոքոնդրիալ կոմպլեքս II) խիստ պահպանված հետերոտետրամերային ուռուցքային ճնշող է, որը կազմված է երկու կատալիտիկ ենթամիավորներից (SDHA և SDHB), որոնք դուրս են ցցվում միտոքոնդրիալ մատրիցի մեջ և երկու հիդրոֆոբիկ ենթահամակարգեր (SDSD և SDHC subunits): ), որոնք խարսխում են կատալիտիկ բաղադրիչները ներքին միտոքոնդրիալ թաղանթին և ապահովում են ուբիկինոնի կապող տեղը, ինչպես նաև [8]: Բոլոր ենթամիավորները կոդավորված են միջուկային գենոմով և, ի տարբերություն TCA ցիկլի ֆերմենտների մեծ մասի, չունեն ցիտոզոլային նմանակներ: SDH-ը կատալիզացնում է սուկցինատի օքսիդացումը դեպի ֆումարատ TCA ցիկլում` ETC-ում ուբիկինոնի միաժամանակյա վերածելով ուբիկինոլի: Մեկ տասնամյակ առաջ SDHB, SDHC և SDHD ստորաբաժանումների մուտացիաները հայտնաբերվել էին ժառանգական պարագանգլիոմաներով (hPGLs) և ֆեոխրոմոցիտոմներով (PCCs), հազվագյուտ նեյրոէնդոկրին նորագոյացությամբ ՝ վերերիկամային մեդուլայի քրոմաֆինային հյուսվածքով կամ ստացված գլխի պարասիմպաթիկ հյուսվածքից: եւ համապատասխանաբար պարանոցի պարագանգլիոմա [9–12]: Բոլորովին վերջերս, SDHA-ի և SDH հավաքման գործոնի 2-ի (SDHAF2) մուտացիաները, որոնք անհրաժեշտ են SDH-ի խտացման համար [13, 14], կապված են hPGL/PCC համախտանիշի հետ [15]: SDH գեների գենետիկական թերությունները, որոնք նախատրամադրում են hPGL-ին, ինչպես նաև PCC-ին, հետերոզիգոտ բակտերիալ մուտացիաներ են, որոնք հրահրում են սպիտակուցի անակտիվացումը, և նորագոյացությունը զարգանում է հետերոզիգոտության կորստի հետևանքով, որը պայմանավորված է ֆերմենտի ֆունկցիայի ամբողջական կորստով մեկ վայրկյանում: մուտագեն հարված (սովորաբար ջնջում) [16]: Բացի hPGL- ից և PCC- ից, մի շարք այլ նորագոյացություններ կապված են եղել SDH գեների մուտացիաների հետ, այդ թվում ՝ աղեստամոքսային տրակտի ստոմալ ուռուցքների, երիկամների բջիջների քաղցկեղի, վահանաձև գեղձի ուռուցքների, նեյրոբլաստոմայի և ամորձու սեմինոմայի [8]:

3.2. Ֆումարատ հիդրատազ

FH-ը հոմոտետրամերային TCA ցիկլի ֆերմենտ է, որը կատալիզացնում է ֆումարատի ստերեոսպեցիֆիկ և հետադարձելի հիդրացումը դեպի L-մալատ: Հոմոզիգոտ FH-ի անբավարարությունը հանգեցնում է ֆումարային թթվային [17], որը բնութագրվում է ծանր էնցեֆալոպաթիայի և հոգեմոմոտոր հետամնացության վաղ սկիզբով, ընդհակառակը, հետերոզիգոտ FH մուտացիաները նախատրամադրում են բազմաթիվ մաշկային և արգանդի լեյոմիոմաների (MCUL), ինչպես նաև ժառանգական ռեիոմիոմատոզի (ռեյնալոմատոզ): HLRCC) [18, 19]: Մասնավորապես, երիկամների ուռուցքները HLRCC-ում, որոնց մորֆոլոգիական սպեկտրը ներառում է պապիլյար տիպի II, խողովակապապիլյար, խողովակային, հավաքող ծորան և թափանցիկ բջջային քաղցկեղ, առանձնահատուկ ագրեսիվ են: Աճող ապացույցները վկայում են դրա մասին ՖՀ մուտացիաները կարող են ներգրավված լինել նաև կրծքագեղձի, միզապարկի, ինչպես նաև Լեյդիգի բջիջների ուռուցքների պաթոգենեզում [20, 21]: Ուռուցքների նախատրամադրող գենետիկ արատների ամենատարածված տեսակներն են անիմաստ մուտացիաները (57%), որին հաջորդում են շրջանակի փոփոխությունը և անհեթեթ մուտացիաները (27%), ինչպես նաև լայնածավալ ջնջումները, ներդիրները և կրկնօրինակումները [22]: Ինչպես SDH- ն, այնպես էլ FH- ի ֆերմենտային ակտիվությունը լիովին բացակայում է HLRCC- ում `փոխակերպված բջիջում վայրի տեսակի ալելի կորստի արդյունքում:

3.3. Isocitrate Dehydrogenase

IDH-ն անդամ է β- դեկարբոքսիլացնող դեհիդրոգենազային ֆերմենտների ընտանիքը և կատալիզացնում է իզոցիտրատի օքսիդատիվ դեկարբոքսիլացումը՝ առաջացնելով 2-օքսօղլուտարատ (α-KG) և CO2 TCA ցիկլում: Միջուկային գենոմը կոդավորում է IDH- ի երեք իզոֆորմեր. IDH1 և IDH2- ը NADP + -ից կախված հոմոդիմերներ են, մինչդեռ IDH3- ը NAD + -ին կախված հետերոտրամերիկ ֆերմենտ է: Մինչդեռ IDH1-ը հայտնաբերվում է ցիտոպլազմայի և պերօքսիսոմների մեջ, IDH2-ը և IDH3-ը բացառապես տեղայնացված են միտոքոնդրիալ մատրիցում, և չնայած բոլոր երեք իզոֆորմներն ի վիճակի են դեկարբոքսիլացնել իզոցիտրատը, IDH3-ը IDH-ի հիմնական ձևն է, որը գործում է TCA ցիկլում ֆիզիոլոգիական պայմաններում, մինչդեռ IDH1-ը և IDH2-ը հիմնականում ներգրավված է ռեդուկտիվ գլուտամինի նյութափոխանակության մեջ՝ հիպոքսիայի և ETC-ի փոփոխության պայմաններում [4, 5, 23]: Թեև այն կենտրոնական դեր է խաղում էներգիայի արտադրության մեջ, մինչ օրս IDH3 ենթամիավորներից որևէ մեկում քաղցկեղի հետ կապված մուտացիաների մասին հաղորդումներ չեն գրանցվել: Ընդհակառակը, գենոմի ամբողջ մուտացիաների վերլուծությունները և բարձր թողունակության խորքային հաջորդականությունը բացահայտեցին մուտացիաների առկայությունը կամ IDH1-ում կամ նրա միտոքոնդրիալ գործընկեր IDH2-ում II-III աստիճանի գլիոմաների և երկրորդային գլիոբլաստոմաների 70%-ում [24, 25]: Այս սկզբնական զեկույցներից ի վեր, IDH1- ի և IDH2- ի մուտացիաները հայտնաբերվել են սուր միելոիդ լեյկոզով հիվանդների 16-17% -ում, անգիոիմունոբլաստիկ T- բջիջների լիմֆոմաների 20% -ում [26], և նկատվել են մի շարք այլ չարորակ ուռուցքների դեպքում `ավելի ցածր հաճախականությամբ: 27, 28], ինչպիսիք են B- սուր լիմֆոբլաստիկ լեյկոզները, վահանաձև գեղձի, հաստ աղիքի և շագանակագեղձի քաղցկեղը [29, 30]: Ի տարբերություն ՍԴՀ եւ ՖՀ hPGL և HLRCC մուտացիաները, համապատասխանաբար, IDH1 և IDH2 մուտացիաները սոմատիկ և մոնալելային են: Ավելին, մինչդեռ մուտացիաները ՍԴՀ եւ ՖՀ հանդիպում են գենի մեջ, գլիոմաներում և AML- ում հայտնաբերված IDH մուտացիաների մեծամասնությունը ID13- ում R132 ամինաթթուների մնացորդների և IDH2- ում R172- ի կամ R140- ի փոփոխություններ են [31]: Այս փոփոխությունների արդյունքում մուտացված IDH-ները չեն կարողանում արդյունավետորեն կատալիզացնել իզոցիտրատի օքսիդատիվ դեկարբոքսիլացումը և ձեռք բերել նեոմորֆ կատալիտիկ ակտիվություն, որը թույլ է տալիս նվազեցնել NADPH-ից կախված: α-KG-ն օնկոմետաբոլիտում (Ռ-2-հիդրօքսիգլուտարաթթու ((Ռ) -2HG) [31, 32]:

4. TCA ցիկլի արատների հետևանքով առաջացած ուռուցքի առաջացման մեխանիզմներ

Բացահայտումը, որ երկուսի մուտացիաներից առաջացող շատ ուռուցքներ ՍԴՀ եւ ՖՀ գեները բնութագրվում են հիպոքսիկ առանձնահատկություններով, ենթադրվում է, որ հիպոքսիայի միջոցով առաջացող տրանսկրիպցիոն գործոն-1-ի ակտիվացումըα (HIF-1α) կարող է օժանդակ դեր խաղալ TCA ցիկլի դիսֆունկցիաներով առաջացած ուռուցքային գործընթացներում: Իսկապես, HIF-1α հայտնի է, որ համակարգում է քաղցկեղի բջիջների կենսաքիմիական վերադասավորումը, որի նպատակն է պահպանել դրանց աճն ու տարածումը, ինչպես նաև ուռուցքների անոթազերծումը [33–35]: TCA ցիկլի դիսֆունկցիայի և HIF-1- ի պատճառահետեւանքային կապըα ակտիվացումն ի սկզբանե առաջարկվել է Սելակի և գործընկերների կողմից՝ ցույց տալով, որ սուկցինատի կուտակումը SDH-դեֆիցիտի բջիջներում առաջացնում է պրոլիլ 4-հիդրօքսիլազների (PHDs) արգելակում, որը հանդիսանում է կայունության բացասական կարգավորիչ։ α HIF- ի ստորաբաժանում [36]: PHD-ները գերընտանիքի անդամներ են α-KG-ից կախված հիդրօքսիլազներ, որոնք զուգակցում են սուբստրատների հիդրօքսիլացումը օքսիդացման հետ α-KG- ը հաջողության կհասնի O- ից կախված ռեակցիաներում2 և Fe 2+ [37]: Նորմոքսիկ պայմաններում PHD-ները հիդրոքսիլացնում են երկու պրոլինի մնացորդներ HIF-1-ի թթվածնից կախված քայքայման տիրույթում:α, որը թույլ է տալիս այն պոլիուբիկվիտինացվել և քայքայվել միջոցով պրոթեզերոն. SDH-դեֆիցիտի կամ SDH-ոչ ակտիվ բջիջներում կուտակված սուկցինատը խաթարում է PHD-ների ակտիվությունը՝ հանգեցնելով HIF-1-ի:α նորմալացման պայմաններում կայունացում (պսևդոհիպոքսիա) [36]: Ինչպես սուկցինատը, այնպես էլ ֆումարատը, որը կուտակվում է ուռուցքներում, որոնք պարունակում են FH ֆունկցիայի կորուստ, ապացուցվել է որպես PHD-ների հզոր արգելակիչներ [38]: Հետաքրքիր է, որ HIF-ի ֆումարատով միջնորդավորված կայունացումը հրահրում է HIF-թիրախային մի քանի գեների վերկարգավորումը, ներառյալ նրանց, որոնք խթանում են բջիջների աճը և անգիոգենեզը, ինչը թույլ է տալիս ենթադրել կեղծ հիպոքսիայի արձագանքը որպես HLRCC-ի առաջացման հավանական մեխանիզմ [38]: Չնայած դրան, ապացույցների այս մեծ հավաքածուն ուղղակի կապ է ցույց տվել HIF-1-ի միջևα Էքսպրեսիան և ուռուցքի առաջացումը, վերջին բացահայտումները որոշ հարցեր են բարձրացրել կեղծ հիպոքսիկ հարմարվողականության պրոտումորգենային դերի վերաբերյալ բոլոր տեսակի ուռուցքներում, որոնք առաջանում են TCA ցիկլի արատներից: Առաջին հարցը ծագեց Ադամի և գործընկերների ուսումնասիրությունից: Նրանք ցույց տվեցին, որ ոչ HIF-ի առկայությունը, ոչ էլ PHD-ների բացակայությունը պարտադիր չէ երիկամների հիպերպլաստիկ կիստաների ձևավորման համար (HLRCC-ի բնորոշ նշանը) երիկամներին հատուկ հիվանդների մոտ: Fh1 (մարդկային FH-ի օրթոլոգը) նոկաուտ մկները, որոնք ամփոփում են մարդու հիվանդության շատ առանձնահատկություններ [39]՝ ենթադրելով, որ ֆումարատի այլընտրանքային օնկոգեն գործողությունները կարող են պատասխանատու լինել HLRCC առաջացման համար (տես հաջորդ պարբերությունը): Ի լրումն այս ուսումնասիրության, որը նկարագրում է HIF- ը որպես մի տեսակ «դիտորդ խաղացող» FH մուտացիաներ պարունակող ուռուցքների առաջացման ժամանակ, մեկ այլ զեկույց նշում է, որ այս տրանսկրիպցիոն գործոնը հանդիսանում է IDH1/2 մուտացիաներ կրող ուռուցքների ուռուցք-ճնշող սպիտակուց: Իրոք, ինչպես ցույց են տվել Կոիվունենը և գործընկերները, ի տարբերություն սուկցինատի և ֆումարատի, (Ռ)-2HG-ն խթանում է PHD-ների գործունեությունը, վարում է նման ձևով HIF-1α պրոտեազոմային միջնորդությամբ քայքայման համար [40]: Ավելին, նրանք մատնանշեցին, որ HIF-1- ըα downregulation-ը մեծացնում է մարդկային աստղագոտիների տարածումը և նպաստում դրանց փոխակերպմանը, ինչը հիմնավորում է PHD-ների արգելակումը հետազոտելու համար՝ որպես IDH1/2 մուտացիաներ կրող ուռուցքների բուժման հնարավոր ռազմավարություն [40]:

Որպես անդամ α-KG- ից կախված հիդրոքսիլազներ, PHD- ները կատալիզացնում են ենթաշերտերի լայն տեսականի, բացի HIF-1- իցα [37]։ Հետևաբար, PHD թիրախների նվազեցված հիդրօքսիլացումը կարող է նպաստել ուռուցքի առաջացմանը՝ անկախ HIF-1-իցα գործունեությունը և հիպոքսիկ ստորագրության ձեռքբերումը: Օրինակ, առաջարկվել է, որ SDH-ի անբավարարությունը կարող է խաթարել նեյրոնների PHD-կախյալ ծրագրավորված բջջային մահը, հետևաբար, հիմք դնելով նեյրոնային բջիջների նորագոյացական վերափոխման համար: Այս վարկածն աջակցություն է գտնում վերջին ուսումնասիրություններում, որոնք ցույց են տալիս, որ պրոլիլ հիդրոքսիլազի EglN3- ի պրոապոպտոտիկ ակտիվությունը պահանջում է ֆունկցիոնալ SDH ՝ սուկցինատով արգելակված հետադարձ կապ [41, 42]: Քանի որ EglN3-ն անհրաժեշտ է զարգացման ընթացքում՝ թույլ տալով որոշ սիմպաթիկ նեյրոնային պրեկուրսոր բջիջների ծրագրավորված բջիջների մահը, դրա արգելակումը, որն առաջանում է սուկինատի մակարդակի բարձրացմամբ, կարող է դեր խաղալ թերի զարգացման ապոպտոզից առաջացող ուռուցքների պաթոգենեզում, ինչպիսիք են ֆեոխրոմոցիտոմաները:

Կարևորելով HIF-1- ըα-անկախ ուռուցքածին մեխանիզմները, աճող ապացույցների հավաքածուն ակնհայտորեն դնում է TCA հոսքի փոփոխությունը նաև էպիգենետիկ դինամիկայի վերևում: Հիստոնի մեթիլացումը կարևոր էպիգենետիկ փոփոխություն է, որը ապացուցվել է, որ կարգավորում է գենի արտահայտումը `փոփոխելով քրոմատինի կառուցվածքը և, այդպիսով, մանրակրկիտ կարգաբերելով տառադարձման գործոնների կապը [43, 44]: Հիստոնային մեթիլացման ստորագրությունը կարգավորող ամենաուսումնասիրված ֆերմենտներից մեկը հիստոնային դեմեթիլազների Jumonji C-տերմինալ տիրույթի (JmjC) ընտանիքն է [45]: Քանի որ նրանք հեռացնում են մեթիլ խմբերը հիստոնների արգինինի և լիզինի մնացորդների վրա α-KG- և թթվածնից կախված հիդրօքսիլացում, դրանք ներառվել են α-KG- ից կախված հիդրոքսիլազների ընտանիք: Itույց է տրվել, որ սուկինատային կուտակումը, SDH- անբավարար բջիջներում, բացասաբար է անդրադառնում հիստոնային demethylase- ի նման դասի բազմաթիվ անդամների գործունեության վրա: Օրինակ, սուկցինատի միջնորդավորված JMJD3 արգելակումը հանգեցնում է արգինինի վրա հիստոն H3-ի մեթիլացման նշանի փոփոխության [46]: Ավելին, պարագանգլիոմայի խմորիչ մոդելում պարզվել է, որ հիստոն դեմեթիլազը՝ Jhd1, արգելակվում է սուկցինատի կուտակմամբ α-KG- մրցունակ եղանակ [47]: Նմանապես, վերջին ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ SDH- ի փոփոխություններից բացի, IDH1/2 արատները կապված են հիպերմեթիլացված ֆենոտիպի հետ: Իրոք, պատսպարվող խցերում IDH1/2 մուտացիաներ, ներբջջային (Ռ) -2-HG մակարդակները կարող են հասնել 10 մմ արժեքի: Այս կոնցենտրացիաները նպաստում են մրցակցային արգելակմանը α-ԿԳ-ից կախված հիստոն N ε -լիզինային demethylase JMJD2A և 5-մեթիլցիտոսին (5mC) հիդրոքսիլազների տասներկու փոխադրման (TET) ընտանիք, սպիտակուցի դաս, որը միջնորդում է α-KG-ից կախված մեթիլ նշանի հեռացում 5-մեթիլցիտոզիններից, ինչը հանգեցնում է համապատասխանաբար հիստոնի և ԴՆԹ-ի ուժեղացված մեթիլացման [48, 49]: Հետաքրքիրն այն է, որ թեև ֆումարատը կարող է արգելակել HIF-կարգավորող PHD-ները, ինչպես սուկցինատը, մինչ այժմ չի փաստաթղթավորվել ոչ մի ապացույց, որը հաստատում է նրա ենթադրյալ կարողությունը՝ արտացոլելու իր հարազատ մետաբոլիտ սուկցինատը հիստոնային մեթիլացման վրա ազդելու համար: Բացի այդ, քանի որ TET ֆերմենտները անդամ են α-ԿԳ-ից կախված հիդրօքսիլազների ընտանիքը, և՛ սուկցինատի, և՛ ֆումարատի ենթադրյալ կարողությունը դրանց արգելակման մեջ կարելի է հիմնավոր կերպով վիճարկել: Էպիգենետիկ փոփոխությունների ունակության հիման վրա՝ ազդելու տոհմային հատուկ տարբերակման վրա և հանգեցնելու օնկոգենների ակտիվացման կամ ուռուցքային ճնշողների լռեցմանը [44, 50, 51], հիստոնների և ԴՆԹ-ի դեմեթիլազների մրցակցային արգելակումը, որն առաջանում է հոսքերի արատներով: TCA ցիկլի մետաբոլիտները կարող են խթանել ուռուցքի առաջացումը՝ խթանելով բջիջների փոխակերպումը և անվերահսկելի տարածումը:

5. Ռեդոքսից կախված ուռուցքածին փոփոխություններ, որոնք առաջացել են TCA ցիկլի արատներով

Բացի նյութափոխանակության տեսակետից, համոզիչ ապացույցները հուշում են, որ թթվածնի ռեակտիվ տեսակները (ROS), որոնք արտադրվում են կանոնակարգված միտոխոնդրիալ գործունեության արդյունքում, կարող են առաջացնել ուռուցքաբանական ազդանշան կամ, առնվազն, մասնակցել ուռուցքների առաջընթացին, որոնք բնութագրվում են TCA ցիկլի ֆերմենտների արատներով: (Նկար 1): Այս ենթադրությունը հաստատում է այն դիտարկումը, որ, համեմատած իրենց սովորական գործընկերների հետ, քաղցկեղի բջիջների շատ տեսակներ ունեն ROS-ի մակարդակի բարձրացում, որն առաջացել է թերի միտոքոնդրիալ էլեկտրոն-փոխադրման շղթայով [52-54]: Օգտագործելով իրենց քիմիական ռեակտիվությունը բիոմոլեկուլների հետ, ինչպիսիք են նուկլեինաթթուները, ROS- ը, ինչպես հայտնի է, առաջացնում է ԴՆԹ-ի մի քանի տեսակի վնասներ, այդ թվում `ապաթուլացում և դեպիրիմիդինացիա, մեկ և երկշղթայական ԴՆԹ-ի ընդմիջումներ, բազայի և շաքարի փոփոխություններ և ԴՆԹ-սպիտակուցային խաչմերուկներ: Այսպիսով, ԴՆԹ-ի մշտական ​​փոփոխությունները, որոնք առաջանում են կայուն պրոօքսիդանտ պայմաններից, առաջ են բերում քաղցկեղածինության հիմքում ընկած մուտագեն իրադարձությունները:

Դիտարկումը, որ կոնկրետ SDHC մուտանտը (mev-1) որ C. էլեգանս նեմատոդը կարողացավ սուպերօքսիդ առաջացնել

[55, 56] առաջարկեց հավանականությունը, որ ROS- ը կարող է պատճառական դեր ունենալ TCA ցիկլում արատներ կրող ուռուցքների պաթոգենեզում: Այս վարկածն ավելի ամրապնդվեց այն փաստով, որ մկների ֆիբրոբլաստները փոխակերպվել են մկանային համարժեքով: mev-1 մուտանտները բնութագրվում էին ROS-ի կայուն արտադրությամբ և զգալիորեն ավելի բարձր ԴՆԹ-ի մուտացիայի հաճախականությամբ, քան վայրի տիպի գործընկերները [57]: Չնայած ապացույցների այս տողերը հաստատում էին ROS-ի մուտագեն դերը, որը առաջանում է թերի SDH համալիրի կողմից, ԴՆԹ-ի ոչ մի հայտնաբերվող վնաս, չնայած ROS-ի և սպիտակուցի օքսիդացման աճին, նկարագրված չէ S. cerevisiae շտամ, որը չունի Sdh2 (կաթնասունների SDHB-ի խմորիչի օրթոլոգը) [47]: SDH- ի դիսֆունկցիաներից առաջացած պրոօքսիդանտային վիճակը ուռուցքաբանության հետ կապելու համար Գուզին և գործընկերները առաջարկեցին, որ ROS- ը կարող է օժանդակ դեր խաղալ ուռուցքածին գործընթացում `նպաստելով HIF-1- ի ակտիվացմանը:α [58]: Իրոք, հենվելով շնչառական շղթայից ստացված ROS-ի նախկինում բնութագրված դերի վրա՝ որպես ազդանշան HIF-1-ի համարα հիպոքսիայի տակ կայունացում [59, 60], ցույց է տրվել, որ մուտանտ SDHB արտահայտող բջիջները, բայց ոչ մուտանտ SDHA- ն, բնութագրվում են զգալի միտոքոնդրիալ ROS արտադրությամբ, որը պահանջվում է սուկցինատի հետ միասին ՝ PHD- ների և HIF-1- ի ամբողջական անգործության համար:α կայունացում [58]: Հետևաբար, այս արդյունքները ամրապնդում են ROS-ի դերը որպես կեղծ հիպոքսիկ արձագանքի ուժեղացուցիչ, որը դիտվում է SDH արատներ կրող բոլոր բջիջներում՝ ապահովելով կենսաքիմիական հիմնավորում SDHB մուտացիաների ծանրության համար, որոնք սովորաբար կապված են ագրեսիվ PCC-ի հետ:

Բջջային օքսիդավերականգնման կարգավորման TCA ցիկլի արատների հնարավորությունները հաստատվել են ապացույցներով, որ IDH1/2 գեների ուռուցքաբանական մուտացիաները կապված են ներբջջային միջավայրի օքսիդացման հետ: Սովորաբար, աերոբ օրգանիզմներում բջջային ռեդոքս վիճակի վերահսկումն ապահովվում է պրոօքսիդանտ տեսակների միջև հավասարակշռությամբ, որոնք հիմնականում արտադրվում են միտոքոնդրիումներով, NADPH օքսիդազներով կամ որպես միջանկյալ նյութափոխանակության կողմնակի արտադրանք, և դրանց մաքրումը հակաօքսիդանտ ֆերմենտների և ֆերմենտների սիներգիկ գործողության միջոցով: թիոլ պարունակող հակաօքսիդանտներ: Վերջիններիս մեջ եռապեպտիդ գլուտատիոնը (GSH) առանցքային դեր է խաղում ներբջջային ռեդոքս պոտենցիալի կայուն վիճակի արժեքի որոշման գործում: Իրոք, նրա ներբջջային առատությունը (1–10 մՄ) թույլ է տալիս GSH-ին, որպես էլեկտրոնների դոնոր, մասնակցել ջրածնի պերօքսիդի և լիպիդային պերօքսիդների ֆերմենտային նվազմանը և հետադարձելիների առաջացմանը։ Ս-գլուտաթիոնիլացված հավելումներ՝ սպիտակուցային թիոլներով, որոնք թույլ չեն տալիս նրանց ենթարկվել օքսիդացման անդառնալի ձևերի [61]: IDH մուտացիաների օքսիդատիվ ներբջջային պայմաններ առաջացնելու ունակությունը կապված է GSH մակարդակի նվազման հետ, որը նկատվում է ինչպես IDH1-R132H- ում, այնպես էլ IDH2-R172K- ում ՝ արտահայտելով գլիոմայի բջիջները դրանց նկատմամբ: քաշ գործընկերները [62]: GSH-ը սինթեզվում է ATP-ից կախված երկու փուլով՝ (i) սինթեզ γ-գլուտամիլցիստեին, L- գլուտամատից և ցիստեինից միջոցով արագությունը սահմանափակող ֆերմենտ գլյուտամատ-ցիստեին լիգազ (GCL) (ii) գլիցինի ավելացում C-տերմինալին γ-գլուտամիլցիստեին միջոցով գլուտատիոն սինթետազ Ներբջջային գլուտամատը, որն անհրաժեշտ է GSH կենսասինթեզի առաջին ռեակցիայի համար, հիմնականում արտադրվում է գլուտամինազի ֆերմենտի կողմից կատալիզացված գլուտամինի օքսիդացնող դեամինացիայի միջոցով [63]: Քանի որ IDH1/2 մուտանտի բջիջները բնութագրվում են գլյուտամատի ավելի ցածր մակարդակներով՝ իրենց համեմատությամբ քաշ համընկնող մասեր [62], հնարավոր է, որ IDH-ի օնկոգեն թերությունները հանգեցնեն GSH-ի սինթեզի խանգարմանը գլյուտամատի ավելի ցածր հասանելիության պատճառով, այդպիսով կրկնօրինակելով պրոօքսիդանտ պայմանները, որոնք դիտվում են գլուտամինազի անբավարարությամբ բջիջներում [64]: Գլուտամատի թուլացած մակարդակը կարող է բարձրացման արդյունք լինել αIDH1/2 մուտանտ բջիջների KG պահանջարկը, որը թույլ է տալիս օնկոմետաբոլիտի կենսասինթեզը (Ռ) -2-HG: Այս ենթադրությունը հաստատվում է այն ապացույցներով, որ գլիոմայի բջիջների բուժումը (Ռ)-2-HG-ն չի սպառում ոչ գլյուտամատի, ոչ էլ գլուտատիոնի մակարդակները [62], ինչը ենթադրում է, որ IDH-մուտացված բջիջներում նկատված շատ մետաբոլիկ փոփոխություններ պայմանավորված չեն (Ռ) -2-HG, բայց դրա օնկոգեն արտադրության հետևանք: IDH1/2 մուտացիաների ներգրավվածությունը պրոօքսիդանտ պայմանների առաջացման մեջ կապված չէ միայն ներբջջային GSH պարունակության փոփոխության հետ: Իրոք, isocitrate- ի օքսիդատիվ դեկարբոքսիլացումը, որը խաթարված է IDH1 և IDH2 սպիտակուցների բոլոր մուտանտներում, զուգորդվում է NADPH առաջացնելու ունակության հետ: Ավելին, ներբջջային NADPH արտադրությունը պահպանելու ձախողումը կապված է NADPH օքսիդացման բարձրացման հետ, որն անհրաժեշտ է (նվազեցնող բիոսինթեզ թույլ տալու համար)Ռ)-2-ՀԳ [31, 32, 65]: Քանի որ GSH-ը և թիոլի վրա հիմնված հակաօքսիդանտ սպիտակուցը՝ թիորեդոքսինը, պահանջում են NADPH՝ որպես ռեգեներացիայի նվազեցնող համարժեքների աղբյուր [61], IDH1/2 մուտացիաներով առաջացած NADP + /NADPH-ի փոփոխված հավասարակշռությունը կարող է նպաստել ներբջջային ռեդոքս վիճակի փոփոխությանը։ ավելի օքսիդացնող պայմանների նկատմամբ: Չնայած, այս ապացույցների տողերը բերում են մուտանտ IDH1/2-ի կարողությունը՝ առաջացնելու պրոօքսիդանտ պայմաններ՝ անկախ (Ռ)-2-HG մարդու ռեդոքս նյութափոխանակության վրա, առաջարկվել է, որ այս օնկոմետաբոլիտը կարող է ինքն իրեն նպաստել ներբջջային միջավայրի օքսիդացմանը: Իրոք, որոշ զեկույցներ ցույց են տալիս երիտասարդ առնետների ուղեղային ծառի կեղևում օքսիդացնող վնասներ հասցնելու ունակությունը [66] և առաջացնում է ROS սերունդ NMDA ընկալիչի խթանման միջոցով [67]: Although these findings support prooxidant capability of (Ռ)-2-HG, to date no striking evidence has been provided attesting its mutagenic role.

Whereas accumulating pieces of evidence support the capability of oncogenic mutations in SDH as well as IDH genes to oxidize intracellular milieu, conflicting findings do not allow for defining a clear role of FH deficiency in cellular redox state modulation. The most convincing evidence showing the capability of FH-deficient cells to promote intracellular ROS accumulation comes from the work of Sudarshan and colleagues [68]. This study demonstrated that inactivating mutations of FH in an HLRCC-derived cell line result in glucose-induced NADPH oxidases-mediated generation of and ROS-dependent HIF-1α stabilization. On the contrary, O’Flaherty and colleagues provided clear evidence that accumulation of fumarate, due to the absence of a functional FH, is the sole mechanism responsible for the inhibition of HIF-1α prolyl hydroxylation, independently on defect in mitochondrial oxidative metabolism [69]. Indeed, the complete correction of HIF-1α pathway activation in Fh1 −/− MEFs by extra-mitochondrial FH expression suggests that, at least in tumors harboring FH defects, neither impaired mitochondrial function nor the consequent dependence of energy metabolism on glycolysis contributes significantly to HIF-1α engagement. The most substantial pieces of evidence, depicting the elevation of fumarate levels as a condition linked to the reduction of intracellular redox state, came from two recent studies demonstrating that FH loss results in the activation of nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) [39, 70], the pivotal transcription factor responsible for the induction of the antioxidant-responsive-element- (ARE-) driven genes, which codify for phase II detoxification enzymes and antioxidant proteins such as glutathione S-transferases and GCL [71]. Both studies demonstrated that reconstitution of FH-deficient cells with wild-type FH or an extra-mitochondrial FH decreased fumarate levels and restored Nrf2 regulation [39, 70]. In addition, elevation of intracellular fumarate content by a membrane-permeable fumarate ester was found sufficient to induce Nrf2 and its orchestrated antioxidant program [70]. According to the current view, in resting conditions, Nrf2 is retained in the cytoplasm through its interaction with Keap1 which prevents its nuclear translocation and rules its ubiquitin-proteasome-mediated turnover, as well. However, in the presence of electrophiles as well as during redox unbalance, Keap1 is modified at several reactive cysteine residues, resulting in Nrf2 stabilization and the activation of the protective gene expression program [71, 72]. In line with this accepted model, both groups revealed by mass spectroscopy analyses that fumarate was able to succinate several cysteine residues previously shown to be electrophile targets, including Cys 151 and Cys 288 , thereby providing a mechanistic explanation of the fumarate-induced Nrf2 activation [39, 70]. Although ROS can promote carcinogenesis by inducing oxidative damages to DNA, a recent outstanding study demonstrates that oncogene-induced Nrf2 activation promotes tumorigenesis by lowering ROS levels and conferring a more reduced intracellular environment [73]. Therefore, on the basis of these evidence, it is possible to hypothesize that the fumarate-mediated activation of the Nrf2-antioxidant pathway might drive the oncogenic signal for tumors characterized by defects in the FH enzyme. Although this assumption has not been demonstrated yet, the observation that heme oxygenase 1, one of the best defined target genes of Nrf2, is upregulated in FH-deficient cells allowing their survival [74] supports the putative causal role of Keap1 succination in the onset of tumors carrying FH defects. Furthermore, mounting bodies of evidence show that Nrf2 and its downstream genes are overexpressed in many cancer cell lines and human cancer tissues conferring them advantage for survival and growth as well as acquired chemoresistance [75, 76]. Therefore, it is possible to speculate that besides driving renal tumorigenesis, fumarate-induced succination of Nrf2 could contribute to the reduced sensitivity of particularly aggressive and recurrent forms of kidney cancer, such as HLRCC [77], to many chemotherapeutic approaches. The enhanced activation of Nrf2 observed both by Pollard and Furge groups contributes to explain the results obtained by Raimundo and coworkers in nontumor cells [78]. Indeed, they documented that FH-deficient diploid human fibroblasts are characterized by a highly reduced redox state with increased GSH levels, as result of increased expression of the GSH biosynthetic enzyme GCL. As highly reducing environment has been shown to stimulate cell proliferation [79], it is possible to hypothesize that the reduced redox state elicited by FH mutations could favor the doublings of stem-cell-like populations promoting thus the initial event of tumor formation. This assumption finds support in the observation that lower ROS levels have been found in many cancer stem cells with respect to the nontumorigenic counterparts, allowing them to maintain a high proliferative status and to prevent their differentiation [80].

6. Concluding Remarks

The direct involvement of TCA cycle enzymes in tumor formation has been arousing from a decade. In tumors associated with defects of SDH, FH, and IDH enzymes, the underlying mechanisms of tumorigenesis involve the accumulation of metabolites (succinate, fumarate, and (Ռ)-2-HG) that convey oncogenic signals (oncometabolites). Large amount of evidence points towards the generation of pseudohypoxic phenotype and the alteration of epigenetic homeostasis as the main cancer-promoting effects of the TCA cycle affecting mutations. Besides inhibiting the α-KG-dependent hydroxylases, mounting body of evidence supports the ability of these oncometabolites to alter cellular redox state in precancerous as well as transformed cells. Therefore, alternatively or concomitantly to the generation of pseudohypoxic phenotype and the alteration of epigenetic dynamics, the oncometabolites-induced engagement of redox-dependent signaling pathways could contribute both to the neoplastic transformation of healthy cells as well as to the progression of malignancies characterized by germline mutations in SDH and FH and of somatic defects in IDH. These emerging findings reveal a dynamic interaction between the genetic profile, the metabolic status, and the redox tuning of the cell. Moreover, the different impact of oncogenic mutations of the TCA cycle on cellular redox state could contribute to explain the differences in the clinical phenotype and outcome of their associated tumors, opening new perspectives in the comprehension of the molecular mechanisms of oncogenesis and therapeutic targeting of these neoplastic alterations.

Երախտագիտություն

This work was partially supported by Grants from AIRC (no. IG 10636) and from Ministero dell’Università e della Ricerca (MIUR).

Հղումներ

  1. G. Kroemer and J. Pouyssegur, “Tumor cell metabolism: Cancer's Achilles' heel,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 13, ոչ 6, pp. 472–482, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  2. O. Warburg, “On the origin of cancer cells,” Գիտություն, հատոր 123, no. 3191, pp. 309–314, 1956. View at: Google Scholar
  3. I. E. Scheffler, Միտոքոնդրիա, John Wiley & Sons, 2nd edition, 2008.
  4. D. R. Wise, P. S. Ward, J. E. Shay et al., “Hypoxia promotes isocytrate dehydrogenase-dependent carboxylation of α-ketoglutarate to citrate to support cell growth and viability,” ԱՄՆ Գիտությունների ազգային ակադեմիայի նյութեր, հատոր 108, թիվ 49, 19611 pages, 1961. View at: Google Scholar
  5. C. M. Metallo, P. A. Gameiro, E. L. Bell et al., “Reductive glutamine metabolism by IDH1 mediates lipogenesis under hypoxia,” Բնություն, հատոր 481, no. 7381, pp. 380–384, 2011. View at: Google Scholar
  6. A. R. Mullen, W. W. Wheaton, E. S. Jin et al., “Reductive carboxylation supports growth in tumour cells with defective mitochondria,” Բնություն, հատոր 481, no. 7381, pp. 385–388, 2011. View at: Google Scholar
  7. D. C. Wallace, W. Fan, and V. Procaccio, “Mitochondrial energetics and therapeutics,” Annual Review of Pathology, հատոր 5, pp. 297–348, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  8. C. Bardella, P. J. Pollard, and I. Tomlinson, “SDH mutations in cancer,” Biochimica և Biophysica Acta, հատոր 1807, no. 11, pp. 1432–1443, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  9. B. E. Baysal, R. E. Ferrell, J. E. Willett-Brozick et al., “Mutations in SDHD, a mitochondrial complex II gene, in hereditary paraganglioma,” Գիտություն, հատոր 287, ոչ 5454, pp. 848–851, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  10. S. Niemann and U. Müller, “Mutations in SDHC cause autosomal dominant paraganglioma, type 3,” Բնության գենետիկա, հատոր 26, թիվ 3, pp. 268–270, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  11. D. Astuti, F. Latif, A. Dallol et al., “Gene mutations in the succinate dehydrogenase subunit SDHB cause susceptibility to familial pheochromocytoma and to familial paraganglioma,” American Journal of Human Genetics, հատոր 69, ոչ 1, pp. 49–54, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  12. B. E. Baysal, J. E. Willett-Brozick, E. C. Lawrence et al., “Prevalence of SDHB, SDHC, and SDHD germline mutations in clinic patients with head and neck paragangliomas,” Բժշկական գենետիկայի ամսագիր, հատոր 39, թիվ 3, pp. 178–183, 2002. View at: Google Scholar
  13. H. X. Hao, O. Khalimonchuk, M. Schraders et al., “SDH5, a gene required for flavination of succinate dehydrogenase, is mutated in paraganglioma,” Գիտություն, հատոր 325, no. 5944, pp. 1139–1142, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  14. J. P. Bayley, H. P. M. Kunst, A. Cascon et al., “SDHAF2 mutations in familial and sporadic paraganglioma and phaeochromocytoma,” The Lancet ուռուցքաբանություն, հատոր 11, ոչ 4, pp. 366–372, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  15. N. Burnichon, J. J. Brière, R. Libé et al., “SDHA is a tumor suppressor gene causing paraganglioma,” Մարդու մոլեկուլային գենետիկա, հատոր 19, ոչ 15, pp. 3011–3020, 2010. View at: Google Scholar
  16. E. Gottlieb and I. P. M. Tomlinson, “Mitochondrial tumour suppressors: a genetic and biochemical update,” Բնության ակնարկներ քաղցկեղ, հատոր 5, ոչ. 11, pp. 857–866, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  17. A. B. Zinn, D. S. Kerr, and C. L. Hoppel, “Fumarase deficiency: a new cause of mitochondrial encephalomyopathy,” New England Journal of Medicine, հատոր 315, no. 8, pp. 469–475, 1986. View at: Google Scholar
  18. V. Launonen, O. Vierimaa, M. Kiuru et al., “Inherited susceptibility to uterine leiomyomas and renal cell cancer,” Ամերիկայի Միացյալ Նահանգների Գիտությունների ազգային ակադեմիայի տեղեկագիր, հատոր 98, թիվ 6, pp. 3387–3392, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  19. I. P. M. Tomlinson, N. A. Alam, A. J. Rowan et al., “Germline mutations in FH predispose to dominantly inherited uterine fibroids, skin leiomyomata and papillary renal cell cancer the multiple leiomyoma consortium,” Բնության գենետիկա, հատոր 30, ոչ 4, pp. 406–410, 2002. View at: Publisher Site | Google Scholar
  20. L. G. Carvajal-Carmona, N. A. Alam, P. J. Pollard et al., “Adult leydig cell tumors of the testis caused by germline fumarate hydratase mutations,” The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, հատոր 91, թիվ 8, pp. 3071–3075, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  21. H. J. Lehtonen, M. Kiuru, S. K. Ylisaukko-Oja et al., “Increased risk of cancer in patients with fumarate hydratase germline mutation,” Բժշկական գենետիկայի ամսագիր, հատոր 43, թիվ 6, pp. 523–526, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  22. A. King, M. A. Selak, and E. Gottlieb, “Succinate dehydrogenase and fumarate hydratase: linking mitochondrial dysfunction and cancer,” Օնկոգեն, հատոր 25, ոչ 34, pp. 4675–4682, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  23. L. Dang, S. Jin, and S. M. Su, “IDH mutations in glioma and acute myeloid leukemia,” Մոլեկուլային բժշկության միտումները, հատոր 16, թիվ 9, pp. 392–397, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  24. D. W. Parsons, S. Jones, X. Zhang et al., “An integrated genomic analysis of human glioblastoma multiforme,” Գիտություն, հատոր 321, no. 5897, pp. 1807–1812, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  25. H. Yan, D. W. Parsons, G. Jin et al., “IDH1 and IDH2 mutations in gliomas,” New England Journal of Medicine, հատոր 360, ոչ 8, pp. 765–773, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  26. R. A. Cairns, J. Iqbal, F. Lemonnier et al., “IDH2 mutations are frequent in angioimmunoblastic T-cell lymphoma,” Արյուն, հատոր 119, no. 8, pp. 1901–1903, 2012. View at: Google Scholar
  27. S. Abbas, S. Lugthart, F. G. Kavelaars et al., “Acquired mutations in the genes encoding IDH1 and IDH2 both are recurrent aberrations in acute myeloid leukemia: prevalence and prognostic value,” Արյուն, հատոր 116, no. 12, pp. 2122–2126, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  28. P. Paschka, R. F. Schlenk, V. I. Gaidzik et al., “IDH1 and IDH2 mutations are frequent genetic alterations in acute myeloid leukemia and confer adverse prognosis in cytogenetically normal acute myeloid leukemia with NPM1 mutation without FLT3 internal tandem duplication,” Կլինիկական ուռուցքաբանության ամսագիր, հատոր 28, թիվ 22, pp. 3636–3643, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  29. M. R. Kang, M. S. Kim, J. E. Oh et al., “Mutational analysis of IDH1 codon 132 in glioblastomas and other common cancers,” International Journal of Cancer, հատոր 125, no. 2, pp. 353–355, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  30. K. E. Yen, M. A. Bittinger, S. M. Su, and V. R. Fantin, “Cancer-associated IDH mutations: biomarker and therapeutic opportunities,” Օնկոգեն, հատոր 29, ոչ 49, pp. 6409–6417, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  31. L. Dang, D. W. White, S. Gross et al., “Cancer-associated IDH1 mutations produce 2-hydroxyglutarate,” Բնություն, հատոր 462, no. 7274, pp. 739–744, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  32. P. S. Ward, J. Patel, D. R. Wise et al., “The common feature of leukemia-associated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting α-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 17, ոչ 3, pp. 225–234, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  33. A. P. Gimenez-Roqueplo, J. Favier, P. Rustin et al., “The R22X mutation of the SDHD gene in hereditary paraganglioma abolishes the enzymatic activity of complex II in the mitochondrial respiratory chain and activates the hypoxia pathway,” American Journal of Human Genetics, հատոր 69, ոչ 6, pp. 1186–1197, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  34. P. L. M. Dahia, K. N. Ross, M. E. Wright et al., “A HIf1α regulatory loop links hypoxia and mitochondrial signals in pheochromocytomas,” PLoS գենետիկա, հատոր 1, ոչ. 1, pp. 72–80, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  35. S. Vanharanta, P. J. Pollard, H. J. Lehtonen et al., “Distinct expression profile in fumarate-hydratase-deficient uterine fibroids,” Մարդու մոլեկուլային գենետիկա, հատոր 15, թիվ 1, pp. 97–103, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  36. M. A. Selak, S. M. Armour, E. D. MacKenzie et al., “Succinate links TCA cycle dysfunction to oncogenesis by inhibiting HIF-α prolyl hydroxylase,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 7, ոչ 1, pp. 77–85, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  37. A. Ozer and R. K. Bruick, “Non-heme dioxygenases: cellular sensors and regulators jelly rolled into one?” Բնություն Քիմիական կենսաբանություն, հատոր 3, ոչ 3, pp. 144–153, 2007. View at: Publisher Site | Google Scholar
  38. J. S. Isaacs, J. J. Yun, D. R. Mole et al., “HIF overexpression correlates with biallelic loss of fumarate hydratase in renal cancer: novel role of fumarate in regulation of HIF stability,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 8, ոչ 2, pp. 143–153, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  39. J. Adam, E. Hatipoglu, L. O'Flaherty et al., “Renal cyst formation in Fh1-deficient mice is independent of the Hif/Phd pathway: roles for fumarate in KEAP1 succination and Nrf2 signaling,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 20, ոչ 4, pp. 524–537, 2011. View at: Google Scholar
  40. P. Koivunen, S. Lee, C. G. Duncan, C. G. Kaelin Jr. et al., “Transformation by the (R)-enantiomer of 2-hydroxyglutarate linked to EGLN activation,” Բնություն, հատոր 483, pp. 484–488, 2012. View at: Google Scholar
  41. S. Lee, E. Nakamura, H. Yang et al., “Neuronal apoptosis linked to EglN3 prolyl hydroxylase and familial pheochromocytoma genes: developmental culling and cancer,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 8, ոչ 2, pp. 155–167, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  42. S. Schlisio, R. S. Kenchappa, L. C. W. Vredeveld et al., “The kinesin KIF1Bβ acts downstream from EglN3 to induce apoptosis and is a potential 1p36 tumor suppressor,” Գեներ և զարգացում, հատոր 22, ոչ 7, pp. 884–893, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  43. P. Chi, C. D. Allis, and G. G. Wang, “Covalent histone modifications-miswritten, misinterpreted and mis-erased in human cancers,” Բնության ակնարկներ քաղցկեղ, հատոր 10, ոչ. 7, pp. 457–469, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  44. E. Caffarelli and P. Filetici, “Epigenetic regulation in cancer development,” Frontiers in Bioscience, հատոր 1, ոչ. 17, pp. 2682–2694, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  45. H. Hou and H. Yu, “Structural insights into histone lysine demethylation,” Ընթացիկ կարծիք կառուցվածքային կենսաբանության մեջ, հատոր 20, ոչ 6, pp. 739–748, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  46. A. M. Cervera, J. P. Bayley, P. Devilee, and K. J. McCreath, “Inhibition of succinate dehydrogenase dysregulates histone modification in mammalian cells,” Molecular Cancer, հատոր 8, article 89, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  47. E. H. Smith, R. Janknecht, and J. L. Maher III, “Succinate inhibition of α-ketoglutarate-dependent enzymes in a yeast model of paraganglioma,” Մարդու մոլեկուլային գենետիկա, հատոր 16, թիվ 24, pp. 3136–3148, 2007. View at: Publisher Site | Google Scholar
  48. R. Chowdhury, K. K. Yeoh, Y. M. Tian et al., “The oncometabolite 2-hydroxyglutarate inhibits histone lysine demethylases,” EMBO հաշվետվություններ, հատոր 12, ոչ 5, pp. 463–469, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  49. M. E. Figueroa, O. Abdel-Wahab, C. Lu et al., “Leukemic IDH1 and IDH2 mutations result in a hypermethylation phenotype, disrupt TET2 function, and impair hematopoietic differentiation,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 18, ոչ 6, pp. 553–567, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  50. J. Füllgrabe, E. Kavanagh, and B. Joseph, “Histone onco-modifications,” Օնկոգեն, հատոր 30, ոչ 31, pp. 3391–3403, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  51. P. Sarkies and J. E. Sale, “Cellular epigenetic stability and cancer,” Գենետիկայի միտումները, հատոր 28, թիվ 3, pp. 118–127, 2012. View at: Google Scholar
  52. T. P. Szatrowski and C. F. Nathan, “Production of large amounts of hydrogen peroxide by human tumor cells,” Քաղցկեղի հետազոտություն, հատոր 51, no. 3, pp. 794–798, 1991. View at: Google Scholar
  53. S. Toyokuni, “Persistent oxidative stress in cancer,” FEBS Նամակներ, հատոր 358, no. 1, pp. 1–3, 1995. View at: Publisher Site | Google Scholar
  54. S. Kawanishi, Y. Hiraku, S. Pinlaor, and N. Ma, “Oxidative and nitrative DNA damage in animals and patients with inflammatory diseases in relation to inflammation-related carcinogenesis,” Կենսաբանական քիմիա, հատոր 387, հ. 4, pp. 365–372, 2006. View at: Publisher Site | Google Scholar
  55. N. Ishii, M. Fujii, P. S. Hartman et al., “A mutation in succinate dehydrogenase cytochrome b causes oxidative stress and ageing in nematodes,” Բնություն, հատոր 394, no. 6694, pp. 694–697, 1998. View at: Publisher Site | Google Scholar
  56. N. Senoo-Matsuda, K. Yasuda, M. Tsuda et al., “A defect in the cytochrome b large subunit in complex II causes both superoxide anion overproduction and abnormal energy metabolism in caenorhabditis elegans,” Journal of Biological Chemistry, հատոր 276, no. 45, pp. 41553–41558, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  57. T. Ishii, K. Yasuda, A. Akatsuka, O. Hino, P. S. Hartman, and N. Ishii, “A mutation in the SDHC gene of complex II increases oxidative stress, resulting in apoptosis and tumorigenesis,” Քաղցկեղի հետազոտություն, հատոր 65, ոչ 1, pp. 203–209, 2005. View at: Google Scholar
  58. R. D. Guzy, B. Sharma, E. Bell, N. S. Chandel, and P. T. Schumacker, “Loss of the SdhB, but not the SdhA, subunit of complex II triggers reactive oxygen species-dependent hypoxia-inducible factor activation and tumorigenesis,” Մոլեկուլային և բջջային կենսաբանություն, հատոր 28, թիվ 2, pp. 718–731, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  59. N. S. Chandel, E. Maltepe, E. Goldwasser, C. E. Mathieu, M. C. Simon, and P. T. Schumacker, “Mitochondrial reactive oxygen species trigger hypoxia-induced transcription,” Ամերիկայի Միացյալ Նահանգների Գիտությունների ազգային ակադեմիայի տեղեկագիր, հատոր 95, ոչ 20, pp. 11715–11720, 1998. View at: Publisher Site | Google Scholar
  60. N. S. Chandel, D. S. McClintock, C. E. Feliciano et al., “Reactive oxygen species generated at mitochondrial Complex III stabilize hypoxia-inducible factor-1α during hypoxia: a mechanism of O2 sensing,” Journal of Biological Chemistry, հատոր 275, ոչ 33, pp. 25130–25138, 2000. View at: Publisher Site | Google Scholar
  61. G. Filomeni, G. Rotilio, and M. R. Ciriolo, “Disulfide relays and phosphorylative cascades: partners in redox-mediated signaling pathways,” Բջջային մահ և տարբերակում, հատոր 12, ոչ 12, pp. 1555–1563, 2005. View at: Publisher Site | Google Scholar
  62. Z. J. Reitman, G. Jin, E. D. Karoly et al., “Profiling the effects of isocitrate dehydrogenase 1 and 2 mutations on the cellular metabolome,” Ամերիկայի Միացյալ Նահանգների Գիտությունների ազգային ակադեմիայի տեղեկագիր, հատոր 108, թիվ 8, pp. 3270–3275, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  63. J. M. Matés, J. A. Segura, J. A. Campos-Sandoval et al., “Glutamine homeostasis and mitochondrial dynamics,” Կենսաքիմիայի և բջջային կենսաբանության միջազգային հանդես, հատոր 41, թիվ 10, pp. 2051–2061, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  64. W. Hu, C. Zhang, R. Wu, Y. Sun, A. Levine, and Z. Feng, “Glutaminase 2, a novel p53 target gene regulating energy metabolism and antioxidant function,” Ամերիկայի Միացյալ Նահանգների Գիտությունների ազգային ակադեմիայի տեղեկագիր, հատոր 107, ոչ 16, pp. 7455–7460, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  65. S. Zhao, Y. Lin, W. Xu et al., “Glioma-derived mutations in IDH1 dominantly inhibit IDH1 catalytic activity and induce HIF-1α,” Գիտություն, հատոր 324, ոչ 5924, pp. 261–265, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  66. A. Latini, K. Scussiato, R. B. Rosa et al., “D-2-hydroxyglutaric acid induces oxidative stress in cerebral cortex of young rats,” Եվրոպական նեյրոգիտության ամսագիր, հատոր 17, ոչ 10, pp. 2017–2022, 2003. View at: Publisher Site | Google Scholar
  67. S. Kölker, V. Pawlak, B. Ahlemeyer et al., “NMDA receptor activation and respiratory chain complex V inhibition contribute to neurodegeneration in D-2-hydroxyglutaric aciduria,” Եվրոպական նեյրոգիտության ամսագիր, հատոր 16, թիվ 1, pp. 21–28, 2002. View at: Publisher Site | Google Scholar
  68. S. Sudarshan, C. Sourbier, H. S. Kong et al., “Fumarate hydratase deficiency in renal cancer induces glycolytic addiction and hypoxia-inducible transcription factor 1α stabilization by glucose-dependent generation of reactive oxygen species,” Մոլեկուլային և բջջային կենսաբանություն, հատոր 29, ոչ 15, pp. 4080–4090, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  69. L. O'Flaherty, J. Adam, L. C. Heather et al., “Dysregulation of hypoxia pathways in fumarate hydratase-deficient cells is independent of defective mitochondrial metabolism,” Մարդու մոլեկուլային գենետիկա, հատոր 19, ոչ 19, pp. 3844–3851, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  70. A. Ooi, J. C. Wong, D. Petillo et al., “An antioxidant response phenotype shared between hereditary and sporadic type 2 papillary renal cell carcinoma,” Քաղցկեղի բջիջ, հատոր 20, ոչ 4, pp. 511–523, 2011. View at: Google Scholar
  71. N. F. Villeneuve, A. Lau, and D. D. Zhang, “Regulation of the Nrf2-keap1 antioxidant response by the ubiquitin proteasome system: an insight into cullin-ring ubiquitin ligases,” Antioxidants and Redox Signaling, հատոր 13, ոչ 11, pp. 1699–1712, 2010. View at: Publisher Site | Google Scholar
  72. J. D. Hayes and M. McMahon, “NRF2 and KEAP1 mutations: permanent activation of an adaptive response in cancer,” Կենսաքիմիական գիտությունների միտումները, հատոր 34, ոչ 4, pp. 176–188, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar
  73. G. M. Denicola, F. A. Karreth, T. J. Humpton et al., “Oncogene-induced Nrf2 transcription promotes ROS detoxification and tumorigenesis,” Բնություն, հատոր 475, ոչ 7354, pp. 106–110, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  74. C. Frezza, L. Zheng, O. Folger et al., “Haem oxygenase is synthetically lethal with the tumour suppressor fumarate hydratase,” Բնություն, հատոր 477, no. 7363, pp. 225–228, 2011. View at: Google Scholar
  75. A. Lau, N. F. Villeneuve, Z. Sun, P. K. Wong, and D. D. Zhang, “Dual roles of Nrf2 in cancer,” Դեղաբանական հետազոտություն, հատոր 58, թիվ 5-6, pp. 262–270, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  76. Y. Inami, S. Waguri, A. Sakamoto et al., “Persistent activation of Nrf2 through p62 in hepatocellular carcinoma cells,” The Journal of Cell Biology, հատոր 193, ոչ 2, pp. 275–284, 2011. View at: Publisher Site | Google Scholar
  77. E. C. Pfaffenroth and W. M. Linehan, “Genetic basis for kidney cancer: opportunity for disease-specific approaches to therapy,” Expert Opinion on Biological Therapy, հատոր 8, ոչ 6, pp. 779–790, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  78. N. Raimundo, J. Ahtinen, K. Fumić et al., “Differential metabolic consequences of fumarate hydratase and respiratory chain defects,” Biochimica և Biophysica Acta, հատոր 1782, no. 5, pp. 287–294, 2008. View at: Publisher Site | Google Scholar
  79. F. Q. Schafer and G. R. Buettner, “Redox environment of the cell as viewed through the redox state of the glutathione disulfide/glutathione couple,” Free Radical Biology and Medicine, հատոր 30, ոչ 11, pp. 1191–1212, 2001. View at: Publisher Site | Google Scholar
  80. M. Diehn, R. W. Cho, N. A. Lobo et al., “Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells,” Բնություն, հատոր 458, no. 7239, pp. 780–783, 2009. View at: Publisher Site | Google Scholar

Հեղինակային իրավունք

Copyright © 2012 Simone Cardaci and Maria Rosa Ciriolo. Սա բաց մուտքի հոդված է, որը տարածվում է Creative Commons Attribution License- ի ներքո, որը թույլ է տալիս անսահմանափակ օգտագործել, տարածել և վերարտադրել ցանկացած միջավայրում, եթե բնօրինակը պատշաճ կերպով մեջբերված է:


Tricarboxylic acid cycle

Մեր խմբագիրները կվերանայեն ձեր ներկայացրածը և կորոշեն հոդվածը վերանայելու հարցը:

Tricarboxylic acid cycle, (TCA cycle), also called Կրեբսի ցիկլը եւ կիտրոնաթթվի ցիկլը, the second stage of cellular respiration, the three-stage process by which living cells break down organic fuel molecules in the presence of oxygen to harvest the energy they need to grow and divide. This metabolic process occurs in most plants, animals, fungi, and many bacteria. In all organisms except bacteria the TCA cycle is carried out in the matrix of intracellular structures called mitochondria.

The TCA cycle plays a central role in the breakdown, or catabolism, of organic fuel molecules—i.e., glucose and some other sugars, fatty acids, and some amino acids. Before these rather large molecules can enter the TCA cycle they must be degraded into a two-carbon compound called acetyl coenzyme A (acetyl CoA). Once fed into the TCA cycle, acetyl CoA is converted into carbon dioxide and energy.

The TCA cycle consists of eight steps catalyzed by eight different enzymes (see Figure ). The cycle is initiated (1) when acetyl CoA reacts with the compound oxaloacetate to form citrate and to release coenzyme A (CoA-SH). Then, in a succession of reactions, (2) citrate is rearranged to form isocitrate (3) isocitrate loses a molecule of carbon dioxide and then undergoes oxidation to form alpha-ketoglutarate (4) alpha-ketoglutarate loses a molecule of carbon dioxide and is oxidized to form succinyl CoA (5) succinyl CoA is enzymatically converted to succinate (6) succinate is oxidized to fumarate (7) fumarate is hydrated to produce malate and, to end the cycle, (8) malate is oxidized to oxaloacetate. Each complete turn of the cycle results in the regeneration of oxaloacetate and the formation of two molecules of carbon dioxide.

Energy is produced in a number of steps in this cycle of reactions. In step 5, one molecule of adenosine triphosphate (ATP), the molecule that powers most cellular functions, is produced. Most of the energy obtained from the TCA cycle, however, is captured by the compounds nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) and flavin adenine dinucleotide (FAD) and converted later to ATP. Energy transfers occur through the relay of electrons from one substance to another, a process carried out through the chemical reactions known as oxidation and reduction, or redox reactions. (Oxidation involves the loss of electrons from a substance and reduction the addition of electrons.) For each turn of the TCA cycle, three molecules of NAD + are reduced to NADH and one molecule of FAD is reduced to FADH2. These molecules then transfer their energy to the electron transport chain, a pathway that is part of the third stage of cellular respiration. The electron transport chain in turn releases energy so that it can be converted to ATP through the process of oxidative phosphorylation.

The German-born British biochemist Sir Hans Adolf Krebs proposed this cycle, which he called the citric acid cycle, in 1937. For his work he received the 1953 Nobel Prize in Physiology or Medicine. Although Krebs elucidated most of the reactions in this pathway, there were some gaps in his design. The discovery of coenzyme A in 1945 by Fritz Lipmann and Nathan Kaplan allowed researchers to work out the cycle of reactions as it is known today.


1 Պատասխան 1

Oxygen is actually not needed in the Krebs cycle - it is needed in the electron transport chain that is downstream of the Krebs cycle to regenerate NAD + from NADH. NAD + is a co-enzyme and acts as an electron carrier in oxidizing reactions at various positions in the Krebs cycle. However, note that without O2, NADH accumulates and the cycle cannot continue as it needs NAD + to run.

Krebs cycle - No O2 անհրաժեշտ:

Electron transport chain - O2 needed to regenerate NAD + essential for the Krebs cycle:


Glycolysis, Pyruvic Oxidation, Krebs cycle, and Respiratory Chain

Out of these stages, the very first happens in the cytosol for which oxygen is not essential, while the other three occur within the mitochondria where the presence of oxygen is necessary.

Գլիկոլիզ

Glycolysis is the breakdown of glucose up to the formation of pyruvic acid. Glycolysis can happen both in the absence of oxygen (anaerobic condition) or in the presence of oxygen (aerobic condition). In both, the completed product of glucose breakdown is pyruvic acid.

The breakdown of glucose occurs in a series of actions, each catalyzed by a specific enzyme. All these enzymes are present dissolved in the cytosol. In addition to the enzymes, ATP and coenzyme NAD (nicotinamide adenine dinucleotide) are also important.

Glycolysis is divided into two phases, a preparatory phase, and an oxidative phase. In the preparatory phase breakdown of glucose occurs and energy is expended. In the oxidative phase, high energy phosphate bonds are formed and energy is stored.

Preparatory phase

The first step in glycolysis is the transfer of a phosphate group from ATP to glucose. As a result, a molecule of glucose-6 -phosphate is formed. An enzyme catalyzes the conversion of glucose-6-phosphate to its isomer, fructose-6 – phosphate.

At this stage, another ATP molecule transfers a second phosphate group. The product is fructose 1,6-bisphosphate. The next step in glycolysis is the enzymatic splitting of fructose 1,6 -bisphosphate into two fragments. Each of these molecules contains 3 carbon atoms. One is called 3 – phospo-glyceraldehyde, 3-PGAL, or Glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) while the other is dihydroxyacetone phosphate. These two molecules are isomers and in fact, are readily interconverted by yet another enzyme of glycolysis.

Oxidative (pay off) phase

The next step in glycolysis is important to this procedure. Two electrons or two hydrogen atoms are removed from the molecule of 3- phosphoglyceraldehyde (PGAL) and transferred to a molecule of NAD. This is naturally, an oxidation-reduction reaction, with the PGAL being oxidized and the NAD being reduced.

During this reaction, a 2nd phosphate group is contributed to the molecule from inorganic phosphate present in the cell. The resulting molecule is called 1,3 Bisphosphoglycerate (BPG).

The oxidation of PGAL is an energy yielding procedure. Therefore a “high energy” phosphate bond is created in this molecule. At the very next step in glycolysis, this phosphate group is transferred to a molecule of adenosine diphosphate (ADP) transforming it into ATP.

The end product of this reaction is 3-phosphoglycerate (3-PG). In the next action, 3-PG is transformed into 2-Phosphoglycerate (2PG). From 2PG a particle of water is removed and the product is phosphoenolpyruvate (PEP). PEP then quits its ‘high energy’ phosphate to transform the 2nd molecule of ADP to ATP. The product is pyruvate, pyruvic acid (C3 Հ4 Օ3) It is equivalent to half a glucose molecule that has been oxidized to the extent of losing two electrons (as hydrogen atoms).

Pyruvic oxidation

Pyruvic acid (pyruvate), the completed product of glycolysis, does not go into the Krebs cycle directly. The pyruvate (3- carbon particle) is first become 2-carbon acetic acid molecule. One carbon is released as CO2 (decarboxylation). Acetic acid ongoing into the mitochondrion unites with coenzyme-A (Co A) to form acetyl Co A (active acetate). In addition, more hydrogen atoms are moved to NAD.

Krebs cycle or citric acid cycle
Discovery

The citric acid cycle was identified in 1937 by Hans Adolf Krebs and William Arthur Johnson. That is why sometimes it is also known as the Կրեբսի ցիկլը.

Սահմանում

The citric acid cycle (CAC)– also called the TCA cycle (tricarboxylic acid cycle) or the Krebs cycle is a series of chemical reactions utilized by all aerobic organisms to release stored energy through the oxidation of acetyl-CoA stemmed from carbs, fats, and proteins. In addition, the cycle supplies precursors of specific amino acids, along with the reducing representative NADH, that is used in numerous other reactions.

Բացատրություն

Acetyl CoA now enters a cyclic series of chemical reactions during which the oxidation procedure is finished. This series of reactions is called the Krebs cycle or the citric acid cycle. The first step in the cycle is the union of acetyl CoA with oxaloacetate to form citrate. In this procedure, a molecule of CoA is regenerated and one molecule of water is utilized. Oxaloacetate is a 4-carbon acid. Citrate thus has 6 carbon atoms.

After two steps that simply result in forming an isomer of citrate, isocitrate another NAD- mediated oxidation happens. This is accompanied by the removal of a molecule of CO2. The outcome is a-ketoglutarate. It, in turn, undergoes further oxidation (NAD + 2H– > NADH2) followed by decarboxylation (CO2) and the addition of a molecule of water.

The product then has one carbon atom and one oxygen atom less. It is succinate. The conversion of α-ketoglutarate into succinate is accompanied by a complimentary energy change which is made use of in the synthesis of an ATP molecule. The next step in the Krebs cycle is the oxidation of succinate to fumarate. Once again, 2 hydrogen atoms are eliminated, however this time the oxidizing agent is a coenzyme called flavin adenine dinucleotide (FAD), which is reduced to FADH2.

With the addition of another molecule of water, fumarate is transformed into malate. Another NAD moderated oxidation of malate produces oxaloacetate, the original 4-carbon molecule. This completes the cycle. The oxaloacetate may now combine with another molecule of acetyl CoA to go into the cycle and the whole procedure is repeated.

Respiratory chain

In the Krebs cycle, NADH and H + are produced from NAD + . NADH then moves the hydrogen atom to the respiratory chain (also called electron transport chain)where electrons are transported in a series of oxidation-reduction steps to react, ultimately, with molecular oxygen.

The oxidation-reduction substances which participate in the respiratory chain are:

  1. A coenzyme called coenzyme Q.
  2. A series of cytochrome enzymes (b, c, a, a3).
  3. Molecular oxygen (O2).

Cytochromes are electron transport intermediates containing haem of associated prosthetic groups, that undergo valency changes of the iron atom. Haem is the same iron consisting of a group that is oxygen-carrying pigment in hemoglobin. The path of electrons in the respiratory chain seems as follows.

NADH is oxidized by coenzyme Q. This oxidation yields enough totally free energy to permit the synthesis of a molecule of ATP from ADP and inorganic phosphate. Coenzyme Q is in turn oxidized by cytochrome b which is then oxidized by cytochrome c. This step likewise yields adequate energy to permit the synthesis of a molecule of ATP.

Cytochrome c then reduces a complex of two enzymes called cytochrome a and a3 (for the benefit the complex is referred to as cytochrome a). Cytochrome is oxidized by an atom of oxygen and the electrons get to the bottom end of the respiratory chain. Oxygen is the most electronegative substance and the final acceptor of the electrons. A molecule of water is produced. In addition, this final oxidation supplies enough energy for the synthesis of the 3rd molecule of ATP.

Oxidative phosphorylation

The synthesis of ATP in the presence of oxygen is called oxidative phosphorylation. Generally, oxidative phosphorylation is combined with the respiratory chain. As currently explained ATP is formed in 3 steps of the respiratory chain. The formula for this procedure can be expressed as follows:

Where Pi is inorganic phosphate.

The molecular system of oxidative phosphorylation occurs in conjunction with the respiratory chain in the inner membrane of the mitochondrion. Here likewise, as in photosynthesis, the system involved is chemiosmosis by which electron transport chain is coupled with the synthesis of ATP.

In this case, nevertheless, the pumping/movement of protons (H + ) is throughout the inner membrane of mitochondrion folded into cristae, in between matrix of mitochondrion and mitochondrion’s intermembrane space. The coupling factors in respiration are also different from those in photosynthesis.

Հաճախակի տրվող հարցեր

Q1: What are obligative anaerobic?

Պատասխաններ: Obligative anaerobic organisms include certain types of bacteria. These survive only in the complete absence of molecular oxygen.

Q2: Which electron carriers are used in Krebs cycle?

Պատասխաններ: Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) and Flavin adenine dinucleotide (FAD).

Q3: What is electron transport chain?

Պատասխաններ: The collection of molecules embedded in the inner membrane of the mitochondrion is called electron transport chain.

Q4: How electrons are transported in respiratory chain?

Պատասխաններ: NADH or FADH2 brings electron to electron transport system in mitochondria. The electrons are transported from NADH to FMN, cytochrome b, cytochrome c, cytochrome a and cytochrome a3.


Մուտքի ընտրանքներ

Ստացեք ամսագրի ամբողջական մուտք 1 տարվա համար

We are sorry, but there is no personal subscription option available for your country.

Ստացեք ժամանակի սահմանափակ կամ ամբողջական հոդվածի հասանելիություն ReadCube-ում:

Բոլոր գները NET գներ են:


Այս վերջնական Krebs- ի ցիկլային ռեակցիան վերածնում է մոլեկուլը `օքսալոացետատը, որն ընդունում էր ացետիլ CoA- ն 1 -ին փուլում: Ֆերմենտը մալաթ դեհիդրոգենազ կատալիզացնում է ջրածնի զույգ ատոմների (կապույտ) հեռացումը 1 և #2 ածխածինների վրա ջրի միջոցով նախորդ ռեակցիայի ժամանակ: Ուշադրություն դարձրեք, որ հիդրօքսիլ խմբի թթվածինը (կանաչ) մնացել է #1 ածխածնի վրա:

NAD +-ը օքսիդացնող նյութ է, և, ինչպես սովորաբար, ջրածնի ատոմներից մեկը հեռացվում է հիդրիդ իոնի տեսքով (ցուցադրված չէ)՝ ձևավորելու NADH, իսկ մյուս ջրածնի իոնը դառնում է ջրածնի իոնային ավազանի մի մասը: