——代谢子的发现——
不同的蛋白质间常倾向于协调作用来实现其在细胞中的功能。在过去的二十年里，已有诸多研究表明功能上相关的代谢酶常倾向于序贯排列，形成高度有序的多酶复合体，从而高效地行使代谢职能。1987年Srere等人最早提出了代谢子(metabolon)的概念用来描述这类多酶复合体。
与其他多酶复合物不同，代谢子常具备两个关键特征，即瞬时动态的互作以及底物通道(substrate channeling)的存在[1]。底物通道的存在为代谢子提供诸多代谢优势。首先，代谢中间产物可通过底物通道直接传递到下一个代谢酶活性位点，避免其扩散到溶液中，免受竞争途径的影响，缩短反应中的酶分子间距离，从而提高代谢反应的选择性与速率。同时，底物通道的存在也可以保护细胞环境免受有毒代谢中间产物的影响，防止不稳定代谢中间体降解，并克服热力学不利的反应平衡。此外，瞬时动态的互作使得代谢子可以通过其组分的结合与解离进而调控代谢通量(图1)。
——代谢子存在的普适性——
代谢子中存在底物通道的一个强有力的证据来自对鼠伤寒沙门氏菌的色氨酸合酶α2β2的研究。Miles等学者对鼠伤寒沙门氏菌色氨酸合酶晶体结构的解析首次揭示了多酶复合物结构，并证明了底物通道的存在，这是一个里程碑式的发现。该复合物呈αββα线性排列，连接α和β亚基活性位点之间的隧道即为底物通道(图2)。α亚基活性位点产生的吲哚，可通过该分子内疏水通道，到达β亚基的活性位点与L-丝氨酸反应生成L-色氨酸，产量接近100%。因为吲哚是一种疏水分子，若没有底物通道的存在，则其在催化过程中很容易扩散到外界溶质中，影响反应的速率和选择性。
以代谢子方式行使职能的代谢通路在不同物种中广泛存在，包括哺乳动物、酵母和植物中的糖酵解途径，酵母和植物中的三羧酸循环(图3)，人类线粒体中的支链氨基酸代谢，植物中的多胺代谢以及诸多次级代谢途径[3]。
图3. 植物三羧酸循环催化亚基互作关系图以及MDH-CSY-ACO代谢子复合物结构[4]。
2020年，Pareek等学者在Hela细胞中采用数学建模和同位素标记的方法，证实了嘌呤小体中至少由9种协同作用的酶组成，它们共同通道化地将代谢中间体合成嘌呤核苷酸，进而提高了整个通路的运行速率[5]。
总的来说，代谢子可以有效调控代谢通量，维持代谢中间体的稳定，保护细胞环境免受有毒代谢产物的影响。鉴于代谢子瞬间动态互作的过程无需蛋白质的合成或降解，也无需额外调控蛋白的参与，因此代谢子作为调控代谢通量的理想方式，在生物体多种代谢途径中广泛存在。
——代谢子与癌症——
pH梯度失调是癌细胞的共同特征，与正常细胞相比，癌细胞具有较高的细胞内pH和较低的细胞外pH。由于癌细胞可以耐受相对较低的pH，故肿瘤微环境中的酸性有利于与癌旁正常组织争夺营养；同时，肿瘤微环境呈酸性也可以促进其侵袭和转移。此外，酸性微环境可抑制免疫细胞的趋化以及T细胞活化，有助于癌细胞免疫逃逸。而癌细胞内呈碱性则可促进其增殖，减少凋亡。
癌细胞微环境中的酸碱平衡是由多种酸/碱转运体和碳酸酐酶(carbonic anhydrases, CAs)协同作用调节的，而二者倾向于形成结构和功能的复合物，称为酸/碱转运体代谢子(acid/base transport metabolons)。2012年，Svastova等学者首次提供了癌细胞中转运体代谢子存在的直接证据，在缺氧环境下的A549肺癌细胞系以及SiHa鳞状细胞癌细胞系中，CAIX分别与NBCe1和AE2紧密共定位。CAIX与Cl-/HCO3-共转运体在迁移癌细胞的前沿形成转运体代谢子，促进癌细胞待迁移区域的离子转运和pH调控，从而驱动其迁移[6]。无独有偶，一元羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters, MCTs)与碳酸酐酶也可以形成转运体代谢子，但与上述转运体代谢子不同，CAIX并不直接与转运体本身结合，而是与MCT的互作蛋白CD147的Ig1结构域Glu73残基结合，形成MCT-CD147-CAIX转运体代谢子[7]。
鉴于肿瘤微环境中pH稳态对癌细胞发生发展过程中的重要性，诸多酸/碱转运体已被公认为癌症治疗的潜在靶点。如Cariporide、EIPA、DMA等Na+/H+交换体NHE1抑制剂，可使耐药癌细胞对阿霉素、伊马替尼等化疗药物敏感[8]。但由于酸/碱转运体在健康组织中广泛表达，因此直接靶向转运体可能会导致严重的副作用。
与直接靶向酸/碱转运体相比，以转运体代谢子为靶点的癌症治疗可能更具有选择性，副作用相对更小[9]。2020年Ames等学者发现使用CD147 Ig1结构域的抗体处理缺氧的MCF-7和MDA-MB-231乳腺癌细胞系后，该抗体使CAIX从MCT-CD147-CAIX转运体代谢子上解离下来，破坏了代谢子结构的完整性，进而导致癌细胞的乳酸运输以及细胞增殖、迁移能力的降低。因此，以癌症代谢子为靶点进行相应的药物设计，可能获得活性及专一性更强且具有低毒副作用的新型分子，并作为改善癌症疗法的新型策略，对于癌症治疗具有重要指导意义。
参考文献：
[1] Zhang, Y., Fernie, A.R.(2021). Metabolons, enzyme-enzyme assemblies that mediate substrate channeling, and their roles in plant metabolism. Plant Communications 2, 100081.
[2] Kastritis, P.L., and Gavin,A.C. (2018). Enzymatic complexes across scales. Essays Biochem 62, 501-514.
[3] Camagna, M., Grundmann, A., Bar, C., Koschmieder, J., Beyer, P., and Welsch, R. (2019). Enzyme fusion removes competition for geranylgeranyldiphosphate in carotenogenesis. Plant Physiol 179, 1013-1027.
[4] Fernie, A.R., Zhang, Y.J., and Sweetlove, L.J. (2018). Passing thebaton: substrate channelling in respiratory metabolism. Research 2018, 1-16.
[5] Pareek, V., Tian, H., Winograd, N., and Benkovic, S.J. (2020).Metabolomics and mass spectrometry imaging reveal channeled de novo purine synthesis in cells. Science 368, 283-290.
[6] Svastova, E., Witarski, W., Csaderova, L., Kosik, I., Skvarkova, L.,Hulikova, A., Zatovicova, M., Barathova, M., Kopacek, J., Pastorek, J., et al.(2012). Carbonic anhydrase IX interacts with bicarbonate transporters in lamellipodia and increases cell migration via its catalytic domain. J Biol Chem287, 3392-3402.
[7] Ames, S., Andring, J.T., McKenna, R., and Becker, H.M. (2020). CAIX forms a transport metabolon with monocarboxylate transporters in human breast cancer cells. Oncogene 39, 1710-1723.
[8] Chen, Q., Liu, Y.Q., Zhu, X.L., Feng, F., Yang, H., and Xu, W.L. (2019).Increased NHE1 expression is targeted by specific inhibitor cariporide to sensitize resistant breast cancer cells to doxorubicin in vitro and in vivo. Bmc Cancer 19, 211.
[9] Becker, H.M., and Deitmer, J.W. (2021). Proton transport in cancer cells: the role of carbonic anhydrases. Int J Mol Sci 22, 3171.
作者： 郭超
联系客服
