Jan Vondráček
Buněčný metabolismus a jeho adaptace
Buněčný metabolismus
Adaptace buněčného metabolismu
buňky v těle se rychle metabolicky adaptují na
okolní prostředí – např. změny hladiny kyslíku,
hypoxie, zdroje živin a zároveň na potřeby
organismu – specifické signální dráhy;
buněčná proliferace a diferenciace významným
způsobem určuje typ buněčného metabolismu;
patologické stavy – např. nádorová transformace buněk
vedou k unikátním adaptacím buněčného
metabolismu;
kmenové buňky jsou adaptovány na prostředí niky
(niche) kmenových buněk a zároveň metabolické
faktory mohou ovlivňovat jejich kmenovost
(stemness) a diferenciaci;
Hepatocyt jako příklad diferencované buňky s
velmi intenzívním metabolismem
Cancer Discov., 2: 881–98.
Hepatocyt jako příklad diferencované buňky s
velmi intenzívním metabolismem
řada biochemických principů – vznikla na základě studia
metabolismu hepatocytů – vynikající model;
játra slouží jako zprostředkovatel přenosu látek a energie
mezi dietárními zdroji a ostatními orgány v těle;
v poměru ke své velikosti spotřebovávají největší množství O2
– 20 – 30% přijatého O2 je spotřebováno v játrech – velmi
intenzívní energetický metabolismus;
hepatocyt – příklad diferencované buňky v dospělém
organismu, která většinu energie získává díky aktivitě
mitochondrií – oxidativní fosforylace;
buňka musí zajistit dostatek energie a udržovat redoxní
rovnováhu;
Hepatocyt jako příklad diferencované buňky s
velmi intenzívním metabolismem
To vše je spojeno s významnou úlohou jaterních buněk v:
metabolismu cukrů (tvorba a odbourávání glykogenu,
glukoneogeneze);
metabolismu tuků (b-oxidace mastných kyselin, tvorba
lipoproteinů, přeměna živin na mastné kyseliny a
triglyceridy, syntéza cholesterolu a fosfolipidů);
kritická úloha v deaminaci a transaminaci aminokyselin,
syntéza neesenciálních aminokyselin a proteinů krevní
plazmy, tvorba močoviny – metabolismus dusíkatých
sloučenin;
tvorba a sekrece žluči, odbourávání zplodin metabolismu,
eliminace hemu a bilirubinu, odbourávání řady endogenních
látek a xenobiotik;
to vše jsou procesy vyžadující energii ve formě ATP, tvorbu
NADPH, apod.;
Základní zdroje energie
>
za normálních podmínek tvoří hepatocyty většinu ATP prostřednictvím
oxidace MK – mnohem méně pochází z oxidace pyruvátu (vznikajícího buď
glykolýzou nebo z laktátu ze svalových a krevních buněk)
oxidace MK glykolýza
Využití energie
téměř 50% dostupné energie je využito na aktivní
transport – ionty, substráty a produkty, udržování
osmotické rovnováhy, apod.;
část je využita k tvorbě zásob – tvorba glykogenu,
syntéza glukózy (glukoneogeneze), syntéza triglyceridů,
apod.;
syntéza specifických produktů – lipoproteiny, proteiny
krevní plazmy, atd.;
aktivita metabolických drah v játrech je řízena v rámci
celého organismu – hormonální regulace (inzulin,
glukagon), nervová regulace, ale i jako reakce na příjem
potravy – dostatek živin v portálním oběhu;
Propojení anabolických a katabolických drah metabolismu v hepatocytu
Compr Physiol.
2014, 4: 177–197.
glykolýza vs. glukoneogeneze
lipogeneze
Adaptace metabolismu na základě vnějšího podnětu – potřeby
organismu
typ metabolické dráhy, která je v daném hepatocytu převážně
aktivní, závisí na vnějších (hormony, cytokiny a další regulační
molekuly, hladina glukózy, apod.) i vnitřních faktorech
(transkripční faktory kontrolující diferenciaci hepatocytů a jaterní
zonaci);
rychlá adaptace metabolismu v závislosti na potřebách organismu;
nicméně stále platí klasické schéma – hepatocyty v podmínkách
dostatku kyslíku představují normální diferencované buňky, které
využívají k tvorbě ATP oxidativní fosforylaci;
ALE!!! Charakter metabolismu v buňkách se rychle adaptuje na
změněné podmínky a zároveň ovlivňuje chování buněk
1924 – srovnání metabolismu jaterního
nádoru a normální jaterní tkáně - nádorová
tkáň spotřebovala 10x více glukózy a
vyprodukovala 100x více laktátu než normální
tkáň;
nádorové buňky preferují glykolýzu jako
zdroj energie – původně považováno za
důvod vzniku nádoru – nízká hladina kyslíku je
charakteristická pro nádorové buňky
(Nobelova cena 1931);
přestavba metabolismu je charakteristická
pro buněčnou proliferaci – proliferující
buňky vykazují z pohledu metabolismu
řadu vlastností buněk nádorových;
“Cancer, above all other diseases, has countless secondary causes. But, even for cancer,
there is only one prime cause. Summarized in a few words, the prime cause of cancer is
the replacement of the respiration of oxygen in normal body cells by a fermentation of
sugar.”
Metabolismus diferencovaných buněk v klidovém stavu a metabolismus
buněk proliferujících nebo nediferencovaných – významné odlišnosti
Science, 2009, 324:1029 - 1033
při dostatečné hladině kyslíku diferencované buňky primárně využívají
ke tvorbě ATP oxidativní fosforylaci; příjem živin je spíše limitovaný –
bazální metabolismus;
pouze v hypoxických podmínkách využívají diferencované buňky
anaerobní glykolýzu, spojenou s tvorbou laktátu;
Adaptace metabolismu u proliferujících buněk
proliferující buňky vyžadují nejen energii, ale i velké množství substrátů
pro anabolické reakce;
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
intenzívní aerobní glykolýza - podpora syntézy buněčných makromolekul,
kofaktorů apod. – komplexní přestavba buněčného metabolismu;
Adaptace (přestavba) metabolismu u proliferujících
buněk
v mnohobuněčném organismu mají buňky obvykle ve svém okolí
dostupné dostatečné množství živin, které umožňují nepřetržitý růst a
proliferaci; růst a proliferace buněk ale musí být kontrolovány pro
zajištění udržení homeostázy tkání a orgánů;
proto není metabolismus řízen autonomně v rámci jedné buňky –
buňky tkání jsou kontrolovány signály z okolního prostředí – teprve na
základě signálu stimulujícího proliferaci dojde nejen ke spuštění
mechanismů zodpovědných za přechod buňky do dalších fází buněčného
cyklu, ale zároveň i ke spuštění specifických signálních drah a dalších
mechanismů kontrolujících zvýšený příjem živin a přestavbu
metabolismu proliferující buňky;
pro zajištění správné koordinace správného příjmu živin (zda je jich
dostatek) a zároveň schopnosti buněk je zpracovávat je nezbytná
zpětná vazba – některé metabolity proto, např. prostřednictvím kontroly
posttranslačních modifikací (glykosylace, acetylace) signálních
proteinů nebo pomocí ovlivnění aktivit klíčových (rate-limiting) enzymů
mohou kontrolovat aktivitu signálních drah řídících proliferaci nebo
intenzitu jednotlivých metabolických drah;
Adaptace (přestavba) metabolismu u proliferujících
buněk
signalizace růstových faktorů indukuje jak proliferaci, tak změny
metabolismu;
Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012, 4:a006783
zvýšený příjem živin (glukóza, glutamin) – syntéza lipidů, proteinů a
nukleotidů; přebytečný uhlík – vyloučen jako laktát, zvýšená spotřeba ATP
udržuje glykolýzu (glycolytic flux);
Klíčové signální dráhy – PI3K/Akt – metabolismus
glukózy a tvorba buň. makromolekul
Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012, 4:a006783
stimulace exprese a
translokace
transportéru glukózy
(GLUT1);
zvyšuje aktivitu
enzymů – hexokináza,
fosfofruktokináza 1
(PFK1);
aktivace ATP citrát
lyázy (ACL) – klíčový
enzym tvorby
cytosolového
acetylkoenzymu A –
syntéza MK;
aktivace
transkripčních
faktorů SREBP –
exprese genů
podílejících se na
syntéze MK a
cholesterolu;
Klíčové signální dráhy – mTOR komplex 1 a Myc –
metabolismus aminokyselin (a nukleotidů)
Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012, 4:a006783
růstové faktory
(prostřednictvím
MAPkináz) aktivují
transkripční faktor Myc
– transport glutaminu,
tvorbu glutamátu –
využíván v Krebsově
cyklu (nahradí odebírané
komponenty –
anapleróza) a pro
syntézu nukleotidů/AA;
dochází k aktivaci
komplexů mTOR –
výsledkem je zvýšená
exprese ribozomálních
proteinů, aktivace S6
kinázy (podpora
translace) a inaktivace
4E-BP (blokující
translaci) – podpora
proteosyntézy;
mTOR komplex 1 a jeho role
Cell 2017, 168: 960 - 976
mTOR (mammalian
target of rapamycin) –
kináza, součást
multiproteinového
komplexu;
vedle podpory
proteosyntézy
podporuje také syntézu
lipidů, nukleotidů a
glykolýzu;
mTORC1 je aktivován
růstovými faktory,
hormony (inzulin),
aminokyselinami;
inhibován nedostatkem
energie (glukózová
deprivace) –
prostřednictvím AMPK,
nedostatkem kyslíku
nebo po poškození
DNA;
Metabolity a meziprodukty enzymových reakcí –
zpětná vazba
alosterická kontrola enzymatické aktivity;
intracelulární metabolity často kontrolují post-translační
modifikace (aktivitu) klíčových proteinů – signální proteiny i
metabolické enzymy
glukóza je substrátem pro tvorbu UDP-N-acetylglukosaminu (UDPGlcNac)
– nezbytná pro glykosylaci receptorů (folding, transport)
růstových faktorů; tvorba acetylkoenzymu A (aktivita ACL) je klíčová
pro acetylaci histonů – tvorba klíčových enzymů a kofaktorů;
hladina esenciálních aminokyselin kontroluje aktivitu mTOR
komplexu 1;
Biol. Cell 2015, 107: 251–272
Produkty, meziprodukty a enzymy – kontrola
metabolické signalizace
Biol. Cell 2015, 107: 251–272
AMP-aktivovaná protein kináza – významný senzor
kontrolující energetický metabolismus
Nat Cell Biol. 2011, 13: 1016–1023.
rovnováha tvorby a
spotřeby ATP – AMPK
– senzor adeninových
nukleotidů;
pokles ATP – aktivace
AMPK – stimulace
katabolismu;
1 katalytická a 2
regulační podjednotky;
nízká hladina ATP,
stres – vazba
AMP/ADP - aktivační
fosforylace +
fosforylace některými
specifickými kinázami;
kontroluje
metabolismus jak
prostřednictvím
kontroly transkripce,
tak přímou kontrolou
metabolických
enzymů - fosforylace;
Metabolismus nádorových buněk – příklad patologické adaptace
metabolismu – model proliferující buňky
specifickým příkladem rychle proliferujících buněk jsou buňky
nádorové;
pozorujeme u nich řadu mutací a epigenetických změn (či změn
transkripční regulace) spojených nejen s narušením signálních drah
zapojených do kontroly metabolismu, ale i řady enzymů kontrolujících
základní anabolické metabolické dráhy – syntéza MK, AA a nukleotidů či
aktivita enzymů podílejících se na metabolismu glukózy;
tyto poznatky nám umožňují nejen hledání potenciálního využití v terapii
nádorů, ale zároveň i identifikaci signálních drah podílejících se na
kontrole metabolismu za fyziologických podmínek v normálních
proliferujících buňkách;
Metabolismus nádorových buněk – příklad patologické adaptace
metabolismu – model proliferující buňky
deregulovaný příjem
glukózy a aminokyselin
(hlavně Gln);
specifické adaptace na
oportunistický příjem
živin;
využití meziproduktů
glykolýzy a Krebsova
cyklu pro syntetické
reakce a tvorbu
NADPH;
zvýšené požadavky na
příjem dusíku;
změny vlivu metabolitů
na regulaci genové
exprese;
tvorba/příjem metabolitů,
ovlivňujících jak vlastní
nádorové buňky, tak
buňky tvořící nádorové
mikroprostředí;
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
1) Zvýšený příjem glukózy a glutaminu (aminokyselin)
Gln – zdroj uhlíku i dusíku –
syntéza nukleotidů, G-6-P,
neesenciální AA;, ale také import
esenciálních AA pomocí LAT1
(vyžaduje současný export
glutaminu); kultivované nádorové
buňky vyžadují nadbytek Gln;
deregulace aktivity signálních drah
růstových faktorů a kontaktu s
ECM – mutace, epig. změny:
zvýšený příjem glukózy souvisí s
mutacemi komponent a aberantní
aktivitou PI3K/Akt dráhy;
zvýšená exprese a translokace
GLUT1, aktivace hexokinázy,
fosfofruktokinázy;
zvýšený příjem Gln - další
onkogeny – Ras, Myc;
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
rychlá proliferace – zvýšené nároky na
příjem živin – především glukóza a Gln;
energetický metabolismus (ATP, NADH,
FADH2, NADPH) + poskytují intermediáty
pro syntézu aminokyselin, nukleotidů a
lipidů;
2) Alternativní (oportunistické) zdroje živin
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
nedostatek glukózy, Gln a dalších AA – alternativní zdroje – především proteiny;
některé mutace (Ras, c-Src) – lysozomální degradace extracelulárních
proteinů (plazma, intersticiální tekutina) – makropinocytóza;
fagocytóza apoptických tělísek;
nádorové buňky mohou také importovat lysofosfolipidy (s jedním řetězcem MK)
či přijímat lipidy uvolňované okolními buňkami;
3) Využití meziproduktů glykolýzy (Krebsova cyklu) pro
syntetické reakce a tvorbu NADPH
NADPH, nukleotidy
syntéza N-acetylgukosaminu
(GlcNac), kys. hyaluronová;
biosyntéza fosfolipidů
biosyntéza AA, serin jako
substrát pro folátový cyklus
– tvoří substráty pro syntézu
purinů, tymidinu a Sadenosylmethioninu
– donor
methylové skupiny; syntéza
NADPH;
potenciální nadbytek
pyruvátu je eliminován jako
laktát (udržení nízkého
poměru NADH/NAD+);
nadbytek citrátu je v
cytoplazmě štěpen na
acetylkoenzym A (syntéza
lipidů) a malát – (zpět do
mitochondrií – anapleróza);
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
Zvýšená syntéza lipidů a mastných kyselin
aberantní aktivita
PI3K/Akt – zvýšení
cytoplazmatického
acetylkoenzymu A
– zdroj pro syntézu
MK;
indukce ACL
(ACLY), ale i
dalších enzymů
podílejících se na
syntéze MK –
acetylkoenzym A
karboxyláza (ACC)
– syntéza
malonylkoenzymu
A a syntázy
mastných kyselin FASN;
zdroj pro
syntézu lipidů;
Nat. Rev. Cancer 2016, 16: 732 - 749
4) Zvýšené nároky na příjem dusíku
rychle proliferující nádorové buňky
potřebují syntetizovat velké
množství molekul obsahujících
dusík de novo;
zvýšený příjem Gln – základní
molekula transportující redukovaný
dusík v organismu;
U, T (1 Gln); C, A (2 Gln); G (3 Gln);
navíc katabolity Gln slouží pro
syntézu purinů a pyrimidinů (a také
jako zdroj pro anaplerotické reakce);
tvorba asparaginu a glutamátu – zdroj
dusíku pro transaminační reakce –
syntéza neesenciálních AA;
EMBO J. 2017, 36:1302-1315
5) Metabolity a regulace genové exprese
produkované metabolity slouží také jako kofaktory nebo substráty pro
nejrůznější enzymatické reakce zapojené do tvorby a odstraňování
epigenetických značek – acetylace a methylace histonů, methylace DNA;
Cell Metabol. 2016, 23: 27 - 47.
HAT, histone acetyltransferase;
SAM, S-adenosylmethionine;
DNMT, DNA methyltransferase;
HMT, histone methyltransferase;
5meCyt, 5-methylcytosine;
5hmCyt, 5-hydroxymethylcytosine;
TET1/2, ten eleven translocation
methylcytosine dioxygenase 1/2;
a-KG, a-ketoglutarate;
SDH, succinate dehydrogenase;
FH, fumarate hydratase;
IDH1/2, isocitrate dehydrogenase
1/2
Specializované buněčné typy mohou mít alternativní
metabolismus
využití alternativního metabolismu – např. glykolýzy – není
typické pouze pro buňky proliferující;
diferenciace a aktivace řady typů imunitních buněk je spojen
s přestavbou metabolismu – např. naivní T lymfocyty
primárně využívají oxidativní fosforylaci, zatímco jejich
aktivace vede k indukci glykolýzy; podobně i aktivace
makrofágů a dendritických buněk je spojená s aktivací
glykolýzy;
některé kmenové buňky v dospělém organismu –např.
hematopoetické kmenové buňky – primárně využívají glykolýzu
jako zdroj ATP a uhl. substrátů; naopak v průběhu diferenciace
např. nervových buněk dochází k přechodu z aerobní glykolýzy
na oxidativní fosforylaci;
změna metabolismu může být nejen důsledkem, ale i příčinou
nebo podpůrným mechanismem vedoucím k diferenciaci?
Kmenové buňky a jejich metabolismus
embryonální kmenové buňky (ESC) mají méně
mitochondrií – jejich membrána je méně členěná, menší
množství mitochondriálních krist;
to umožňuje např. snižovat tvorbu reaktivních
kyslíkových metabolitů (ROS), které mohou negativně
ovlivňovat funkce kmenových buněk;
transkripční regulátory kmenovosti (např. OCT4)
kontrolují řadu metabolických genů;
inhibice mitochondriální aktivity posiluje expresi markerů
kmenových buněk v ESC – má přepnutí metabolismu i
regulační účinky na kmenovost a schopnost
sebeobnovy?
Kmenové buňky využívají k tvorbě ATP zejména glykolýzu – to
může souviset i s nízkou hladinou O2 v nice kmenových buněk
J. Cell Sci. 2012, 125: 5597–5608
Kmenové buňky a jejich metabolismus
využívání glykolýzy pro tvorbu ATP není jediný druh
adaptace;
využití Thr jako zdroje pro tvorbu acetylkoenzymu A;
změny metabolismu lipidů – indukce syntézy mastných
kyselin je např. spojena s indukcí proliferace nervových
kmenových buněk;
signální regulátory zapojené do vnímání metabolitů a živin
jsou zapojeny také do kontroly funkcí kmenových buněk insulin-forkhead
box O factors (FOXO), mammalian target of
rapamycin (mTOR), AMP-activated protein kinase (AMPK) a
další; metabolismus by tedy mohl být důležitým faktorem
kontrolujícím diferenciaci kmenových buněk;
do budoucna zbývá řada otevřených otázek;
K zamyšlení
metabolismus buněk ve tkáních je regulován nejen na základě
dostupných živin, ale zejména specifickými signálními
dráhami, které koordinují udržování homeostázy (hormony,
cytokiny); to umožňuje buňkám ve tkáních rychlé adaptace na
změny v prostředí i potřeby celého organismu;
metabolismus je často tkáňově specifický a závisí také na
faktorech jako je např. hladina kyslíku;
diferencované buňky využívají jako zdroj tvorby ATP primárně
oxidativní fosforylaci;
naproti tomu rychle proliferující buňky využívají aerobní
glykolýzu nejen jako zdroj energie (ATP) ale také jako zdroj
uhl. substrátů a NADPH pro syntetické reakce a udržení redoxní
rovnováhy;
K zamyšlení
podobně jako proliferující buňky, i buňky nádorové využívají
aerobní glykolýzu nejen jako zdroj energie (ATP) ale také jako
zdroj substrátů a NADPH; zároveň ale mají řadu dalších
adaptačních mechanismů umožňujících jim přežití a proliferaci v
případě nedostatku živin nebo kyslíku – deregulace příjmu
glukózy a aminokyselin, oportunistický příjem živin, apod.;
glutamin je významným zdrojem uhlíku a zejména dusíku pro
proliferující buňky, a to zejména pro extrémně rychle proliferující
buňky nádorové;
u nádorových buněk byla identifikována celá řada mutací a
epigenetických změn vedoucích k deregulaci metabolismu a
podpoře proliferace;
K zamyšlení
metabolismus v nádorových buňkách hraje i úlohu regulační
– změny regulace transkripce (epigenetické změny
chromatinu), interakce s nádorovým mikroprostředím;
specifické typy buněk jako jsou např. kmenové buňky nebo
aktivované buňky imunitního systému často také využívají
glykolýzu jako základní dráhu pro syntézu ATP; ne univerzální!
metabolické procesy pravděpodobně souvisejí s regulací
kmenovosti a schopnosti sebeobnovy kmenových buněk – mohou
tedy aktivně ovlivňovat buněčnou proliferaci a diferenciaci
buněk v populacích kmenových buněk;