Ключевой фермент метаболизма сахара особенно легко и эффективно инактивируется окислительным стрессом. Ученые из Немецкого центра исследования рака (Deutsches Krebsforschungszentrum, DKFZ) показали, что при таком окислении клетки переключаются на альтернативный путь распада сахара и, таким образом, могут избежать окислительного стресса. Раковые клетки особенно выигрывают от этого механизма, который также может защитить их от повреждений, связанных с терапией.
Один из центральных ферментов расщепления сахара, ГАФД (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа), обладает особой характеристикой: он необычайно быстро и эффективно окисляется перекисью водорода (H 2 O 2 ) и при этом инактивируется. Это приводит к тому, что распад глюкозы в клетках, обеспечивающий энергию, останавливается.
«В дрожжевых клетках мы уже показали, что окислительная инактивация GAPDH перенаправляет расщепление сахара на другой метаболический путь , что гарантирует, что дрожжи лучше переносят окислительный стресс. Теперь мы исследовали, относится ли это также к клеткам млекопитающих », — говорит Тобиас Дик из Немецкий центр исследования рака.
В качестве предпосылки для функционального анализа исследователи использовали мутант GAPDH, который устойчив к окислению, но в остальном вполне нормально выполняет свою функцию по расщеплению сахара. Используя генные ножницы CRISPR-Cas, они заменили нормальный GAPDH на устойчивый к окислению мутант как в клеточных линиях , так и у мышей.
Используя этот подход, команда показала, что окисление GAPDH также позволяет клеткам млекопитающих переключаться с расщепления сахара, обеспечивающего энергию, на так называемый пентозофосфатный путь. Этот метаболический путь не дает клеткам энергии, но обеспечивает восстанавливающую молекулу НАДФН, которую можно использовать для нейтрализации вредных окислителей.
В частности, опухолевые клетки подвергаются повышенному окислительному стрессу на многих фазах своего развития. Это верно, например, когда снабжение питательными веществами колеблется или когда отдельные клетки отделяются от опухолевой массы и попадают в кровоток. Как раковые клетки справляются с устойчивым к окислению GAPDH? Раковые клетки с мутацией GAPDH, трансплантированные мышам, росли в опухоли значительно медленнее, чем раковые клетки с нормальной GAPDH. Мутантные раковые клетки демонстрировали повышенный окислительный стресс и чаще погибали. На самом деле это было связано с их неспособностью активировать пентозофосфатный путь, как показало измерение метаболитов в опухоли.
Как и ожидалось, когда команда лечила мышей с опухолями химиотерапией и лучевой терапией, которые еще больше усиливают окислительный стресс в опухолевых клетках , наблюдался синергетический эффект, то есть терапия оказывала значительно большее влияние на раковые клетки с мутацией GAPDH.
«Окислительный стресс является одним из наиболее важных барьеров для пролиферации и распространения опухолевых клеток в организме. Поэтому раковые клетки особенно зависят от стратегий, чтобы справиться с этой ситуацией», — объясняет Тобиас Дик. «Одной из этих стратегий, по-видимому, является окисление GAPDH, которое усиливает пентозофосфатный путь и, таким образом, защищает клетки от окислительного повреждения с помощью NADPH. Благодаря этой быстродействующей окислительной защите раковые клетки могут выиграть драгоценное время, пока другие, более медленные механизмы адаптации вступить в силу».