Wissenschaftler entdecken eine neue Wendung in einem 80 Jahre alten biochemischen Stoffwechselweg

Jedes Jahr lernen Tausende von Biochemie-Studenten und Medizinstudenten auf der ganzen Welt, sich die wichtigsten biochemischen Wege zu merken, die es den Zellen ermöglichen, zu funktionieren. Wie diese etwa 10 Wege in Lehrbüchern beschrieben werden, hat sich seit ihrer ersten Entdeckung Anfang des 20. Jahrhunderts kaum verändert.

Aber mit dem Wiederaufleben des Interesses am Krebsstoffwechsel in den letzten zehn Jahren erkennen die Forscher, dass die Biochemie einer Zelle mehr zu bieten hat, als man früher dachte.

Die neueste Handlung kommt von einem Team von Wissenschaftlern des Sloan Kettering Institute, die berichten, dass sie einen bisher unbeachteten Stoffwechselweg entdeckt haben – eine alternative Version des berühmten Krebs-Zyklus, auch bekannt als Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus.

Der TCA- oder Krebs-Zyklus – benannt nach Hans Krebs, dem in Deutschland geborenen Biochemiker, der ihn 1937 entdeckte – ist ein zentraler Knotenpunkt des Zellstoffwechsels. Es ist ein zentraler Bestandteil des Prozesses, bei dem Zellen Zucker „verbrennen“, um ATP herzustellen, das energietragende Molekül der Zelle. In seiner Standardform findet der Zyklus vollständig in den Mitochondrien einer Zelle statt.

„Wir und andere Wissenschaftler haben seit einiger Zeit erkannt, dass es Unterschiede im Ausmaß gibt, in dem Zellen Teile des TCA-Zyklus verwenden, was darauf hindeutet, dass Zellen möglicherweise mehrere Möglichkeiten haben, ihre grundlegenden Stoffwechselbedürfnisse zu erfüllen“, sagt Lydia Finley, eine Zellbiologin in SKI, der das Team leitete. „Mit dieser neuesten Forschung können wir jetzt sagen, dass es eine vollständige Alternative zum kanonischen TCA-Zyklus gibt, und wir erklären, wie er funktioniert.“

Implikationen für das Verständnis des Stoffwechsels von Krebszellen

Durch mehrere konvergierende Beweislinien zeigte das Team von Dr. Finley, dass eine alternative Version des TCA-Zyklus teilweise in den Mitochondrien und teilweise im Zytosol stattfindet. Anstatt Zucker für Energie zu verbrennen, ermöglicht diese alternative Version des TCA-Zyklus den Zellen, die Kohlenstoffe im Zucker zu verwenden, um wichtige Moleküle wie Lipide für Zellmembranen aufzubauen.

Nicht nur das, sondern die Verwendung der einen oder anderen Version des TCA-Zyklus durch eine Zelle ist mit Änderungen ihrer Identität verbunden, wie das Team zeigte.

Diese Ergebnisse, die am 9. März 2022 gemeldet wurden, in Natur, haben weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis, wie Zellen ihren Stoffwechsel an sich ändernde Bedürfnisse anpassen. Sie können auch zusätzliche Möglichkeiten für Krebstherapien vorschlagen, die auf den Stoffwechsel eines Tumors abzielen.

Zusammensetzen der Puzzleteile

Die neuen Ergebnisse sind das Ergebnis einer produktiven Zusammenarbeit im Finley-Labor zwischen Gerstner Sloan Kettering-Doktorandin Paige Arnold und Tri-Institutional MD-Ph.D. Schüler Benjamin Jackson.

Arnold hatte Kohlenstoffverfolgungstechniken verwendet, um den Fluss von Kohlenstoffen durch den TCA-Zyklus in verschiedenen Zelltypen zu untersuchen. Sie hatte zum Beispiel bemerkt, dass es Unterschiede im Ausmaß zu geben schien, in dem Zellen ihre Kohlenstoffe in den TCA-Zyklus einbringen oder einen Teil davon überspringen.

Etwa zur gleichen Zeit verwendete Jackson Computermethoden, um öffentlich verfügbare Daten aus Experimenten zu analysieren, in denen das Genom-Editing-Tool CRISPR verwendet worden war, um systematisch Gene für verschiedene Enzyme nacheinander auszuschalten, um zu sehen, welche Auswirkungen dies auf Zellen hatte .

„Sie würden die Hypothese aufstellen, dass, wenn der TCA-Zyklus ein Funktionsmodul wäre, jedes dieser Enzyme eine relativ ähnliche Wirkung haben sollte, wenn Sie es entfernen“, betont Dr. Finley. „Was Ben aufgefallen ist, ist, dass das eigentlich nicht der Fall ist.“

„Die Stoffwechselenzyme schienen zwei getrennte Module zu bilden“, sagt Jackson. „Dies untermauerte die anekdotischen Beweise dafür, dass wir anhäuften, dass es verschiedene Teile des TCA-Zyklus gibt, die Zellen verwenden oder nicht verwenden können.“

Die von Jackson analysierten CRISPR-Studien wurden an Krebszelllinien durchgeführt – mit anderen Worten an Zellen, die nicht „normal“ sind. Arnold wollte wissen, ob sich auch Normale an diesem alternativen oder nicht-kanonischen Zyklus beteiligen. Das Finley-Labor arbeitet oft mit embryonalen Stammzellen, sodass Arnold leichten Zugang zu diesen normalen Zellen hatte. Arnold verfolgte den Kohlenstofffluss durch sie und stellte fest, dass sie auch am nichtkanonischen TCA-Zyklus beteiligt waren.

Lehren von vor 80 Jahren

Diese beiden Versuchsreihen schienen zu bestätigen, dass es wirklich einen alternativen Weg gibt, den TCA-Zyklus durchzuführen, einen, der nicht in den Lehrbüchern steht. Aber warum hatte Krebs es übersehen?

Um diese Frage zu beantworten, beschloss Arnold, die Originalarbeiten von Krebs aus den 1930er und 40er Jahren zu überprüfen. Zu ihrer Überraschung stellte sie fest, dass Krebs seine entscheidenden Entdeckungen in einer bestimmten Gewebeart gemacht hatte: dem Brustmuskel von Tauben.

„Niemand redet wirklich darüber“, sagt Arnold. „Aber wir haben uns gefragt, ob vielleicht verschiedene Zelltypen unterschiedliche Präferenzen dafür haben, ob sie den traditionellen TCA-Zyklus oder diese alternative Version verwenden.“

Sie beschloss, die ursprünglichen Experimente von Krebs zu rekonstruieren, nur in einer Schale und nicht in Taubenmuskeln. Sie verwendete stammähnliche Muskelzellen der Maus, um einen Muskelfaservorläufer namens Myotube zu züchten, und verfolgte dann die Kohlenstoffe. Als sie dies tat, sah sie etwas Interessantes: „Als sich die Zellen noch in einem eher stammähnlichen Stadium befanden, schienen sie einen Großteil dieses nicht-kanonischen TCA-Zyklus zu machen, ähnlich wie embryonale Stammzellen und Krebszellen“, sagt Arnold. „Aber sobald sich die Zellen zu Myotuben differenziert hatten, wechselten sie sofort zum traditionelleren TCA-Zyklus. Das stimmt mit dem überein, was Krebs im Muskelgewebe von Tauben gesehen hat.“

Für das Team deutete dieses Ergebnis auf einen klaren Zusammenhang zwischen Veränderungen der Zellidentität und der Nutzung bestimmter biochemischer Stoffwechselwege hin. Um zu testen, ob die Veränderungen im Zellschicksal die Nutzung der verschiedenen Wege erforderten, führte das Team zusätzliche Experimente durch, in denen sie bestimmte Enzyme in den Zyklen chemisch oder genetisch blockierten, und fragte, ob die Zellen ihr Schicksal noch ändern könnten. Sie konnten nicht. Dieser Befund implizierte, dass Veränderungen im Zellschicksal unterschiedliche biochemische Wege erforderten.

Brennen oder bauen

Warum sollte sich eine Zelle überhaupt für eine andere Form des TCA-Zyklus entscheiden? Laut Dr. Finley ist der Krebszyklus wirklich gut darin, die ATP-Produktion zu maximieren. Es hilft den Zellen, all ihre Nährstoffe zu Kohlendioxid zu verbrennen.

„Das ist großartig, wenn Sie sich wirklich um die Herstellung von ATP kümmern“, sagt Dr. Finley. „Aber wenn Sie wachsen wollen, ist ATP eigentlich nicht das limitierende Reagenz. Sie müssen diese Kohlenstoffe tatsächlich behalten, um neue Biomasse herzustellen. Das macht der nichtkanonische TCA-Zyklus: Er ermöglicht es Ihnen, Kohlenstoffe aus Glukose zu entfernen und sie in das Zytosol zu exportieren , wo sie zum Aufbau anderer Moleküle verwendet werden können. Anstatt also den Kohlenstoff zu verbrennen, darfst du ihn behalten.“

Dieser wachstumsorientierte Zyklus kann besonders relevant für Krebs sein, dessen charakteristisches Merkmal unbegrenztes Wachstum ist.

Dr. Finley warnt davor, dass ihre Laborexperimente alle in einer Schale und nicht an Tieren durchgeführt wurden. Das Team ist sehr daran interessiert zu verstehen, ob und wann es in vivo auftritt, sowohl bei normalen Tieren als auch bei Tumoren.

„Das wird uns helfen zu wissen, ob es ein gutes Ziel für Krebsmedikamente sein könnte“, sagt Dr. Finley.

Ein unerwarteter Vorteil der COVID-Pandemie

Dr. Finley glaubt, je mehr Forscher nach alternativen biochemischen Wegen suchen, desto mehr könnten sie finden. In gewisser Weise wurde ihre Entdeckung eines nichtkanonischen TCA-Zyklus durch ungeplante Ausfallzeiten im Labor aufgrund der COVID-19-Pandemie erleichtert.

Wie Jackson erklärt: „Ich war zu Hause und wir konnten wegen der Pandemie nicht ins Labor kommen. Daher wurde es ein sehr zufälliger Zeitpunkt, an diesem Projekt zu arbeiten und alle Fehler des Codes auszuarbeiten.“

Auch für Arnold bot die pandemiebedingte Ausfallzeit die Gelegenheit, wirklich in die historische Literatur einzutauchen und über die Daten anderer Labore nachzudenken, in denen sie glaubte, Beweise für diesen anderen Zyklusbetrieb zu sehen.

„Am Ende kamen die Rechenarbeit, die ich geleistet habe, und das Modell, das Paige baute, zusammen, und es wurde eine wirklich zufriedenstellende Zusammenarbeit“, sagt Jackson.

Zu dieser Geschichte gibt es eine passende Endnote. Als Krebs seine Originalarbeit über den TCA-Zyklus einreichte Natur, wurde abgelehnt. Die Redaktion hatte damals keinen Platz. Diesmal tun sie es glücklicherweise.