#NEWS 細胞代謝的分岔口：非典型檸檬酸循環在細胞分化狀態的角色

細胞為了維持自身的生理機能，必須透過代謝路徑獲取能量，又稱三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）。其中獲取 ATP 的主要路徑為呼吸作用（cellular respiration）。呼吸作用主要由四個步驟組成，分別為糖解作用（glycolysis）、丙酮酸 （pyruvate）氧化、檸檬酸循環（TCA cycle）、以及電子傳遞鏈與 ATP 合成。其中的檸檬酸循環在 1940 年由一位英國生化學家 Hans Adolf Krebs 教授提出，當時其以鴿子的肌肉細胞為模型研究其代謝途徑，並命名為檸檬酸循環，Hans Adolf Krebs 教授也以此重大發現獲得 1953 年的諾貝爾生理醫學獎 [1]。從此之後，所有教科書都認為不同細胞皆以相同的檸檬酸循環獲取 ATP。然而直到 2022 年 3 月，美國 Memorial Sloan Kettering Cancer Center 的研究團隊在 Nature 期刊發表了一篇研究，打破了這樣的認知。

先前美國 Broad Institute 團隊發表了 DepMap 資料庫，團隊利用 501 種癌細胞株進行全基因組篩選（genome-wide screening），期以找出癌細胞生存的必要基因（圖一）。團隊觀察不同基因的缺失對於細胞生長速率的影響，並計算兩兩基因之間的關聯分數並繪製成基因網絡圖。團隊發現，參與相同路徑的基因通常會有較高的關聯分數，且會形成同一個群集（cluster），因為整個機制的任一基因缺失都會使該細胞無法存活。

因此，研究團隊首先以 DepMap 資料庫為基礎，進一步分析調控檸檬酸循環的基因在癌細胞的重要性（co-essentiality）。團隊意外的發現與檸檬酸循環相關的基因形成兩個群集（圖二 a），並分別分布在檸檬酸合成的上游及下游，顯示檸檬酸合成的上下游並不是一條單一的路徑。此外，團隊也發現兩個脂肪生合成的基因（Slc25a1, Acly）跟檸檬酸循環的上游路徑（群集一，圖二 ab）有關聯，因此提出一個假設，細胞可能可以利用脂肪生合成副產物來支持檸檬酸循環，此外，Slc25a1 與 Acly 基因所生成的酵素會在細胞質調控檸檬酸循環，而非在粒線體，並將其命名為非典型檸檬酸循環（non-canonical TCA cycle）。

團隊為了驗證這個假設，利用了碳 13 同位素標記（isotope labeling）細胞所需營養的碳源，並追蹤被標記的中間代謝產物。如果細胞使用傳統的檸檬酸循環，碳 13 同位素便會留在蘋果酸（malate）中；但如果細胞使用非典型循環，細胞將會失去這兩個碳 13 原子，因此觀察蘋果酸 M+2 離子（含有兩個碳 13）跟檸檬酸 M+2 的比例便能計算細胞使用傳統循環的比例（圖二 c）。為了初步驗證這個猜想，作者在癌細胞中抑制非典型循環其中的一個酵素，ACL（由 Acly 基因所表現），能夠看到細胞使用傳統循環的比例提高，代表這些癌細胞的確使用非典型循環（圖二 d）。

除了癌細胞，作者也在老鼠胚胎幹細胞中觀察到非典型循環。作者一一敲除非典型循環中的各個基因（Slc25a1, Mdh1, Acly），發現細胞一旦失去任一個基因就會大幅升高典型循環利用率，並且非典型循環下游的代謝物都會隨之降低（圖三 A-D）。因此團隊開始思考幹細胞使用非典型循環的原因，最直接的猜想就是細胞分化的過程會改變代謝物的需求。團隊透過促使細胞分化後，發現胚胎幹細胞為了要脫離多功能性（exit from naive pluripotency），會從使用典型循環轉向使用非典型循環（圖三 E-F）。由於檸檬酸循環的發現者 Krebs 教授最初是使用鴿子的肌肉細胞為模型，因此團隊使用 C2C12 肌母細胞（myoblast）並促使其分化成肌小管（myotube），意外發現肌小管更傾向於使用典型循環（圖三 G）。為了瞭解哪些基因改變細胞對於檸檬酸循環的偏好，則透過比較肌母細胞跟肌小管的 mRNA，發現了肌小管表達更多檸檬酸循環的相關基因，而且這些基因都被掌控肌肉分化的轉錄因子 MYOD 調控（圖三 H）。這些結果都顯示非典型檸檬酸循環也參與細胞分化的過程。

團隊在討論中也提到，在體外培養的癌細胞會更傾向於使用非典型檸檬酸循環，而病人體內的癌細胞則是偏好使用典型循環，這也部分解釋了為什麼有時在基礎研究時藥物對癌細胞株效用很高，在臨床病人上效用卻不顯著，這可能是因為在體外培養的細胞株與臨床病人體內的癌細胞使用不同的機制。此外這篇研究還衍生了數個有趣的問題：還有哪些細胞偏好非典型循環？是什麼原因讓這些細胞偏好非典型循環，而非典型循環是如何被調控的呢？最後，這篇研究也顯示不同階段的細胞可能會使用不同的代謝策略，透過更深入的代謝研究也將提供更多疾病的治療線索。

Main Article: 

Arnold, P.K., Jackson, B.T., Paras, K.I. et al. A non-canonical tricarboxylic acid cycle underlies cellular identity. Nature 603, 477–481 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04475-w

參考文獻：

1. Hans Krebs – Nobel Lecture. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach <https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1953/krebs/lecture/>
2. Tsherniak, A., Vazquez, F., Montgomery, P. G., Weir, B. A., Kryukov, G., Cowley, G. S., … & Hahn, W. C. Defining a cancer dependency map. Cell 170(3), 564-576. (2017) https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.06.010

撰文｜謝竣丞
審稿｜蕭皓文