Nat Chem Biol | 萧天下等揭示酵母中糖酵解和三羧酸循环的解耦现象

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葡萄糖发酵在人类社会千百年发展上扮演着不可或缺的角色。人类在健身时即会在肌肉组织中进行大量的无氧呼吸，从葡萄糖到乳酸发酵过程中获取大量能量。近年的相关研究显示，哺乳动物（例：小鼠）体内存在大量乳酸的跨组织转运，这些乳酸会再通过三羧酸循环产生热能和生物能。在此种情况下，糖酵解和三羧酸循环呈现出一种跨空间合作关系，特指于在细胞内解耦后再通过乳酸作为中间体循环于各组织之间，而非既定的于单一细胞内的耦合关系。

作为模式生物之一，酿酒酵母（Saccharomyces cerevisae）是将葡萄糖发酵成乙醇的代表性单细胞生物。基于其已知的代谢机理，酿酒酵母在富氧环境下仍会进行无氧呼吸将葡萄糖发酵成乙醇，且传统观念认为酿酒酵母仅会在碳源转换期之后再摄入酒精。值得注意的是，在葡萄糖通过糖酵解转化为丙酮酸后，丙酮酸代谢成乙醇时消耗一分子的还原型烟酰胺腺嘌呤二核（NADH），但乙醇若氧化回醋酸时则能产生两分子的还原型烟酰胺腺嘌呤二核（磷酸）（NAD(P)H）。也就是说，在细胞内，丙酮酸到醋酸若经过乙醇作为中间体，则能进一步产生一分子的NADPH。

2022年8月15日，来自普林大学Joshua D. Rabinowitz组的研究人员（第一作者为萧天下）在Nature Chemical Biology发表了题为Glucose feeds the tricarboxylic acid cycle via excreted ethanol in fermenting yeast的文章，揭示了糖酵解和三羧酸循环的解耦现象在单细胞生物，酿酒酵母（crabtree-negative）和东方伊萨酵母（crabtree-positive）中仍旧存在。文中特别指出，即使在有大量葡萄糖存在并被发酵时，乙醇仍会被酵母摄取，且为酵母的重要碳源和还原型氢源。

研究人员将早期指数生长阶段的酵母快速转移入除葡萄糖和¹³C同位素标记的乙醇即无其他碳源的酵母培养液中，再以高分辨率质谱仪来观测乙醇的碳去向。在酿酒酵母中，乙醇不仅提供了细胞质内的乙酰辅酶A（acetyl-CoA）以供给脂肪酸合成，且通过乙酰辅酶A水合酶（ACH1）提供了线粒体中的乙酰辅酶A。非常特别的是，第一作者专注于仅存于线粒体中的N-乙酰谷氨酸合酶反应，用线性代数的方法回溯了线粒体中的乙酰辅酶A的¹³C同位素标记量。基于论文审核者的反馈，这是第一次有研究人员清晰地显示了ach1是乙醇碳源进入酿酒酵母线粒体中的必要基因。

为观测乙醇对酵母中NAD(P)H还原氢的影响，研究人员另使用一号位标定的氘代乙醇和一号位标定的氘代葡萄糖进行了多组实验。研究人员首先发现，在细胞质内，乙醇氧化通路为脂肪酸合成提供了绝不亚于戊糖磷酸途径的还原氢。出乎意料的是，研究人员还发现，在给细胞施加氧化压力时，同时提供含有乙醇和葡萄糖的培养液能保护细胞的新陈代谢，且乙醇氧化通路在此情况下能较戊糖磷酸途径供给更多的还原氢量。

综上，该研究使用多种分析方法（核磁共振(NMR)、代谢通量分析(MFA)和高分辨率质谱仪(UHPLC-HRMS)）对单细胞模式生物（酵母）进行了细致观测，革新性地发现酵母能在高葡萄糖浓度、低酒精浓度且低细胞密度下仍能同期产生和吸收乙醇，平行于数年前对小鼠体内乳酸循环的观测，进一步提出了糖酵解和三羧酸循环解耦合现象是一种有着进化守恒性质的代谢原理。

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