Ученые все еще пытаются понять молекулярные детали того, как раковые клетки метаболизируются и получают энергию; эти детали могут открыть новые, более точные способы, помогающие идентифицировать раковые клетки среди нормальных. Что они точно знают, так это то, что раковые клетки получают большую часть своей энергии за счет ферментации - метаболического процесса, который вырабатывает меньше энергии, но протекает очень быстро.¹ Это также помогает им расти намного быстрее, чем нормальным клеткам.

В недавнем исследовании бывший научный сотрудник Принстонского университета Ashley Maloney, в настоящее время биогеохимик из Университета Колорадо в Боулдере, и ее соавторы обнаружили, что ферментирующие дрожжевые клетки, которые быстро растут и напоминают раковые клетки, содержат в своих липидах меньше тяжелых изотопов водорода, называемых дейтерием.² Для сравнения, дрожжевые клетки, которые получают энергию в процессе, называемом дыханием, — более медленном, но более энергоемком процессе — содержат больше дейтерия в своих липидах. Сообщая о своих результатах в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда также обнаружила разницу между здоровыми и раковыми клетками печени мышей, причем в липидах последних содержится меньше дейтерия. Хотя полученные результаты еще предстоит протестировать на клетках человека, команда надеется, что их исследование заложит основу для создания диагностического инструмента с атомным отпечатком пальца для выявления рака у человека в будущем.

Будучи дочерью дерматолога, Мэлони много знала о раке кожи еще до того, как занялась наукой. Среди всех загадок рака ее особенно заинтриговало то, как раковые клетки усваивают питательные вещества совершенно иначе, чем нормальные клетки. Работая биогеохимиком во время получения докторской степени в Вашингтонском университете, она узнала, что водоросли используют изотопы водорода при метаболизме различных молекул в своих клетках.

“Мне всегда было интересно, как метаболизм при раке в сравнении со здоровым метаболизмом, происходящим в соседних клетках, изменит изотопный состав липидов в этих клетках”, - сказала она. В своей постдокторской работе с Xinning Zhang, микробиологом-экологом из Принстонского университета, она смогла изучить этот вопрос.

Липиды получают свой водород из молекулы, называемой никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADPH), которая действует в клетке как переносчик водорода. В процессе образования липидов NADPH переносит свои атомы водорода на молекулы липидов. Множество ферментов в клетке вырабатывают NADPH, и большинство из них предпочитают использовать более легкий атом водорода. Но один из них, называемый цитозольной изоцитратдегидрогеназой (cIDH), в равной степени предпочитает как более тяжелый, так и более легкий атом водорода. В результате его действия образуется пул NADPH с более тяжелыми атомами водорода, которые затем передаются липидам. Этот фермент более активен при дыхании и менее активен при ферментации, которую предпочитают быстрорастущие дрожжи и раковые клетки.

Эшли и ее команда наблюдали за быстрорастущими колониями дрожжей и раковыми клетками печени мышей, которые получали энергию от ферментации, а также за другим типом медленно растущих дрожжей и здоровыми клетками печени мышей, которые усваивали пищу с помощью дыхания. Затем ученые выделили липиды из клеток и пропустили их через масс-спектрометр - инструмент, который мог бы помочь им получить представление о типах атомов водорода, присутствующих в липидах.

Они обнаружили большие различия в соотношении более тяжелых и более легких атомов водорода: в быстрорастущих дрожжевых клетках, которые ферментируются, в липидах содержится гораздо меньше атомов дейтерия по сравнению с дышащими дрожжевыми клетками. В липидах раковых клеток печени мышей также содержалось меньше атомов дейтерия, но разница была не такой разительной, как в клетках дрожжей.

“Итак, липиды дают нам представление о том, что происходит внутри клетки, в частности, с NADPH, и именно поэтому это здорово”, - добавила она.

Zhang ранее наблюдал различия в соотношении тяжелых и легких атомов водорода в липидах бактерий.³ Но, по словам Wil Leavitt, ученого-землеведа из Дартмутского колледжа, это первый случай, когда ученые сообщают о наблюдении этого в клетках эукариотических организмов, таких как дрожжи и мыши. Он надеется, что в будущем этот метод будет опробован на образцах рака человека.

Рекомендации

CLiberti MV, Locasale JW. The Warburg Effect: How does it benefit cancer cells? Trends Biochem Sci. 2016;41(3):211-218.

Maloney AE, et al. Large enrichments in fatty acid 2H/1H ratios distinguish respiration from aerobic fermentation in yeast Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024;121(20):e2310771121.

Zhang X, et al. Large D/H variations in bacterial lipids reflect central metabolic pathways. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009;106(31):12580-12586.