L'interruttore redox GAPDH salvaguarda la capacità riduttiva e consente la sopravvivenza delle cellule tumorali stressate

Nature Metabolism volume 5, pagine 660–676 (2023) Citare questo articolo

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È noto che la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) contiene un residuo di cisteina nel sito attivo sottoposto a ossidazione in risposta al perossido di idrogeno, portando alla rapida inattivazione dell'enzima. Qui mostriamo che le cellule umane e di topo che esprimono un mutante GAPDH privo di questo interruttore redox mantengono l'attività catalitica ma non sono in grado di stimolare la via ossidativa del pentoso fosfato e di migliorare la loro capacità riduttiva. Nello specifico, troviamo che la crescita indipendente dall'ancoraggio di cellule e sferoidi è limitata da un aumento dei livelli di perossido endogeno e dipende in gran parte da un interruttore redox funzionale GAPDH. Allo stesso modo, la crescita del tumore in vivo è limitata dallo stress del perossido e soppressa quando l’interruttore redox GAPDH è disabilitato nelle cellule tumorali. L’induzione di ulteriore stress ossidativo intratumorale mediante chemioterapia o radioterapia è in sinergia con la disattivazione dell’interruttore redox GAPDH. I topi privi dell'interruttore redox GAPDH mostrano un metabolismo degli acidi grassi alterato nei reni e nel cuore, apparentemente in compenso per la mancanza dell'interruttore redox. Insieme, i nostri risultati dimostrano la rilevanza fisiologica e fisiopatologica dell’inattivazione ossidativa del GAPDH nei mammiferi.

L'enzima glicolitico gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) è insolito in quanto viene facilmente ossidato nel suo sito attivo cisteina in risposta a moderati aumenti dei livelli di perossido di idrogeno intracellulare (H2O2)1,2. Nessun altro enzima viene ossidato in modo così evidente dall'H2O2 come il GAPDH2,3, sebbene sia noto che anche molti altri enzimi metabolici, inclusa la piruvato chinasi4, sono sensibili all'ossidazione. Infatti, GAPDH si distingue dalle altre proteine ​​contenenti tioli perché la reattività H2O2 del tiolo del suo sito attivo è superiore a quella tipica dei tioli proteici in generale5. L'ossidazione del tiolo GAPDH porta prima alla solfenilazione (R-SH + H2O2 → R-SOH + H2O), e poi alla glutationilazione (R-SOH + GSH → R-SSG + H2O). Il risultato è l'inibizione reversibile dell'attività glicolitica della GAPDH6.

L’ossidazione del GAPDH mediata da H2O2 è stata riconosciuta più di 50 anni fa7, ma inizialmente si pensava ampiamente che l’ossidazione del GAPDH rappresentasse una reazione collaterale involontaria, che rifletteva potenzialmente un danno proteico. Solo circa 15 anni fa, divenne chiaro che l’inattivazione ossidativa del GAPDH avvantaggia le cellule esposte agli ossidanti piuttosto che essere deleteria. Le cellule di lievito esposte a H2O2 reindirizzano il flusso di glucosio dalla glicolisi al ramo ossidativo della via del pentoso fosfato (oxPPP), aumentando così la rigenerazione di equivalenti riducenti sotto forma di NADPH. Di conseguenza, queste cellule diventano tolleranti all’H2O28,9. In questi esperimenti, si è scoperto che l'attivazione di oxPPP è correlata all'inattivazione ossidativa del GAPDH e un modello metabolico computazionale basato su equazioni differenziali ordinarie ha suggerito la possibilità che l'ossidazione di GAPDH possa essere la causa dell'attivazione di oxPPP8. Successivamente, l'attivazione di oxPPP indotta dallo stress ossidativo è stata osservata anche nelle cellule di mammifero10, ma la rilevanza biologica dell'ossidazione del GAPDH è rimasta poco chiara. In effetti, una connessione causale tra l'ossidazione del GAPDH e l'attivazione di oxPPP non è stata dimostrata in nessun sistema dei mammiferi. L’H2O2 può essere una causa comune sia dell’ossidazione del GAPDH che dell’attivazione dell’oxPPP, spiegando così la correlazione osservata. In questo senso, due studi recenti hanno proposto che l'attivazione di oxPPP possa essere indipendente dall'ossidazione del GAPDH e dipendere invece dalla deiibizione della glucosio-6-fosfato deidrogenasi (G6PDH), per sbloccare la "capacità di flusso di riserva" dell'oxPPP, almeno in specie non di lievito11,12. Pertanto, è rimasta una questione aperta se l’inattivazione ossidativa del GAPDH, la deiibizione del G6PDH o la combinazione di entrambi siano necessari e sufficienti per l’attivazione di oxPPP. Se l’ossidazione del GAPDH è effettivamente rilevante per le cellule dei mammiferi, una domanda correlata ma ancora senza risposta è il contesto fisiologico e la funzione dell’ossidazione del GAPDH nei mammiferi. In quali circostanze fisiologiche o patologiche un aumento di H2O2 endogeno attiva l'interruttore redox GAPDH? O, in altre parole, quale sarebbe la conseguenza per le cellule di mammifero se esprimessero una GAPDH non ossidabile invece di quella ossidabile?