追蹤哺乳動物組織中糖酵解中間產物的來源

　　葡萄糖一直被認為是哺乳動物最重要的循環能量前體，通過分解代謝途徑——糖酵解，每一分子葡萄糖直接產生2個ATP分子。糖酵解還產生NADH和丙酮酸，可在線粒體中被氧化生成額外的ATP。當線粒體呼吸受損時，丙酮酸被NADH還原為乳酸，而乳酸是細胞分泌的廢物。但是，哺乳動物并沒有排泄大量的乳酸，一個細胞釋放的乳酸會被其他細胞用作燃料，身體的大多數組織可吸收循環中的乳酸并將其代謝成丙酮酸和下游的三羧酸循環（TCA）中間產物。因此，攝取循環的乳酸可作為細胞產生丙酮酸和能量的一種途徑，從而不消耗葡萄糖或進行糖酵解。也就是說，葡萄糖攝取和糖酵解可能并不是哺乳動物細胞的普遍特性。那么，哪些細胞類型或組織直接使用循環的葡萄糖？在不依賴葡萄糖的細胞中，糖酵解中間產物來自哪里？

　　除了葡萄糖，糖原分解和糖異生等也能影響組織糖酵解的中間產物的量【1】。最終，糖酵解、糖異生、糖原的合成和分解協同工作，不僅維持組織糖酵解中間產物，而且維持循環葡萄糖穩態。葡萄糖穩態的缺陷是2型糖尿病的標志。因此，了解這些途徑的體內活性具有重要的醫學意義。

　　18F-FDG影像分析和同位素標記2DG攝取分析都揭示出腦、轉化組織、心臟和一些肌肉組織對葡萄糖的攝取量較高，但葡萄糖或其類似物的攝取并不代表通過糖酵解的葡萄糖代謝【2】。所以直接檢測組織的糖酵解中間產物十分必要，不過對糖酵解中間產物的標記存在技術挑戰。

　　近日，來自普林斯頓大學的Joshua D. Rabinowitz團隊在Cell Metabolism雜志上發表一篇題為“The Source of Glycolytic Intermediates in Mammalian Tissues”的文章，這項研究利用13C在小鼠體內定量分析循環的葡萄糖、組織內糖原和循環中糖異生前體等對糖酵解中間產物的貢獻。循環葡萄糖是循環乳酸的主要來源，乳酸是組織糖酵解的主要終產物。循環的葡萄糖只在少數組織中標記糖酵解的中間產物：血液、脾臟、膈肌和比目魚肌。大部分身體組織（包括肝臟和股四頭肌）的糖酵解中間產物都來自糖原。糖異生對糖酵解中間產物的貢獻相對較少，但廣泛存在。進食激活循環葡萄糖和乳酸的氧化，維持葡萄糖穩態，而不會抑制糖異生。

　　在禁食8h后，將U-13C-葡萄糖經尾靜脈輸注到小鼠體內，隨后檢測糖酵解中間產物的標記情況。首先葡萄糖的輸注導致循環乳酸被快速標記，且50%的乳酸在輸注的前90分鐘內被標記，頸動脈收集的血液中乳酸的標記量低于尾靜脈收集的血液，說明葡萄糖輸注后，全身糖酵解旺盛。許多組織中標記的糖酵解中間產物顯著低于循環的乳酸，即循環葡萄糖對組織中糖酵解中間產物的貢獻很小，特別是具有糖原庫的組織中，如肝臟和股四頭肌。而紅細胞、脾臟、比目魚肌和膈肌的糖酵解中間產物標記則與循環乳酸標記一樣高。小鼠進食會增加循環乳酸的標記量，股四頭肌和肝臟中標記有小幅度的增加。總體上，在禁食和進食的狀態下，很多組織的糖酵解中間產物來自于循環葡萄糖的比例都低于50%。高胰島素-正常血糖鉗夾是利用超生理水平的胰島素輸注來研究胰島素的作用，同時輸注葡萄糖維持正常血糖。研究人員進行鉗夾實驗，發現高胰島素導致循環乳酸的標記量大幅增加，肝臟中糖酵解中間產物的標記也增加。即持續高水平的胰島素通過糖酵解誘導循環葡萄糖的直接分解代謝。

　　糖酵解中間產物的一個潛在來源是糖原。研究人員設計了U-13C-葡萄糖脈沖追蹤輸注策略：首先進行16h的輸注過夜（小鼠在夜里吃的最多的），用來標記組織中的糖原池；輸注結束后，取出食物，小鼠禁食8h，期間血糖的標記下降，但糖原的標記保持不變。實驗顯示，肝臟和股四頭肌中糖酵解中間產物的主要來源于糖原，而除了脾臟、比目魚肌和膈肌外，大多數組織中都有大量糖酵解中間產物被標記，即糖原對多數組織的糖酵解有廣泛的貢獻。進食狀況下，多數組織中依然可檢測到被標記的糖酵解中間產物。

　　糖酵解的另一個潛在來源是糖異生。利用13C標記糖異生前體底物：乳酸、丙氨酸、甘油和谷氨酰胺，然后對小鼠進行輸注。禁食小鼠中，乳酸（40%）和甘油（33%）對循環葡萄糖的貢獻很大，丙氨酸和谷氨酰胺的貢獻較小（10%）。被標記的糖酵解中間產物不僅在經典的糖異生組織中（肝臟、腎臟）被檢測到，在大多數組織中都檢測到。同時組織TCA底物的選擇偏好和糖異生底物偏好之間具有一些對應關系，例如胰腺的TCA和糖異生都優先使用谷氨酰胺，運行部分糖異生途徑，生成果糖-1,6-二磷酸。大多數哺乳動物組織至少利用部分糖異生途徑，產生糖酵解中間產物。不過，即使是在經典的糖異生器官中，被標記的糖酵解中間產物所占比例也不是特別高（20%）。分析顯示，禁食和進食條件下，糖異生的絕對通量是類似的，但其糖異生的前體底物發生變化，從甘油變成乳酸。高胰島素-正常血糖鉗夾實驗顯示，高胰島素基本上完全抑制糖異生過程。高胰島素期間，肝臟中3-磷酸甘油酯和1,6-二磷酸果糖的標記持續存在，而磷酸己糖的標記被抑制，表明胰島素起到抑制1,6-二磷酸果糖酶的作用。總之，這些研究表明，高胰島素-正常血糖鉗夾，而不是生理胰島素誘導喂養，抑制乳酸驅動的糖異生。

　　研究人員發現禁食和進食之間內源性葡萄糖產生的差異很小，分析發現禁食和進食之間消耗的碳水化合物的量和葡萄糖轉化的變化相匹配，即碳水化合物的氧化是消耗膳食中葡萄糖的主要途徑。糖原合成僅能貢獻一小部分糖水化合物的消耗，脂質的從頭合成則幾乎可忽略不計。

　　最后，研究人員探究了組織糖酵解中間產物和循環乳酸的直接來源。在禁食狀態下，所有組織都從糖原中產生糖酵解中間產物，股四頭肌、心臟和肝臟中糖原的貢獻最大。循環葡萄糖也有廣泛的貢獻，其中比目魚肌中循環葡萄糖的貢獻最大。糖異生前體對糖酵解中間產物也有直接貢獻，乳酸所介導的糖異生大量用于肝臟和股四頭肌中產生糖酵解中間產物，甘油用于腎臟和脂肪，氨基酸用于胰腺。進食減少了糖原對許多組織糖酵解中間產物的貢獻，尤其是肝臟；而心臟和棕色脂肪組織的糖酵解中間產物的來源比例最大的則是循環葡萄糖；在股四頭肌中，即使是進食狀態下，也只有少量的葡萄糖直接參與糖酵解中間產物的形成。對循環乳酸進行分析，發現禁食狀態下，大約43%的循環乳酸直接來自循環葡萄糖，而大約20%來自糖原。進食后，乳酸的產生的通量增加，葡萄糖的貢獻百分比增加，糖原的貢獻百分比幾乎不變，進食后糖原分解持續進行。

　　總的來說，這篇文章對哺乳動物組織中糖酵解中間產物的來源進行量化研究，發現身體許多組織中，循環葡萄糖對糖酵解中間產物的貢獻較小，而糖原分解和糖異生作用有助于糖酵解中間產物的產生，其作用范圍非常廣泛。這項研究或為理解組織糖酵解提供新的視角。