Re:Mitochondrial TCA cycle 대사산물과 질병 2020 nature...

[문형철]

1. nature  
2. nature communications  
3. review articles  
4. article

Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease

Download PDF

• Review Article
• Open access
• Published: 03 January 2020

Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease

• Inmaculada Martínez-Reyes & 
• Navdeep S. Chandel 

Nature Communications volume 11, Article number: 102 (2020) Cite this article

•  
•  
•  
•  

Abstract

Mitochondria are signaling organelles that regulate a wide variety of cellular functions and can dictate cell fate. Multiple mechanisms contribute to communicate mitochondrial fitness to the rest of the cell. Recent evidence confers a new role for TCA cycle intermediates, generally thought to be important for biosynthetic purposes, as signaling molecules with functions controlling chromatin modifications, DNA methylation, the hypoxic response, and immunity. This review summarizes the mechanisms by which the abundance of different TCA cycle metabolites controls cellular function and fate in different contexts. We will focus on how these metabolites mediated signaling can affect physiology and disease.

요약

미토콘드리아는 

다양한 세포 기능을 조절하고 

세포의 운명을 결정하는 신호 전달 기관입니다. 

미토콘드리아의 건강 상태를 

세포의 나머지 부분에 전달하는 데는 

여러 가지 메커니즘이 관여합니다. 

최근의 증거에 따르면, 

일반적으로 생합성 목적에 중요한 것으로 여겨지는 

TCA 사이클 중간체가 

염색질 변형, DNA 메틸화, 저산소 반응 및 면역 기능을 조절하는 

신호 전달 분자로 기능한다는 사실이 밝혀졌습니다. 

chromatin modifications,

DNA methylation, the

hypoxic response, and

immunity

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(07)00184-5?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867407001845%3Fshowall%3Dtrue

이 리뷰는 

다양한 TCA 사이클 대사 산물이 

다양한 맥락에서 세포 기능과 운명을 제어하는 메커니즘을 요약합니다. 

우리는 

이러한 대사 산물이 매개하는 신호가 

생리학 및 질병에 어떤 영향을 미칠 수 있는지에 초점을 맞출 것입니다.

Mitochondrial dynamics in health and disease: mechanisms and potential targets

Article Open access06 September 2023

The cell biology of mitochondrial membrane dynamics

Article 18 February 2020

Introduction

Mitochondria are cellular organelles that generate ATP and metabolites for survival and growth, respectively. Mitochondria are responsive to execution of commands from the nucleus. Gene expression‎ changes from the nucleus promote mitochondrial biogenesis or increase mitochondrial respiratory activity to meet the cellular needs through a mechanism called “anterograde regulation”. However, it is clear now that mitochondria and the nucleus maintain a bidirectional regulation. Cells check whether mitochondrial metabolism is fit before they engage in complex and highly demanding cellular functions, including differentiation or adaptation to stress. Through a “retrograde signaling” mitochondria can regulate the expression‎ of different genes to facilitate diverse cellular functions1. The mitochondrial requirements are diverse among different cell types and they are highly influenced by the microenvironment.

Four prominent mechanisms by which mitochondria communicate with the rest of the cell include the release of cytochrome c to induce cell death, activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) to control mitochondrial fission and fusion, production of reactive oxygen species (ROS) to activate transcription factors, and the release of mitochondrial DNA (mtDNA) to activate immune responses2,3,4,5 (Fig. 1). Recent studies indicate a fifth mechanism whereby mitochondria release TCA (tricarboxylic acid) cycle metabolites to control cell fate and function (Fig. 2). TCA cycle metabolites were primarily considered as byproducts of cellular metabolism important for the biosynthesis of macromolecules such as nucleotides, lipids, and proteins. Although this is an essential function for the maintenance of cellular homeostasis, it is rapidly appreciated that metabolites in the TCA cycle are also involved in controlling chromatin modifications, DNA methylation, and post-translational modifications of proteins to alter their function. The purpose of this review is to highlight the signaling implications of TCA cycle metabolites and how changes in their abundance control physiology and disease.

소개

미토콘드리아는

생존과 성장을 위해 각각 ATP와 대사 산물을 생성하는 세포 소기관입니다.

미토콘드리아는

핵의 명령 실행에 반응합니다.

핵의 유전자 발현 변화는

“antero방향 조절”이라는 메커니즘을 통해

세포의 필요를 충족시키기 위해

미토콘드리아 생성을 촉진하거나 미토콘드리아 호흡 활동을 증가시킵니다.

anterograde regulation

그러나

현재 미토콘드리아와 핵이 양방향 조절을 유지하고 있다는 것이

분명해졌습니다.

세포는

미토콘드리아 대사가 적절한지 확인한 후에

분화나 스트레스에 대한 적응 등 복잡하고 까다로운 세포 기능을 수행합니다.

미토콘드리아는

“역방향 신호”를 통해 다양한 유전자 발현을 조절하여

다양한 세포 기능을 촉진할 수 있습니다1.

retrograde signaling

미토콘드리아의 요구 사항은

세포 유형에 따라 다양하며 미세 환경의 영향을 많이 받습니다.

미토콘드리아가 세포의 나머지 부분과 소통하는

네 가지 주요 메커니즘에는

세포 사멸을 유도하는 시토크롬 c의 방출,

미토콘드리아 분열과 융합을 조절하는 AMP-활성화 단백질 키나아제(AMPK)의 활성화,

전사 인자를 활성화하는 활성 산소 종(ROS)의 생성,

면역 반응을 활성화하는 미토콘드리아 DNA(mtDNA)의 방출이 포함됩니다2,3,4,5 (그림 1).

release cytochrome c to induce cell death,

activation of AMP-activated protein kinase (AMPK) to control mitochondrial fission and fusion,

production of reactive oxygen species (ROS) to activate transcription factors, and

the release of mitochondrial DNA (mtDNA) to activate immune responses

유전 물질을 구성하는 것 외에도 DNA는 외래 병원체의 인식을 위한 추적자이자 선천성 면역 체계의 방아쇠 역할을 합니다. cGAS는 이중 가닥 DNA 단편의 센서 역할을 하며 어댑터 단백질 STING을 통해 면역 반응을 시작합니다. cGAS-STING 경로는 다양한 DNA를 포함하는 병원체로부터 세포를 보호할 뿐만 아니라, 자가 DNA의 이소성 국소화에 대한 면역 반응으로 인해 발생하는 많은 병리학적 과정을 조절합니다. 예를 들어, 세포질 미토콘드리아 DNA(mtDNA)와 핵 외 염색질 등이 있습니다. 또한, 대식세포는 염증성 복합체(inflammasomes)라고 불리는 단백질 복합체를 형성하여 염증을 유발할 수 있으며, NLRP3 염증성 복합체의 활성화에는 산화된 mtDNA의 방출이 필요합니다. 염증성 단백질과 관련된 선천성 면역에서 미토콘드리아 DNA 방출은 VDAC 올리고머화를 통해 미토콘드리아 외막에 형성되는 거대 기공에 의해 매개됩니다. 이러한 거대공극은 미토콘드리아 스트레스와 조직 손상에 반응하여 구체적으로 형성되며, VDAC 올리고머화의 억제는 이러한 염증 반응을 완화시킵니다. mtDNA가 방출되어 염증을 유발하는 메커니즘에 대한 연구가 급속히 확대되면서 염증뿐만 아니라 놀랍게도 근위축성 측삭 경화증과 같은 신경 퇴행성 질환에 대한 새로운 치료 전략이 밝혀졌습니다.

숙주 면역 반응은 병원체 유래 핵산(예: 바이러스 및 박테리아)과 자가 DNA(예: 죽어가는 세포, 종양 세포 또는 미토콘드리아 DNA)와 같은 세포질 DNA의 인식에 의해 시작됩니다. 세포질 DNA가 인식되면 cGAS는 cGAMP의 형성을 촉진하여 STING을 활성화합니다. 그런 다음 STING은 TBK1을 활성화하여 IRF3를 인산화합니다. 인산화된 IRF3는 핵에서 타입 I 인터페론의 발현을 활성화합니다. STING은 또한 키나아제 IKK를 인산화함으로써 NF-κB를 활성화합니다. NF-κB는 그 다음에 전염증성 사이토카인을 암호화하는 유전자의 전사를 활성화합니다.

최근 연구에 따르면

미토콘드리아가 TCA(tricarboxylic acid) 사이클 대사 산물을 방출하여

세포의 운명과 기능을 조절하는 다섯 번째 메커니즘이 존재한다고 합니다(그림 2).

TCA 사이클 대사 산물은

주로 뉴클레오타이드,

지질,

단백질과 같은

거대 분자의 생합성에 중요한 세포 대사의 부산물로 간주되었습니다.

이것은 세포 항상성 유지를 위한 필수 기능이지만,

TCA 사이클의 대사 산물이

염색질 변형,

DNA 메틸화,

단백질의 번역 후 변형 조절을 통해 기능 변화를 일으키는 데 관여한다는

사실이 빠르게 밝혀지고 있습니다.

이 리뷰의 목적은

TCA 사이클 대사 산물의 신호 전달 기능과

그 농도의 변화가 생리학 및 질병을 조절하는 방법을 강조하는 것입니다.

Fig. 1: Essential signaling functions of mitochondria.

Mitochondria have evolved distinct strategies to integrate environmental cues and communicate their fitness to the rest of the cell to maintain cellular homeostasis. Release of cytochrome c to invoke caspase-dependent cell death, release of reactive oxygen species to oxidize thiols within redox-regulated proteins, and induce gene expression‎ and the activation of AMPK under energetic stress to control mitochondrial dynamics are three prominent mitochondrial-dependent signaling events. Additionally, release of mitochondrial DNA into the cytosol triggers inflammasome activation and pro-inflammatory responses through the cGAS–STING cytosolic DNA-sensing pathway. Signaling roles of TCA cycle metabolites are in part mediated by controlling chromatin modifications and DNA methylation, as well as post-translational protein modifications.

미토콘드리아는 환경적 신호를 통합하고 세포의 항상성을 유지하기 위해 세포의 나머지 부분에 자신의 건강 상태를 전달하는 뚜렷한 전략을 발전시켰습니다. 

카스파제 의존성 세포 사멸을 유발하기 위한 시토크롬 c의 방출, 

산화 환원 조절 단백질 내의 티올을 산화시키기 위한 활성 산소 종의 방출, 그리고

 에너지 스트레스 하에서 유전자 발현과 AMPK의 활성화를 유도하여 미토콘드리아 역학을 제어하는 것은 

세 가지 중요한 미토콘드리아 의존성 신호 전달 사건입니다. 

카스파제는 세포 사멸과 염증 반응에 중심적으로 관여하는 진화적으로 보존된 시스테인 프로테아제 계열입니다. 최근 몇 년 동안 카스파제 활성화를 조절하는 분자 메커니즘에 대한 풍부한 기초적 통찰이 등장했습니다. 중요한 발전 사항으로는 염증성 카스파제의 활성화를 조절하는 추가적인 인플라마솜 플랫폼과 경로의 확인, 파이로토시스의 이펙터로서 가스더민 D의 발견, 인터루킨(IL)-1과 IL-18 분비의 발견, 염증성 카스파제와 세포자멸사 개시 카스파제 사이에 상당한 크로스톡의 존재 등이 있습니다. 카스파제 활성화 메커니즘에 대한 이해가 깊어짐에 따라, 전염성, 염증성, 악성, 대사성, 신경퇴행성 질환의 기능 장애 세포 사멸 및 염증 경로를 조절하려는 초기 연구가 진행되고 있습니다. 여기에서는 염증성 카스파제에 초점을 맞추어 카스파제 생물학에 대한 현재의 이해를 검토하고, 향후 실험을 위해 중요한 주제를 간략하게 설명합니다.

또한, 

미토콘드리아 DNA가 세포질로 방출되면 

cGAS-STING 세포질 DNA 감지 경로를 통해 

염증성 사슬 활성화와 전염성 염증 반응이 유발됩니다. 

TCA 사이클 대사 산물의 신호 전달 역할은 

부분적으로 염색질 변형과 DNA 메틸화, 그리고

 번역 후 단백질 변형을 조절함으로써 매개됩니다.

Full size image

Fig. 2: The TCA cycle is a signaling hub.

TCA cycle metabolites have diverse non-metabolic signaling roles with important effects in physiology and disease. Metabolites such as acetyl-CoA, itaconate, succinate, fumarate, and L-2-HG can alter the response of both the innate and adaptive immune systems. Other functions like lymphangiogenesis or the maintenance of stem cells pluripotency have been associated with acetyl-CoA and α-KG, respectively. Succinate, L-2HG, and fumarate are well recognized oncometabolites that promote tumorigenesis. In addition to its intracellular functions, succinate can also act as a systemic signal to regulate thermogenesis upon exposure to cold temperature.

TCA 사이클 대사 산물은 

생리학 및 질병에 중요한 영향을 미치는 다양한 비대사 신호 역할을 합니다. 

아세틸-CoA, 이타콘산, 숙시네이트, 푸마르산, L-2-HG와 같은 대사 산물은 

선천성 및 적응성 면역 시스템의 반응을 변화시킬 수 있습니다. 

림프관 신생 또는 줄기세포의 만능성 유지와 같은 다른 기능은 

각각 아세틸-CoA 및 α-KG와 관련이 있습니다. 

숙시네이트, L-2HG, 푸마레이트는 

종양 형성을 촉진하는 잘 알려진 온코메타볼리트로 알려져 있습니다. 

세포 내 기능 외에도, 숙시네이트는 추운 온도에 노출되었을 때 

열 발생을 조절하는 전신 신호로 작용할 수 있습니다.

Full size image

The TCA cycle and its regulation

The TCA cycle overview

The TCA cycle, also known as the citric acid cycle or the Krebs cycle, is a series of reactions in a closed loop that forms a metabolic engine within cells (Fig. 3). The TCA cycle constitutes an epicenter in cell metabolism because multiple substrates can feed into it. The TCA cycle begins with the reaction that combines the two-carbon acetyl-CoA, generated from fatty acids, amino acids or pyruvate oxidation, with a four-carbon oxaloacetate (OAA) to generate the six-carbon molecule citrate. In the second step, citrate is converted into its isomer, isocitrate. The cycle continues with two oxidative decarboxylation in which isocitrate is converted into the five-carbon α-ketoglutarate (α-KG) and subsequently into the four-carbon succinyl-CoA with the release of two molecules of CO2 and the generation of two NADH molecules. Next, succinyl-CoA converts into succinate, coupling it to the generation of GTP, which can be converted into ATP. Succinate is oxidized generating the four-carbon molecule fumarate. In this reaction, two hydrogen atoms are transferred to FAD, producing 2FADH. Importantly, the enzyme that carries out this step, succinate dehydrogenase (SDH), is also part of the electron transport chain (ETC) (Fig. 3). Next, fumarate gets converted into malate and further into OAA that combine with another acetyl-CoA molecule to continue the TCA cycle.

TCA 사이클과 그 조절

TCA 사이클 개요

TCA 사이클은 구연산 사이클 또는 크렙스 사이클이라고도 불리며,

세포 내에서 대사 엔진을 형성하는 폐쇄 루프에서 일어나는 일련의 반응입니다(그림 3).

TCA 사이클은

여러 가지 기질(基質)이 공급될 수 있기 때문에

세포 대사의 중심이 됩니다.

TCA 순환은

지방산, 아미노산 또는 피루브산 산화로부터 생성된 2개의 탄소 아세틸-CoA를

4개의 탄소 옥살아세테이트(OAA)와 결합시켜

6개의 탄소 분자인 구연산염을 생성하는 반응으로 시작됩니다.

두 번째 단계에서 구연산염은

이성질체인 이소구연산염으로 전환됩니다.

이 과정은 이소시트레이트가

5탄소 α-케토글루타레이트(α-KG)로 전환되고,

이후 4탄소 숙시닐-CoA로 전환되면서 2개의 CO2 분자가 방출되고

2개의 NADH 분자가 생성되는 두 번의 산화적 탈카르복시화 과정을 통해 계속됩니다.

다음으로, 숙시닐-CoA는

숙시네이트로 전환되어 GTP 생성에 결합되며,

이 GTP는 ATP로 전환될 수 있습니다.

숙시네이트는 산화되어 4탄소 분자인

푸마레이트를 생성합니다.

이 반응에서 두 개의 수소 원자가 FAD로 전달되어 2FADH가 생성됩니다.

중요한 것은,

이 단계를 수행하는 효소인 숙시네이트 탈수소효소(SDH)가

전자 수송 사슬(ETC)의 일부이기도 합니다(그림 3).

다음으로 푸마르산은 말산으로 전환되고,

다시 OAA로 전환되어 다른 아세틸-CoA 분자와 결합하여

TCA 사이클을 계속합니다.

Fig. 3: The TCA cycle and OXPHOS are tightly coordinated.

In a series of enzymatic reactions the TCA cycle generates the reducing equivalents NADH and FADH2, which are required to transfer electrons to the mitochondrial respiratory chain, also known as the electron transport chain (ETC). As the electrons are funneled through the complexes in the inner mitochondrial membrane, a functional ETC generates a mitochondrial membrane potential that is used to produce ATP. This process requires the presence of oxygen and it is known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). Mitochondrial complex I and II in the ETC replenish NAD + and FAD, respectively, allowing the oxidative TCA cycle to function. Succinate dehydrogenase is the only enzyme that participates in both the TCA cycle and the ETC.

일련의 효소 반응에서 TCA 사이클은 

미토콘드리아 호흡 사슬(일컬어 전자 수송 사슬(ETC))로 

전자를 전달하는 데 필요한 환원성 화합물인 NADH와 FADH2를 생성합니다.

 전자가 

미토콘드리아 내막의 복합체를 통해 흐르면서, 

기능적인 ETC가 ATP를 생산하는 데 사용되는 미토콘드리아 막 전위를 생성합니다. 

이 과정에는 

산소가 필요하며, 

이를 산화적 인산화(OXPHOS)라고 합니다. 

미토콘드리아 복합체 I과 II는 

각각 NAD+와 FAD를 보충하여 

산화적 TCA 순환이 작동할 수 있도록 합니다. 

숙시네이트 탈수소효소는 

TCA 순환과 미토콘드리아 복합체 모두에 참여하는 유일한 효소입니다.

Full size image

The TCA cycle participates in both anabolism and catabolism

As the cycle runs, metabolites from the cycle are transported into the cytosol where they provide the building blocks for macromolecule synthesis6. For example, citrate is exported to the cytosol where it is converted to OAA and acetyl-CoA to promote nucleotide and lipid synthesis, respectively. Importantly, when TCA cycle intermediates are being shuttled away from the mitochondria for biosynthetic purposes, the cycle has to be replenished to keep it running. This process is referred to as anaplerosis. There are multiple inputs into the TCA cycle but two important anaplerotic mechanisms are the conversion of pyruvate to mitochondrial OAA by pyruvate decarboxylase and the activation of glutaminolysis, which converts glutamine to glutamate and subsequently to α-KG. The latter mechanism is often used when α-KG levels drop due to citrate being exported from the mitochondria into the cytosol for the de novo lipid synthesis. Interestingly, in cases where the ETC is impaired, the generation of some TCA cycle intermediates can be maintained by a process called glutamine-dependent reductive carboxylation7. In this pathway the cycle partially reverses itself to generate citrate from glutamine-derived α-KG by two subsequent reactions catalyzed by NADPH-dependent isocitrate dehydrogenase 2 (IDH2) and aconitase (ACO).

Enzymes of the TCA cycle evolved prior to the presence of oxygen on earth signifying the primary biosynthetic role of the TCA cycle. However, over time the TCA cycle has evolved into an important energy-producing pathway in eukaryotes. The primary function of one turn of the TCA cycle from an energy-generating perspective is to oxidize acetyl-CoA to two molecules of CO2. The completion of the TCA cycle generates ATP and the byproducts 3 NADH and 1 FADH2 that further feed the ETC complex I (NADH dehydrogenase) and complex II (SDH), respectively. Complexes I and II then pass their electrons through the ETC to ultimately produce ATP through oxidative phosphorylation (OXPHOS). The TCA cycle and OXPHOS are coupled since the oxidation of NADH and FADH2 in complexes I and II is required for the TCA cycle to keep functioning (Fig. 3).

TCA 순환은

동화 작용과 이화 작용에 모두 관여합니다.

순환이 진행됨에 따라,

순환에서 생성된 대사 산물은

세포질로 운반되어 거대 분자 합성을 위한 구성 요소를 제공합니다6.

예를 들어,

구연산염은 세포질로 운반되어 OAA와 아세틸-CoA로 전환되어

각각 뉴클레오타이드와 지질 합성을 촉진합니다.

중요한 것은,

생합성 목적으로 미토콘드리아에서 TCA 사이클 중간 물질이 이동할 때,

이 사이클이 계속 작동할 수 있도록 재보충해야 한다는 것입니다.

이 과정을 아나플레로시스라고 합니다.

TCA 사이클에는 여러 가지 입력 경로가 있지만, 두 가지 중요한 아나플라스미노시스 메커니즘은 피루브산 탈카복실라제에 의한 피루브산의 미토콘드리아 OAA로의 전환과 글루타민 분해의 활성화로, 이 메커니즘은 글루타민을 글루타메이트로 전환한 다음 α-KG로 전환합니다. 후자의 메커니즘은 미토콘드리아에서 시트레이트가 세포질로 유출되어 새로운 지질 합성을 위해 α-KG 수치가 떨어질 때 자주 사용됩니다. 흥미롭게도, ETC가 손상된 경우, 글루타민 의존성 환원 카르복실화7이라는 과정을 통해 일부 TCA 사이클 중간체의 생성이 유지될 수 있습니다. 이 경로에서 사이클은 부분적으로 역전되어 NADPH 의존성 이소시트레이트 탈수소효소 2(IDH2)와 아코니타제(ACO)에 의해 촉매되는 두 가지 후속 반응에 의해 글루타민 유래 α-KG로부터 구연산을 생성합니다.

TCA 사이클의 효소는

지구에 산소가 존재하기 전에 진화했으며,

이는 TCA 사이클의 주요 생합성 역할을 의미합니다.

그러나

시간이 지남에 따라

TCA 사이클은 진핵생물에서 중요한 에너지 생성 경로로 진화했습니다.

에너지 생성 관점에서

TCA 사이클의 한 턴의 주요 기능은

아세틸-CoA를

두 분자의 CO2로 산화시키는 것입니다.

TCA 순환이 완료되면 ATP가 생성되고

부산물인 3개의 NADH와 1개의 FADH2가 생성되어

각각 ETC 복합체 I(NADH 탈수소효소)와 복합체 II(SDH)에 공급됩니다.

복합체 I과 II는 전자를 ETC를 통해 전달하여

궁극적으로 산화적 인산화(OXPHOS)를 통해

ATP를 생성합니다.

TCA 순환과 OXPHOS는

복합체 I과 II에서 NADH와 FADH2의 산화가

TCA 순환이 계속 작동하는 데 필요하기 때문에 결합되어 있습니다(그림 3).

The TCA cycle is a tightly regulated pathway

The regulation of the TCA cycle and its constant feedback with OXPHOS is critical to keep the cells in a stable state. There are multiple positive and negative allosteric regulators that control the metabolic flux of the TCA cycle. NADH inhibits all the regulatory enzymes in the TCA cycle. Thus, in situations of ETC malfunctioning, NADH accumulates and the TCA cycle shuts down as a consequence. As NADH generates ATP through the ETC and OXPHOS, ATP is also an allosteric inhibitor of pyruvate dehydrogenase (PDH) and IDH. Thus, when cells have ample NADH and ATP, the cycle slows down. In contrast, high demands for ATP increases the ADP/ATP ratio and AMP levels, resulting in stimulation of the regulatory enzymes of the TCA cycle. Abundant acetyl-CoA inhibits PDH but activates pyruvate carboxylase to increase the formation of OAA from pyruvate and thus pair the levels of the two initiating metabolites of the cycle. Another intrinsic regulator is succinyl-CoA, which inhibits both citrate synthase and α-KG dehydrogenase to slow the cycle down. Likewise, an increase in OAA inhibits SDH and decelerates the cycle.

TCA 사이클은 엄격하게 규제되는 경로.

TCA 사이클의 조절과 OXPHOS와의 지속적인 피드백은 

세포를 안정된 상태로 유지하는 데 

매우 중요합니다. 

TCA 사이클의 대사 흐름을 조절하는 여러 가지 

양성 및 음성 알로스테릭 조절기가 있습니다. 

NADH는 

TCA 사이클의 모든 조절 효소를 억제합니다. 

따라서, 

ETC가 오작동하는 상황에서 NADH가 축적되고, 

결과적으로 TCA 사이클이 중단됩니다. 

NADH가 ETC와 OXPHOS를 통해 ATP를 생성하기 때문에, 

ATP는 피루브산 탈수소효소(PDH)와 IDH의 알로스테릭 억제제이기도 합니다. 

따라서, 

세포에 NADH와 ATP가 충분하면, 

사이클이 느려집니다. 

반대로, A

TP에 대한 수요가 많으면, 

ADP/ATP 비율과 AMP 수준이 증가하여, 

TCA 사이클의 조절 효소가 활성화됩니다. 

아세틸-CoA가 풍부하면 PDH가 억제되지만, 

피루브산 카르복시화효소가 활성화되어 

피루브산으로부터 OAA의 생성이 증가하여 

순환의 두 가지 초기 대사 산물의 수준이 일치하게 됩니다. 

또 다른 고유 조절제는 

숙시닐-CoA인데, 

이 조절제는 시트르산 합성효소와 α-KG 탈수소효소를 억제하여 

순환 속도를 늦춥니다. 

마찬가지로, 

OAA의 증가가 

SDH를 억제하여 순환 속도를 늦춥니다.

The TCA cycle and cellular signaling

Acetyl-CoA

Acetyl-CoA is a thioester between the two-carbon acetyl group (CH3CO) and a thiol, coenzyme A (CoA). As mentioned in the previous section, the maintenance of an acetyl-CoA pool is crucial to sustain the TCA cycle activity. To achieve this, acetyl-CoA can be generated from different sources and in multiple compartments. In mitochondria, acetyl-CoA can be generated from the oxidation of pyruvate, through fatty acid oxidation, by the degradation of the amino acids leucine, isoleucine, and tryptophan or through the mitochondrial enzyme aceyl-CoA synthetase short-chain family, member 1 (ACSS1)-mediated conversion of acetate. Acetyl-CoA can also be generated in the cytosol. Citrate can travel outside of the mitochondria through the dicarboxylate antiporter solute carrier family 25 (SLC25A1) and be converted back to acetyl-CoA and OAA by ATP citrate lyase (ACLY) both in the cytosol and in the nucleus. Finally, the cytosolic enzyme aceyl-CoA synthetase short-chain family, member 2 (ACSS2) can metabolize acetate into acetyl-CoA. Although this is not a common physiological pathway except in hepatocytes, cancer cells rely on this pathway to respond to the metabolic stress caused by limited nutrient availability8,9. The versatile participation of acetyl-CoA in multiple cellular processes makes it a critical metabolite to maintain cell homeostasis. Acetyl-CoA acts as a metabolic intermediate and as a precursor of anabolic reactions in the synthesis of fatty acids and steroids, and certain amino acids, including glutamate, proline, and arginine.

TCA 순환과 세포 신호 전달

아세틸-CoA

아세틸-CoA는

2개의 탄소 아세틸기(CH3CO)와

티올, 코엔자임 A(CoA) 사이의 티오에스터입니다.

이전 섹션에서 언급했듯이,

아세틸-CoA 풀의 유지는

TCA 순환의 활동을 유지하는 데 매우 중요합니다.

이를 위해 아세틸-CoA는 다양한 출처와 여러 구획에서 생성될 수 있습니다.

미토콘드리아에서 아세틸-CoA는

피루브산(pyruvate)의 산화, 지방산 산화, 아미노산 류신, 이소류신, 트립토판의 분해, 또는

미토콘드리아 효소인 아세틸-CoA 합성효소 단쇄족 1형(ACSS1)에 의한

아세테이트의 전환을 통해 생성될 수 있습니다.

아세틸-CoA는

세포질에서도 생성될 수 있습니다.

구연산염은

미토콘드리아 밖으로 이동할 수 있으며,

이때 dicarboxylate antiporter solute carrier family 25(SLC25A1)를 통해

세포질과 핵에서 ATP 구연산 분해효소(ACLY)에 의해

다시 아세틸-CoA와 OAA로 전환될 수 있습니다.

마지막으로,

세포질 효소인 aceyl-CoA synthetase short-chain family, member 2(ACSS2)는

아세테이트를 아세틸-CoA로 대사할 수 있습니다.

간세포를 제외하고는 흔히 볼 수 있는 생리적 경로는 아니지만,

암세포는 제한된 영양소 가용성으로 인한 대사적 스트레스에 반응하기 위해

이 경로를 이용합니다8,9.

아세틸-CoA는

다양한 세포 과정에 다양하게 관여하기 때문에

세포 항상성을 유지하는 데 중요한 대사 산물입니다.

아세틸-CoA는

지방산과 스테로이드, 그리고 글루타민산, 프롤린, 아르기닌을 포함한

특정 아미노산의 합성에서 대사 중간체이자

동화 작용의 전구체로 작용합니다.

Acetyl-CoA regulates chromatin dynamics

Likely the most prominent signaling function of acetyl-CoA is related to its ability to provide the acetyl groups for acetylation, one of the major post-translational protein modifications in the cell. Special attention has been paid to the contribution of acetyl-CoA as a necessary cofactor in the acetylation of histones, a mechanism known to alter the dynamics of chromatin to drive the epigenetic control of gene expression‎ by activating transcriptional programs10, 11 (Fig. 4). Histone acetyltransferases (HATs) are the enzymes responsible for catalyzing the addition of acetyl groups in the histone N-terminal tails. The activity of HATs is sensitive to changes in the acetyl-CoA levels, which are in turn highly dependent on glucose availability, fatty acid oxidation and mitochondrial respiratory function12,13,14. Changes in acetyl-CoA abundance have been shown to affect global histone acetylation and gene expression‎14, 15. Importantly, genetic or pharmacologic disruption of ACLY activity can decrease histone acetylation16. Exogenous acetate can generate acetyl-CoA and maintain global histone acetylation when ACLY generated acetyl-CoA is limiting17.

아세틸-CoA는 염색질 역학을 조절합니다.

아세틸-CoA의 가장 두드러진 신호 전달 기능은

세포에서 주요한 번역 후 단백질 변형 중 하나인 아세틸화를 위한

아세틸기를 제공하는 능력과 관련이 있을 것입니다.

아세틸-CoA가

히스톤의 아세틸화에 필요한 보조 인자로서 기여하는 역할에

특별한 관심이 집중되어 왔는데,

이 메커니즘은 전사 프로그램을 활성화하여

유전자 발현의 후성적 조절을 유도하기 위해

염색질의 역학을 변화시키는 것으로 알려져 있습니다10, 11 (그림 4).

히스톤 아세틸트랜스퍼라제(HATs)는

히스톤 N-말단 꼬리에 아세틸 그룹을 추가하는

촉매 역할을 하는 효소입니다.

HATs의 활동은

아세틸-CoA 수준의 변화에 민감하며,

이는 다시 포도당 가용성, 지방산 산화 및 미토콘드리아 호흡 기능에 크게 의존합니다12,13,14.

아세틸-CoA의 양의 변화는

전역적인 히스톤 아세틸화와 유전자 발현에

영향을 미치는 것으로 나타났습니다14, 15.

중요한 것은,

ACLY 활성의 유전적 또는 약리학적 파괴가

히스톤 아세틸화를 감소시킬 수 있다는 것입니다16.

외인성 아세테이트는 ACLY가 생성한 아세틸-CoA가 제한적일 때

아세틸-CoA를 생성하고

전역적인 히스톤 아세틸화를 유지할 수 있습니다17.

Fig. 4: TCA cycle regulation of chromatin modifications and DNA methylation.

The activity of the TCA cycle is essential to provide the metabolites that control chromatin modifications and DNA methylation. Specifically, histone acetylation by histone acetyltransferases (HATs) is dependent on the availability of acetyl-CoA, which provides the necessary acetyl groups to enable the reaction. Acetyl-CoA is produced in the cytosol by ACLY using citrate exported from the TCA cycle in mitochondria. α-ketoglutarate (α-KG) is an essential cofactor of 2-OGDD, including the histone demethylases JMJDs and TET DNA demethylases. Succinate is the product of 2-OGDD enzymes reactions and thus, when it accumulates, it works as an antagonist of the reaction. 2-HG and fumarate can also rewire the epigenetic landscape of the cells through inhibition of histone and DNA demethylases.

TCA 사이클의 활동은 

염색질 변형과 DNA 메틸화를 조절하는 

대사 산물을 제공하는 데 필수적입니다. 

특히, 

히스톤 아세틸화 효소(HAT)에 의한 히스톤 아세틸화는 

반응을 가능하게 하는 데 필요한 아세틸기를 제공하는 

아세틸-CoA의 가용성에 의존합니다. 

아세틸-CoA는 

미토콘드리아의 TCA 사이클에서 수출된 구연산염을 사용하여 

ACLY에 의해 세포질에서 생성됩니다. 

α-케토글루타레이트(α-KG)는 

히스톤 데메틸라제(histone demethylases)인 JMJDs와 TET DNA 데메틸라제를 포함하는 2-OGDD의 

필수적인 보조인자입니다. 

숙시네이트는

 2-OGDD 효소 반응의 산물이기 때문에, 

축적되면 반응의 길항제로 작용합니다. 

2-HG와 푸마레이트도 

히스톤과 DNA 데메틸라제의 억제를 통해 

세포의 후성유전학적 지형을 재구성할 수 있습니다.

Full size image

In certain situations, specific genes are preferentially regulated upon changes in acetyl-CoA availability. For example, in glioblastoma multiforme (GBM) cell lines, limited glucose availability diminished acetyl-CoA levels and decreased the expression‎ of genes involved in cell adhesion and migration by controlling the Ca2+-NFAT pathway14, 18. High levels of acetyl-CoA increased influx of calcium into the cells, activating and translocating NFAT to the nucleus. Once in the nucleus, NFAT recruits the lysine acetyltransferase (KAT) p300 to drive the site-specific regulation of H3K27ac and increased the expression‎ of genes related to cell migration and adhesion to the extra-cellular matrix. The acetylation of this specific locus was maintained even in limited acetyl-CoA conditions when NFAT was constitutively active, which suggest that acetyl-CoA levels might not be rate limiting for site-specific histone acetylation. The results also suggest a dual regulation in the chromatin remodeling where histone acetylation can provide binding sites for regulatory proteins, but also specific transcription factors may be required for the acetylation of some histones marks in different contexts. Some transcription factors like Smad2 are regulated by acetylation, so the pool of acetyl-CoA in the cytosol and in the nucleus can also influence gene expression‎ through this mechanism19.

특정 상황에서,

아세틸-CoA의 가용성 변화에 따라

특정 유전자가 우선적으로 조절됩니다.

예를 들어, 다형성 교모세포종(GBM) 세포주에서 제한된 포도당 가용성은 아세틸-CoA 수준을 감소시키고 Ca2+-NFAT 경로를 조절하여 세포 부착과 이동에 관여하는 유전자의 발현을 감소시킵니다14, 18.

아세틸-CoA 수준이 높으면

세포 내로 유입되는 칼슘의 양이 증가하여

NFAT가 활성화되고 핵으로 이동합니다.

핵에 들어가면, NFAT는 H3K27ac의 부위 특이적 조절을 유도하기 위해 리신 아세틸화 효소(KAT) p300을 모집하고, 세포 이동과 세포 외 기질에 대한 접착과 관련된 유전자의 발현을 증가시킵니다. NFAT가 항상 활성화되어 있을 때, 아세틸화 CoA 수준이 부위 특이적 히스톤 아세틸화의 속도를 제한하지 않을 수 있음을 시사하는 이 특이적 부위의 아세틸화는 제한된 아세틸화 CoA 조건에서도 유지되었습니다. 이 결과는 또한 히스톤 아세틸화가 조절 단백질에 대한 결합 부위를 제공할 수 있지만, 다른 맥락에서 일부 히스톤 마크의 아세틸화를 위해서는 특정 전사 인자가 필요할 수 있다는 것을 시사합니다. Smad2와 같은 일부 전사 인자는 아세틸화에 의해 조절되므로, 세포질과 핵의 아세틸-CoA 풀도 이 메커니즘을 통해 유전자 발현에 영향을 미칠 수 있습니다19.

Acetyl-CoA levels affect immune, cancer, and stem cells functions

Elevated histone acetylation as a consequence of high acetyl-CoA levels brings the cells to a pro-anabolic state increasing the expression‎ of genes involved in cell growth and proliferation, including glycolytic enzymes14. Thus, cancer cells upregulate acetyl-CoA generating enzymes like ACLY to increase their proliferative capacity. Remarkably, inhibition of ACLY suppresses tumorigenesis20. The signaling pathways that lead to an increased acetylation of histones in high acetyl-CoA levels seem to vary in different contexts. For instance, recent findings in pancreatic cancer showed that high levels of acetyl-CoA and its use in the meval‎onate pathway favored malignant progression of KRAS mutant acinar cells through the AKT-ACLY signaling axis21.

In other highly proliferative normal cells like T cells, increased cytosolic acetyl-CoA levels are required for histone acetylation to promote interferon-γ (IFNγ) production22. Along these lines, the production of acetyl-CoA by fatty acid β-oxidation regulates lymphangiogenesis through epigenetic changes regulated by the transcription factor PROX123. Histone acetylation has also been linked to macrophages and dentritic cells (DCs) activation. Activated DCs and macrophages are characterized by a truncated TCA cycle that causes citrate levels to accumulate. As a consequence, lipopolysaccharide (LPS)-stimulated macrophages upregulate ACLY increasing cytosolic acetyl-CoA levels24. Upregulation of ACLY through NF-kB and STAT signaling pathways was shown to be necessary for the production of pro-inflammatory molecules, including nitric oxide (NO), ROS, and the prostaglandin E2 (PGE2) in induced macrophages.

Interestingly, the Akt-mTORC1 signaling axis has also been reported to regulate protein levels and activity of ACLY in macrophages activated by the polarizing anti-inflammatory signal IL-425. An increased ACLY activity mediated histone acetylation and transcriptionally induced a subset of genes associated with cellular proliferation and production of chemokines25. These results indicate that a tight coordinated regulation and context-dependent metabolic control of histone acetylation is necessary to drive specific macrophages states. In embryonic stem cell differentiation, as the cells acquire a more quiescent phenotype the levels of acetyl-CoA and histone acetylation decrease15. Additionally, mitochondrial respiratory inhibition in hematopoietic stem cells decreases histone acetylation, which is associated with a block in cellular differentiation26. Overall, these studies highlight that acetyl-CoA is not just a passive acetyl group donor but rather an important signaling molecule involved in the regulation of the activity of specific transcription factors and histone marks that ultimately dictate cellular functions by regulating gene expression‎.

아세틸-CoA 수치는 면역, 암, 줄기세포 기능에 영향을 미칩니다.

높은 아세틸-CoA 수치의 결과로 증가된 히스톤 아세틸화는

세포를 단백 동화 촉진 상태로 만들어,

해당 효소를 포함한 세포 성장과 증식에 관여하는

유전자의 발현을 증가시킵니다14.

따라서,

암세포는 ACLY와 같은 아세틸-CoA 생성 효소를 증가시켜

증식 능력을 향상시킵니다.

놀랍게도,

ACLY의 억제는

종양 발생을 억제합니다20.

높은 아세틸-CoA 수준에서 히스톤의 아세틸화를 증가시키는 신호 전달 경로는

상황에 따라 달라지는 것으로 보입니다.

예를 들어, 최근 췌장암 연구 결과에 따르면, 높은 수준의 아세틸-CoA와 메발로네이트 경로에서의 사용은 AKT-ACLY 신호 전달 축을 통해 KRAS 돌연변이 선세포의 악성 진행을 촉진하는 것으로 나타났습니다21.

T 세포와 같이 증식성이 높은 정상 세포의 경우,

히스톤 아세틸화를 촉진하기 위해 세포질 아세틸-CoA 수치가 증가해야

인터페론-γ(IFNγ) 생성이 촉진됩니다22.

이와 같은 맥락에서,

지방산 β-산화 작용에 의한 아세틸-CoA의 생성은

전사 인자 PROX1에 의해 조절되는

후성유전학적 변화를 통해 림프관 형성을 조절합니다23.

히스톤 아세틸화는

또한 대식세포와 수지상 세포(DCs)의 활성화와도 관련이 있습니다.

활성화된 DC와 대식세포는 시

트레이트 수준이 축적되는 단축된 TCA 사이클이 특징입니다.

결과적으로,

LPS(lipopolysaccharide) 자극을 받은 대식세포는

ACLY를 상향 조절하여

세포질 아세틸-CoA 수준을 증가시킵니다24.

NF-kB와 STAT 신호 전달 경로를 통한 ACLY의 상향 조절은

유도된 대식세포에서

산화질소(NO),

ROS,

프로스타글란딘 E2(PGE2)를 포함한

전염증성 분자의 생성에 필요하다는 것이 밝혀졌습니다.

흥미롭게도, Akt-mTORC1 신호 전달 축은 또한 편광성 항염증 신호 IL-425에 의해 활성화된 대식세포에서 ACLY의 단백질 수준과 활동을 조절하는 것으로 보고되었습니다. ACLY의 활동 증가는 히스톤 아세틸화를 매개하고 전사적으로 세포 증식 및 케모카인 생성과 관련된 일부 유전자를 유도했습니다25. 이러한 결과는 특정 대식세포 상태를 유도하기 위해서는 히스톤 아세틸화의 긴밀한 협응력 있는 조절과 맥락에 따른 대사 조절이 필요하다는 것을 보여줍니다. 배아 줄기세포 분화 과정에서, 세포가 더 정지된 표현형을 획득함에 따라 아세틸-CoA와 히스톤 아세틸화 수준이 감소합니다15. 또한, 조혈모세포의 미토콘드리아 호흡 억제 작용은 히스톤 아세틸화를 감소시키는데, 이는 세포 분화 과정의 차단과 관련이 있습니다26. 전반적으로, 이러한 연구들은 아세틸-CoA가 단순한 수동적인 아세틸 기 공여체가 아니라, 유전자 발현을 조절함으로써 궁극적으로 세포 기능을 지시하는 특정 전사 인자와 히스톤 마크의 활동 조절에 관여하는 중요한 신호 전달 분자임을 강조합니다.

α-ketoglutarate

α-KG, also known as 2-oxoglutarate, is an obligatory co-substrate for 2-oxoglutarate-dependent dioxygenases (2-OGDD), a large group of phylogenetically conserved enzymes, which catalyze hydroxylation reactions on various types of substrates, including proteins, nucleic acids, lipids, and metabolic intermediates producing CO2 and succinate. The activity of 2-OGDD is dependent on the intracellular ratio of α-KG to succinate or other inhibitors such as fumarate or 2-Hydroxyglutarate (2-HG). In addition to α-KG, these hydroxylation reactions require of Fe2+ as a cofactor and O2 as co-substrate. Ascorbic acid (vitamin C) also takes part in these reactions by inducing the reduction of oxidized Fe3+ to Fe2+ and restoring the activity of 2-OGDD enzymes. In humans, 2-OGDD play a key role in physiologically important processes such as responses to hypoxia and chromatin modifications. It is important to note that substrate intracellular concentrations including the levels of α-KG exceed the enzyme binding site affinity27. Thus, we propose that it is the accumulation of inhibitors of 2-OGDD reactions, i.e., succinate, fumarate or 2-HG above α-KG levels that modulate 2-OGDD enzymes to exert biological effects.

α-케토글루타레이트

α-KG,

2-옥소글루타레이트라고도 알려진 α-KG는

2-옥소글루타레이트 의존성 디옥시게나제(2-OGDD)의 필수 보조 기질입니다.

2-OGDD는

단백질, 핵산, 지질, 그리고 CO2와 숙시네이트를 생성하는

대사 중간체를 포함한 다양한 유형의 기질에 대한

하이드록실화 반응을 촉매하는 계통 발생적으로 보존된 효소의 큰 그룹입니다.

2-OGDD의 활동은 α-KG와 숙시네이트 또는 푸마레이트나 2-하이드록시글루타레이트(2-HG) 같은 다른 억제제의 세포 내 비율에 의존합니다. α-KG 외에도, 이러한 수산화 반응은 보조인자로서 Fe2+와 보조 기질로서 O2를 필요로 합니다. 아스코르브산(비타민 C)도 산화된 Fe3+를 Fe2+로 환원시키고 2-OGDD 효소의 활성을 회복시킴으로써 이러한 반응에 관여합니다. 인간에서 2-OGDD는 저산소증에 대한 반응과 염색질 변형과 같은 생리적으로 중요한 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. α-KG 수준을 포함한 기질 세포 내 농도가 효소 결합 부위 친화도를 초과한다는 점에 유의해야 합니다27. 따라서, 우리는 α-KG 수준보다 높은 2-OGDD 반응 억제제(예: 숙시네이트, 푸마레이트 또는 2-HG)가 축적되어 2-OGDD 효소를 조절함으로써 생물학적 효과를 발휘한다고 제안합니다.

α-KG is a key modulator of the hypoxic response

Prolyl-hydroxylases PHD1–3 are 2-OGDD enzymes critical in the regulation of the transcription factor HIF-1, a master regulator of O2 homeostasis. In normoxia, proline residues located in the oxygen-dependent degradation domain of HIF-1α are hydroxylated by PHDs. The hydroxylation of HIF-1α is the signal for the recognition and poly-ubiquitination of HIF-1α by the VHL protein (von Hippel-Lindau tumor suppressor), which targets the protein for degradation in the proteasome. Under limited oxygen conditions or at reduced levels of α-KG or Fe2+, PHDs activity is impaired, resulting in HIF-1α or HIF-2α accumulation and translocation to the nucleus where it promotes changes in the expression‎ of genes related to metabolism, erythropoiesis, and angiogenesis, as well as stem and immune cell function28 (Fig. 5). A combination of decreased oxygen levels and production of mitochondrial ROS diminishes PHDs to increase HIF-1α29. Mitochondrial ROS accumulation under normoxia can also inhibit PHDs to activate HIFs30. As discussed below, TCA cycle intermediates succinate, fumarate and L-2-HG under normoxic conditions can inhibit PHDs31. Interestingly, in the opposite direction, the reactivation of PHDs by increased intracellular α-KG levels in hypoxic cancer cells causes a severe metabolic impairment that lead to cell death32.

α-KG는 저산소증 반응의 핵심 조절자입니다.

프로릴-하이드록실라제 PHD1-3은 산소 항상성의 마스터 조절자인 전사 인자 HIF-1의 조절에 중요한 2-OGDD 효소입니다. 정상 산소 상태에서는, HIF-1α의 산소 의존적 분해 영역에 위치한 프롤린 잔기는 PHD에 의해 하이드록실화됩니다. HIF-1α의 히드록시화는 VHL 단백질(폰 히펠-린도우 종양 억제제)에 의한 HIF-1α의 인식과 폴리 유비퀴틴화에 대한 신호입니다. 이 신호는 프로테아좀에서 단백질을 분해하는 것을 목표로 합니다. 제한된 산소 조건 또는 α-KG 또는 Fe2+의 감소된 수준에서 PHDs의 활동이 손상되어 HIF-1α 또는 HIF-2α가 축적되고 핵으로 이동하여 대사, 적혈구 생성, 혈관 신생, 줄기세포 및 면역세포 기능과 관련된 유전자 발현의 변화를 촉진합니다28 (그림 5). 산소 수준 감소와 미토콘드리아 ROS 생성의 조합은 PHD를 감소시켜 HIF-1α29를 증가시킵니다. 정상 산소 상태에서 미토콘드리아 ROS가 축적되면 PHD를 억제하여 HIF를 활성화할 수 있습니다30. 아래에서 논의하겠지만, 정상 산소 조건에서 TCA 사이클 중간 물질인 숙시네이트, 푸마레이트, L-2-HG는 PHD를 억제할 수 있습니다31. 흥미롭게도, 반대 방향으로, 저산소 상태의 암세포에서 세포 내 α-KG 수치가 증가하면 PHD가 재활성화되어 심각한 대사 장애가 발생하여 세포가 사멸하게 됩니다32.

Fig. 5: TCA cycle metabolites regulate HIF-α stabilization.

Under normoxia, HIF-α is hydroxylated by prolyl-hydroxylases (PHDs) and targeted for proteasomal degradation by von Hippel-Lindau (pVHL) complex. Under hypoxic conditions, PHDs activity is inhibited preventing HIF-α hydroxylation, which causes its stabilization. HIF-α then translocates to the nucleus where it associates with HIF-1β to activate transcription of HIF target genes involved in metabolism, angiogenesis, erythropoiesis, immune responses, and tumor invasion. In normoxia, ROS released from mitochondria and accumulated levels of the metabolites succinate, fumarate and L-2-HG can inhibit the activity of PHDs causing a pseudohypoxia state.

정상 산소 상태에서는 HIF-α가 프롤릴-하이드록실라제(PHDs)에 의해 하이드록실화되고 폰 히펠-린라우(pVHL) 복합체에 의해 프로테아좀 분해의 대상이 됩니다. 저산소 상태에서는 PHDs의 활동이 억제되어 HIF-α의 하이드록실화가 방지되고, 그 결과 HIF-α가 안정화됩니다. HIF-α는 핵으로 이동하여 HIF-1β와 결합하여 신진대사, 혈관형성, 적혈구 생성, 면역 반응, 종양 침습과 관련된 HIF 표적 유전자의 전사를 활성화합니다. 정상 산소 상태에서는 미토콘드리아에서 방출된 ROS와 축적된 대사 산물인 숙시네이트, 푸마레이트, L-2-HG가 PHD의 활동을 억제하여 유사 저산소 상태를 유발할 수 있습니다.

Full size image

α-KG has multiple functions in physiology by regulating epigenetic changes

α-KG is also a required substrate of some chromatin-modifying enzymes, including the Jumonji C domain containing lysine demethylases (KDM2-7), which are the major histone demethylases and the ten-eleven translocation hydroxylases (TET1-3) involved in DNA demethylation (Fig. 4). Similar to PHDs, it has been recently reported that KDM6A and KDM5A activities are sensitive to changes in O2 levels33, 34. Histone methylation on single lysine (K) amino acid residues can activate or repress transcription depending on the particular residue and the level of methylation. DNA methylation modifies the chromatic structures and typically decreases gene expression‎ by changing the structure of a single nucleotide. The availability of α-KG has a direct impact on gene expression‎ and thus can modulate cellular fate decision by regulating histones and DNA demethylases. For example, high intracellular levels of α-KG (with the concomitant increase in the α-KG/succinate ratio) are necessary to maintain pluripotency by regulating multiple chromatin modifications35.

In macrophages, an important functional role has been attributed to α-KG in favoring an anti-inflammatory profile while repressing pro-inflammatory responses36. A primary reason for increased glutaminolysis in IL-4-activated macrophages is the increased production of α-KG that contributes to the acquisition of an anti-inflammatory phenotype by altering the activity of the histone demethylase Jmjd3. However, in classical macrophages activation following LPS stimulation, low levels of α-KG was found to dampen a pro-inflammatory response36. Mechanistically, α-KG suppresses IKKβ activation that is required for the pro-inflammatory effects driven by the nuclear factor-κB (NF-κB) pathway in a PHD activity-dependent manner. Furthermore, this same study described that α-KG produced from glutaminolysis promotes LPS-induced endotoxin tolerance36. These results highlight that targeting pathways involved in α-KG production offers attractive therapeutically opportunities in diseases associated with macrophage malfunction.

α-KG는 후성유전학적 변화를 조절함으로써 생리학적으로 다양한 기능을 수행합니다.

α-KG는 또한 주요 히스톤 탈메틸화 효소인 리신 탈메틸화 효소(KDM2-7)를 포함하는 Jumonji C 도메인과 DNA 탈메틸화에 관여하는 10-11번 전좌 수산화효소(TET1-3)를 포함하는 일부 염색질 변형 효소의 필수 기질입니다(그림 4). PHD와 마찬가지로, 최근에 KDM6A와 KDM5A의 활동이 O2 수준의 변화에 민감하다는 사실이 보고되었습니다33, 34. 단일 리신(K) 아미노산 잔기에 대한 히스톤 메틸화는 특정 잔기와 메틸화 수준에 따라 전사를 활성화하거나 억제할 수 있습니다. DNA 메틸화는 염색체 구조를 변형시키고, 일반적으로 단일 뉴클레오타이드의 구조를 변화시킴으로써 유전자 발현을 감소시킵니다. α-KG의 가용성은 유전자 발현에 직접적인 영향을 미치므로, 히스톤과 DNA 탈메틸화 효소를 조절함으로써 세포의 운명 결정을 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 다중 염색질 변형을 조절함으로써 다능성을 유지하기 위해서는 높은 세포 내 α-KG 수준(α-KG/숙시네이트 비율의 증가와 함께)이 필요합니다35.

대식세포에서 α-KG는 항염증성 프로파일을 촉진하는 동시에 전염증성 반응을 억제하는 중요한 기능적 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다36. IL-4에 의해 활성화된 대식세포에서 글루타민 분해의 증가가 일어나는 주된 이유는 히스톤 데메틸라제 Jmjd3의 활성을 변화시켜 항염증 표현형을 획득하는 데 기여하는 α-KG의 생산 증가 때문입니다. 그러나, LPS 자극에 따른 고전적인 대식세포 활성화에서는, 낮은 수준의 α-KG가 전염증 반응을 약화시키는 것으로 밝혀졌습니다36. 기계적으로, α-KG는 PHD 활성 의존적인 방식으로 핵 인자-κB(NF-κB) 경로에 의해 유도되는 전염증 효과에 필요한 IKKβ 활성화를 억제합니다. 또한, 이 같은 연구에서는 글루타민 분해로부터 생성된 α-KG가 LPS에 의한 내독소 내성을 촉진한다고 설명했습니다36. 이러한 결과는 α-KG 생산과 관련된 경로를 표적으로 삼는 것이 대식세포 기능 장애와 관련된 질병에 매력적인 치료 기회를 제공한다는 것을 강조합니다.

2-Hydroxyglutarate (2-HG)2-HG production and removal

Although 2-HG is not part of the TCA cycle, this α-KG derived metabolite can be generated by enzymes in mitochondrial matrix and cytosol. 2-HG competitively inhibits 2-OGDDs and exists in two isomers: L-2-HG and D-2-HG. Targets of both 2-HG include histone demethylases, TET enzymes that participate in DNA methylation and PHDs37,38,39. L- or D-2-HG abundance is limited in normal tissues however they can reach to millimolar concentrations under certain pathologic conditions40, 41. The isomer D-2-HG is accumulated as a consequence of gain-of-function mutations in the cytosolic and mitochondrial isoforms of IDH42, 43. Interestingly, IDH1 and IDH2 are the most frequently mutated metabolic genes in human cancer and are found in multiple tumor types, including gliomas, acute myelogenous leukemias (AMLs), and myelodysplastic syndromes (MDS)42,43,44,45. Single-point mutation of R132 in IDH1 or R172 in IDH2 reorganizes the active site, causing an increased affinity for NADPH to promote α-KG reduction at the expense of its principal substrate (isocitrate). The observation of D-2-HG accumulation in these tumors prompted the community to use the term oncometabolite for the first time. Currently, D-2-HG is being used as a biomarker to monitor the disease progression, and mutants IDH1/IDH2-specific inhibitors are in clinical trials for AML and glioma. Additionally, D-2-HG can be produced by the promiscuous activity of phosphoglycerate dehydrogenase (PHGDH), an enzyme frequently overexpressed in cancer. Normally, this enzyme catalyzes the first step in the de novo serine biosynthesis pathway where 3-phosphoglycerate (3PG) is converted to 3-phosphohydroxypyruvate (3PHP) coupled with NAD + reduction. However, in human breast cancer cell lines, PHDGH has been described to convert α-KG to D-2-HG in a NADH-dependent manner46.

Malate dehydrogenases (MDH) 1 or 2 and lactate dehydrogenases (LDH) A or C can generate L-2-HG47,48,49 (Fig. 6). MDH2 and MDH1 normally catalyze the conversion of OAA into malate in mitochondria and cytosol, respectively. The conversion of α-KG to L-2-HG by MDHs is coupled with NADH oxidation to NAD + . In normal conditions, LDH catalyzes the interconversion of lactate and pyruvate. However, LDHA under hypoxia can generate L-2-HG. The ability of cells to increase L-2-HG in hypoxic conditions to regulate histone methylation levels, including H3K9me3 and to reduce cellular reductive stress by inhibiting key metabolic pathways indicates an important physiological role of L-2-HG48, 50. Acidic pH has also been described as a potent driver of L-2-HG production by favoring the promiscuous activity of LDHA and MDHs enzymes that utilize α-KG as an alternative substrate51, 52. Mechanistically, acidic pH generates a protonated form of α-KG that preferentially binds to LDHA51. An independent study showed that inhibition of enzymes involved in converting L-2-HG back to α-KG also accounts for the resulting L-2-HG accumulation observed in acidic microenvironments52. Importantly, both studies reported that accumulated levels of L-2-HG in acidic pH lead to stabilization of HIF-1α in normoxia. As α-KG availability directly influences the production of L-2-HG, these results bring the possibility of manipulating α-KG levels as a potential therapeutic strategy in acidosis.

2-하이드록시글루타레이트(2-HG) 2-HG의 생성 및 제거

2-HG는 TCA 사이클의 일부는 아니지만, 미토콘드리아 매트릭스와 세포질에 있는 효소에 의해 생성되는 α-KG 유도 대사 산물입니다. 2-HG는 2-OGDD를 경쟁적으로 억제하며, L-2-HG와 D-2-HG의 두 가지 이성질체로 존재합니다. 2-HG의 표적에는 히스톤 탈메틸화 효소, DNA 메틸화에 관여하는 TET 효소, PHD37,38,39가 포함됩니다. L- 또는 D-2-HG의 정상 조직 내 농도는 제한적이지만, 특정 병리학적 조건 하에서는 밀리몰 농도에 도달할 수 있습니다40, 41. 이성질체 D-2-HG는 IDH의 세포질 및 미토콘드리아 이성질체에서 기능 획득 돌연변이의 결과로 축적됩니다42, 43. 흥미롭게도, IDH1과 IDH2는 인간 암에서 가장 빈번하게 변이되는 대사 유전자이며, 교종, 급성 골수성 백혈병(AML), 골수이형성 증후군(MDS)을 포함한 여러 종양의 유형에서 발견됩니다42,43,44,45. IDH1의 R132 또는 IDH2의 R172의 단일점 돌연변이는 활성 부위를 재구성하여 NADPH에 대한 친화도를 증가시켜 주요 기질(이소시트레이트)을 희생시키면서 α-KG의 감소를 촉진합니다. 이러한 종양에서 D-2-HG가 축적된다는 사실이 관찰되면서, 학계에서는 처음으로 종양 대사 산물이라는 용어를 사용하게 되었습니다. 현재 D-2-HG는 질병의 진행을 모니터링하는 바이오마커로 사용되고 있으며, 돌연변이 IDH1/IDH2 특이 억제제는 AML과 신경교종에 대한 임상 시험을 진행하고 있습니다. 또한, D-2-HG는 암에서 과발현되는 효소인 포스포글리세레이트 탈수소효소(PHGDH)의 무차별적인 활동에 의해 생성될 수 있습니다. 일반적으로, 이 효소는 3-인산글리세레이트(3PG)가 NAD+ 환원과 결합하여 3-인산하이드록시피루베이트(3PHP)로 전환되는 데노보 세린 생합성 경로의 첫 번째 단계를 촉매합니다. 그러나, 인간 유방암 세포주에서 PHDGH는 NADH 의존적 방식으로 α-KG를 D-2-HG로 전환하는 것으로 설명되어 왔습니다46.

말산 탈수소효소(MDH) 1 또는 2와 젖산 탈수소효소(LDH) A 또는 C는 L-2-HG47,48,49를 생성할 수 있습니다(그림 6). MDH2와 MDH1은 일반적으로 미토콘드리아와 세포질에서 각각 OAA를 말산으로 전환하는 데 촉매 역할을 합니다. MDH에 의한 α-KG의 L-2-HG로의 전환은 NADH의 산화와 결합하여 NAD+로 전환됩니다. 정상적인 조건에서 LDH는 젖산과 피루브산의 상호 전환을 촉진합니다. 그러나 저산소 상태의 LDHA는 L-2-HG를 생성할 수 있습니다. 저산소 상태에서 L-2-HG를 증가시켜 H3K9me3를 포함한 히스톤 메틸화 수준을 조절하고 주요 대사 경로를 억제하여 세포의 환원 스트레스를 감소시키는 세포의 능력은 L-2-HG의 중요한 생리적 역할을 나타냅니다48, 50. 산성 pH는 α-KG를 대체 기질로 활용하는 LDHA 및 MDHs 효소의 무차별적 활성을 촉진함으로써 L-2-HG 생산을 촉진하는 강력한 원인으로 설명되어 왔습니다51, 52. 기계적으로, 산성 pH는 LDHA51에 우선적으로 결합하는 α-KG의 양성자화된 형태를 생성합니다. 독립적인 연구에 따르면, L-2-HG를 α-KG로 다시 전환하는 데 관여하는 효소의 억제가 산성 미세 환경에서 관찰되는 L-2-HG 축적의 원인이기도 합니다52. 중요한 것은, 두 연구 모두 산성 pH에서 축적된 L-2-HG 수준이 정상 산소 상태에서 HIF-1α의 안정화를 유도한다고 보고했습니다. α-KG의 가용성이 L-2-HG의 생성에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 이러한 결과는 산증의 잠재적 치료 전략으로서 α-KG 수준을 조작할 가능성을 제시합니다.

Fig. 6: L-2-hydroxyglutarate (L-2-HG) regulates Treg cells function.

Mitochondrial malate dehydrogenase (MDH2), its cytosolic counterpart (MDH1) and lactate dehydrogenases (LDH) A or C in the cytosol can exhibit enzyme promiscuity and catalyze α-KG reduction to L-2-HG. The reaction is coupled with NADH oxidation to NAD + . L-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (L-2-HGDH) converts L-2-HG back to α-KG in mitochondria. Accumulated levels of L-2-HG inhibits the activity of TETs, which are enzymes involved in regulating DNA demethylation. TETs consume oxygen and α-KG as co-substrates producing CO2 and succinate. The reaction requires of Fe2+ as a cofactor. This mechanism has been observed to specifically repress immunosuppressive genes when mitochondrial complex III is impaired.

미토콘드리아 말산 탈수소효소(MDH2), 그 세포질 대응체(MDH1) 및 세포질 내 젖산 탈수소효소(LDH) A 또는 C는 효소 혼성성을 나타낼 수 있으며 α-KG를 L-2-HG로 환원시키는 촉매 작용을 할 수 있습니다. 이 반응은 NADH 산화와 결합하여 NAD+로 전환됩니다. L-2-hydroxyglutarate dehydrogenase(L-2-HGDH)는 미토콘드리아에서 L-2-HG를 α-KG로 다시 전환합니다. L-2-HG의 축적된 수준은 DNA 탈메틸화를 조절하는 데 관여하는 효소인 TET의 활동을 억제합니다. TETs는 산소와 α-KG를 보조 기질로 사용하여 CO2와 숙시네이트를 생성합니다. 이 반응에는 보조 인자로서 Fe2+가 필요합니다. 이 메커니즘은 미토콘드리아 복합체 III가 손상되었을 때 면역 억제 유전자를 특이적으로 억제하는 것으로 관찰되었습니다.

Full size image

Pathways for 2-HG removal are evolutionarily conserved. 2-HG can be converted back to α-KG through the action of the FAD-linked enzyme 2-hydroxyglutarate dehydrogenase (2-HGDH). Humans have two variants of this enzyme: D-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (D-2-HGDH) and L-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (L-2-HGDH), and both of them are located in the mitochondria. A deficiency in either of these two enzymes caused by germline transmission of homozygous mutations can lead to a disease known as 2-hydroxyglutaric acidurias (2-HGA). D-2-HGA is a rare disease, with symptoms, including macrocephaly, cardiomyopathy, mental retardation, hypotonia, and cortical blindness. L-2-HGA is a rare neurodegenerative disorder that causes hypotonia, tremors, epilepsy, mental retardation, and psychomotor regression. Notably, it has been reported that children with L-2-HGA developed medulloblastoma and glioblastoma multiforme, as well as Wilms tumor53, 54. Moreover, increased L-2-HG levels resulting from reduced expression‎ of L-2-HGDH were observed in renal cancer, which suggest a potential tumorigenic effect for this isomer as well55.

2-HG 제거 경로는 진화적으로 보존되어 있습니다. 2-HG는 FAD-연결 효소 2-hydroxyglutarate dehydrogenase(2-HGDH)의 작용을 통해 α-KG로 다시 전환될 수 있습니다. 인간은 이 효소의 두 가지 변이체, 즉 D-2-하이드록시글루타레이트 탈수소효소(D-2-HGDH)와 L-2-하이드록시글루타레이트 탈수소효소(L-2-HGDH)를 가지고 있으며, 이 두 가지 효소는 모두 미토콘드리아에 위치해 있습니다. 이 두 가지 효소 중 하나에 결함이 생기면, 동형접합 돌연변이의 생식계 전염으로 인해 2-하이드록시글루타르산혈증(2-HGA)이라는 질병이 발생할 수 있습니다. D-2-HGA는 거대두증, 심근병증, 정신지체, 근긴장저하, 대뇌피질 실명 등의 증상을 보이는 희귀병입니다. L-2-HGA는 근긴장저하, 떨림, 간질, 정신지체, 정신운동 퇴행을 일으키는 희귀 신경퇴행성 장애입니다. 특히, L-2-HGA를 가진 어린이들이 수모세포종과 다형성교모세포종, 그리고 윌름스 종양을53, 54 발병했다는 보고가 있었습니다. 또한, L-2-HGDH의 발현 감소로 인한 L-2-HG 수치의 증가는 신장암에서 관찰되었으며, 이는 이 이성질체가 잠재적인 종양 유발 효과를 가질 수 있음을 시사합니다55.

2-HG regulates immune and stem cells functions

All the promiscuous reactions leading to L-2-HG production share in common the oxidation of NADH, a driver of the reactions when it accumulates. Elevated NADH levels are a direct consequence of mitochondrial dysfunction, since one of the essential functions of complex I is NAD + recycling. Thus, inhibition of mitochondrial complex III in cancer cells has been shown to increase the production of 2-HG56. Likewise, disruption of complex III activity in hematopoietic stem cells (HSC) promoted an increase in the 2-HG levels26. Noteworthy, fetal HSC kept their proliferative capacity in respiration-deficient conditions but were unable to differentiate. More recently, it has been reported that loss of mitochondrial complex III in regulatory T cells (Tregs) resulted in a buildup of 2-HG57. Tregs are key mediators of immunological tolerance and homeostasis. In this study, mice lacking functional OXPHOS specifically in Tregs developed a lethal inflammatory disorder causing mice death between the third and the fourth week of life. Interestingly, complex III-deficient Tregs lost their suppressive capacity while their proliferation and survival remained unaffected. The transcriptomic profile of complex III-deficient Tregs compared to wild-type showed differences in the expression‎ of immune regulatory molecules while maintaining stable FOXP3 expression‎, the master regulatory transcription factor of Tregs. In both contexts, in HSCs and Tregs, accumulated 2-HG levels seem to alter the cellular function, which is associated with hypermethylation of specific histone marks and DNA methylation.

Interestingly, in Tregs the loci of differentially down-regulated genes exhibited DNA methylation, suggesting a potential role for 2-HG in contributing to the autoimmune pathological phenotype of these mice. Accumulated 2-HG due to defective mitochondrial function then has the ability to mediate cellular signaling by directly and specifically impacting the expression‎ of immunosuppressive genes to regulate Tregs without affecting other biological outcomes of this T cells subset (Fig. 6). This study adds more evidence on the interesting link between 2-HG levels and the regulation of cell fate in immune cells. For instance, D-2-HG has been shown to favor T helper 17 (TH17) cells differentiation, a T-cell population that promotes inflammation by increasing DNA methylation levels at the Foxp3 locus, which represses the differentiation of naïve CD4 + T cells towards induced Tregs58. Glutamate conversion to α-KG by the aspartate aminotransferase GOT1 was found to be essential for D-2-HG generation and thus for the regulation of TH17 and induced Tregs fate. Finally, in mouse CD8 + T cells, elevated levels of L-2-HG in response to T-cell receptor triggering have been reported to favor their differentiation and antitumor capacity41. Since the expression‎ of 2-OGDDs likely is different among different tissues, the effects of 2-HG are likely to be context dependent. Collectively, 2-HG, a metabolite that gets accumulated through abnormal metabolic functions, exert most of the effects through non-metabolic mechanisms.

2-HG는 면역세포와 줄기세포의 기능을 조절합니다.

L-2-HG 생산을 유도하는 모든 무차별 반응은 NADH의 산화를 공유하는 공통점이 있습니다. NADH 수치가 높아지면 미토콘드리아 기능 장애의 직접적인 결과로 이어집니다. 복합체 I의 필수 기능 중 하나는 NAD+ 재활용이기 때문입니다. 따라서 암세포에서 미토콘드리아 복합체 III의 억제가 2-HG의 생산을 증가시키는 것으로 나타났습니다56. 마찬가지로, 조혈모세포(hematopoietic stem cells, HSC)에서 복합체 III의 활동이 중단되면 2-HG 수치가 증가합니다26. 주목할 만한 점은 태아의 HSC는 호흡이 부족한 조건에서도 증식 능력을 유지하지만 분화할 수 없다는 것입니다. 최근에는 조절 T세포(Tregs)에서 미토콘드리아 복합체 III의 손실이 2-HG의 축적을 초래한다는 보고가 있었습니다57. Tregs는 면역 관용과 항상성의 핵심 매개체입니다. 이 연구에서, 기능적 OXPHOS가 결핍된 Tregs를 가진 생쥐는 생후 3~4주 사이에 치명적인 염증성 질환을 일으켜 사망에 이르게 되었습니다. 흥미롭게도, 복합 III 결핍 Tregs는 억제 능력이 상실되었지만, 증식과 생존 능력에는 영향을 미치지 않았습니다. 와일드형과 비교했을 때, 복합체 III 결핍형 조절 T세포의 전사체 프로파일은 면역 조절 분자의 발현에 차이가 있는 반면, 조절 T세포의 주요 조절 전사 인자인 FOXP3의 발현은 안정적으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 두 가지 상황 모두에서, 조혈모세포와 조절 T세포에서 축적된 2-HG 수준은 특정 히스톤 마크의 과메틸화와 DNA 메틸화와 관련된 세포 기능을 변화시키는 것으로 보입니다.

흥미롭게도, Tregs에서 차등적으로 하향 조절된 유전자의 위치가 DNA 메틸화를 나타냈는데, 이는 2-HG가 이 쥐들의 자가면역 병리학적 표현형에 기여하는 잠재적 역할을 시사합니다. 미토콘드리아 기능 장애로 인해 축적된 2-HG는 면역 억제 유전자의 발현에 직접적이고 특이적으로 영향을 미침으로써 세포 신호를 매개하는 능력을 가지며, 이 T 세포 하위 집합의 다른 생물학적 결과에 영향을 미치지 않고 Tregs를 조절합니다(그림 6). 이 연구는 2-HG 수준과 면역 세포의 세포 운명 조절 사이의 흥미로운 연관성에 대한 증거를 더 추가합니다. 예를 들어, D-2-HG는 Foxp3 유전자좌에서 DNA 메틸화 수준을 증가시켜 염증을 촉진하는 T세포 집단인 T헬퍼 17(TH17) 세포 분화를 촉진하는 것으로 나타났습니다. 이 집단은 유도된 조절 T세포(Tregs)를 향한 미숙 CD4+ T세포의 분화를 억제합니다58. 아스파라긴산 아미노트랜스퍼라제 GOT1에 의한 α-KG로의 글루타메이트 전환은 D-2-HG 생성과 TH17 및 유도된 Tregs의 운명 조절에 필수적인 것으로 밝혀졌습니다. 마지막으로, 마우스 CD8+ T 세포에서 T세포 수용체 트리거링에 대한 반응으로 L-2-HG 수치가 높아지면 분화와 항종양 능력이 향상되는 것으로 보고되었습니다41. 2-OGDD의 발현은 조직마다 다를 수 있기 때문에 2-HG의 영향은 상황에 따라 달라질 수 있습니다. 종합적으로, 비정상적인 대사 기능을 통해 축적되는 대사 산물인 2-HG는 비대사 기전을 통해 대부분의 영향을 미칩니다.

SuccinateSuccinate as an oncometabolite

Succinate is a TCA cycle metabolite that has multiple intracellular functions, as well as organismal functions. Succinate is considered an oncometabolite that accumulates due to inactivating mutations in SDH. SDH mutations are commonly found in several cancers, including hereditary paraganglioma (PGL) and pheochromocytoma (PCC)59,60,61,62. Succinate accumulation has an impact in gene expression‎ regulation and promotes tumorigenesis through two main mechanisms. Succinate is the product of 2-OGDD enzymes reactions and thus its accumulation inhibits these enzymes. Consequently, changes in succinate have profound effects in histones and DNA methylation, changing the epigenetic landscape of the cells and gene expression‎ (Fig. 4). In paraganglioma, mutations in the SDH genes were found to establish a DNA hypermethylator phenotype63. SDH-deficient cells displayed an increased 5-mC/5-hmC ratio and histone methylation, an effect that was reversed by exogenous addition of α-KG to the culture medium in vitro. DNA hypermethylation was associated with the silencing of key genes involved in neuroendocrine differentiation favoring malignancy. Further studies will determine if analogously to the effects of acetyl-CoA fluctuations in histone acetylation, particular programs get activated to promote histones or DNA methylation at specific loci instead of global changes in the presence of high succinate levels. Additionally, succinate can inhibit PHDs, promoting the accumulation of HIF-1α in the presence of oxygen, a phenomenon known as pseudohypoxia64.

Succinate has an important function in the regulation of innate immunity

The metabolic profile of LPS treated macrophages revealed a high abundance of succinate, which induces HIF-1α stabilization as well as the transcriptional activation of the pro-inflammatory cytokine IL-1β65, 66. Succinate oxidation by complex II is necessary to drive the production of IL-1β. Macrophages lacking the B subunit of SDH showed decreased IL-1β production and HIF-1α stabilization when stimulated with LPS. The inhibition of SDH in vivo diminished LPS-induced endotoxemia. LPS stimulation of both succinate oxidation to promote reduction of the ubiquinone pool accumulation and an increase in the mitochondrial membrane potential (ψm) raised the production of mitochondrial ROS through complex I-dependent reverse electron transfer (RET). The excess entry of electrons in the ubiquinone pool from complex II increases the propensity of electrons to go backward to complex I when the mitochondrial membrane potential is high. This triggers the generation of superoxide production from complex I. Thus, the addition of mitochondrial complex I or II inhibitors decrease IL-1β production and HIF-1α stabilization. The overexpression‎ of an alternative oxidase (AOX), which is able to help ease up the excess of electrons in the ubiquinone pool, decreases LPS induction of ROS levels and production of IL-1β in macrophages. An independent study showed that E. coli or S. enterica-challenged macrophages stimulate mitochondrial complex II activity at the expense of complex I activity further supporting an importing role for SDH in promoting a pro-inflammatory phenotype67. The inhibition of complex II by treating mice with NPA, hampered the pro-inflammatory function of macrophages. Succinate-driven RET induction of ROS is not only limited to immune cells as ischemia reperfusion injury in heart and brain requires RET68, 69. Currently, strategies to diminish RET by using complex II or I inhibitors are being tested in the clinic.

Succinate has organismal effects

Beyond its intracellular signaling role, succinate release has been shown to signal through the G-protein-coupled receptor succinate receptor 1 (SUCNR1). The ligand for this receptor was unknown up until 2004 when He et al.70 described that binding of succinate to SUCNR1 induces an hypertensive effect by modulating the renin-angiotensin system. Since then, multiple signaling cascades have been described upon succinate binding to the receptor in various cell types, including dendritic cells and macrophages where it seems to contribute to their functionality in driving inflammation71. Taken together, these studies highlight that succinate oxidation is central and a main regulator of the immune effector cells functions. Finally, it is worth noting that recent findings describe succinate as a systemic molecule that activates thermogenesis in brown adipocytes upon cold exposure72. In this condition, brown adipocytes exhibited a high avidity to uptake elevated circulating succinate that was then oxidized by SDH increasing ROS levels and UCP1 activity. It will be interesting to see if additional TCA cycles metabolites can signal systemic responses in other contexts.

Fumarate

Fumarate promotes tumor growth through diverse signaling functions

Accumulation of fumarate to millimolar levels due to inactivating mutations of fumarate hydratase (FH) is found in the genetic disorder fumaric aciduria, as well as the hereditary leiomyomatosis and renal cell cancer (HLRCC)73, in which fumarate causes hypermethylation of DNA by inhibiting TET enzymes to trigger epithelial-mesenchymal transition (EMT)74. Fumarate is a potent inhibitor of 2-OGDD enzymes75, 76 and thus, it also contributes to the pseudohypoxia state that characterized FH-deficient tumors by allowing HIF-1α stabilization even under normoxic conditions through the inhibition of the PHDs enzymes77. Fumarate is an electrophile and can cause succination of proteins, a process where fumarate binds and inactivates reactive thiol protein cysteine residues. This protein modification was first identified in the context of diabetes where elevated levels of fumarate contribute to a progressive deterioration of β cells function78, 79. Specifically, succination of critical cysteine in GAPDH, GMPR and PARK7/DJ-1 were found in mice lacking Fh1 that develop progressive glucose intolerance and diabetes at around week 6–8 after birth. In HLRCC, fumarate drives the succination of KEAP1, the negative regulator of the master antioxidant transcription factor NRF280,81,82. Other studies have shown that high levels of fumarate increase ROS signaling by binding glutathione83, 84. Succination following fumarate accumulation has also been shown to cause the loss of the mitochondrial aconitase (ACO2) activity, which is crucial for iron–sulfur cluster binding85. Finally, the iron-responsive element binding protein 2 (IRP2) that promotes the transcription of transferrin and the family of iron–sulfur (Fe-SA) cluster biogenesis proteins have also been described to be succinated when fumarate accumulates in cancer cells86.

Fumarate is an anti-inflammatory signal

Fumarate also functions as an immunomodulator by controlling chromatin modifications (Fig. 4) and regulating protein succination. Specifically, the accumulation of fumarate through glutamine anaplerosis in response to pro-inflammatory insults has been shown to be necessary for trained immunity and inflammation by inhibiting KDM5 histone demethylase activity87. The inhibition of KDM5 increases the levels of H3K4me3, a marker of active gene transcription at the promoters of Tnfα and Il6 cytokines. Fumarate has also been shown to accumulate in LPS-activated macrophages65, 88. Furthermore, fumarate derivatives like dimethyl fumarate (DMF), a potent electrophile, can regulate T-cell functions89. DMF is currently being used in the clinic to treat autoimmune conditions, including multiple sclerosis (MS) and psoriasis. Using an unbiased proteomic approach, Blewett et al.89 discovered that different proteins in T cells are sensitive to covalent modifications of cysteines induced by DMF. Among these proteins, the authors identified protein kinase C θ (PKCθ) that can no longer associate with the costimulatory receptor CD28 in the presence of DMF preventing T-cell activation. Importantly, the authors showed how a mutation of these DMF-sensitive cysteines impaired PKCθ-CD28 interactions and T-cell activation recapitulating the effects observed with DMF89. Recently, succination of GAPDH that leads to the inactivation of its enzymatic activity has also been identified in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from mice and patients with MS treated with DMF90. Endogenous fumarate was also found to inhibit GAPDH through succination in mouse and human macrophages. These results suggest that DMF modulate the activity of immune cells by negatively regulating glycolysis, a metabolic pathway required for the activation and proliferation of different subsets of T cells91.

Itaconate

Itaconate is an important immunomodulator and antibacterial agent

Itaconate is derived from the decarboxylation of the TCA cycle intermediate cis-aconitate. Accumulation of itaconate occurs in the lungs of mice infected with Mycobacterium tuberculosis92 and in macrophages activated with LPS93. The immune-responsive gene 1 protein (IRG1) is the enzyme responsible for itaconate production. IRG1 was consequently renamed as cis-aconitate decarboxylase after this discovery. IRG1 loss of function in macrophages infected with Salmonella enterica had reduced aconitate levels and decreased anti-bactericidal activity94. The anti-bactericidal properties of itaconate are derived from its ability to inhibit isocitrate lyase, a key enzyme of the glyoxylate shunt, a pathway required for the survival of many parasites especially under poor glucose conditions. LPS also induces IRG1 to trigger the accumulation of itaconate, which consequently limits IL-1β production95, 96.

Itaconate induces electrophilic stress

Initially, itaconate was shown to inhibit SDH thus limiting succinate oxidation and this was assumed to be the primary mechanism by which itaconate limits inflammation95, 96. However, itaconate is a relatively weak competitive inhibitor of SDH raising the possibility that there are other mechanisms to account for itaconate’s anti-inflammatory activity. Recent studies indicate that itaconate activates pathways downstream of the antioxidant transcription factor NRF2, as well as NRF2 independent mechanisms that contribute to its anti-inflammatory properties in activated macrophages. Itaconate has electrophilic properties that can disrupt KEAP1 interaction with NRF297. Itaconate can also inhibit the NF-κB inhibitor IκBζ to dampen LPS stimulation of inflammation98. Interestingly, derivatives of itaconate such as octyl-itaconate or dimethyl-itaconate, which are strong electrophiles, diminish pro-inflammatory cytokine production in vitro and in vivo97, 98. The administration of dimethyl-itaconate in vivo ameliorated the outcome of an IL-17–IκBζ-driven skin pathology in a mouse model of psoriasis. These results significantly extended the knowledge of itaconate biology and raised the possibility of using itaconate derivatives as a therapeutic agent in autoimmune diseases. However, since high levels of itaconate might cause a B12 deficiency, the safety of long-term exposures to itaconate needs to be eval‎uated99.

Conclusion

In the past two decades, mitochondrial biology has undergone a renaissance partly due to the appreciation that mitochondria have important biological functions beyond ATP and macromolecules production. Indeed, mitochondria have evolved from passive to active players in determining cell fate and function. Mechanistically, TCA cycle metabolites have been demonstrated to control transcription factors and chromatin modifications to change cell function and fate. However, in many contexts the molecular details of how changes in TCA cycle metabolites abundance affect the expression‎ of specific genes remains to be elucidated. Future investigations might also discover additional mechanisms by which TCA cycle metabolites exert signaling functions beyond post-translational modifications. Emerging evidence indicates that beyond cell autonomous functions, TCA cycle metabolites control physiology through non-cell autonomous functions. Discovering systemic effects of metabolites and their role in communicating different parts of the body will be of much interest for the field in the upcoming years. A fascinating development is the use of derivatives of TCA cycle metabolites to ameliorate inflammatory diseases in humans. We hope to see more of the recent findings of TCA cycle signaling effects being translated into the clinic. Going forward, we predict that TCA cycle metabolites will continue to shed new light on biology, physiology, and diseases.

결론

지난 20년 동안 미토콘드리아 생물학은 

미토콘드리아가 ATP와 거대 분자 생산 이외의 

중요한 생물학적 기능을 가지고 있다는 인식이 확산되면서 

부분적으로 르네상스를 맞이했습니다. 

실제로 

미토콘드리아는 세포의 운명과 기능을 결정하는 데 있어 

수동적인 역할에서 능동적인 역할로 진화했습니다. 

기계론적으로, 

TCA 사이클 대사 산물은 전사 인자와 염색질 변형을 조절하여 

세포 기능과 운명을 변화시키는 것으로 밝혀졌습니다. 

그러나 

많은 상황에서 TCA 사이클 대사 산물의 변화로 인해 

특정 유전자의 발현에 어떤 영향을 미치는지에 대한 

분자적 세부 사항은 아직 밝혀지지 않았습니다. 

향후 연구에서는 

TCA 사이클 대사 산물이 

번역 후 변형 이외의 신호 전달 기능을 발휘하는 추가적인 메커니즘을 발견할 수도 있습니다. 

최근의 증거에 따르면, 

TCA 사이클 대사 산물은 세포 자율적 기능 외에도 

비세포 자율적 기능을 통해 생리학을 조절합니다. 

대사 산물의 체계적인 효과와 신체 각 부위의 소통에 있어서의 역할에 대한 발견은 

앞으로 이 분야에서 큰 관심을 끌 것입니다. 

인간에게서 

염증성 질환을 개선하기 위해

 TCA 사이클 대사 산물의 유도체를 사용하는 것은 매우 흥미로운 발전입니다. 

우리는 

TCA 사이클 신호 전달 효과에 대한 최근의 연구 결과가 

임상적으로 활용되는 것을 더 많이 보기를 희망합니다. 

앞으로 

TCA 사이클 대사 산물이 

생물학, 생리학, 질병에 대한 새로운 지평을 계속 열어줄 것으로 예상합니다.

References

1.  
2.  
3.  
4.  
5.  
6.  
7.  
8.  
9.  
10.  
11.  
12.  
13.  
14.  
15.  
16.  
17.  
18.