追踪哺乳动物组织中糖酵解中间产物的来源

　　葡萄糖一直被认为是哺乳动物最重要的循环能量前体，通过分解代谢途径——糖酵解，每一分子葡萄糖直接产生2个ATP分子。糖酵解还产生NADH和丙酮酸，可在线粒体中被氧化生成额外的ATP。当线粒体呼吸受损时，丙酮酸被NADH还原为乳酸，而乳酸是细胞分泌的废物。但是，哺乳动物并没有排泄大量的乳酸，一个细胞释放的乳酸会被其他细胞用作燃料，身体的大多数组织可吸收循环中的乳酸并将其代谢成丙酮酸和下游的三羧酸循环（TCA）中间产物。因此，摄取循环的乳酸可作为细胞产生丙酮酸和能量的一种途径，从而不消耗葡萄糖或进行糖酵解。也就是说，葡萄糖摄取和糖酵解可能并不是哺乳动物细胞的普遍特性。那么，哪些细胞类型或组织直接使用循环的葡萄糖？在不依赖葡萄糖的细胞中，糖酵解中间产物来自哪里？

　　除了葡萄糖，糖原分解和糖异生等也能影响组织糖酵解的中间产物的量【1】。最终，糖酵解、糖异生、糖原的合成和分解协同工作，不仅维持组织糖酵解中间产物，而且维持循环葡萄糖稳态。葡萄糖稳态的缺陷是2型糖尿病的标志。因此，了解这些途径的体内活性具有重要的医学意义。

　　18F-FDG影像分析和同位素标记2DG摄取分析都揭示出脑、转化组织、心脏和一些肌肉组织对葡萄糖的摄取量较高，但葡萄糖或其类似物的摄取并不代表通过糖酵解的葡萄糖代谢【2】。所以直接检测组织的糖酵解中间产物十分必要，不过对糖酵解中间产物的标记存在技术挑战。

　　近日，来自普林斯顿大学的Joshua D. Rabinowitz团队在Cell Metabolism杂志上发表一篇题为“The Source of Glycolytic Intermediates in Mammalian Tissues”的文章，这项研究利用13C在小鼠体内定量分析循环的葡萄糖、组织内糖原和循环中糖异生前体等对糖酵解中间产物的贡献。循环葡萄糖是循环乳酸的主要来源，乳酸是组织糖酵解的主要终产物。循环的葡萄糖只在少数组织中标记糖酵解的中间产物：血液、脾脏、膈肌和比目鱼肌。大部分身体组织（包括肝脏和股四头肌）的糖酵解中间产物都来自糖原。糖异生对糖酵解中间产物的贡献相对较少，但广泛存在。进食激活循环葡萄糖和乳酸的氧化，维持葡萄糖稳态，而不会抑制糖异生。

　　在禁食8h后，将U-13C-葡萄糖经尾静脉输注到小鼠体内，随后检测糖酵解中间产物的标记情况。首先葡萄糖的输注导致循环乳酸被快速标记，且50%的乳酸在输注的前90分钟内被标记，颈动脉收集的血液中乳酸的标记量低于尾静脉收集的血液，说明葡萄糖输注后，全身糖酵解旺盛。许多组织中标记的糖酵解中间产物显著低于循环的乳酸，即循环葡萄糖对组织中糖酵解中间产物的贡献很小，特别是具有糖原库的组织中，如肝脏和股四头肌。而红细胞、脾脏、比目鱼肌和膈肌的糖酵解中间产物标记则与循环乳酸标记一样高。小鼠进食会增加循环乳酸的标记量，股四头肌和肝脏中标记有小幅度的增加。总体上，在禁食和进食的状态下，很多组织的糖酵解中间产物来自于循环葡萄糖的比例都低于50%。高胰岛素-正常血糖钳夹是利用超生理水平的胰岛素输注来研究胰岛素的作用，同时输注葡萄糖维持正常血糖。研究人员进行钳夹实验，发现高胰岛素导致循环乳酸的标记量大幅增加，肝脏中糖酵解中间产物的标记也增加。即持续高水平的胰岛素通过糖酵解诱导循环葡萄糖的直接分解代谢。

　　糖酵解中间产物的一个潜在来源是糖原。研究人员设计了U-13C-葡萄糖脉冲追踪输注策略：首先进行16h的输注过夜（小鼠在夜里吃的最多的），用来标记组织中的糖原池；输注结束后，取出食物，小鼠禁食8h，期间血糖的标记下降，但糖原的标记保持不变。实验显示，肝脏和股四头肌中糖酵解中间产物的主要来源于糖原，而除了脾脏、比目鱼肌和膈肌外，大多数组织中都有大量糖酵解中间产物被标记，即糖原对多数组织的糖酵解有广泛的贡献。进食状况下，多数组织中依然可检测到被标记的糖酵解中间产物。

　　糖酵解的另一个潜在来源是糖异生。利用13C标记糖异生前体底物：乳酸、丙氨酸、甘油和谷氨酰胺，然后对小鼠进行输注。禁食小鼠中，乳酸（40%）和甘油（33%）对循环葡萄糖的贡献很大，丙氨酸和谷氨酰胺的贡献较小（10%）。被标记的糖酵解中间产物不仅在经典的糖异生组织中（肝脏、肾脏）被检测到，在大多数组织中都检测到。同时组织TCA底物的选择偏好和糖异生底物偏好之间具有一些对应关系，例如胰腺的TCA和糖异生都优先使用谷氨酰胺，运行部分糖异生途径，生成果糖-1,6-二磷酸。大多数哺乳动物组织至少利用部分糖异生途径，产生糖酵解中间产物。不过，即使是在经典的糖异生器官中，被标记的糖酵解中间产物所占比例也不是特别高（20%）。分析显示，禁食和进食条件下，糖异生的绝对通量是类似的，但其糖异生的前体底物发生变化，从甘油变成乳酸。高胰岛素-正常血糖钳夹实验显示，高胰岛素基本上完全抑制糖异生过程。高胰岛素期间，肝脏中3-磷酸甘油酯和1,6-二磷酸果糖的标记持续存在，而磷酸己糖的标记被抑制，表明胰岛素起到抑制1,6-二磷酸果糖酶的作用。总之，这些研究表明，高胰岛素-正常血糖钳夹，而不是生理胰岛素诱导喂养，抑制乳酸驱动的糖异生。

　　研究人员发现禁食和进食之间内源性葡萄糖产生的差异很小，分析发现禁食和进食之间消耗的碳水化合物的量和葡萄糖转化的变化相匹配，即碳水化合物的氧化是消耗膳食中葡萄糖的主要途径。糖原合成仅能贡献一小部分糖水化合物的消耗，脂质的从头合成则几乎可忽略不计。

　　最后，研究人员探究了组织糖酵解中间产物和循环乳酸的直接来源。在禁食状态下，所有组织都从糖原中产生糖酵解中间产物，股四头肌、心脏和肝脏中糖原的贡献最大。循环葡萄糖也有广泛的贡献，其中比目鱼肌中循环葡萄糖的贡献最大。糖异生前体对糖酵解中间产物也有直接贡献，乳酸所介导的糖异生大量用于肝脏和股四头肌中产生糖酵解中间产物，甘油用于肾脏和脂肪，氨基酸用于胰腺。进食减少了糖原对许多组织糖酵解中间产物的贡献，尤其是肝脏；而心脏和棕色脂肪组织的糖酵解中间产物的来源比例最大的则是循环葡萄糖；在股四头肌中，即使是进食状态下，也只有少量的葡萄糖直接参与糖酵解中间产物的形成。对循环乳酸进行分析，发现禁食状态下，大约43%的循环乳酸直接来自循环葡萄糖，而大约20%来自糖原。进食后，乳酸的产生的通量增加，葡萄糖的贡献百分比增加，糖原的贡献百分比几乎不变，进食后糖原分解持续进行。

　　总的来说，这篇文章对哺乳动物组织中糖酵解中间产物的来源进行量化研究，发现身体许多组织中，循环葡萄糖对糖酵解中间产物的贡献较小，而糖原分解和糖异生作用有助于糖酵解中间产物的产生，其作用范围非常广泛。这项研究或为理解组织糖酵解提供新的视角。