نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 گروه بیوشیمی، دانشکده بیولوژی، دانشگاه پیام نور تهران شرق، تهران، ایران
2 گروه ریاضی، دانشکده ریاضی و آمار، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
10.30473/eab.2025.75818.2009
چکیده
در تومورهای جامد، هیپوکسی میتواند باعث بیان نابهنجار بر روی فاکتورها و ژنهای رونویسی شود و در نتیجه باعث عملکردهای بیولوژیکی غیر طبیعی مانند تغییر مسیرهای انرژی در سلولهای سرطانی گردد.
مقدمه: هیپوکسی میتواند باعث بیان نابهنجار بر روی فاکتورهای رونویسی و ژنها شود که منجر به عملکردهای بیولوژیکی غیر طبیعی مانند تغییر مسیرهای انرژی در سلولهای سرطانی میگردد. چرخه کربس در متابولیسم گلوکز بهعنوان بخش مهمی از این پدیده است که در شرایط هیپوکسی، با تغییراتی در میزان بیان متابولیتها و آنزیم های دخیل در این مسیر از جمله تجمع برخی متابولیتها مانند سوکسینات و نیز ایجاد تغییر در ترکیب ریزمحیط تومور، میتواند منجر به تهاجم بیشتر و متاستاز سلولهای سرطانی گردد. مطالعه حاضر برای اولین بار با استفاده از مدلسازی محاسباتی، با هدف بررسی اثرات ناشی از هیپوکسی (HIF-1) بر روی میزان بیان عملکردی همه آنزیمها و متابولیتهای درگیر با چرخه کربس انجام شد. در نتیجه، تعیین دقیق مکانیسم و بررسی اثر تغییرات غلظت اکسیژن بر چرخه کربس، که در ارتباط با هم عمل میکنند، ضروری میباشد.
روش کار: در مطالعه حاضر برای اولین بار با استفاده از مدلسازی محاسباتی، اثرات ناشی از هیپوکسی (HIF-1) بر روی میزان بیان عملکردی همه آنزیمها و متابولیتهای درگیر با چرخه کربس بررسی شد. بدین منظور یک دستگاه معادلات متشکل از 16 معادله طراحی شد که تمامی اجزای چرخه کربس را به همدیگر و به هیپوکسی ارتباط میدهد. هدف اصلی مطالعه حاضر ایجاد یک رابطه کمی بین شدت هیپوکسی با سطوح متابولیتهای داخل سلولی و نیز تعیین تنظیمکنندههای کلیدی چرخه کربس میباشد. در واقع هدف ما تعیین کمّی اثر تغییرات غلظت اکسیژن بر چرخه کربس در تولید سوکسینات در درون سلول از منظر زیستشناسی سامانه ای مولکولی میباشد. بهعلاوه کاهش اکسیژن در مدل پیشنهادی پیشبینی کرد که آنزیم سوکسینات دهیدروژناز ممکن است مهمترین نقش را در تنظیم چرخه کربس ایفا کند.
یافتهها: نتایج حاصل از مطالعه بیانگر رابطه مستقیم بین شدت هیپوکسی و افزایش تولید سوکسینات، بهعنوان عامل مهم پیشبرنده متاستاز، میباشد. بنابراین براساس مطالعه آنالیز حساسیت، مدل پیشنهادی ما پیشبینی کرد که در شرایط کاهش اکسیژن آنزیم سوکسینات دهیدروژناز ممکن است مهمترین نقش را در تنظیم چرخه کربس ایفا کند.
کلیدواژهها
موضوعات
Adolph, C., Cheung, C.-Y., McNeil, M. B., Jowsey, W. J., Williams, Z. C., Hards, K., ..., & Buckley, B. J. (2024). A dual-targeting succinate dehydrogenase and F1Fo-ATP synthase inhibitor rapidly sterilizes replicating and non-replicating Mycobacterium tuberculosis. Cell chemical biology, 31(4), 683-698. e687.
Ajalla Aleixo, M. A., Rangel, V. L., Rustiguel, J. K., de Pádua, R. A., & Nonato, M. C. (2019). Structural, biochemical and biophysical characterization of recombinant human fumarate hydratase. The FEBS journal, 286(10), 1925-1940.
Atallah, R., Olschewski, A., & Heinemann, A. (2022). Succinate at the crossroad of metabolism and angiogenesis: roles of SDH, HIF1α and SUCNR1. Biomedicines, 10(12), 3089.
Allen, J. W., Khetani, S. R., Johnson, R. S., & Bhatia, S. N. (2006). In vitro liver tissue model established from transgenic mice: role of HIF-1alpha on hypoxic gene expression. Tissue engineering, 12(11), 3135-3147.
Annibaldi, A., & Widmann, C. (2010). Glucose metabolism in cancer cells. Current Opinion in Clinical Nutrition & Metabolic Care, 13(4), 466-470.
Barar, J., & Omidi, Y. (2013). Dysregulated pH in tumor microenvironment checkmates cancer therapy. BioImpacts: BI, 3(4), 149.
Baothman, O. A., Rolfe, M. D., & Green, J. (2013). Characterization of Salmonella enterica serovar Typhimurium aconitase A. Microbiology, 159(Pt_6), 1209-1216.
Baysal, B. E., Alahmari, A. A., Rodrick, T. C., Tabaczynski, D., Curtin, L., Seshadri, M., ..., & Sexton, S. (2022). Succinate dehydrogenase inversely regulates red cell distribution width and healthy life span in chronically hypoxic mice. JCI insight, 7(17), e158737.
Behal, R. H., & Oliver, D. J. (1997). Biochemical and molecular characterization of fumarase from plants: purification and characterization of the enzyme—cloning, sequencing, and expression of the gene. Archives of biochemistry and biophysics, 348(1), 65-74.
Bulku, A., Weaver, T. M., & Berkmen, M. B. (2018). Biochemical characterization of two clinically-relevant human fumarase variants defective for oligomerization. The open biochemistry journal, 12, 1.
Bousquet, P. A., Sandvik, J. A., Arntzen, M. Ø., Jeppesen Edin, N. F., Christoffersen, S., Krengel, U., Pettersen, E. O., & Thiede, B. (2015). Hypoxia strongly affects mitochondrial ribosomal proteins and translocases, as shown by quantitative proteomics of HeLa cells. International journal of proteomics, 2015(1), 678527.
Brown, J. M. (2000). Exploiting the hypoxic cancer cell: mechanisms and therapeutic strategies. Molecular medicine today, 6(4), 157-162.
Cesare Marincola, F., Masu, D., Libonati, V., Tozzi, M., Isola, R., Vargiu, R., ..., & Ghiani, G. (2025). Metabolic response to an acute bout of mild dynamic exercise performed under normobaric moderate hypoxia: A NMR-based metabolomics study. PloS one, 20(7), e0325447.
Dagani, F., Marzatico, F., Curti, D., Zanada, F., & Benzi, G. (1984). Effect of prolonged and intermittent hypoxia on some cerebral enzymatic activities related to energy transduction. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism, 4(4), 615-624.
Eskandani, M., Vandghanooni, S., Barar, J., Nazemiyeh, H., & Omidi, Y. (2017). Cell physiology regulation by hypoxia inducible factor-1: Targeting oxygen-related nanomachineries of hypoxic cells. International journal of biological macromolecules, 99, 46-62.
Folkman, J. (1990). What is the evidence that tumors are angiogenesis dependent? In (Vol. 82, pp. 4–7): Citeseer.
Gatenby, R. A., & Gillies, R. J. (2004). Why do cancers have high aerobic glycolysis? Nature reviews cancer, 4(11), 891-899.
Goodwin, M. L., Gladden, L. B., Nijsten, M. W., & Jones, K. B. (2015). Lactate and cancer: revisiting the Warburg effect in an era of lactate shuttling. Frontiers in nutrition, 1, 27.
Gardner, P. R., Nguyen, D., & White, C. W. (1994). Aconitase is a sensitive and critical target of oxygen poisoning in cultured mammalian cells and in rat lungs. Proceedings of the National Academy of sciences, 91(25), 12248-12252.
Germanova, E., Khmil, N., Pavlik, L., Mikheeva, I., Mironova, G., & Lukyanova, L. (2022). The role of mitochondrial enzymes, succinate-coupled signaling pathways and mitochondrial ultrastructure in the formation of urgent adaptation to acute hypoxia in the myocardium. International Journal of Molecular Sciences, 23(22), 14248.
Hsieh, C.-W., Huang, C., Bederman, I., Yang, J., Beidelschies, M., Hatzoglou, M., ..., & Croniger, C. M. (2011). Function of phosphoenolpyruvate carboxykinase in mammary gland epithelial cells [S]. Journal of lipid research, 52(7), 1352-1362.
Hashemzadeh, S., Shahmorad, S., Rafii-Tabar, H., & Omidi, Y. (2020). Computational modeling to determine key regulators of hypoxia effects on the lactate production in the glycolysis pathway. Scientific Reports, 10(1), 9163.
Johnson, J. D., Muhonen, W. W., & Lambeth, D. O. (1998). Characterization of the ATP-and GTP-specific succinyl-CoA synthetases in pigeon: the enzymes incorporate the same α-subunit. Journal of Biological Chemistry, 273(42), 27573-27579.
Jomain-Baum, M., & Schramm, V. L. (1978). Kinetic mechanism of phosphoenolpyruvate carboxykinase (GTP) from rat liver cytosol. Product inhibition, isotope exchange at equilibrium, and partial reactions. Journal of Biological Chemistry, 253(10), 3648-3659.
Karpova, T., Danchuk, S., Huang, B., & Popov, K. M. (2004). Probing a putative active site of the catalytic subunit of pyruvate dehydrogenase phosphatase 1 (PDP1c) by site-directed mutagenesis. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Proteins and Proteomics, 1700(1), 43-51.
Kita, K., Takamiya, S., Furushima, R., Ma, Y.-c., Suzuki, H., Ozawa, T., & Oya, H. (1988). Electron-transfer complexes of Ascaris suum muscle mitochondria. III. Composition and fumarate reductase activity of complex II. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Bioenergetics, 935(2), 130-140.
Kobayashi, K., Kamimura, T., & Tuboi, S. (1982). Studies on the turnover rates of cytosolic and mitochondrial fumarases in rat liver. The Journal of Biochemistry, 91(5), 1511-1518.
Kuo, C.-C., Wu, J.-Y., & Wu, K. K. (2022). Cancer-derived extracellular succinate: a driver of cancer metastasis. Journal of biomedical science, 29(1), 93.
Lee, J. J., Segar, D. J., Morrison, J. F., Mangham, W. M., Lee, S., & Asaad, W. F. (2017). Subdural hematoma as a major determinant of short-term outcomes in traumatic brain injury. Journal of neurosurgery, 128(1), 236-249.
Le Moine, C. M., Morash, A. J., & McClelland, G. B. (2011). Changes in HIF-1α protein, pyruvate dehydrogenase phosphorylation, and activity with exercise in acute and chronic hypoxia. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 301(4), R1098–R1104.
Liu, D.-C., Zheng, X., Zho, Y., Yi, W.-R., Li, Z.-H., Hu, X., & Yu, A.-X. (2017). HIF-1α inhibits IDH-1 expression in osteosarcoma. Oncology Reports, 38(1), 336-342.
Maklashina, E., Iverson, T. M., Sher, Y., Kotlyar, V., Andréll, J., Mirza, O., ..., & Weiner, J. H. (2006). Fumarate reductase and succinate oxidase activity of Escherichia coli complex II homologs are perturbed differently by mutation of the flavin binding domain. Journal of Biological Chemistry, 281(16), 11357-11365.
Martras, S., Alvarez, R., Martínez, S. E., Torres, D., Gallego, O., Duester, G., ..., & Pares, X. (2004). The specificity of alcohol dehydrogenase with cis‐retinoids: activity with 11‐cis‐retinol and localization in retina. European Journal of Biochemistry, 271(9), 1660-1670.
Matteo, D. A., Grunseth, A. J., Gonzalez, E. R., Anselmo, S. L., Kennedy, M. A., Moman, P., ..., & Sohl, C. D. (2017). Molecular mechanisms of isocitrate dehydrogenase 1 (IDH1) mutations identified in tumors: The role of size and hydrophobicity at residue 132 on catalytic efficiency. Journal of Biological Chemistry, 292(19), 7971-7983.
McCORMACK, J. G., & Denton, R. M. (1979). The effects of calcium ions and adenine nucleotides on the activity of pig heart 2-oxoglutarate dehydrogenase complex. Biochemical Journal, 180(3), 533-544.
Nguyen, L. K., Cavadas, M., Scholz, C. C., Fitzpatrick, S. F., Bruning, U., Cummins, E. P., Tambuwala, M. M., Manresa, M. C., Kholodenko, B. N., & Taylor, C. T. (2015). A dynamic model of the hypoxia-inducible factor 1a (HIF-1a) network. J Cell Sci, 128(2), 422.
Pitson, S. M., Mendz, G. L., Srinivasan, S., & Hazell, S. L. (1999). The tricarboxylic acid cycle of Helicobacter pylori. European Journal of Biochemistry, 260(1), 258-267.
Powell, C. S., & Jackson, R. M. (2003). Mitochondrial complex I, aconitase, and succinate dehydrogenase during hypoxia-reoxygenation: modulation of enzyme activities by MnSOD. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology, 285(1), L189-L198.
Qutub, A. A., & Popel, A. S. (2006). A computational model of intracellular oxygen sensing by hypoxia-inducible factor HIF1α. Journal of cell science, 119(16), 3467-3480.
Simcock, D., Walker, L., Pedley, K., Simpson, H., & Brown, S. (2011). The tricarboxylic acid cycle in L3 Teladorsagia circumcincta: metabolism of acetyl CoA to succinyl CoA. Experimental parasitology, 128(1), 68-75.
Smith, C. M., & Williamson, J. R. (1971). Inhibition of citrate synthase by succinyl‐CoA and other metabolites. FEBS letters, 18(1), 35-38.
Soundar, S., Park, J.-H., Huh, T.-L., & Colman, R. F. (2003). Evaluation by mutagenesis of the importance of 3 arginines in α, β, and γ subunits of human NAD-dependent isocitrate dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry, 278(52), 52146-52153.
Takahashi, H., Asano, K., & Nakayama, H. (1996). Effect of endurance training under hypoxic condition on oxidative enzyme activity in rat skeletal muscle. Applied Human Science, 15(3), 111-114.
Van den Thillart, G., & Smit, H. (1984). Carbohydrate metabolism of goldfish (Carassius auratus L.) Effects of long-term hypoxia-acclimation on enzyme patterns of red muscle, white muscle and liver. Journal of Comparative Physiology B, 154(5), 477-486.
Vaupel, P., Briest, S., & Höckel, M. (2002). Hypoxia in breast cancer: pathogenesis, characterization and biological/therapeutic implications. Wiener Medizinische Wochenschrift, 152(13‐14), 334-342.
Vaupel, P., & Harrison, L. (2004). Tumor hypoxia: causative factors, compensatory mechanisms, and cellular response. The oncologist, 9(S5), 4-9.
Vaupel, P., Kallinowski, F., & Okunieff, P. (1989). Blood flow, oxygen and nutrient supply, and metabolic microenvironment of human tumors: a review. Cancer research, 49(23), 6449-6465.
Wang, Y.-H., Yan, Z.-Z., Luo, S.-D., Hu, J.-J., Wu, M., Zhao, J., ..., & Liu, K.-X. (2023). Gut microbiota-derived succinate aggravates acute lung injury after intestinal ischaemia/reperfusion in mice. European Respiratory Journal, 61(2).
Wang, Y., Shi, M., Chu, Z., Yan, X., You, G., Chen, G., & Zhou, H. (2023). Protective effect of bioactive iridium nanozymes on high altitude-related hypoxia-induced kidney injury in mice. Frontiers in Pharmacology, 14, 1115224.
Weinberg, M. B., & Utter, M. F. (1979). Effect of thyroid hormone on the turnover of rat liver pyruvate carboxylase and pyruvate dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry, 254(19), 9492-9499.
Yao, Y.-X., Dong, Q.-L., Zhai, H., You, C.-X., & Hao, Y.-J. (2011). The functions of an apple cytosolic malate dehydrogenase gene in growth and tolerance to cold and salt stresses. Plant physiology and biochemistry, 49(3), 257-264.
Zatta, P., Lain, E., & Cagnolini, C. (2000). Effects of aluminum on activity of Krebs cycle enzymes and glutamate dehydrogenase in rat brain homogenate. European Journal of Biochemistry, 267(10), 3049-3055.
Zhang, W., & Lang, R. (2023). Succinate metabolism: a promising therapeutic target for inflammation, ischemia/reperfusion injury and cancer. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 11, 1266973.
Zhao, T., Mu, X., & You, Q. (2017). Succinate: An initiator in tumorigenesis and progression. Oncotarget, 8(32), 53819.
Zhou, C.-H., Zhang, X.-P., Liu, F., & Wang, W. (2015). Modeling the interplay between the HIF-1 and p53 pathways in hypoxia. Scientific Reports, 5(1), 13834.
)