Science | 首次揭示嘌呤小体的存在

来源：BioArt

撰文 | Volibear

嘌呤对于生命的重要性不言而喻，四个脱氧核糖核苷酸中的两个（脱氧腺苷和脱氧鸟苷）和四个核糖核苷酸中的两个（腺苷或AMP，和鸟苷或GMP）都是由嘌呤作为原料之一合成的。嘌呤核苷酸的合成在体内有两种途径：从头合成途径以及挽救合成途径。其中从头合成途径（De Novo Purine Biosynthesis，DNPB）是一种高度保守的能量密集型途径，它与嘌呤核苷酸的挽救途径相互协调，共同维持体内在各种生理状况下的嘌呤含量。可增殖细胞如免疫细胞特别是癌细胞更倾向于使用从头核苷酸合成途径【1,2】，是什么保证了癌细胞能够使用从头合成途径来高效合成嘌呤核苷酸呢？科学家的猜想是，体内可能会存在相应的代谢区室（Metabolons），例如嘌呤代谢的嘌呤小体（Purinosome）其内包含了该代谢通路所需的所有酶类【3】。已经有科学家用相分离的观点【4,5】 解释相关代谢区室的形成，但是对其存在和功能进行实验证明仍然具有挑战性。

近日，来自宾夕法尼亚州立大学的Stephen J. Benkovic与 Nicholas Winograd在Science上发表了题目为Metabolomics and mass spectrometry imaging reveal channeled de novo purine synthesis in cells的文章，在这项研究中，研究人员利用代谢组学和气簇离子束二次离子质谱分析（Gas Cluster Ion Beam Secondary Ion Mass Spectrometry，GCIB-SIMS）对单细胞进行原位三维亚微米化学成像，直接观察了多酶复合物——嘌呤小体对嘌呤的从头生物合成过程。该研究发现嘌呤小体由9种协同作用的酶组成，它们共同通道化地将中间体合成嘌呤核苷酸，进而提高了整个通路的运行速率，并影响腺苷酸/鸟苷酸的比例。该研究第一次通过实验揭示了嘌呤小体的存在，其所使用的单细胞高分辨率成像技术，对于其他多蛋白分子复合物研究来说也有广阔的应用前景。

嘌呤核苷酸从头途径是由包括人类在内的高级生物中的6种酶与磷酸核糖焦磷酸（PRPP）一起开始的，然后在10个连续步骤中将其转化为肌苷单磷酸（IMP）。IMP是通过四种酶转化为腺苷5'-单磷酸酯（AMP）或鸟苷5'-单磷酸酯（GMP）的分支点中间体。相比之下，游离嘌呤碱基次黄嘌呤，腺嘌呤和鸟嘌呤可以与PRPP结合，通过挽救酶-次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶（HGPRT）和腺嘌呤磷酸核糖基转移酶（APRT）的作用再生各自的单核苷酸。在之前的研究中，作者已经发现了靠近线粒体的嘌呤小体可能是嘌呤从头合成的活性中心，但是一直缺乏相应的证据。

首先，作者建立了探测从头嘌呤生物合成途径的模型，可以通过数学计算预测在不存在DNPB代谢的情况下所期望的同位素标记的分布，然后通过进行体内同位素掺入实验来测试预测。他们做出假设模型，假设该路径的10个步骤（从PRPP开始并导致IMP形成）彼此独立；所有中间体均应与各自的胞质池完全平衡；并在胞质溶胶中均匀分布所有酶（即在线粒体附近没有嘌呤体形成和定位）辅酶、底物和辅因子。假设该途径中掺入了同位素标记的Gly（1-x）和甲酸（1-y），则该模型可以预测DNPB途径中间体和终产物中的同位素异构体分布。那么根据该模型，可以做出以下推测：1. IMP和所有下游核苷酸必须具有相同的同位素异构体分布+ 3，+ 4和+5种，因为在FAICAR形成后没有进一步的同位素结合；2. 生成的DNPB中间体和末端核苷酸中标记Gly和甲酸酯富集在实验过程中应相同。那么事实是否如此呢？通过实验，研究人员发现与预测相反，IMP中的两个同位异构体（+3和+5）的分数丰度分别与AMP和GMP中的分数丰度不同，表明IMP和AMP / GMP具有独特的同位素分布。通过进一步的研究，作者最终揭示了靠近靠近线粒体的嘌呤小体可能嘌呤从头合成的活性中心，并且这种通道化的酶类组织形式也极大地增加了该通路的效率。

图1. HeLa细胞的GCIB-SIMS成像示意图

高分辨率GCIB-SIMS成像技术在单细胞水平上探测生物化学的应用质谱成像（MSI）已成为一种在各种生物系统中空间定位内源性和外源性化合物的强大工具。研究人员使用了GCIBSIMS技术，在单细胞水平上原位研究了Hela细胞内的嘌呤小体特征。成像的结果显示，嘌呤的产生局限于细胞内的“活性”嘌呤小体。GCIB-SIMS可以选择性地识别和分析与线粒体相关的活性嘌呤体，并显示同位素标记的代谢物AICAR和ATP在统计学水平上高于嘌呤小体周围的水平。这进一步验证了代谢质谱的结果。

总之，该项研究表明DNPB途径是由至少9种酶组成的“活性”嘌呤小体进行的，这些酶位于线粒体近端，并通过协同作用将其总体活性提高约7倍。这项工作可以帮助我们更好地理解嘌呤小体这一代谢区室对人类健康的重要性，以及其在高嘌呤需求的侵袭性癌症中所发挥的作用，有助于开发更好的癌症治疗方案。

参考文献

2. Tong, X., et al., The molecular determinants of de novo nucleotide biosynthesis in cancer cells. 2009. 19(1): p. 32-37.

3. An, S., et al., Reversible compartmentalization of de novo purine biosynthetic complexes in living cells. Science, 2008. 320(5872): p. 103-6.

4. Fuller, G.G., et al., RNA promotes phase separation of glycolysis enzymes into yeast G bodies in hypoxia. Elife, 2020. 9.

5. Perry, S.L., Phase separation: Bridging polymer physics and biology. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2019. 39: p. 86-97.