線粒體是機(jī)體細(xì)胞中的能量工廠，通過(guò)呼吸將能量物質(zhì)轉(zhuǎn)化為三磷酸腺苷（ATP）形式供細(xì)胞活動(dòng)使用。2015年7月30日《細(xì)胞》上發(fā)表兩篇重要研究論文，來(lái)自MIT的科學(xué)家們揭示了細(xì)胞增殖需要線粒體呼吸作用的分子機(jī)制，如果沒(méi)有呼吸作用提供的電子受體，即使細(xì)胞不缺乏ATP，細(xì)胞也不會(huì)進(jìn)行增殖。




天冬氨酸是生物體內(nèi)賴(lài)氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸等氨基酸及嘌呤、嘧啶堿基的合成前體。增殖細(xì)胞需要制造大量RNA、DNA和蛋白質(zhì)，因此必須有足夠天冬氨酸存在。天冬氨酸雖然也是組成蛋白質(zhì)的基本元件，但不像其它氨基酸，血液中天冬氨酸很少，細(xì)胞需要自己制造天冬氨酸，為了制造天冬氨酸及核酸，細(xì)胞需要接受電子。
關(guān)于天冬氨酸與線粒體能量代謝的關(guān)系，需要了解蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭作用。蘋(píng)果酸-天冬氨酸穿梭（malate-aspartate shuttle，也稱(chēng)為蘋(píng)果酸穿梭）是真核細(xì)胞中一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)在糖酵解過(guò)程中傳出的電子跨越半通透性的線粒體內(nèi)膜以進(jìn)行氧化磷酸化的生物化學(xué)體系。
胞液中的NADH在蘋(píng)果酸脫氫酶催化下，使草酰乙酸還原成蘋(píng)果酸，后者借助內(nèi)膜上的α-酮戊二酸載體進(jìn)入線粒體，又在線粒體內(nèi)蘋(píng)果酸脫氫酶的催化下重新生成草酰乙酸和NADH。NADH進(jìn)入NADH氧化呼吸鏈，生成3分子ATP。草酰乙酸經(jīng)谷草轉(zhuǎn)氨酶催化生成天冬氨酸，后者再經(jīng)酸性氨基酸載體轉(zhuǎn)運(yùn)出線粒體轉(zhuǎn)變成草酰乙酸。
MatthewVander Heiden教授指出，這是所有增殖細(xì)胞都必須解決的問(wèn)題，研究調(diào)查了哺乳動(dòng)物細(xì)胞解決該問(wèn)題的機(jī)制，首先對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行遺傳操作使其不能夠呼吸代謝，這些癌細(xì)胞就不會(huì)增殖，隨著部分細(xì)胞死亡癌細(xì)胞群體數(shù)量逐漸減少。
隨后發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞呼吸調(diào)節(jié)細(xì)胞增值主要通過(guò)天冬氨酸產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)，如果存在特定營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，比如丙酮酸鹽，可以替代受損細(xì)胞所需要的電子受體，這樣細(xì)胞可以在沒(méi)有天冬氨酸情況下增殖；這表明細(xì)胞可利用丙酮酸鹽的電子受體制造產(chǎn)生天冬氨酸，這對(duì)于癌癥研究非常重要，因?yàn)榘┘?xì)胞經(jīng)常利用這種方式來(lái)進(jìn)行增殖。
另一篇研究報(bào)道中，研究者利用另外一種方法確定天冬氨酸和細(xì)胞呼吸之間的關(guān)聯(lián)，研究者利用基因編輯工具CRISPR進(jìn)行了一項(xiàng)遺傳篩查試驗(yàn)揭示，正常情況下，天門(mén)冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶可消耗天冬氨酸來(lái)將電子轉(zhuǎn)移到線粒體中。沒(méi)有天門(mén)冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶情況下，當(dāng)細(xì)胞呼吸被抑制時(shí)其就會(huì)死亡。后期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞呼吸作用喪失時(shí)，天門(mén)冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶會(huì)通過(guò)催化逆反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)液中產(chǎn)生天冬氨酸來(lái)補(bǔ)償線粒體天冬氨酸合成的缺失，丙酮酸鹽可以促進(jìn)天冬氨酸的合成，從而通過(guò)提供產(chǎn)生額外電子的地方來(lái)恢復(fù)細(xì)胞的增殖能力。
KivancBirsoy表示，研究揭示了呼吸在細(xì)胞增殖中的主要角色，這對(duì)于后期癌癥研究非常關(guān)鍵，對(duì)于線粒體疾病患者而言，他們往往會(huì)經(jīng)歷細(xì)胞呼吸等問(wèn)題。研究對(duì)于發(fā)現(xiàn)癌癥發(fā)病機(jī)制及新型療法會(huì)帶來(lái)一定幫助。