形質転換された哺乳類細胞株、昆虫、原発性肝細胞におけるグルコースとグルタミン代謝の比較分析

いくつかの培養哺乳類細胞株（BHK、CHO、およびハイブリドーマ細胞株）におけるグルコースとグルタミン代謝は、糖分解およびグルタミノリシスに関与する調節酵素の特定の最大活性と特定の利用率と形成速度を相関させることにより、調査されました。結果は、2つの昆虫細胞株と原発性肝細胞のデータと比較されました。フラックス分布は、放射性基質を使用して、代表的な哺乳類（BHK）および昆虫（spodoptera frugiperda）細胞株で測定されました。グルコースとグルタミン代謝の多くの側面での高度な類似性が、調べた培養哺乳類の細胞株の間で観察されました。特定のグルコース利用率は常に特定のヘキソキナーゼ活性に近く、グルコース（ヘキソキナーゼで触媒）からのグルコース-6-リン酸の形成が解糖の速度制限段階であることを示しています。グリコリシスをピルビン酸デヒドロゲナーゼ、ピルビン酸カルボキシラーゼ、ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼなどのトリカルボン酸サイクルと接続する重要な酵素の活性は検出できませんでした。BHK細胞のフラックス分布は、乳酸形成速度と非常に類似した解糖速度を示しました。グルコースまたはピルビン酸由来の炭素は、トリカーボン酸サイクルに入り、グルコースが主に解糖と乳酸形成を介して代謝されることを示しています。利用されたグルコースの約8％がペントースリン酸シャントを介して代謝されましたが、利用したグルコースの20〜30％は解糖、トリカルボン酸サイクル、またはペントースリン酸シャント以外の経路に従いました。利用されたグルタミンの約18％が酸化されており、グルタミンが哺乳類細胞株の主要なエネルギー源であるという概念と一致しています。血清を含まない低タンパク培地で培養した哺乳類細胞は、血清添加培地で培養された同じ細胞よりも高い利用率、フラックス率、および酵素活性が高いことを示しました。昆虫細胞はグルタミンに加えてグルコースとピルビン酸を酸化します。さらに、昆虫細胞は乳酸をほとんどまたはまったく産生せず、グリコリ酸中間体をトリカルボン酸サイクルに導くことができました。ここでさまざまな細胞株について提示されたタイプの代謝プロファイルは、最終的に成長率や生産性を改善することを期待して、バイオテクノロジーに関連する細胞の代謝パターンを妨害することができるようになります。

Glucose and glutamine metabolism in several cultured mammalian cell lines (BHK, CHO, and hybridoma cell lines) were investigated by correlating specific utilization and formation rates with specific maximum activities of regulatory enzymes involved in glycolysis and glutaminolysis. Results were compared with data from two insect cell lines and primary liver cells. Flux distribution was measured in a representative mammalian (BHK) and an insect (Spodoptera frugiperda) cell line using radioactive substrates. A high degree of similarity in many aspects of glucose and glutamine metabolism was observed among the cultured mammalian cell lines examined. Specific glucose utilization rates were always close to specific hexokinase activities, indicating that formation of glucose-6-phosphate from glucose (catalyzed by hexokinase) is the rate limiting step of glycolysis. No activity of the key enzymes connecting glycolysis with the tricarboxylic acid cycle, such as pyruvate dehydrogenase, pyruvate carboxylase, and phosphoenolpyruvate carboxykinase, could be detected. Flux distribution in BHK cells showed glycolytic rates very similar to lactate formation rates. No glucose- or pyruvate-derived carbon entered the tricarboxylic acid cycle, indicating that glucose is mainly metabolized via glycolysis and lactate formation. About 8% of utilized glucose was metabolized via the pentose phosphate shunt, while 20 to 30% of utilized glucose followed pathways other than glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, or the pentose phosphate shunt. About 18% of utilized glutamine was oxidized, consistent with the notion that glutamine is the major energy source for mammalian cell lines. Mammalian cells cultured in serum-free low-protein medium showed higher utilization rates, flux rates, and enzyme activities than the same cells cultured in serum-supplemented medium. Insect cells oxidized glucose and pyruvate in addition to glutamine. Furthermore, insect cells produced little or no lactate and were able to channel glycolytic intermediates into the tricarboxylic acid cycle. Metabolic profiles of the type presented here for a variety of cell lines may eventually enable one to interfere with the metabolic patterns of cells relevant to biotechnology, with the hope of improving growth rate and/or productivity.