비타민 C는 포도당에서 아스코르브산 생합성의 마지막 단계를 촉매하는 l -gulono-1.4-lactone oxidase( GULO 유전자에 의해 인코딩됨)의 기능 상실 돌연변이로 인해 인간과 다른 영장류에게 필수적인 미량 영양소입니다. 대부분의 진핵생물은 아스코르브산과 효모를 합성하여 관련 화합물인 에리트로-아스코르브산을 생성합니다. 비타민 C는 식단과 생체 내 에서 환원된(아스코르브산) 또는 산화된(디하이드로아스코르브산) 형태로 발견됩니다.수치​그림11A). C3 하이드록실에서 p K _a = 4.2 가 낮기 때문에 아스코르브산은 생리적 pH에서 아스코르브산 음이온으로 거의 완전히(>99%) 존재합니다. 인간의 심각한 비타민 C 결핍은 괴혈병을 유발하는데, 이는 비타민 C를 다시 섭취해야만 치료할 수 있는 치명적인 질병입니다. ¹ 괴혈병의 여러 가지 명백한 임상적 증상(오래된 상처가 다시 ​​열리고, 출혈, 치아와 잇몸이 빠지고, 피부 이상이 생김)은 성숙한 콜라겐 생성에서 아스코르브산의 오랜 역할과 분명히 관련이 있습니다. 다른 증상과 높은 사망률은 콜라겐 형성의 결함으로 설명하기가 더 어려웠으며, 이는 아스코르브산의 더 광범위한 필수 활동을 가리킵니다. 현대 세계에서 괴혈병이 발생하는 것은 드물지만, 부유한 나라에서도 심각한 비타민 C 결핍이 발생하는 것은 여전히 ​​흔합니다. ^2 − 4 최근 동물성 제품 기반(케토제닉 및 유사) 식단의 인기는 비타민 C 결핍의 발생률 또는 정도를 잠재적으로 증가시킬 수 있습니다. 비타민 C 결핍은 임신 중 영양 결핍으로 인해 발생하는 세대 간 유전적 효과에 적어도 부분적으로 책임이 있습니다. ⁵ 아스코르브산의 주요 생리적 기능에는 항산화제로서의 활동과 여러 세포 활동에 직간접적으로 관련된 점점 더 많은 효소의 중요한 보조 인자가 포함됩니다. 비타민 C에 대한 연구 관심의 부활은 유전학을 조절하는 주요 생화학적 과정에서의 중요성과 암 치료에서의 새로운 약속에 대한 최근의 발견으로 더욱 촉진되었습니다. 이러한 새로운 발견은 독성 물질, 약물 및 기타 스트레스 요인에 대한 세포 반응 조절에서 아스코르브산의 역할이 항산화 활동을 넘어 확장됨을 나타냅니다.

 

그림 1

비타민 C의 화학적 형태와 세포 대사. (A) 비타민 C의 주요 형태의 구조. 생리적 pH에서 환원된 비타민 C는 낮은 p K _a = 4.2로 인해 주로 아스코르브산 음이온으로 존재합니다. (B) 환원된(아스코르브산, Asc) 및 산화된(데히드로아스코르브산, DHA) 형태의 비타민 C의 세포 흡수. 데히드로아스코르브산의 세포 외 농도와 결과적으로 흡수의 중요성은 염증 반응 중에 많은 양의 산화제를 방출하는 세포(예: 호중구)에서 더 높습니다. 아스코르브산에 의한 Fe(III)의 세포 외 환원은 GLUT 포도당 수송체를 통해 세포로 유입되는 산화된 비타민 C의 또 다른 공급원입니다. Fe(II)는 2가 금속 수송체 DMT1을 통해 세포에 흡수됩니다.

비타민 C 흡수 및 생체 내 농도

아스코르브산은 나트륨 의존성 비타민 C 수송체(SVCT) 1과 2를 통해 세포에 유입됩니다. ^6 − 8 SVCT1(SLC23A1)은 장에서의 아스코르브산 흡수와 특히 신장에서의 재흡수에 중요합니다. 보다 널리 발현되는 SVCT2(SLC23A2)는 대부분 조직의 세포에 의한 아스코르브산 흡수를 담당합니다. 주요 생리학적 중요성과 일관되게 SVCT2 노크아웃 마우스는 출생 직후 거의 즉시 사망합니다. ⁹ 탈수아스코르브산은 구조적으로 포도당과 유사하며 GLUT 수송체를 통해 세포에 유입된 후 아스코르브산으로 빠르게 환원됩니다(수치​그림11B). 인간 혈장에는 평균 약 50μM의 비타민 C가 들어 있으며, 이는 주로 아스코르브산으로 구성되어 있습니다. 아스코르브산의 세포 농도는 훨씬 더 높고 대부분 조직의 경우 1~5mM 범위이지만 신경 세포, 부신 및 각막 상피에서는 10mM 이상에 이릅니다. ^10 , 11 아스코르브산은 더 분화된 자손과 비교하여 인간과 생쥐 조혈 줄기 세포에서 가장 극적으로 증가된 대사산물입니다(최대 18배). ¹² 줄기 세포에서 아스코르브산의 확립된 역할(아래 논의)에 따르면, 생체 내 다른 많은 줄기 세포, 아니면 모든 줄기 세포가 분화된 세포를 포함하는 대부분의 조직보다 훨씬 더 높은 아스코르브산 수치를 함유하고 있을 가능성이 있습니다 . 탈수아스코르브산의 혈장 농도는 낮지만(1~2μM), 인간 적혈구(SVCT1/2 단백질이 없는 세포)는 GLUT1 수송체를 통한 흡수 효율이 매우 높고 혈장 수준의 비타민 C 농도를 축적할 수 있으며, 이는 인간에서 생리적 저장소를 구성하는 것으로 제안됩니다. ¹³ 세포에서 아스코르브산의 수출 메커니즘은 현재 알려져 있지 않습니다. 조직 내 아스코르브산 농도가 높으면(혈장 농도의 20~200배) 인간에서 비타민 C의 전신 저장소로 자주 간주됩니다. 가정된 저장소 역할은 인간 조직에서 아스코르브산이 높은 주된 생물학적 이유는 아닐 것입니다. 아스코르브산의 조직 내 농도가 마찬가지로 높으며, 지속적으로 다량의 비타민 C를 생성하는 쥐와 래트에서도 아스코르브산이 존재하기 때문입니다(인간에게 권장되는 섭취량의 약 100배). 현재 매우 높은 아스코르브산 농도가 실제로 일부 세포(예: 줄기 세포)의 정상적인 기능에 필요하다는 명확한 실험적 증거가 있습니다. 괴혈병 수준의 비타민 C 결핍증은 현재로선 드물지만, 암 환자들에게서는 아스코르브산 수치가 현저히 낮은 경우가 많습니다. 실험 모델에서 아스코르브산 수치가 낮으면 암의 공격성이 높아지고 여러 항암 치료에 대한 반응이 제한되는 것으로 나타났습니다.

세포의 항산화 활동

아스코르브산은 일반적으로 수용성 항산화제로 알려져 있습니다. 그러나 특정 보호 활동의 중요성과 라디칼 제거제 및 항산화제로서의 전반적인 역할은 세포 항산화 방어에 대한 일부 포괄적인 검토에서 잘 다루어지지 않거나 완전히 무시됩니다. 작은 항산화제 중에서 글루타치온은 일반적으로 많은 주목을 받지만, 아래에서 논의한 바와 같이 아스코르브산에 비해 주요 세포 산화제의 직접적인 제거제로서 분명히 열등합니다. 아스코르브산에 대한 과소평가는 산화 스트레스 연구에서 가장 일반적으로 사용되는 생물학적 모델인 배양 세포에서 아스코르브산이 (거의) 존재하지 않기 때문일 수 있습니다. 아스코르브산이 없는 세포에서 글루타치온은 확실히 반응성 산소종(ROS)의 직접 해독에서 핵심적인 작은 항산화제 역할을 합니다. ROS에 의한 세포 손상의 상당 부분은 아크롤레인, 크로토날데히드, 4-하이드록시-2-노네날과 같은 지질 산화의 반응성 생성물에서 자주 발생합니다. 글루타치온과 다른 작은 티올은 불활성 접합체를 형성하여 알데히드, 특히 가장 독성이 강한 α,β-불포화 알데히드 그룹의 독성으로부터 보호합니다. ^14 – 16 이 특성은 환원제(전자 공여체) 역할을 하며 반응성 카르보닐과 공유 결합을 형성하지 않는 아스코르브산에는 공유되지 않습니다. 그러나 아래에서 논의한 대로 아스코르브산은 1차 ROS 제거에 글루타치온보다 훨씬 효과적입니다.

아스코르브산은 다양한 유기 라디칼과 ROS와 반응할 수 있기 때문에 광범위한 항산화제입니다. 아스코르브산에 의한 ROS 및 기타 라디칼의 1전자 환원은 공명 안정화 아스코르브산 라디칼을 형성하는데, 이는 다른 생체 분자와 전혀 반응하지 않으며 주로 다른 아스코르브산 라디칼과의 불균형 반응을 통해 손실되어 아스코르브산과 탈수소아스코르브산을 생성합니다. ¹⁷ 광범위한 라디칼/ROS 반응성은 아스코르브산에만 국한되지 않으며, 세포에 아스코르브산과 비슷한 농도로 존재하는 글루타치온을 포함한 티올에서도 발견됩니다. 예를 들어, 글루타치온과 아스코르브산은 모두 매우 독성이 강한 하이드록실 라디칼( ^• OH)을 제거하는 데 매우 효과적입니다. 아스코르브산과 글루타치온의 가장 풍부한 세포 ROS인 H ₂ O ₂ 와의 반응성은 매우 제한적이며(속도 상수는 각각 2 × 10 M ^–1 s ^–1 및 0.9 M ^–1 s ^–1 ) ¹⁸ 생리학적으로 의미가 있을 가능성은 낮습니다. H ₂ O ₂ 독성 억제에 있어 글루타치온의 중요성은 글루타치온 퍼옥시다제(GPX)의 보조 인자로서의 역할에서 비롯되며, 특히 세포에 약 1 μM 농도로 존재하고 H ₂ O _{2 에 대한 속도 상수는 2 × 10} ⁷ M ^–1 s ^–1 입니다 . ¹²³ 속도 상수에 세포 내 GPX1과 아스코르브산 농도(5 mM)를 곱하면 H ₂ O ₂ 제거 속도가 각각 20 s ^–1 및 0.01 s ^–1 과 같습니다 . 따라서 GPX1의 효소 활성은 아스코르브산과 비교하여 H ₂ O _{2 해독에서 2000배 더 효과적일 것으로 예상되며 글루타치온을 사용한 비효소적 제거에 비해 훨씬 더 높을 것으로 예상됩니다. 카탈라아제와 퍼옥시레독신-1(PRDX1)은 H 2} O _{2 를 H 2} O 로 전환하여 제거하는 다른 풍부하고 매우 효과적인 효소 시스템을 나타내며 , 이는 세포 내 H ₂ O ₂ 해독이 주로 생물학적 메커니즘에 기반을 두고 있으며 작은 항산화제와의 직접적인 화학 반응에서 최소한의 기여를 포함할 가능성이 있음을 추가로 나타냅니다. 아스코르브산은 매우 친수성 분자이지만 토코페록실 라디칼을 환원시켜 지질의 산화를 억제하고 주요 지용성 항산화제인 비타민 E의 수준을 유지합니다. ^19 , 20이 역할에 맞춰 생리학적 수준의 아스코르브산을 첨가하면 배양된 세포에서 지질 과산화물 의존적 세포 사멸(페로프토시스)이 억제됩니다. ²¹ 글루타치온은 주요 지질 과산화물 제거 효소인 GPX4에 대한 보조 인자 역할을 하기 때문에 페로프토시스 예방에 훨씬 더 중요할 것입니다. ²² 따라서 아스코르브산과 글루타치온은 모두 지질 과산화와 페로프토시스를 억제하지만 기전적으로 서로 다른 메커니즘을 통해 억제합니다.

아스코르브산과 글루타치온(일반적으로 작은 티올) 간의 주요 ROS 직접 소거의 주요 차이점은 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(O ₂ ^•– )과의 반응성에서 발견되는데, 이는 아스코르브산의 경우 글루타치온보다 100배 이상 높습니다. 아스코르브산의 속도 상수는 2.9 × 10 ⁵ M ^–1 s ^–1 (두 연구의 평균)이고, ^23 , 24 글루타치온에 대해 보고된 가장 높은 속도 상수는 1.1 × 10 ³ M ^–1 s ^–1 입니다 . ²⁵ 글루타치온의 속도 상수에 대한 다른 추정치는 훨씬 낮습니다. ^15 , 18 O ₂ ^{•– 는} 미토콘드리아의 호흡 대사, 생리적 효소 활동(NADPH 산화효소, 잔틴 산화효소) 및 다양한 약물과 독성 물질의 산화환원 순환 중에 발생하는 주요 세포 ROS입니다. ^15 , 18 세포 효소 SOD1/2에 의한 O ₂ ^•– 의 불변화는 과산화수소(H ₂ O _{2 )를 생성하는 반면, O 2} ^•– 와 약한 산화제인 일산화질소( ^• NO) 의 반응은 2차 산화제인 과산질소산염(ONOO ^– )을 생성합니다. H ₂ O ₂ 와 ONOO ^–는 이후 매우 반응성이 강한 OH ^• 라디칼(수치​그림22). 풍부함(10 μM 이상) ²⁶ _{과 O 2} ^•– 제거 시 세포질 SOD1의 매우 높은 활성 ( k = 2 × 10 ⁹ M ^–1 s ^–1 ), ^27을 고려할 때 아스코르브산이 이 주요 ROS 제거에 의미 있는 기여를 할 수 있는지 묻는 것이 중요합니다. 세포 농도와 속도 상수를 사용하여 반응 속도를 계산하면(SOD1: 10 μM × 2 × 10 ⁹ M ^–1 s ^–1 = 2 × 10 ⁴ s ^–1 ; 아스코르브산: 5 mM × 2.9 × 10 ⁵ M ^–1 s ^–1 = 1.5 × 10 ³ s ^{–1 ), SOD1은 아스코르브산보다 O} ₂ ^•– 제거에 13.3배 더 효과적인 것으로 보입니다 . 이 차이는 세포질 초산화물을 제거하는 데 아스코르브산이 7% 기여한다는 것을 의미합니다. 특히 농도가 높은 세포(줄기 세포, 뉴런, 각막 상피)에서 아스코르브산은 O ₂ ^•–를 제거하는 데 더 큰 영향을 미치고 SOD1 활동을 더 크게 보완해야 합니다. 초산화물 제거 활동이 과산질소 형성을 감소시키지만 아스코르브산은 일산화 질소의 주요 생리적 운반체인 S- 니트로소글루타티온에서 ^• NO 의 방출을 가속화하는 것으로 알려져 있습니다 . 세포 배양에서 특정 금속 킬레이트제를 사용하면 이 활동이 산화환원 활성 Cu의 가용성에 의존한다는 것을 발견했습니다. ²⁸ 세포 내 자유 Cu 이온 농도가 엄격하게 제어되므로 아스코르브산으로 촉진된 S- 니트로소글루타티온의 분해는 세포 외부에서 더 많이 발생하는 것으로 보입니다.

 

그림 2

주요 세포 ROS 및 항산화 메커니즘. 슈퍼옥사이드 음이온 라디칼(O ₂ ^•– )은 다양한 생리적 및 병리생리적 과정에 의해 생성되는 주요 ROS입니다. SOD 또는 아스코르브산(Asc)에 의한 O ₂ ^•– 의 환원 은 덜 반응성이지만 더 확산성이 있는 H ₂ O _{2 를} 생성하며 , 이는 카탈라제, 퍼옥시레독신 1(PRDX1), 글루타치온 퍼옥시다제 1(GPX1)에 의해 해독됩니다. H ₂ O ₂ 와 유리 Fe(II) 및 덜 빈번하게 Cu(I)의 반응은 매우 손상적인 ^{• OH 라디칼을 생성합니다. 일산화질소 라디칼( •} NO)과 O ₂ ^•– 의 반응에서 생성된 퍼옥시니트리트의 분해 동안 하이드록실 및 기타 반응성 라디칼도 형성됩니다 . 생물학적 과정과 비교했을 때 아스코르브산은 H ₂ O ₂ 의 해독에 크게 기여하지 않으며 대부분의 세포에서 세포질 O ₂ ^•– 제거에 미미한 역할을 합니다 . H ₂ O ₂ 와 ONOO 에서 발생하는 2차 라디칼(3차 ROS ^)은 특수한 효소 방어력이 없으며 아스코르브산과 작은 티올(글루타치온)과 같은 작은 항산화제에 의해 주로 해독됩니다. 세포에는 또한 싱글렛 산소( ¹ O _{2 )를 제거하기 위한 효소 과정이 없으며 이는 아스코르브산이 H 2} O ₂ 로의 2전자 환원을 통해 효과적으로 제거합니다 . 세포질과 달리 핵은 SOD 활동이 최소이거나 전혀 없어서 이 세포 구획에서 슈퍼옥사이드를 청소하는 데 아스코르브산의 중요성이 커집니다.

_{H 2} O ₂ 및 O ₂ ^•– 와 대조적으로 3차 ROS( ^• OH, ^• CO ₃ ^– 및 ^• NO ₂ 라디칼)수치​그림22) 효소 방어력이 부족하고 주로 아스코르브산과 작은 티올과의 직접 반응에서 제거됩니다. 아스코르브산은 이산화질소와 카르보닐 라디칼의 해독에서 글루타치온보다 더 중요할 것으로 예상됩니다. ^• CO ₃ ^– 와 ^• NO _{2 는 모두 생리적 pH에서 총 글루타치온의 작은 분율(5%)에 불과한} ^티올 레이트 음이온(RS ^– ) 과 우선적으로 반응합니다. RSH 형태의 우세는 수소 추출을 통해 진행되는 글루타치온과 ^• OH 의 반응에 유리합니다 . ^• OH와 글루타치온(1.6× ^1010M - 1s - ¹ ) 및 아스코르브산(4.5×109M ^- 1s - 1 ⁾ 의 반응에 대한 속도 상수는 ^{30 매우 높고 차이 가} 크지 않아 이러한 항산화제의 하이드록실 라디칼 해독에 대한 상대적 기여도는 주로 세포 농도의 함수임을 나타냅니다.

아스코르브산에 의해 효과적으로 제거되는 또 다른 주요 세포 산화제는 전자적으로 여기된 O ₂ 상태인 싱글렛 산소( ¹ O ₂ )입니다 . 라디칼은 아니지만 ¹ O ₂ 는 강력한 산화제이자 돌연변이원입니다. 싱글렛 산소는 생체 분자와 자외선 및 가시광선의 광반응에서 생성되고 특정 효소 반응(예: 지질 과산화효소)에 의해 방출됩니다. ^{31 세포에는 싱글렛 산소의 해독을 위한 특수 효소가 없으며 이 산화제에 대한 보호를 위해 작은 항산화제에 의존합니다. 아스코르브산과 1} O ₂ 의 반응에 대한 속도 상수는 매우 높고( k = 3 × 10 ⁸ M ^–1 s ^–1 ) ³² 초산화물이나 과산화수소를 해독하는 특수 효소의 속도 상수와 비슷합니다. 다른 ROS와의 반응과 달리 아스코르브산은 싱글렛 산소 제거에서 2전자 공여체 역할을 합니다.

^{글루타치온에 의한 1} O ₂ 소거 도 비교적 빠르지만( k = 2.4 × 10 ⁶ M ^–1 s ^–1 ) ³³ 아스코르브산에 의한 소거보다 약 100배 더 느립니다. 글루타치온의 싱글렛 산소 반응성 형태는 생리적 pH(글루타치온의 경우 p K _a = 8.7) 에서 소량으로 존재하는 티올레이트 음이온입니다 . 따라서 아스코르브산은 분명히 ¹ O ₂ 의 지배적인 소분자 소거제입니다 . ¹ O ₂ 해독에 있어서 그 중요성을 뒷받침하는 생물학적 근거는 인간 각막 상피 ​​세포에 아스코르브산이 고농도로 존재한다는 것입니다(약 8 mM) ^{34 이} 세포는 지속적으로 자외선과 가시광선에 노출되어 싱글렛 산소가 대량으로 형성됩니다. 이 해석과 일관되게 야행성 동물은 주행성 동물에 비해 각막 상피에서 아스코르브산 수치가 상당히 낮습니다. 각막 아스코르브산의 자외선 유도 DNA 손상에 대한 보호 효과는 생체 내에서 확인되었습니다 . ^35 , 36 아스코르브산이 2개 전자 전달을 통해 강력한 독성 물질과 반응하는 또 다른 예는 발암성 크롬(VI)의 환원입니다. ³⁷ Cr(VI)와 아스코르브산의 반응은 비산화 Cr(IV)를 생성합니다. Cr(VI)가 티올과 반응하는 경우 환원은 1개 전자 전달을 통해 진행되고, 생성된 생성물인 Cr(V)는 강력한 산화제로 DNA 파손을 일으키고 ³⁸ 산화제에 민감한 키나제 ATM에 의한 전사 인자 p53의 인산화를 일으킵니다. ³⁹

항산화제의 라디칼 소거 활동은 게놈 안정성 보존을 포함한 세포의 모든 생리적 기능에 중요한 것으로 알려져 있습니다. 주요 ROS 해독 효소는 명확한 세포 내 구획화를 보입니다. SOD1, PRDX1 및 GPX1은 주로 세포질에 있고, SOD2는 미토콘드리아 효소이며, 카탈라제는 퍼옥시좀에 있습니다. 핵은 대부분의 세포에서 두 번째로 큰 구획이며, 정상적인 조건에서는 이러한 항산화 효소를 상당 수준 포함하지 않는 것으로 보입니다. 심각한 산화 스트레스는 항산화 유전자의 전사 조절과 관련된 SOD1의 핵 전좌를 일으킬 수 있습니다. ⁴⁰ 효소 방어의 부족으로 인해 핵은 작은 항산화제의 항-ROS 활동에 더 의존하게 됩니다. 아스코르브산의 핵 농도는 아직 구체적으로 확립되지 않았지만, 핵 모공이 분자량이 <1000 Da인 분자의 자유 확산을 허용하기 때문에 세포질의 농도와 유사할 것으로 예상됩니다. 아스코르브산 음이온(175.1)의 분자량은 이 임계값보다 훨씬 작아서 핵과 세포질 풀 사이에 거의 평형을 촉진해야 합니다. 인간 배양 세포에서 면역현미경 기반 측정을 통해 핵의 아스코르브산 수치가 세포질의 아스코르브산 수치보다 높은 것으로 나타났습니다. ⁴¹ 그러나 면역현미경에 사용된 알데히드 고정이 소분자 아스코르브산의 유지 및 검출에 효과적일 수 있는지 여부는 불분명합니다. SOD가 (거의) 없는 경우 아스코르브산은 핵 내부의 슈퍼옥사이드 제거에 지배적인 역할을 할 것으로 예상됩니다. 핵에서 SOD1이 명백히 배제된 것은 DNA와 접촉했을 때 가닥 절단을 일으키는 이 효소의 유해한 유전독성 효과를 피하는 것과 관련이 있을 수 있습니다. ^42 , 43 세포질과 유사하게 아스코르브산은 돌연변이 유발성 싱글렛 산소의 주요 환원제 역할도 해야 합니다. 아스코르브산에 의한 ¹ O ₂ 와 O ₂ ^•– 환원 의 생성물인 H ₂ O ₂ 는 반응성이 낮고 확산성이 더 크며 세포질로 유입되면 효소적으로 제거될 수 있습니다. 핵 O ₂ ^•– 제거에 있어서 아스코르브산의 효과 는 핵 산화제에 민감한 신호 전달의 정도로부터 판단할 수 있습니다. 산화환원 활성 약물인 블레오마이신은 DNA를 절단하고 슈퍼옥사이드를 방출하여 각각 DNA 손상 의존적 메커니즘과 직접 산화 매개 메커니즘을 통해 핵 키나제 ATM을 활성화시킵니다. 아스코르브산의 생리적 농도는 ATM의 직접 산화 매개 활성화와 핵질 표적 CHK2의 인산화를 강력하게 억제했습니다. ⁴⁴이러한 관찰 결과는 아스코르브산이 핵에서 O ₂ ^•– 의 해독에 중요한 역할을 한다는 개념을 실험적으로 뒷받침합니다 .줄기 세포는 분화된 자손에 비해 아스코르브산의 농도가 훨씬 높은데, ¹² 이는 DNA 탈메틸화 활성과 줄기 세포의 유전자 발현에 대한 후생유전적 재프로그래밍에서 아스코르브산의 보조 인자 활성이 필요하다는 것과 관련이 있습니다.DNA 탈메틸화효소(TET 단백질)에서 Fe(III)를 Fe(II)로 환원하는 데 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제의 다른 구성원보다 10배 이상 높은 아스코르브산 농도가 필요한 이유는 불분명합니다.또 다른 가능성은 TET 단백질에서 Fe(III) 환원에 필요한 아스코르브산 농도가 중단된 촉매 주기 동안 생성된 O ₂ ^•– 를 제거하는 데 필요한 만큼 필요하지 않다는 것입니다 .그렇지 않으면 효소를 불활성화할 수 있습니다. TET 효소의 활성 중간체는 Fe(II)-O ₂ 로 , 촉매적으로 사용되지 않으면 Fe(III)-O ₂ ^{•– 를 형성하여 국소적으로 또는 O} ₂ ^•– 가 방출될 때 손상을 일으킬 가능성이 있습니다 . 유사한 메커니즘이 Fe(II) 결합 O ₂ 에 의한 블레오마이신의 슈퍼옥사이드 방출과 자가 불활성화를 담당하며 , 이는 외부 기질이 없는 상태에서 발생합니다. ^44 , 45 _{산소 활성화와 기질 산화 간의 분리는 Fe(II) 의존성 미세소체 CYP450 모노산소화효소에서 비교적 높은 빈도로 발생합니다. 이러한 효소는 초기 Fe(II)-O 2} 옥시 복합체 의 붕괴로 인해 슈퍼옥사이드를 방출합니다 . ⁴⁶ 많은 기질의 경우 결합 효율이 10% 미만이므로 CYP450에서 Fe-활성 산소의 상당 부분이 ROS로 방출됨을 나타냅니다. ¹⁵ TET 단백질에 의한 DNA의 산화적 탈메틸화에서 분리 빈도는 현재 알려져 있지 않습니다.

세포질 효소의 보조 인자

아스코르브산은 60개 이상의 세포 효소에 대한 가용성 보조 인자로, 생리적 과정에 광범위한 영향을 미치며 임신 중 모체의 비타민 C 결핍으로 인해 발생하는 괴혈병과 발달 이상에서 여러 임상 증상과 일치합니다. 아스코르브산을 비결합 보조 인자로 사용하는 주요 효소는 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제입니다. 2-옥소글루타르산은 보조 기질로 작용하고 Fe(II)는 O ₂ 결합 보조 인자로 작용합니다. 이러한 효소의 촉매 반응에는 Fe(II) 결합 O ₂ 에서 기질로 산소 원자 하나가 전달되고 수산화 생성물이 생성됩니다. 다른 산소 원자는 2-옥소글루타르산으로 전달되어 탈탄산화되고 석신산과 CO ₂ 가 방출됩니다 (수치​그림33A). 촉매 주기가 끝나면 Fe(II)는 O _{2 와 결합할 수 없는 Fe(III)로 산화} ^됩니다.47 콜라겐 변형 프로릴-4-하이드록실화효소는 아스코르브산을 사용하여 Fe(III)를 Fe(II)로 환원시켜 효소 활성을 회복하는 전형적인 디옥시게나제입니다.프로릴 잔류물의 하이드록실화는 콜라겐 섬유의 올바른 접힘과 그로 인한 안정적인 세포외 기질의 형성에 필수적입니다.48 ^괴혈병 에서 성숙한 콜라겐 섬유의 손실은 오래된 상처의 개방, 피부 변형, 출혈 및 치아 상실의 원인이 됩니다.현대 사회에서는 괴혈병이 흔하지 않지만 암 환자에게는 비타민 C 수치가 상당히 고갈된 경우가 많습니다.16 ^이러한 부족은 세포외 기질과 세포 간 부착을 약화시키고 종양 침습과 전이를 촉진할 수 있습니다.

 

그림 3

아스코르브산이 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제 활성에 미치는 역할. (A) Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제에 의한 산화적 수산화의 일반적 메커니즘. Fe(II) 결합 O _{2 는} 기질과 보조 기질인 2-옥소글루타르산의 산화적 수산화에서 산소 원자의 공급원으로 작용한다. 아스코르브산(Asc)은 Fe(III)를 Fe(II)로 환원시키는 역할을 하며, 이는 각 촉매 주기 후에 디옥시게나제 활성을 회복시킨다. (B) 정상 산소 세포에서 저산소 유도 전사 인자인 HIF-1α 및 HIF-2α의 구성적 분해. HIF-1α/2α는 지속적으로 생성된 후 정상 산소에서 특정 Pro 잔류물(HIF-1α의 Pro402 및 Pro564)의 O ₂ 의존적 수산화를 통해 즉시 분해되도록 한다. 수산화된 프로린은 VHL에 의해 인식되고, 이는 두 HIF의 폴리유비퀴틴화(Ub _n )와 그에 따른 프로테아좀에 의한 단백질 분해를 유발합니다. 아스코르브산은 HIF를 표적으로 하는 프로릴 수산화효소 PHD1–3의 활성을 유지하기 위해 Fe(III)를 Fe(II)로 환원하는 선호되는 환원제 역할을 합니다. 정상 산소 조건에서 HIF-1α의 또 다른 수산화 부위는 Asn803으로, 전사 공활성화제 p300/CBP(표시되지 않음)의 결합을 조절합니다. Asn803 수산화는 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제 FIH에 의해 매개되며, 이 효소의 활성은 아스코르브산에 의해 Fe(III)를 Fe(II)로 환원시켜 촉진됩니다. (C) TET 효소에 의한 메틸기의 순차적 산화에 의한 게놈 5-메틸시토신(5-mC) 제거. 아스코르브산은 각 촉매 사이클 후 TET 활성을 회복하기 위해 Fe(III)를 Fe(II)로 환원하는 데 필요합니다. BER, 염기 절제 복구; 5-hmC, 5-히드록시메틸시토신; 5-fC, 5-포르밀시토신; 및 5-caC, 5-카르복시시토신. (D) 히스톤 라이신의 탈메틸화에서 아스코르브산의 역할. Jumanji C(JmjC) 도메인을 포함하는 히스톤 탈메틸화효소는 라이신의 트리-, 디-, 모노메틸화된 ε-아미노기에서 메틸기를 제거하는 것을 촉매합니다. 탈메틸화효소 활성의 산물인 히드록시메틸기는 불안정하고 포름알데히드 형태로 자발적으로 방출됩니다. 다른 디옥시게나제와 마찬가지로 아스코르브산은 각 반응 사이클 후 JmjC 탈메틸화효소의 활성을 회복하기 위해 Fe(III)를 Fe(II)로 환원하는 데 관여합니다.

아스코르브산은 또한 PHD1–3에 의한 프로린 수산화의 자극을 통해 저산소 유도 인자인 HIF-1α 및 HIF-2α의 안정성 제어에도 관여합니다. ^49 − 52 프로린 수산화된 HIF는 VHL을 포함하는 E3 유비퀴틴 리가제에 의해 인식되며 이는 폴리유비퀴틴화와 26S 프로테아좀에 의한 후속 분해를 유도합니다.수치​그림33_{B). HIF-1α/HIF-2α 단백질의 안정화는 O 2} 손실 시 빠르게 일어나지만 , PHD 결합을 위해 Fe(II)와 경쟁하는 2가 금속 이온(Co ²⁺ , Ni ²⁺ , Mn ^{2+ ), 2-옥소글루타르 산 유사체 및 ROS에 의해서도} _{유도될 수 있습니다. H 2} O ₂ 와 같은 산화제는 ^PHD1–3 에서 기능적으로 중요한 Cys-SH 그룹을 직접 손상시킬 수 있지만, 특히 세포 배양에서 HIF1/2-Pro 수산화 활성의 억제는 산화제로 유도된 아스코르브산 고갈로 인해 더욱 악화될 수 있습니다. ^50 , 55 Pro 수산화가 없으면 HIF-1α/HIF-2α가 빠르게 안정화되고, 이후 안정한 서브유닛인 HIF-1β에 결합하여 이종이합체의 핵 이동이 발생합니다. HIF-1α의 완전한 활성화에는 Asn803의 FIH 매개 수산화가 손실되어야 하며, 이를 통해 전사 공활성화제 p300/CBP가 모집됩니다.56 ^FIH 는 아스코르브산에 의해 수산화 활성이 촉진되는 또 다른 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제입니다 ^.52 고형 종양에서 전사 인자인 HIF-1을 활성화하면 침습성과 전이가 증가하는 것으로 알려져 있습니다.57 ^이 공격적인 표현형은 적어도 부분적으로 종양의 아스코르브산 결핍에 의존합니다.예를 들어, 인간 자궁 내막암에 대한 연구에서 고등급 종양은 HIF-1α 단백질 수치가 가장 높고 아스코르브산 결핍인 것으로 나타났습니다.58 ^{아스코르브} 산 결핍의 Gulo ^–/– 마우스 모델 에서 생리학적 수준의 비타민 C를 회복하면 종양 성장과 HIF-1 경로 활성이 억제되었습니다. ⁵⁹ 아스코르브산 결핍 식단을 섭취한 Gulo ^{–/– 마우스는 저산소증을 모방하는 발암 물질인 니켈에 의해 형성된 종양의 형성과 성장이 더디다는 점도 보였습니다 .60} 인체 악성 종양의 비타민 C 결핍 상태는 일부 암에 의한 아스코르브산 축적 부족, 고형 종양에서의 제한된 혈액 순환, 많은 암 환자에게서 발견되는 낮은 전신 아스코르브산 수치 등 여러 가지 원인에서 비롯됩니다.

HIF1/2는 가장 잘 알려져 있지만 유일한 것은 아닌 프로릴 하이드록실화효소 PHD1–3의 표적입니다. 최근 발견된 PHD2의 새로운 기질은 성장 인자 수용체의 유사 분열 신호 전달에서 대사 분지를 조절하는 세린-트레오닌 단백질 키나제 AKT입니다. 성장 인자 자극에 반응하여 AKT는 단백질 인산화효소 2A에 의해 역전되는 Thr308에서 인산화에 의해 활성화됩니다. 이 인산화효소의 모집은 PHD2에 의한 AKT의 Pro 하이드록실화에 반응하여 발생합니다. ⁶¹ 아스코르브산에 의존하는 것으로 오랫동안 여겨져 온 세포질의 또 다른 생화학적 과정은 카르니틴 생성입니다. 카르니틴 생합성의 첫 번째 단계는 또한 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제 계열의 구성원인 6- N- 트리메틸리신 하이드록실화효소에 의해 촉매됩니다. 카르니틴은 장쇄 지방산을 미토콘드리아로 운반하고 β-산화를 통해 ATP를 생성하는 데 필요합니다. 놀랍게도 조직 비타민 C가 심각하게 결핍된 쥐(정상 동물에 비해 <2%)는 혈청과 여러 장기에서 카르니틴 수치에 유의미한 변화를 보이지 않았습니다. ⁶² 6- N- 트리메틸리신 하이드록실화효소가 아스코르브산에 대한 Km _이 매우 낮은 지, 아니면 촉매적 Fe(III)에서 Fe(II)를 복원하기 위한 환원제 선택에서 더 난잡한지는 불분명합니다 .

후생유전학적 조절에서의 아스코르브산

유전자 발현의 재프로그래밍은 세포 비타민 C에 의해 강하게 영향을 받는 가장 최근에 발견된 기본적인 생물학적 과정입니다. 아스코르브산에 대한 이 발견이 늦은 것은 유전자 발현 제어의 두 가지 중요한 단계인 DNA의 5-메틸C 탈메틸화와 히스톤의 라이신 탈메틸화에 대한 생화학적 메커니즘이 비교적 최근에야 정의되었다는 사실과 관련이 있습니다. 세포 배양과 생체 내 연구에 따르면 아스코르브산은 DNA의 시토신 메틸화를 제거하는 10-11 전좌(TET1-3) 단백질 패밀리의 보조 인자 역할을 하여 배아줄기세포나 분화된 세포에서 후생유전적 기억을 지우는 데 중요하다는 것이 분명하게 나타났습니다. ⁶³ 시토신 메틸화는 CpG 다이뉴클레오타이드의 C5 위치에서 발생하며 일반적으로 전사 억제 표식으로 작용합니다. TET 효소는 Fe(II) 의존성 디옥시게나제로, 5-메틸시토신을 먼저 수산화하여 5-하이드록시메틸시토신으로 만들고, 이를 다시 산화하여 5-포르밀시토신과 5-카복시시토신으로 만드는 일련의 연속적인 산화를 촉매합니다. 마지막 두 산화 생성물은 티민 DNA 글리코실라제에 의한 염기 절제 복구 과정에서 제거되고 메틸화되지 않은 시토신으로 대체됩니다(수치​그림33C). 재조합 TET 단백질을 사용한 시험관 내 검정 외에도 다양한 배양 세포와 생체 내 에서 5-메틸시토신의 탈메틸화에서 아스코르브산의 중요성에 대한 명확한 증거가 있습니다 .64 ^− 66 인간 배아줄기세포에 아스코르브산을 첨가하면 1847개 유전자의 광범위하고 특정적인 DNA 탈메틸화가 수반되어 이들의 에피게놈에 극적인 영향을 미쳤습니다.67 ^{아스코르브 산} 탈메틸화된 유전자 그룹에는 인간 배아줄기세포의 분화 중에 5-메틸시토신이 손실되고 2가 표지를 포함하는 유전자 세트가 포함되었습니다. 조혈줄기세포의 높은 아스코르브산 함량은 DNA 탈메틸화, TET2 의존적 유전자 발현 시그니처, 분화 자극 및 백혈병 발병 억제에 필요했습니다. ^12 , 68 유도만능줄기세포를 생성하기 위한 후성유전적 기억의 소거는 아스코르브산이 Fe(III)을 Fe(II)로 환원시켜 활성화시키는 것으로 나타난 TET 단백질에 의한 활성 DNA 탈메틸화에 의존했습니다.69 ^발달 하는 뇌에서의 분화 효과 외에도, ⁷⁰ TET 의존성 DNA의 국소적 탈메틸화는 성인 뇌의 신경 세포에서 지속적으로 발생하며, 이는 신경 세포 활동과 기억 형성에 중요합니다.71 ^{− 73 신경} 변성의 마우스 모델에서 비타민 C 결핍은 뇌 인지 기능을 손상시키고 아밀로이드 축적과 침전을 증가시켰습니다.74 ^조혈 줄기세포에서 효율적인 DNA 탈메틸화에는 다른 아스코르브산이 촉진하는 효소 과정보다 더 높은 아스코르브산 농도가 필요했습니다.12 ^, 68 TET 매개 DNA 탈메틸화의 이러한 특성은 생체 내 조혈줄기세포와 신경 세포에서 비정상적으로 높은 아스코르브산 농도가 유지되는 이유일 수 있습니다 . 이러한 세포는 또한 산화 스트레스에 특히 민감하며, 이는 골수의 저산소 틈새에 조혈 줄기 세포가 거주하고 뇌 세포가 산화제나 단백질 또는 DNA 손상을 처리하는 능력이 저하되어 나타나는 수많은 신경 퇴행성 질환에서 입증됩니다. 뉴런은 지속적으로 많은 양의 슈퍼옥사이드를 생성하는 것으로 보이며, 이는 SOD 활동 외에도 효율적인 제거를 위해 정상적인 수준의 아스코르브산이 필요합니다. ⁷⁵

번역 후 히스톤 변형은 크로마틴에서 유전자 발현의 후성 유전적 조절의 두 번째이자 보다 역동적인 수준을 나타냅니다. N-말단 꼬리에 위치한 라이신의 메틸화는 크로마틴에 침전된 히스톤에서 발생하는 잘 알려진 변형 중 하나입니다. 라이신 메틸화의 가장 빈번한 부위는 히스톤 H3의 K4, K9, K27, K36 및 K79와 히스톤 H4의 K20입니다. 라이신은 N-6 위치에서 모노-, 디- 및 트리메틸화될 수 있습니다. 히스톤 H3의 K4, K36 및 K79에서 트리메틸화는 활발하게 전사되는 유전자와 관련이 있는 반면, 트리메틸화된 K9 및 K27의 존재는 유전자 억제와 관련이 있습니다. ^76 , 77 히스톤 라이신의 메틸화 상태는 세포의 전사 요구에 따라 동적으로 조절됩니다. 히스톤 라이신의 메틸화는 오래 전부터 알려져 있었지만, 라이신 탈메틸화효소는 비교적 최근에 발견되었습니다. 촉매 메커니즘과 기질 특이성이 다른 두 종류의 히스톤 라이신 탈메틸화효소가 있습니다. 대부분의 라이신 탈메틸화효소는 JmjC 도메인을 포함하는 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제(효소 20개 이상) 종류에 속하며, 히스톤의 모든 위치에서 라이신을 탈메틸화할 수 있고 모노, 디, 트리메틸화된 N-6을 탈메틸화할 수 있습니다. 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드 의존성 아민 산화효소인 LSD1(KDM1A)과 LSD2(KDM1B)는 두 번째 종류의 히스톤 라이신 탈메틸화효소를 나타냅니다. ^78 , 79 LSD1 및 LSD2는 모노 또는 디메틸화된 라이신에서만 메틸기를 제거할 수 있으며 히스톤 H3의 메틸화된 라이신-4에 특이적으로 작용합니다. LSD1/2에 의한 메틸화된 라이신의 아민 산화는 불안정한 이민을 생성하여 자발적으로 가수분해되어 포름알데히드를 방출하고 메틸화되지 않은 라이신을 생성합니다.

JmjC 히스톤 탈메틸화효소는 리신의 메틸기 수산화를 촉매하여 포름알데히드 형태로 분해합니다.수치​그림33D). ⁸⁰ 다른 Fe(II)/2-옥소글루타르산 의존성 디옥시게나제와 유사하게, JmjC 히스톤 탈메틸화효소는 최적의 촉매 활성을 위해 아스코르브산을 필요로 합니다. 아스코르브산이 분석에서 제외되었을 때 JmjC 하이드록실화효소에 의한 시험관 내 히스톤 라이신 탈메틸화가 억제되었습니다. ^81 , 82 세포 모델에서 아스코르브산은 H3K36 및 H3K9 탈메틸화효소의 활성화제 역할을 함으로써 체세포를 유도 다능성 줄기 세포로 재프로그래밍하는 동안 히스톤 탈메틸화와 후생유전적 변화에 중요한 요인으로 확인되었습니다. ^83 , 84 줄기 세포에서 아스코르브산으로 유도된 H3K9me2의 탈메틸화는 히스톤 탈메틸화효소 Kdm3a 및 Kdm3b의 특정 활성화로 인해 발생했습니다. 중요한 점은 비타민 C에 의해 자극되는 Kdm3a/b에 의해 매개되는 H3K9me2 탈메틸화와 TET에 의해 매개되는 DNA 탈메틸화가 독립적인 과정이었다는 것입니다. ⁸⁵ 핵 아스코르브산이 모든 JmjC 히스톤 탈메틸화효소의 활성에 대한 주요 자극 요인인 것으로 예상되지만, 다른 Fe(III) 환원제에 비해 그 수준에 대한 민감도의 정도는 다를 수 있습니다.

암 치료에서의 비타민 C

1970년대에 노벨상을 수상한 생화학자 라이너스 폴링이 주도하고 말기 암 환자를 대상으로 정맥 주사로 비타민 C를 대량 투여한 두 건의 공개 연구에서 생존에 상당한 유익한 효과가 있는 것으로 나타났습니다.86 ^{, 87 그러나} 후속 이중 맹검 위약 대조 임상 시험에서는 암 환자의 비타민 C 생존에 대한 이점이 나타나지 않았으며, ^88 , 89 이는 비타민 C가 항암 치료제로 작용할 수 있다는 개념을 오랫동안 완전히 없애버렸습니다.최근까지 알려지지 않았던 것은 초기 긍정적 연구와 이후의 부정적 시험 간에 비타민 C의 약리학적 용량이 전달되는 방식의 차이입니다.후속 시험에서 비타민 C는 경구로 투여되었는데, 이는 흡수율과 소변 배설을 통해 엄격하게 조절되는 전신 아스코르브산을 제한적으로만 증가시키는 것으로 알려져 있습니다. ^90 , 91 고용량의 비타민 C의 치료 효과는 GLUT 수송체의 공통적인 과발현으로 인해 암세포가 탈수소아스코르브산을 우선적으로 축적하는 것과 관련이 있습니다. 대장암에서 GLUT1 포도당 수송체의 과발현과 탈수소아스코르브산의 과축적은 KRAS 및 BRAF 유전자의 돌연변이와 특히 관련이 있습니다. ⁹² GLUT1은 또한 저산소 신호에 의해 강력하게 상향 조절되며, HIF1α/2α를 표적으로 하는 유비퀴틴 리가제 VHL이 없는 인간 투명 세포 신장 암종은 과축적을 통해 고용량의 비타민 C에 의한 사망에 더 민감했습니다. ⁹³ 탈수소아스코르브산이 과다 축적된 암세포의 사망 원인은 탈수소아스코르브산이 아스코르브산으로 환원되면서 소모된 에너지 자원과 글루타치온이 고갈된 것과 관련이 있습니다. ⁹² GLUT1의 과잉 발현은 호기성 해당분해(Warburg 효과)를 향한 암세포의 대사적 재프로그램과 관련이 있으며, 이로 인해 해당분해에서 비효율적인 ATP 생성에 더 의존하게 되고, 따라서 탈수아스코르브산 환원에 의한 에너지 고갈에 더 취약해집니다. 여러 연구에서 암세포에서 아스코르브산이 과도하게 축적되는 것과 불안정한 철의 수치가 높아져 산화제가 더 많이 생성된다는 것을 연결하기도 했습니다. 불안정한 철은 단백질 결합 형태와 달리 펜톤 반응을 쉽게 촉진하여 매우 독성이 강한 ^• OH 라디칼을 생성합니다. ^94 − 96 고용량 비타민 C에 의한 산화 및 에너지 스트레스는 DNA 손상과 PARP 과활성화 의존성 세포 독성의 유도와 관련이 있습니다. ^{93 , 97 , 98}비타민 C에 의한 백혈병 억제는 줄기세포의 증가된 분화에 기초한 기전적으로 구별되는 과정이다.골수이형성증후군과 급성 골수성 백혈병 환자는 종종 TET2에서 불활성화 돌연변이를 가지고 있는데, 이는 DNA 저메틸화 표현형과 조혈줄기세포의 분화 장애로 이어진다.비타민 C 치료는 5-메틸시토신 산화를 증가시키고 줄기세포의 분화를 촉진하며 마우스 모델과 일차 환자 유래 이종이식에서 백혈병을 억제함으로써 TET 회복을 모방했다.12 ^{, 68 임상} 적으로 사용되는 약물이나 이온화 방사선과 비타민 C를 병용하면 조직학적 기원이 다른 암세포를 죽이는 효과가 더 크다.16 ^{, 99 , 100 많은} 복합 요법의 경우 암세포를 더 많이 죽인 것은 스트레스가 많은 에너지 대사와 증가된 ROS 때문일 수 있으며, 이는 항암화학요법이나 방사선 치료에서 생존하는 능력을 감소시킨다. 블레오마이신의 경우, DNA를 산화하고 분해하기 위해 Fe(II)-활성 산소를 사용하는 약물인 아스코르브산은 Fe(III)을 Fe(II)로 매우 효과적으로 환원시켜 DNA 손상 활동을 증가시켰습니다.44 ^고용량 의 비타민 C를 투여하거나 아스코르브산 결핍 환자에게 수치를 회복시키는 것 역시 후생유전적 및 전사체적 변화를 촉진하여 암세포를 특정 암 치료에 더 취약하게 만들 수 있는데, 이는 흑색종이 BET 억제제에 대한 아스코르브산 유도 감작을 일으키는 것으로 밝혀진 것과 같습니다.101 ^비타민 C는 또한 많은 암의 성장, 침습성 및 전이를 억제하여 공격성을 약화시켰습니다 ^.16 , 102 이러한 유익한 반응은 HIF-1/HIF-2의 보다 효율적인 프로린 수산화 반응으로 인해 감소된 저산소 신호 전달과 그에 따른 아스코르브산이 풍부한 세포에서의 더 빠른 분해에 의해 촉진되었습니다. 이러한 전사 인자는 암세포의 이동성, 침습성 및 전이를 촉진하는 것으로 알려져 있으며 공격적인 종양의 마커입니다.57 ^{아스코르브} 산 결핍 종양에서 비타민 C 보충은 성숙한 콜라겐 ⁴⁸ 의 생성을 촉진 하여 결과적으로 세포 간 접착과 세포외 기질을 강화할 수 있으며, 이는 암세포가 주변 조직으로 이동하여 침습하고 먼 부위에 도달하는 능력에 억제 효과를 미칩니다. 지금까지 거의 모든 전임상 모델에서 간과되어 온 또 다른 광범위한 메커니즘은 항암 면역 반응에 대한 비타민 C의 영향입니다. 유머 종양 이종이식은 면역 거부 반응을 피하기 위해 면역 결핍 마우스에서 배양됩니다. 따라서 일반적으로 사용되는 생체 내모델은 항종양 반응에 대한 면역 세포의 기여를 배제합니다. 면역 유능한 마우스에서 림프종 성장에 대한 최근 연구에서 비타민 C 투여가 종양 및 면역 세포에서 DNA 탈메틸화를 증가시켜 임상적으로 사용되는 항-PD1 면역 체크포인트 치료와 상승효과를 나타냈습니다. ¹⁰³ 이 병용 요법은 항-PD1 단독 요법에 비해 CD8 ⁺ T 림프구의 종양 내 침윤, 세포독성 T 세포 및 자연 살해 세포에 의한 그란자임 B 생성, 항원 제시 세포에 의한 인터루킨-12 생합성을 크게 증가시켰습니다. 이러한 발견은 비타민 C가 항-PD1/PD-L1 요법에 반응하는 많은 암에 대한 면역 반응의 일반적인 촉진제 역할을 할 가능성을 제기합니다.

배양세포에서의 비타민 C 결핍증과 그 치료

다양한 조직 배양 배지는 역사적으로 에너지를 생성하고 거대 분자를 형성하는 영양소를 풍부하게 공급하여 세포의 강력한 성장을 제공하도록 제형화되었습니다.대부분은 성장 배지에 태아 소 혈청을 첨가하여 제공되는 미량 영양소에 대한 관심은 훨씬 적었습니다.비타민 C는 대부분의 세포 배양 배지에 없는 미량 영양소입니다.이론적으로 배양 배지에 일반적으로 10% 태아 소 혈청을 첨가하면 생리적 비타민 C 농도의 1/10을 제공해야 하지만 실제로는 혈청과 혈청 보충 배지를 보관하는 동안 손실되기 때문에 훨씬 낮습니다.하룻밤 동안 공급한 세포는 일반적으로 낮은 마이크로몰 농도의 비타민 C(5–20 μM), ^{104 , 105를} 함유하며 이는 생체 내 세포 수준의 약 1%입니다 .비타민 C는 일반적으로 공급 후 2일이 지나면 배양된 세포에서 감지할 수 없게 됩니다. 혈청을 첨가하지 않고 성장 인자가 보충된 합성 배지에서 성장하는 일차 세포 및 기타 세포는 비타민 C가 전혀 없습니다. 설치류는 스스로 아스코르브산을 생산하지만, 합성은 간에서 일어나고, ^{106 − 108} 배양된 모든 비간 설치류 세포도 비타민 C가 부족합니다. 배양된 지 며칠 만에 대사 활동에 큰 변화가 나타나는 일차 설치류 간세포에 얼마나 많은 아스코르브산 생합성이 남아 있는지는 불분명합니다. 설치류 간세포의 단층은 또한 접시에 있는 세포 수에 비해 매우 많은 양의 배지에서 생리적 농도를 확립하고 유지하기 위해 엄청난 양의 아스코르브산을 지속적으로 생성해야 합니다. 배양된 세포 외 비타민 C가 없는 경우 일차 세포 및 기타 세포는 세포 아스코르브산을 빠르게 잃습니다. 따라서 배양된 설치류 간세포조차도 비타민 C가 부족할 가능성이 높습니다.

세포 내 비타민 C 수치를 완전히 회복하려면 널리 발현되는 GLUT 수송체를 통해 세포로 쉽게 유입되는 탈수소아스코르브산을 첨가하면 됩니다. 포도당은 탈수소아스코르브산의 흡수를 경쟁적으로 억제하여 고포도당 성장 배지를 사용할 때 세포 내 아스코르브산의 회복을 방해합니다. 저포도당 성장 배지나 저포도당(0.5~1mM)과 일정한 혈청 비율을 보충한 균형 염 용액(크렙스 완충액)으로 전환하면 배양 1~2시간 만에 세포 내 아스코르브산의 생리학적 수치를 완전히 회복할 수 있습니다. ^44 , 104 GLUT 수송체의 발현은 여러 요인의 영향을 받으며, 각 세포주에 대해 탈수소아스코르브산의 최적 농도를 결정해야 합니다. 비타민 C를 보다 점진적으로 전달하지만, 일반적으로 생리학적 수준 이하로만 전달하려면 배양 배지에 아스코르브산(매일 50~200μM 추가)을 보충하면 됩니다. 아스코르브산을 비타민 C 보충제의 공급원으로 사용하더라도 배지에서 쉽게 산화되어 탈수소아스코르브산이 상당히 형성되고 흡수될 수 있습니다. 이는 혈청이 없는 배지에서 자란 세포에서 특히 흔하며, 이 배지에는 혈청에서 트랜스페린을 통한 철 흡수가 없는 것을 보상하기 위해 다량의 철분이 들어 있습니다. 아스코르브산의 더 안정적인 유도체인 아스코르브산-2-인산을 첨가하면 일반적으로 세포 내 비타민 C 수치가 높아지고 성장 배지에서 ROS가 형성될 위험이 낮아집니다. 아스코르브산-2-인산은 산화환원 활성이 없으며 아스코르브산 방출은 세포에서 탈인산화된 후에 발생합니다.

배양에서 비타민 C 보충과 관련된 방법론적 과제에는 세포에서의 비교적 빠른 손실이 포함됩니다.109 ^{, 110 결과적} 으로 세포는 아스코르브산 농도를 회복한 직후에 사용하거나 차가운 H2O에서 신선하게 준비한 아스코르브산 스톡을 주기적으로 첨가하여 _세포 에서 비타민 C 수치를 장기간 유지해야 합니다.아스코르브산을 탈수소아스코르브산으로 산화해도 여전히 생물학적으로 활성한 형태의 비타민 C가 생성되지만 비교적 불안정하고 돌이킬 수 없는 가수분해와 추가 재배열을 겪습니다.과도한 양의 비타민 C로 배양하면 세포 독성이 발생할 수 있습니다 ^.122 , 111 이는 아스코르브산으로 환원되어 중요한 세포 환원제를 소모할 때 탈수소아스코르브산으로 세포에 과부하가 걸리거나 O2가 풍부한 배지에서 아스코르브산이 _철 과 반응하여 독성 ROS 생성을 촉진할 때 발생할 수 있습니다. 암세포는 포도당의 강력한 흡수 증가와 GLUT 수송체의 과잉 발현을 특징으로 하며, 이로 인해 고용량의 데히드로아스코르브산에 의한 살상에 더 민감하게 반응합니다.92 ^{, 93 세포} 내 비타민 C 회복은 직접 측정 및/또는 크롬산염에 의한 ATM-의존적 표적 KAP1 및/또는 CHK2 인산화 억제와 같은 기능 테스트를 통해 평가할 수 있습니다 ^.113

비타민 C 형태에 대한 분석

HPLC 또는 마이크로플레이트 리더를 사용하든 현재 생물학적 샘플에서 비타민 C에 대해 사용되는 대부분의 분석법은 환원된 형태(아스코르브산) 또는 산화된 형태(디히드로아스코르브산)를 측정하는지 여부에 따라 두 그룹으로 나눌 수 있습니다. 아스코르브산은 HPLC와 결합된 전기화학적 검출기나 Fe(III)에서 Fe(II) 형성을 검출하는 분광 광도법(FRASC 분석법 - 철 환원/산화 방지제 및 아스코르브산이라고 함)으로 측정합니다. 형광 기반 분석법(HPLC 또는 마이크로플레이트 리더 버전)은 o- 페닐렌디아민 ¹¹⁴ 또는 1,2-디아미노-4,5-디메톡시벤젠과 같은 염료와 디히드로아스코르브산 접합체의 형성을 검출합니다. ¹¹⁰ 전기화학적 검출을 통한 총 비타민 C 측정의 경우 샘플을 환원제로 처리하여 디히드로아스코르브산을 아스코르브산으로 전환합니다. ¹¹⁵ FRASC 분석에서 탈수아스코르브산은 검출되지 않아, 체외 샘플에서 쉽게 자가산화되기 때문에 총 비타민 C를 상당히 과소평가할 수 있습니다 . 염료와 탈수아스코르브산의 결합을 기반으로 하는 분석은 아스코르브산 산화효소 또는 TEMPOL로 샘플을 전처리하여 모든 비타민 C를 산화된 형태로 전환합니다. 산화된 비타민 C와 환원된 비타민 C를 모두 검출하는 것은 생물학적 샘플(조직, 세포 또는 혈장/혈청)에 일반적으로 존재하는 탈수아스코르브산의 비율이 매우 낮아 어려웠습니다. 탈수아스코르브산 값은 일반적으로 환원제로 처리한 샘플(총 아스코르브산)과 처리하지 않은 샘플(아스코르브산만) 간의 HPLC-전기화학적 측정값 차이에서 계산했습니다. ¹¹⁵ 이러한 추정치는 약간 더 큰 숫자에서 많은 숫자를 빼서 나오기 때문에 그다지 정밀하거나 정확하지 않습니다. 염료와 함께 데히드로아스코르브산 접합을 활용하는 분석에서 아스코르브산 산화효소 또는 TEMPOL을 생략해도 여전히 아스코르브산의 산화 촉매 작용을 통해 프로브와 아스코르브산의 매우 중요한 반응이 발생합니다. LC-MS는 현재 풍부한 아스코르브산과 부족한 데히드로아스코르브산을 직접 결정하는 유일한 방법입니다. ⁹²

결론: 기계적 독성학/약리학에서의 비타민 C

아스코르브산의 다양한 항산화 및 생화학적 기능은 배양된 세포에서 독성 및 기타 스트레스 반응에 대한 연구에 생물학적으로 관련성 있는 비타민 C 농도를 포함하는 것이 중요하다는 것을 의미합니다. 비타민 C 추가는 줄기 세포 생물학 분야에서 일상적으로 사용되지만, 이러한 관행은 후생유전학적 변화 또는 ROS 효과가 구체적으로 조사된 경우에도 독성학/약리학 또는 스트레스 생물학에서 아직 일반적으로 수용되지 않았습니다. 산화제의 경우 세포 아스코르브산은 유전 독성 사건의 유형과 규모 ^{​​44 , 104} 및 후생유전학적 변화에 주요 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. ¹¹⁶ 세포 독성 또는 기타 일반적인 반응의 규모의 변화 외에도 아스코르브산은 발암 물질 및 DNA 손상 항암제에 의해 세포에서 활성화되는 특정 신호 전달 메커니즘의 상대적 중요성을 극적으로 변경할 수 있습니다. ^{16 , 44 , 110 , 113} 화학 물질이 아스코르브산과 직접 반응하거나 아스코르브산이 보충된 배지에서 풍부하게 생성되는 Fe(II)와 반응하는 것으로 알려진 경우 세포 외 아스코르브산의 중요성도 고려해야 합니다. ¹²⁴ 히스톤 리신 탈메틸화는 전사 주기 동안 지속적으로 발생하고 전사 인자의 프로모터 결합에 대한 반응으로 발생하는 역동적인 과정입니다. 히스톤 탈메틸화효소의 보조 인자로서 아스코르브산의 중요한 기능은 많은 산화환원 불활성 이물질 및 스트레스 요인에 대한 전사체 및 그에 따른 하류 생물학적 반응이 핵 아스코르브산에 의해 어느 정도 영향을 받을 가능성이 있음을 제기합니다.

DNA 탈메틸화 TET 효소와 히스톤 라이신 탈메틸화 효소에 대한 보조 인자 기능을 통해 세포 재프로그램과 유전자 발현을 조절하는 데 있어 아스코르브산의 중요성은 비타민 C가 부족한 개체군이 후생유전적 독성 물질의 건강에 해로운 영향을 받기에 특히 취약할 수 있다는 가능성을 제기합니다. 생쥐와 래트는 지속적으로 많은 양의 비타민 C를 생산하므로 인간의 영양실조와 다른 스트레스 요인 또는 약물과의 조합으로 인한 세대 간 및 기타 후생유전적 결과를 포착하는 데 있어 민감성이 제한될 수 있습니다. 신경 발달, 기억 형성 및 신경 퇴행성 과정의 발달에서 아스코르브산의 역할이 명확히 확립됨 ^71 − 74 은 비타민 C의 전신 수치가 낮은 개인이 화학 물질 및/또는 다른 스트레스 요인의 신경 독성 효과에 특히 취약할 수 있다는 가능성을 제기합니다. 이러한 취약성은 표준 설치류 모델에서는 감지하기 어렵지만 Gulo ^–/– 생쥐나 유사하게 결핍된 쥐를 사용하면 비타민 C 부족의 영향을 평가하는 데 쉽게 적용할 수 있습니다.

설치류와 인간 조직의 비타민 C 수치는 일반적으로 비슷하지만 실험실 설치류의 폐 점막 액체에서 아스코르브산 농도는 인간보다 10배 이상 높습니다.118 ^{− 120 이} 차이는 설치류 폐에서 가용성 크롬산염의 빠른 세포 외 불활성화를 설명하여 인간 폐에서의 발암성과는 대조적으로 이 Cr(VI) 형태에 의한 발암에 저항성을 갖게 합니다.천천히 용해되는 크롬(VI) 입자는 세포 외 아스코르브산에 의한 이러한 해독을 피하고 세포 내에서 용해될 때 유전 독성을 유발합니다.117 ^폐 의 산화 스트레스는 많은 흡입 독성 물질에 대한 일반적인 부작용입니다.폐 점막 액체에 매우 높은 수준의 아스코르브산이 포함된 표준 실험실 설치류를 사용하면 공기 중 오염 물질에 의한 인간 건강 위험의 기전적 평가에 사용하는 데 추가적인 불확실성이 있습니다.