正常情况下，细胞会利用氧气，将葡萄糖完全分解，产生大量的能量（ATP），这个过程叫做有氧呼吸。但是，Warburg 效应中的细胞却偏爱糖酵解，只将葡萄糖部分分解，产生少量的能量和大量的乳酸。葡萄糖进入细胞后，首先被分解成丙酮酸。丙酮酸有两个去向：
◦进入三羧酸循环（TCA 循环）进行有氧呼吸，产生大量能量。
◦被乳酸脱氢酶（LDH）分解乳酸，这是一个低效的能量产生方式。
但是，丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）可以磷酸化丙酮酸脱氢酶 (PDH)，抑制其活性，从而阻止丙酮酸进入 TCA 循环，促进乳酸的产生。为了防止乳酸的堆积，单独敲除 LDH 会导致细胞死亡，因为 LDH 介导的 NAD+ 再生对细胞生长至关重要。
由加州大学圣地亚哥分校领导的一个国际研究团队开发了一种新策略，以提高中国仓鼠卵巢 （CHO） 细胞的药物生产，通过敲除负责产生乳酸（一种使细胞环境有毒的代谢物）的基因回路，而不是单独KO乳酸脱氢酶，消除了细胞发育过程中的主要障碍，这些细胞可以产生更大量的药物，如利妥昔单抗，而不会影响它们的生长。
2025年1月14日《Nature Metabolism》发表了以上研究结果，标题为：Multiplex genome editing eliminates lactate production without impacting growth rate in mammalian cells。
乳酸脱氢酶 (Ldh) 有三种同工酶：Ldha、Ldhb 和 Ldhc，主要发挥作用的是Ldha，之前在 CHO 细胞中敲除 Ldha 都没有成功，可能是因为敲除 Ldha 会导致丙酮酸积累，而由于 Pdks 激活抑制 Pdh，丙酮酸无法被 Pdh 完全处理。为了克服这个问题，通过同时敲除 Ldha 和所有四种 Pdks 来去除 Ldha 和 Pdk 介导的反馈回路。
通过 CRISPR–Cas9基因编辑技术，在悬浮的无血清适应 CHO-K1 细胞系和 HEK293 细胞系实验证实了，不需要敲除所有四个 Pdks 就能敲除 Ldha 并消除Warburg 效应，这些细胞被称为 Warburg-null 细胞。
Warburg-null 细胞不依赖于有氧糖酵解来满足其 ATP 需求，并且会通过增加氧化代谢来补偿糖酵解通量的减少，在长期传代过程中保持了与野生型细胞相当的生长速度。
敲除 Ldha 会导致 NAD/NADH 比率显著降低，因为 Ldha 不再能循环利用 NADH。为了缓解这种减少，Warburg-null 细胞表现出细胞内甘油-3-磷酸池的显著增加和 Gpd1（另一种 NAD+再生酶）的上调。然而，尽管在氧化还原代谢方面存在这些扰动，Warburg-null 细胞仍能维持正常的生长速度。
为了验证敲除 Ldha 和 Pdk 基因没有破坏细胞的分泌蛋白的能力，用多种生物治疗药物（包括促红细胞生成素、C1 酯酶抑制剂和生长/分化因子 5）转染了 Warburg-null 克隆。 成功获得了产生每种蛋白质的克隆细胞系，这表明该表型在蛋白质生产中的广泛适用性。
使用 BESTCell 技术从 Warburg-null 克隆中产生了曲妥珠单抗和利妥昔单抗，在深孔板中经过 10 天的补料分批筛选过程后，其滴度 > 1 g/L。选择的两个 Warburg-null 利妥昔单抗生产克隆与生物反应器中典型的高强度补料分批工艺兼容，达到了工业滴度水平（高达 ~ 3 g/L），并在两周内保持了活力，并且由于缺乏乳酸生产，无需添加碱来控制 pH 值。
总结，通过同时敲除乳酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶激酶，有效地消除了中国仓鼠卵巢细胞和人胚肾细胞系HEK293中的乳酸产生，这些细胞被称为“Warburg-null细胞”。这些细胞保持了野生型细胞的生长速率，同时显著减少了乳酸的产生，并表现出代谢途径的重塑。Warburg 效应并非细胞生长和生物制剂生产所必需，这为提高生物治疗药物的生产效率提供了新的途径。
参考文献：Hefzi, H., Martínez-Monge, I., Marin de Mas, I. et al. Multiplex genome editing eliminates lactate production without impacting growth rate in mammalian cells. Nat Metab (2025). https://doi.org/10.1038/s42255-024-01193-7
