腫瘤氨基酸代謝研究進展

高紅梅，楊仕儀

腫瘤細胞具有快速增殖的特點，需要生物大分子提供能量并完成生物合成，以實現(xiàn)不斷增殖。逃避免疫監(jiān)控、腫瘤細胞侵襲、腫瘤細胞的耐藥性等生物學特性都與物質(zhì)、能量代謝相關(guān)。新陳代謝是生命活動的重要組成部分，與細胞生化過程密切相關(guān)，提供了特定條件下基因與環(huán)境之間復(fù)雜相互作用的信息?；蛐筒煌耆扔诒硇?，存在致癌性的基因突變不一定會產(chǎn)生腫瘤；因此，腫瘤細胞發(fā)生發(fā)展過程復(fù)雜，與基因突變、缺失或與正常細胞的不同代謝重塑或異常改變相關(guān)。雖然營養(yǎng)限制被認為是治療腫瘤的潛在策略，但腫瘤細胞通過改寫代謝途徑，能夠在營養(yǎng)限制的環(huán)境中存活。腫瘤的代謝研究破解了環(huán)境因素(包括飲食、運動等生活習慣)在腫瘤的發(fā)生與發(fā)展、治療及預(yù)后的作用，這將對腫瘤的防治起到舉足輕重的作用。

文獻報道，腫瘤組織比周圍健康組織更快地消耗葡萄糖，即使在有氧情況下，腫瘤組織仍然更傾向于將葡萄糖代謝為乳酸而不進入三羧酸循環(huán)，說明快速增長的腫瘤細胞主要能量來源為糖酵解[1]。確立了“代謝重編程”是癌癥的首要特征之一，證實了氨基酸作為其他代謝的基礎(chǔ)在腫瘤研究中的重要地位，成為代謝組學研究的熱點。

氨基酸作為蛋白質(zhì)合成底物，是細胞內(nèi)部僅次于葡萄糖的重要能量和營養(yǎng)來源。豐富的氨基酸供應(yīng)可使腫瘤維持其增殖動力。氨基酸還可以在能量生成、核苷合成和細胞氧化還原平衡的維持等方面發(fā)揮作用。由于癌細胞存在于缺乏營養(yǎng)的微環(huán)境中，在特定氨基酸營養(yǎng)不良的癌癥中尤為明顯。本文就近年腫瘤氨基酸代謝研究做簡要綜述。

1 谷氨酰胺和谷氨酸代謝

谷氨酰胺是人體血漿中含量最豐富的氨基酸，為嘌呤、嘧啶核苷酸的合成提供氮源，參與核苷酸生物合成。谷氨酰胺是谷胱甘肽(GSH)合成必不可少的原料，參與維持活性氧穩(wěn)定。正常細胞通過谷氨酰胺合成酶(GLS)自身合成產(chǎn)生谷氨酰胺；但腫瘤細胞依靠自身合成的谷氨酰胺不能滿足其快速增殖的需要，存在“谷氨酰胺依賴”現(xiàn)象[2]。通過食物獲得谷氨酰胺進入細胞依賴于細胞膜上的溶質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白超家族介導的跨膜運輸。溶質(zhì)載體家族是人類中第二大膜蛋白家族，已被鑒定的人源SLC超家族成員有423個，人類基因命名委員會(HGNC)按序列同源性將其分為60多個家族(https://www.genenames.org/data/genegroup/#!/group/752)。其中SLC1A5、SLC7A5、SLC7A11、SLC6A14和SLC38A2等在腫瘤細胞中發(fā)揮重要作用[3]。

進入細胞內(nèi)的谷氨酰胺在線粒體中GLS脫氨形成谷氨酸，谷氨酸經(jīng)過谷氨酸脫氫酶(GLUD)形成α-酮戊二酸(α-KG)和NADH/NADPH，并進入TCA循環(huán)并且調(diào)控細胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)[4]。α-KG和草酰乙酸(OAA)等作為核苷酸、氨基酸、脂質(zhì)的合成前體原料滿足了腫瘤細胞快速生長、增殖的需求[5]。人體中有兩種谷氨酰胺酶的亞型：腎型谷氨酰胺酶(GLS1)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。研究發(fā)現(xiàn)，在B細胞淋巴瘤和前列腺癌細胞中，高表達的c-Myc通過抑制miR-23a/b來上調(diào)GLS1的表達，增強谷氨酰胺代謝回補TCA，促進腫瘤細胞的增殖[6]。抑癌因子p53能誘導GLS2而不誘導GLS1的表達來調(diào)控谷氨酸代謝[7]。

2 天冬氨酸和天冬酰胺代謝

天冬氨酸作為血液中濃度最低的氨基酸之一，對細胞DNA合成、細胞供能至關(guān)重要。在氧氣充足的條件下，細胞以O(shè)AA為底物，利用谷氨酸生成α-KG過程中產(chǎn)生的氨基, 在天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶(GOT1)的作用下可以自身合成天冬氨酸。但在缺氧的腫瘤微環(huán)境中，天冬氨酸合成受阻。天冬氨酸具有較差的細胞通透性，進入細胞的效率非常低[8]。研究發(fā)現(xiàn)，抑制細胞內(nèi)天冬氨酸合成，僅依靠胞外補充天冬氨酸，不能恢復(fù)腫瘤細胞的增殖。豚鼠體內(nèi)含有絕大多數(shù)哺乳動物都沒有的天冬酰胺酶(gpASNase 1)，將同位素標記的天冬酰胺注射到gpASNase 1基因小鼠血液中，發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)的腫瘤細胞能夠?qū)⑻於０肺辙D(zhuǎn)化成天冬氨酸，并且這些腫瘤細胞表現(xiàn)出較強增殖能力[9]。這表明在缺氧的腫瘤微環(huán)境條件下，天冬氨酸是腫瘤增殖的關(guān)鍵因素。

電子傳遞鏈是一系列電子載體按對電子親和力逐漸升高的順序組成的電子傳遞系統(tǒng)，所有組成成分都嵌合于線粒體內(nèi)膜或葉綠體類囊體膜或其他生物膜中，并按順序分段組成分離的復(fù)合物，復(fù)合體Ⅰ(NADH-Q還原酶)、復(fù)合體Ⅱ(琥珀酸-Q還原酶)、復(fù)合體Ⅲ(細胞色素還原酶)、復(fù)合體Ⅳ(細胞色素氧化酶)。研究表明，所有天冬氨酸是細胞系對ETC抑制劑敏感性的主要決定因素。即使在低氧條件下，通過增加胞內(nèi)天冬氨酸為異種腫瘤移植中的癌細胞提供了競爭優(yōu)勢。對ETC最不敏感的細胞系 (包括A549、PANC-1等細胞系)可以通過天冬氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運體SLC1A3攝入天冬氨酸以維持其胞內(nèi)天冬氨酸的水平。通過遺傳學或藥物調(diào)控SLC1A3活性，可以顯著提高腫瘤細胞對ETC抑制劑的敏感性[10]。

天冬酰胺以天冬氨酸為底物，利用谷氨酰胺形成谷氨酸過程中轉(zhuǎn)氨作用產(chǎn)生的氨基，在天冬酰胺合成酶(ASNS)的作用下，結(jié)合ATP形成。天冬酰胺酶可以把天冬酰胺水解為天冬氨酸和NH3，其降低天冬酰胺的作用證明了天冬酰胺在腫瘤生長中的關(guān)鍵作用。文獻報道，采用飲食中缺乏天冬酰胺的小鼠血清中天冬酰胺水平是可能降低的，而這種飲食調(diào)節(jié)的降低足以減少乳腺癌小鼠模型腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移[11]。急性淋巴細胞白血病中，除正常細胞外，腫瘤細胞自身不能合成天冬酰胺，需要依靠外源性L-天冬酰胺才能生存，L-天冬酰胺酶的作用機制是快速消耗循環(huán)系統(tǒng)中的L-天冬酰胺，從而消耗腫瘤細胞合成蛋白質(zhì)所必需的底物，快速抑制蛋白質(zhì)合成，抑制了腫瘤細胞的生長又不影響正常細胞[12]。

3 絲氨酸和甘氨酸代謝

絲氨酸作為非必需氨基酸，參與核苷酸合成、氧化應(yīng)激反應(yīng)、三羧酸循環(huán)等代謝過程，在體內(nèi)通過絲氨酸合成途徑產(chǎn)生。首先，磷酸甘油酸脫氫酶(PHGDH)將糖酵解的中間代謝產(chǎn)物3-磷酸甘油酸催化成絲氨酸的前體物質(zhì)3-羥基丙酮酸。然后3-羥基丙酮酸在磷酸絲氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(PSAT1)的催化下與谷氨酸發(fā)生轉(zhuǎn)氨反應(yīng)，生成磷酸絲氨酸和α-酮戊二酸，磷酸絲氨酸磷酸酶(PSPH)可去磷?；?，從而產(chǎn)生絲氨酸。PHGDH是絲氨酸合成的限速步驟。絲氨酸生成之后通過絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶(SHMT)在細胞質(zhì)中(通過SHMT1)或在線粒體中(通過SHMT2)轉(zhuǎn)化為甘氨酸，并產(chǎn)生5,10-亞甲基四氫葉酸，在甲基四氫葉酸脫氫酶(MTFHD)的作用下生成5,10-亞甲基四氫葉酸進入單碳庫[7]。

在缺乏甘氨酸和絲氨酸或者單獨缺乏絲氨酸情況下都會阻礙癌細胞增殖；而單獨缺乏甘氨酸時并不影響細胞增殖，說明絲氨酸是甘氨酸合成的重要來源，外源甘氨酸不能代替絲氨酸來支持腫瘤細胞的增殖。在沒有外源絲氨酸的情況下，甘氨酸不進入單碳循環(huán)，而是轉(zhuǎn)化為絲氨酸；這個過程涉及逆轉(zhuǎn)單碳代謝酶-絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶，消耗而不是產(chǎn)生一碳單元，阻礙了核苷酸的有效合成，降低了絲氨酸缺失細胞的增殖率，增加膳食絲氨酸或高PHGDH表達足以增加細胞內(nèi)絲氨酸水平并支持更快的腫瘤生長[13-14]。甘氨酸可被線粒體甘氨酸裂解復(fù)合物分解，其中的關(guān)鍵成分甘氨酸脫羧酶(GLDC)對癌細胞干性維持有重要作用。癌癥對GLDC的需求依賴于上游酶SHMT2的表達，在細胞中敲除SHMT會抑制GLDC，導致細胞內(nèi)部甘氨酸大量累積。并且由于其轉(zhuǎn)移到甘氨酸代謝的次要途徑，產(chǎn)生氨基丙酮和甲基乙醛等有毒代謝物，破壞細胞穩(wěn)態(tài)，可能對細胞有害[15]。

飲食中缺乏絲氨酸可能會促進葡萄糖和(或)甘氨酸合成絲氨酸，與正常組織相比，腫瘤表現(xiàn)出代謝改變。研究表明，在多種腫瘤中絲氨酸合成途徑的多種合成酶的基因表達均發(fā)生不同程度地上調(diào)，如在黑色素瘤和三陰性乳腺癌絲氨酸合成途徑中的關(guān)鍵限速酶PHGDH的基因拷貝數(shù)增加。PHGDH在乳腺癌中的過表達與絲氨酸生物合成及其下游途徑中幾種酶的表達有關(guān)，包括PSAT1、PSPH、SHMT2、MTHFD1。這些代謝酶在高轉(zhuǎn)移的乳腺癌中高表達，保證在絲氨酸缺乏條件下仍能維持癌細胞的增殖能力[16]。在絲氨酸饑餓條件下，p53可以通過上調(diào)SSP中代謝酶的表達促進絲氨酸的合成，從而保證癌細胞的存活。但是在p53和絲氨酸都缺乏條件下，細胞的生長受到明顯抑制[17]。另外，p53可抑制PHGDH的表達來調(diào)控絲氨酸生物合成途徑。PHGDH的表達可被腫瘤抑制劑p53所抑制，PHGDH過表達顯著抑制凋亡反應(yīng)，而RNA介導的內(nèi)源性PHGDH敲低在相同的處理下促進細胞凋亡[18]。

因此，絲氨酸缺失是一種很有前途的抗癌策略，有可能減緩腫瘤的發(fā)展，值得進一步研究。

4 精氨酸代謝

精氨酸是一種半必需氨基酸，首先瓜氨酸在體內(nèi)精氨酸琥珀酸合成酶(ASS)的作用下形成精氨琥珀酸，再由精氨酸琥珀酸分解酶(ASL)形成精氨酸和琥珀酸(作為尿素循環(huán)的一部分)。ASS是精氨酸合成限速步驟，很多腫瘤細胞不含有ASS，故呈現(xiàn)出外源精氨酸依賴性，這也成為治療癌癥的重要靶點[19]。由于精氨酸琥珀酸合成酶1的沉默，使一些黑色素瘤、肝細胞癌和前列腺癌成為精氨酸營養(yǎng)缺陷型細胞[20]。癌細胞對精氨酸的依賴可以通過飲食剝奪精氨酸或用精氨酸脫氨酶(ADI)治療來實現(xiàn)[21]。ADI消耗精氨酸已被證明在黑色素瘤和肝細胞癌的臨床前模型中是有效的[22]。另一種通過降低全身精氨酸水平來抑制腫瘤進展的方法是通過肝細胞分泌精氨酸酶1(ARG1)，這發(fā)生在自噬被抑制的小鼠肝臟中[23]。精氨酸是一氧化氮合酶(NOS)的底物，在其作用下產(chǎn)生一氧化氮，進而影響細胞增殖及腫瘤微環(huán)境等系統(tǒng)水平。抑制NO的合成可阻礙血管形成[24]。NO在慢性炎癥狀態(tài)下具有致癌作用[25]，但飲食精氨酸剝奪是否能降低NO水平從而規(guī)避這一作用尚不清楚。如果NO在免疫細胞激活中對腫瘤免疫很重要，那么NO或其前體精氨酸也許就不是癌癥治療的理想靶點。

5 蛋氨酸代謝

蛋氨酸是體內(nèi)重要的甲基供體，但必須先轉(zhuǎn)變成它的活性形式S-腺苷蛋氨酸(SAM)才能供給甲基。因此，蛋氨酸作為SAM代謝的底物，對依賴于SAM的下游甲基化反應(yīng)(包括調(diào)節(jié)基因表達的DNA甲基化等)非常重要[26]。蛋氨酸由同型半胱氨酸接受N5-CH3-FH4上的甲基，在轉(zhuǎn)甲基酶作用下合成。體內(nèi)同型半胱氨酸只能由蛋氨酸轉(zhuǎn)變而來，而蛋氨酸是必需氨基酸。癌細胞生長需要高水平的蛋氨酸參與甲基化過程，許多癌細胞系都是蛋氨酸營養(yǎng)體。細胞對蛋氨酸形成依賴是因為細胞內(nèi)高SAM消耗率，需要通過外界攝取蛋氨酸來維持SAM水平，穩(wěn)定組蛋白的甲基化，從而維持細胞表型。研究表明，蛋氨酸缺乏的培養(yǎng)條件能顯著下調(diào)細胞內(nèi)組蛋白的甲基化水平，降低細胞的成瘤能力。在蛋氨酸缺乏的培養(yǎng)基中從頭合成蛋氨酸不足以滿足細胞對合成SAM的需求，但分別補加SAM和蛋氨酸，能夠很好地恢復(fù)細胞表型[27]。mTORC1是一種主要的促增殖致癌信號通路的效應(yīng)激酶，充足的SAM水平對于激活mTORC1也是必要的[28]。

Gao等[29]通過對健康中年人進行飲食干預(yù)，每位受試者接受3周蛋氨酸飲食限制(相當于各自正常飲食狀態(tài)下的17%)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蛋氨酸本身和氧化還原平衡標志物(谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸)在所有受試者的血清中都有不同程度的減少。表明在癌癥患者中限制蛋氨酸可能抑制腫瘤的進展，類似于其在小鼠模型中的良好記錄的抗致瘤作用。限制蛋氨酸和半胱氨酸后，內(nèi)皮細胞分泌血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)可能支持腫瘤生長，當腫瘤過度表達VEGF并依賴其生長時，必須考慮到這一點[30-31]。飲食限制蛋氨酸可以延長嚙齒動物的壽命，并能產(chǎn)生一些代謝方面的好處[32]。

6 半胱氨酸和胱氨酸代謝

半胱氨酸除了參與蛋白合成，還是細胞內(nèi)GSH合成的限速前體物，從而影響了細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。半胱氨酸本身是還原態(tài)，在體外不穩(wěn)定，兩個半胱氨酸極易被氧化形成含有二硫鍵的胱氨酸[33]。大部分癌細胞主要通過谷氨酸/胱氨酸轉(zhuǎn)運體系統(tǒng)[由二硫鍵連接的異二聚體SLC7A11(xCT)和SLC3A2(4F2hc)組成]攝取細胞外的胱氨酸，在生理狀態(tài)下攝取一分子胱氨酸入細胞內(nèi)的同時釋放一分子谷氨酸，兩者耦聯(lián)轉(zhuǎn)運。胱氨酸在細胞內(nèi)迅速被還原為半胱氨酸，一部分參與細胞內(nèi)重要自由基清除劑谷胱甘肽的合成，另一部分則出細胞氧化成胱氨酸，重新參與系統(tǒng)循環(huán)[34]。

近幾年，胱氨酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC7A11通過攝取胱氨酸促進谷胱甘肽合成進而抑制鐵死亡而被熟知。鐵死亡是依賴鐵離子及活性氧誘導脂質(zhì)過氧化導致的程序性細胞壞死，其在形態(tài)學、生物學及基因水平上均明顯不同于凋亡、壞死、自噬等其他形式的程序性細胞壞死[35]。研究發(fā)現(xiàn)，在Kras/p53突變引起的小鼠腫瘤模型中條件敲除SLC7A11基因觀察到小鼠的中位生存率幾乎翻倍，可以誘導腫瘤選擇性鐵死亡，抑制胰腺導管腺癌(PDAC)的生長；透射電鏡也顯示惡性上皮細胞線粒體結(jié)構(gòu)異常，包括嵴斷裂和膜完整性受損；并進一步發(fā)現(xiàn)PDAC細胞利用半胱氨酸合成GSH和輔酶A，共同下調(diào)鐵下垂。這些結(jié)果表明，胰腺導管腺癌對通過系統(tǒng)輸入氧化半胱氨酸(胱氨酸)的重要依賴關(guān)系[36]。

在葡萄糖饑餓條件下，高SLC7A11表達反而促進細胞死亡，使得其依賴高濃度葡萄糖供給。由于胱氨酸溶解度低具有潛在毒性，迫使高SLC7A11表達的癌細胞將胱氨酸迅速還原為可溶性更高的半胱氨酸，從而消耗大量的NADPH，使這些細胞高度依賴于磷酸戊糖途徑(PPP)。限制向高SLC7A11癌細胞的葡糖糖供應(yīng)會導致細胞內(nèi)胱氨酸和其他二硫化物的明顯積累，氧化還原系統(tǒng)崩潰和細胞快速死亡。進一步研究表明，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)抑制劑選擇性殺死高SLC7A11癌細胞并抑制其生長，從而揭示了SLC7A11相關(guān)的胱氨酸代謝與PPP之間的耦聯(lián)關(guān)系[37]。

7 小結(jié)

代謝組學在腫瘤的發(fā)病機制、早期診斷、鑒別診斷、分期及預(yù)后判斷方面均展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?，將成為腫瘤研究的重要手段之一。腫瘤的發(fā)生發(fā)展是多種因素相互作用導致，從癌基因激活，相關(guān)蛋白表達，免疫抑制、免疫逃逸，腫瘤細胞的增殖、轉(zhuǎn)移等都離不開氨基酸代謝的參與。氨基酸代謝已經(jīng)成為癌癥代謝研究的一個活躍領(lǐng)域，對某一特定氨基酸攝取和使用的追蹤可能不能全面揭示該途徑真正的功能輸出，對癌癥的氨基酸代謝研究已經(jīng)開始強調(diào)這是一個微妙的網(wǎng)絡(luò)。腫瘤抑制合成某些氨基酸所需基因的表達，產(chǎn)生一種需要與基質(zhì)代謝共生的營養(yǎng)缺陷體；在腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中，腫瘤微環(huán)境也被高度依賴以提供額外的營養(yǎng)與信號分子來支持生存與增殖，由于含有類血漿精氨酸的濃度，所觀察到的通量方向和大小更有可能代表在患者中觀察到的情況，這些通量便更有可能轉(zhuǎn)化為有效的試劑，最終改善患者的治療。