腫瘤細胞脂肪酸合成酶的研究進展

腫瘤細胞脂肪酸合成酶的研究進展

藍英張哲

(廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，廣西南寧530021)

關(guān)鍵詞〔〕脂肪酸合成酶；腫瘤；能量代謝；治療靶點

中圖分類號〔〕R73〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家基金面上項目(No.81272983)；973項目子課題(No.2011CB504300)

通訊作者：張哲(1975-)，男，博士，主任醫(yī)師，主要從事鼻咽癌的腫瘤生物學研究。

第一作者：藍英(1988-)，女，在讀碩士，主要從事鼻咽癌的腫瘤生物學研究。

腫瘤的特征性標志除了自我增殖能力、對生長信號不敏感性、抵抗凋亡、促進血管生成、無限的復制潛能和活躍的組織侵襲轉(zhuǎn)移能力外，還具有逃避免疫破壞和能量代謝重新編程〔1〕。不論有氧還是缺氧環(huán)境，腫瘤細胞更傾向于將大量的葡萄糖代謝為乳酸，即為著名的Warburg效應。進一步的，腫瘤細胞通過增強脂肪酸氧化磷酸化途徑利用其氧化底物來進行生物合成和能量產(chǎn)生，參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。脂類是生物體內(nèi)三大營養(yǎng)物質(zhì)之一，它在細胞膜的合成、能量儲蓄、信號傳導等方面有重要作用。生理狀態(tài)下，肝細胞和脂肪細胞是脂肪酸主要的合成和存儲場所。大部分人體正常細胞傾向于攝取外源性脂肪酸，而腫瘤細胞則主要依賴于內(nèi)源性脂肪酸〔2〕，并最終以脂滴的形式儲存在細胞內(nèi)。對比相應正常組織，脂肪酸合成酶(FASN)在多種人類腫瘤組織中普遍存在表達異常，為腫瘤細胞提供充分的內(nèi)源性脂肪酸，以實現(xiàn)腫瘤的惡性生物學行為。腫瘤脂肪酸代謝的異常受到越來越多研究者的關(guān)注。本文將對腫瘤FASN的研究進展作一綜述。

1FASN的基本結(jié)構(gòu)及功能

FASN基因位于人類17號染色體長臂2區(qū)5帯(17q25)上，F(xiàn)ASN基因DNA全長約20kb，由43個外顯子和42個內(nèi)含子組成。FASN基因只有一種剪切型，包含12個保守結(jié)構(gòu)域。FASN基因的43個外顯子融合形成8 481bp的mRNA，編碼由2 511個氨基酸組成的分子量約為270kD的蛋白。FASN是一種具有包括縮合、轉(zhuǎn)酰、還原、脫水等7種催化酶活性結(jié)構(gòu)域的多肽鏈二聚體，在脂肪酸的代謝過程中主要負責內(nèi)源性脂肪酸的合成，并將乙酰CoA、丙二酰單酰CoA聚合成長鏈脂肪酸。而且，F(xiàn)ASN具有多種催化功能，以頭尾相連的方式結(jié)合形成催化中心：包括N端的β-酮酯酰合成區(qū)域，乙酸/丙二酰單酸轉(zhuǎn)移和脫水區(qū)域；以及C端的烯醇還原區(qū)域，β-酮酯酰還原區(qū)域，酰基載體蛋白和硫酯區(qū)域。其中，乙酰/丙二酰轉(zhuǎn)移區(qū)域參與底物負荷反應，β-酮酯酰合成區(qū)域參與合成反應，硫酯區(qū)域參與碳鏈終止反應〔3〕。FASN的主要產(chǎn)物是軟脂酸，既是細胞膜結(jié)構(gòu)的主要成分，又是細胞能量代謝的重要底物，具有儲存能量、合成磷脂、參與細胞膜結(jié)構(gòu)和肺表面的活性物質(zhì)、參與細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導和蛋白質(zhì)酰化等功能。

2FASN在腫瘤組織中的異常表達及其調(diào)控機制

對比正常細胞，F(xiàn)ASN在乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤、膀胱癌、肺癌、卵巢癌等多種腫瘤中處于高表達水平〔4～9〕，且與患者的不良預后密切相關(guān)。例如在乳腺癌中，F(xiàn)ASN陽性患者5年無病生存率只有51.3%，而陰性的患者則高達89%〔4〕。FASN的過度表達與前列腺癌的發(fā)生和惡性演變相關(guān)〔5〕。此外，一些病毒感染也能改變FASN的表達狀態(tài)，例如感染EB病毒和丙肝病毒的細胞中低密度脂蛋白和FASN表達明顯上調(diào)〔10,11〕，提示病毒感染也可能影響細胞脂質(zhì)的代謝。

腫瘤FASN異常表達的調(diào)節(jié)機制多集中在轉(zhuǎn)錄水平。甾醇調(diào)控元件結(jié)合蛋白(SREBPs)是FASN基因表達調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。其作為膜結(jié)合蛋白前體穿過高爾基復合體，釋放氨基末端區(qū)域進入細胞核，與啟動子上的甾醇調(diào)控元件結(jié)合，能夠上調(diào)一系列參與膽固醇與脂肪酸合成的基因的轉(zhuǎn)錄表達〔12〕。H-ras轉(zhuǎn)化的乳腺細胞(MCF-10a)可通過激活MAP激酶和PI3K激酶信號，進而使SREBP-1a表達上調(diào)，促進FASN表達和脂肪酸合成〔12〕。另外，在乳腺癌細胞MDA-MB-231和BT-474中，HER2過表達的同時也伴隨著FASN水平的升高〔4〕，并證實了HER2可通過PI3K/Akt通路激活mTOR而調(diào)控FASN。

翻譯后的修飾對FASN表達調(diào)控也有重要作用。Graner等〔13〕發(fā)現(xiàn)在前列腺癌中，F(xiàn)ASN與泛素特異性蛋白酶USP2a相互作用，通過減少泛素化導致的蛋白降解來增加FASN的穩(wěn)定性。敲除USP2a后FASN表達明顯減少，導致細胞增殖能力降低。反之，F(xiàn)ASN的過表達會抑制細胞凋亡的發(fā)生。進一步利用基因組富集分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)，前列腺癌中參與脂肪酸代謝的基因與腫瘤中USP2a高表達顯著相關(guān)，細胞凋亡相關(guān)基因在USP2a低表達的腫瘤中富集，從基因型研究結(jié)果很好的驗證了表現(xiàn)型的結(jié)果〔14〕。SH2-酪氨酸磷酸酶Shp2在體內(nèi)廣泛存在，既可以通過磷酸酶的催化活性來正向調(diào)控下游信號轉(zhuǎn)導通路，也可以作為磷酸酶非依賴性的接頭蛋白發(fā)揮正向調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)Shp2可以通過降解FASN來調(diào)控脂質(zhì)代謝，P38磷酸化的泛素化途徑E3連接酶COP1累積在細胞中，借助于Shp2結(jié)合FASN，形成FASN-Shp2-COP1復合物，并通過泛素化途徑降解FASN〔15〕。

此外，在一些腫瘤中雌激素、孕激素和雄激素對FASN的表達及活性具有一定的調(diào)控作用。例如雌、孕激素可促進激素敏感的乳腺癌細胞中FASN的表達〔16〕。又如雄激素(10-8MR1881)導致前列腺癌細胞LNCaP中FASN的mRNA表達增加3～4倍。相反，抗雄激素藥物比卡魯胺能夠抑制FASN的活性〔17〕。

3FASN在腫瘤中的功能

腫瘤細胞增殖迅速，其惡性生物學行為是基于充足的物質(zhì)和能量代謝基礎。FASN不僅參與脂肪酸氧化供能，還在腫瘤組織中參與細胞周期調(diào)控過程。Pizer等〔18〕用早幼粒細胞性白血病細胞株HL60細胞當作研究脂肪酸合成活性的模型，發(fā)現(xiàn)HL-60細胞生長依賴于脂肪酸產(chǎn)物，當使用不含脂肪酸血清的培養(yǎng)基時，脂肪酸合成和DNA復制嚴重受限。FASN在整個細胞周期中的表達水平不斷變化，G1峰的細胞亞群顯示出較弱的FASN染色。FASN促進G1期細胞增殖，用淺藍菌素抑制其表達后細胞停滯在G1期〔19〕。淺藍菌素是一種FASN抑制劑，它通過與FASN中的β-酮脂酰合成酶末端絲氨酸上的-SH基結(jié)合，形成羥基內(nèi)酰胺環(huán)而使FASN失活，低濃度的淺藍菌素能夠不可逆地抑制內(nèi)源性脂肪酸合成〔20〕。

上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)是上皮細胞來源的惡性腫瘤獲得遷移和侵襲能力的重要生物學過程，F(xiàn)ASN在EMT中扮演著重要角色〔21〕。Jiang等〔9〕發(fā)現(xiàn)在發(fā)生EMT的細胞中FASN表達上調(diào)，使用shRNA沉默F(xiàn)ASN可逆轉(zhuǎn)EMT的表型。FASN抑制劑淺藍菌素可抑制MEK5轉(zhuǎn)化的乳腺癌細胞MCF-7的細胞增殖、遷移，并阻斷FASN、L-FABP和VEGF的表達，從而達到抑制腫瘤的作用。這些結(jié)果表明FASN可能是EMT的重要調(diào)控因素之一〔4〕。

FASN可通過改變VEGF的分泌及活性實現(xiàn)腫瘤新生血管的調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)敲除FASN后結(jié)直腸癌細胞在原位癌模型和雞胚絨毛尿囊膜模型中的血管密度降低，VEGF和MMP-9的表達與活性降低，血管生成趨于正?；?2〕。FASN抑制劑可下調(diào)黑色素瘤細胞中VEGFA的表達，減少黑色素瘤的轉(zhuǎn)移和血管生成〔23〕。

此外，F(xiàn)ASN還與腫瘤細胞凋亡有關(guān)。辣椒素促進細胞凋亡并將其阻滯于G0/G1期，F(xiàn)ASN抑制劑調(diào)控辣椒素誘導的凋亡，并使脂肪酸從頭合成活性降低〔24〕。TOFA是一種長鏈脂肪酸衍生物，是乙酰CoA羧化酶的別構(gòu)抑制劑。Pizer等〔25〕利用TOFA阻止乙酰CoA羧化成丙二酰CoA，用FASN抑制劑阻止乙酰CoA和丙二酰CoA合成長鏈脂肪酸。結(jié)果顯示，同等程度抑制下TOFA對腫瘤細胞無毒性，而FASN抑制劑有明顯的細胞毒性。表明細胞毒性是由抑制FASN造成，與抑制乙酰CoA羧化酶無關(guān)，即脂肪酸缺乏不是引起凋亡的主要原因。單純抑制FASN后胞內(nèi)丙二酰CoA水平上升明顯，用TOFA降低丙二酰CoA積聚水平后卻可以避免細胞凋亡。因此推測胞內(nèi)丙二酰CoA濃度升高能夠抑制FASN，導致腫瘤細胞發(fā)生凋亡。

4FASN是腫瘤治療的潛在靶點

選擇性抑制FASN，從而切斷腫瘤增殖的能量來源已成為目前腫瘤治療的一種新思路。研究〔26〕發(fā)現(xiàn)，利用靶向抗血管生成藥物舒尼替尼或索拉非尼治療腫瘤，停藥后復發(fā)的腫瘤細胞惡性程度增加，并且脂質(zhì)合成的能力顯著增強。在動物實驗中，再利用FASN抑制劑可明顯抑制腫瘤的復發(fā)和轉(zhuǎn)移。這提示干擾腫瘤FASN足以克服腫瘤侵襲性。

目前針對FASN的治療手段有RNA干擾和FASN抑制劑，包括淺藍菌素、C75和奧利司他。RNA干擾作為導致轉(zhuǎn)錄水平基因沉默的有效手段，被廣泛應用于抑制FASN基因的表達。研究〔27〕表明當采用針對FASN的RNA干擾技術(shù)可導致乳腺癌和卵巢癌細胞中HER2的表達顯著降低，從而誘發(fā)細胞淍亡。奧利司他是一種強效和長效胰脂肪酶抑制劑，與FASN硫酯酶領(lǐng)域的活性絲氨酸形成共價鍵能有效地抑制FASN。因其可直接阻斷人體對食物中脂肪的吸收，常適用于肥胖癥人群。奧利司他能夠減少口腔鱗狀細胞癌增殖遷移、促進細胞凋亡〔28〕。但是，奧利司他對腫瘤組織的低選擇性、低滲透性等缺點也限制其成為抗腫瘤藥物。淺藍菌素是一種真菌的天然抗菌藥物，Murata等〔20〕發(fā)現(xiàn)，淺藍菌素能夠抑制結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的發(fā)生，并通過誘導凋亡來抑制老鼠結(jié)直腸癌細胞的生長，是一種潛在的選擇性抗腫瘤物質(zhì)。C75是在淺藍菌素結(jié)構(gòu)基礎上設計、合成的小分子化合物，它是3-羧基-4-烷基-2-亞甲丁酸內(nèi)酯衍生物，該化合物克服了淺藍菌素環(huán)氧結(jié)構(gòu)的高毒性，并且表現(xiàn)出比淺藍菌素更優(yōu)的FASN抑制特異性。Pizer等〔18〕在裸鼠皮下植入人乳腺癌細胞系MCF7細胞并用C75處理后，發(fā)現(xiàn)植入的腫瘤細胞的脂肪酸合成受到抑制并開始凋亡，而且腫瘤的生長也受到了抑制，但C75對正常組織的毒性不明顯。因此，C75有可能成為一種新的抗腫瘤藥物。

5總結(jié)

目前，人們對FASN的生理功能及其基因表達的調(diào)控有了更深入的認識，F(xiàn)ASN作為細胞脂質(zhì)代謝中主要的一種酶，參與了腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。FASN在控制腫瘤細胞能量代謝、細胞周期調(diào)節(jié)、上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化等方面起著重要作用，有望成為腫瘤診斷的標志物和治療靶點。FASN抑制劑通過抑制腫瘤細胞內(nèi)源性脂肪酸的生物合成從而有效控制癌癥的發(fā)生、發(fā)展。FASN抑制劑淺藍菌素、奧利司他能導致多種癌細胞的凋亡，但由于低效、毒性高、性能不穩(wěn)定等因素限制了其臨床應用，因此開發(fā)高效、低毒、性能穩(wěn)定的FASN抑制劑成為當前該領(lǐng)域研究的熱點。隨著對脂肪酸合成途徑與腫瘤發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系及其機制的研究的不斷深入，相信人們會從腫瘤生物學、代謝角度設計出癌癥診斷與治療的新策略。

6參考文獻

1HanahanD,WeinbergRA.Hallmarksofcancer:thenextgeneration〔J〕.Cell,2011;144(5):646-74.

2VeigelD,WagnerR,StubigerG,et al.Fattyacidsynthaseisametabolicmarkerofcellproliferationratherthanmalignancyinovariancanceranditsprecursorcells〔J〕.IntJCancer,2015;136(9):2078-90.

3LiuH,LiuJY,WuX,et al.Biochemistry,molecularbiology,andpharmacologyoffattyacidsynthase,anemergingtherapeutictargetanddiagnosis/prognosismarker〔J〕.IntJBiochemMolBiol,2010;1(1):69-89.

4LiJ,DongL,WeiD,et al.Fattyacidsynthasemediatestheepithelial-mesenchymaltransitionofbreastcancercells〔J〕.IntJBiolSci,2014;10(2):171-80.

5WuX,DanielsG,LeeP,et al.Lipidmetabolisminprostatecancer〔J〕.AmJClinExpUrol,2014;2(2):111-20.

6ZecchinKG,RossatoFA,RaposoHF,et al.Inhibitionoffattyacidsynthaseinmelanomacellsactivatestheintrinsicpathwayofapoptosis〔J〕.LabInvest,2011;91(2):232-40.

7JiangB,LiEH,LuYY,et al.Inhibitionoffatty-acidsynthasesuppressesP-AKTandinducesapoptosisinbladdercancer〔J〕.Urology,2012;80(2):484,e9-15.

8SankaranarayanapillaiM,ZhangN,BaggerlyKA,et al.Metabolicshiftsinducedbyfattyacidsynthaseinhibitororlistatinnon-smallcelllungcarcinomacellsprovidenovelpharmacodynamicbiomarkersforpositronemissiontomographyandmagneticresonancespectroscopy〔J〕.MolImagingBiol,2013;15(2):136-47.

9JiangL,WangH,LiJ,et al.Up-regulatedFASNexpressionpromotestranscoelomicmetastasisofovariancancercellthroughepithelial-mesenchymaltransition〔J〕.IntJMolSci,2014;15(7):11539-54.

10DakerM,BhuvanendranS,AhmadM,et al.Deregulationoflipidmetabolismpathwaygenesinnasopharyngealcarcinomacells〔J〕.MolMedRep,2013;7(3):731-41.

11馮潔,黃曉俊,王祥,等.上消化道黏膜下腫瘤的內(nèi)鏡下診斷及治療進展〔J〕.現(xiàn)代生物醫(yī)學進展,2014;14(7):1398-400,1356.

12YangYA,HanWF,MorinPJ,et al.Activationoffattyacidsynthesisduringneoplastictransformation:roleofmitogen-activatedproteinkinaseandphosphatidylinositol3-kinase〔J〕.ExpCellRes,2002;279(1):80-90.

13GranerE,TangD,RossiS,et al.TheisopeptidaseUSP2aregulatesthestabilityoffattyacidsynthaseinprostatecancer〔J〕.CancerCell,2004;5(3):253-61.

14TaoBB,HeH,ShiXH,et al.Up-regulationofUSP2aandFASNingliomascorrelatesstronglywithgliomagrade〔J〕.JClinNeurosci,2013;20(5):717-20.

15YuJ,DengR,ZhuHH,et al.Modulationoffattyacidsynthasedegradationbyconcertedactionofp38MAPkinase,E3ligaseCOP1,andSH2-tyrosinephosphataseShp2〔J〕.JBiolChem,2013;288(6):3823-30.

16SongHJ,SneddonAA,HeysSD,et al.Regulationoffattyacidsynthase(FAS)andapoptosisinestrogen-receptorpositiveandnegativebreastcancercellsbyconjugatedlinoleicacids〔J〕.ProstaglandinsLeukotEssentFattyAcids,2012;87(6):197-203.

17SwinnenJV,EsquenetM,GoossensK,et al.AndrogensstimulatefattyacidsynthaseinthehumanprostatecancercelllineLNCaP〔J〕.CancerRes,1997;57(6):1086-90.

18PizerES,ChrestFJ,DiGiuseppeJA,et al.PharmacologicalinhibitorsofmammalianfattyacidsynthasesuppressDNAreplicationandinduceapoptosisintumorcelllines〔J〕.CancerRes,1998;58(20):4611-5.

19PizerES,WoodFD,PasternackGR,et al.Fattyacidsynthase(FAS):atargetforcytotoxicantimetabolitesinHL60promyelocyticleukemiacells〔J〕.CancerRes,1996;56(4):745-51.

20MurataS,YanagisawaK,FukunagaK,et al.Fattyacidsynthaseinhibitorceruleninsuppresseslivermetastasisofcoloncancerinmice〔J〕.CancerSci,2010;101(8):1861-5.

21ZaytsevaYY,RychahouPG,GulhatiP,et al.InhibitionoffattyacidsynthaseattenuatesCD44-associatedsignalingandreducesmetastasisincolorectalcancer〔J〕.CancerRes,2012;72(6):1504-17.

22ZaytsevaYY,ElliottVA,RychahouP,et al.Cancercell-associatedfattyacidsynthaseactivatesendothelialcellsandpromotesangiogenesisincolorectalcancer〔J〕.Carcinogenesis,2014;35(6):1341-51.

23SeguinF,CarvalhoMA,BastosDC,et al.ThefattyacidsynthaseinhibitororlistatreducesexperimentalmetastasesandangiogenesisinB16-F10melanomas〔J〕.BrJCancer,2012;107(6):977-87.

24ImphengH,PongcharoenS,RichertL,et al.TheselectivetargetofcapsaicinonFASNexpressionanddenovofattyacidsynthesismediatedthroughROSgenerationtriggersapoptosisinHepG2cells〔J〕.PLoSOne,2014;9(9):e107842.

25PizerES,ThupariJ,HanWF,et al.Malonyl-coenzyme-Aisapotentialmediatorofcytotoxicityinducedbyfatty-acidsynthaseinhibitioninhumanbreastcancercellsandxenografts〔J〕.CancerRes,2000;60(2):213-8.

26SounniNE,CiminoJ,BlacherS,et al.Blockinglipidsynthesisovercomestumorregrowthandmetastasisafterantiangiogenictherapywithdrawal〔J〕.CellMetab,2014;20(2):280-94.

27LeeJS,SulJY,ParkJB,et al.FattyacidsynthaseinhibitionbyamentoflavonesuppressesHER2/neu(erbB2)oncogeneinSKBR3humanbreastcancercells〔J〕.PhytotherRes,2013;27(5):713-20.

28AgostiniM,AlmeidaLY,BastosDC,et al.Thefattyacidsynthaseinhibitororlistatreducesthegrowthandmetastasisoforthotopictongueoralsquamouscellcarcinomas〔J〕.MolCancerTher,2014;13(3):585-95.

〔2013-04-15修回〕

(編輯曲莉)