谷氨酰胺代謝對(duì)卵巢腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為的影響

李文靜，孫斯曼，李默

卵巢腫瘤是婦女惡性腫瘤死亡率最高的腫瘤，據(jù)估計(jì)全世界每年因卵巢腫瘤死亡者達(dá)150 000人。2018年美國癌癥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，卵巢癌新發(fā)病例達(dá)22 240例，死亡數(shù)達(dá)14 070例[1]。由于早期缺乏確切癥狀，大部分卵巢癌患者當(dāng)疾病進(jìn)展至晚期階段才被發(fā)現(xiàn)，這是不良預(yù)后的重要原因。若卵巢癌早期被發(fā)現(xiàn)，5年生存率可達(dá)92.4%[2]。因此，臨床醫(yī)生們迫切尋求疾病的早期診斷方法來降低卵巢癌死亡率。卵巢上皮腫瘤是最常見的卵巢惡性腫瘤，起源于卵巢表面的上皮細(xì)胞，占卵巢惡性腫瘤的80%～90%[3]。研究發(fā)現(xiàn)糖和谷氨酰胺（glutamine，Gln）是卵巢癌細(xì)胞快速增殖時(shí)所需能量的主要來源，尤其是Gln，癌癥患者谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）活性顯著升高，該酶是Gln分解代謝的限速酶，與腫瘤生長、腫瘤血管生成及腫瘤免疫都有重要的關(guān)系。據(jù)報(bào)道Gln對(duì)卵巢癌細(xì)胞的生長、侵襲、化療藥物抵抗等具有重要影響。因此有必要綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)Gln代謝和卵巢癌相關(guān)研究做一綜述，進(jìn)一步明確Gln在卵巢癌中的研究意義。

1 Gln概述

1.1 Gln代謝網(wǎng)絡(luò) Gln是谷氨酸衍生物，參與嘌呤和嘧啶的合成，是體內(nèi)最豐富的氨基酸，線粒體是其代謝場(chǎng)所。Gln的合成和分解代謝是由不同的酶催化的不可逆反應(yīng)。氨和谷氨酸在谷氨酰胺合成酶催化下生成Gln，同時(shí)GLS分解Gln產(chǎn)生谷氨酸和氨。谷氨酸參與絲氨酸的合成，絲氨酸在絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶作用下生成甘氨酸，甘氨酸進(jìn)一步參與谷胱甘肽和嘌呤合成[4]。Gln通過增加谷胱甘肽形成參與抗氧化防御功能。另外，Gln分解代謝產(chǎn)生的α-酮戊二酸可以回補(bǔ)進(jìn)入三羧酸循環(huán)。研究發(fā)現(xiàn)Gln剝奪或抑制其分解代謝會(huì)阻礙急性髓系白血病細(xì)胞系HL-60生長[5]。在低氧條件下或線粒體功能受損時(shí)，Gln是脂肪酸合成碳的主要來源[6]。

1.2 GLS GLS是Gln分解代謝產(chǎn)生谷氨酸和氨的關(guān)鍵酶。GLS有2個(gè)不同的磷酸活化類型，GLS1和GLS2，在哺乳動(dòng)物中由不同染色體上單獨(dú)的基因編碼。先前研究認(rèn)為GLS1上調(diào)與細(xì)胞增殖速率增加有關(guān)，而GLS2似乎更偏向與靜息或休眠狀態(tài)細(xì)胞有關(guān)[7]。Suzuki等[8]發(fā)現(xiàn)GLS2是P53靶基因，DNA損傷或氧化應(yīng)激時(shí)以P53依賴的方式誘導(dǎo)GLS2的表達(dá)。卵巢癌患者中，磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體2（PI3K/AKT/mTORC2）通路時(shí)常被激活，mTORC又參與細(xì)胞增殖與存活、細(xì)胞遷移、血管生成和新陳代謝等重要生理活動(dòng)。研究顯示阻斷GLS1會(huì)顯著促進(jìn)PP242誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡（PP242是mTORC1和mTORC2雙重抑制劑），特異性靶向該途徑可能是治療卵巢癌非常有前途的方法。此外，抑制GLS1可降低卵巢癌細(xì)胞磷酸化的信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）表達(dá)[9]。近年多數(shù)研究認(rèn)為，Gln代謝途徑在卵巢癌進(jìn)展中有重要作用，GLS高表達(dá)與卵巢癌的轉(zhuǎn)移和5年生存率降低有關(guān)[10]。

2 Gln在腫瘤發(fā)生過程中的作用

癌癥會(huì)經(jīng)歷一系列代謝重編程過程，以滿足腫瘤細(xì)胞生長、侵襲的能量需求[11]。Pavlova等[12]總結(jié)了六大腫瘤代謝標(biāo)志：①糖和氨基酸攝取失控；②利用獲取營養(yǎng)的機(jī)會(huì)主義模式；③利用糖酵解或三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle，TAC）中間代謝物進(jìn)行生物合成以及煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）；④氮需求增加；⑤代謝驅(qū)動(dòng)基因改變；⑥新陳代謝和微環(huán)境交互作用。葡萄糖和Gln是腫瘤細(xì)胞能量供應(yīng)的兩大主要物質(zhì)[13]。其中，瓦氏效應(yīng)（Warburgeffect，癌細(xì)胞在有氧條件下通過糖酵解途徑消耗大量的糖類產(chǎn)生ATP和乳酸）是癌癥細(xì)胞最廣為人知的代謝特點(diǎn)[14]。盡管癌細(xì)胞糖酵解率高，但是線粒體氧化磷酸化可以保持完整并使腫瘤細(xì)胞逐步對(duì)Gln代謝產(chǎn)生依賴。1955年Eagle[15]首次提出增殖的腫瘤細(xì)胞需要高水平的Gln。培養(yǎng)基中Gln水平與腫瘤細(xì)胞增殖相關(guān)，血清Gln水平與腫瘤侵襲有關(guān)[16]。Gln通過增加谷胱甘肽（GSH）水平，降低活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）水平和提供NADPH參與抗氧化防御[17]。近年來有證據(jù)表明部分惡性腫瘤依賴Gln維持能量需求[18]，Gln利用最關(guān)鍵的一步是在線粒體酶GLS分解下轉(zhuǎn)換成谷氨酸，谷氨酸和谷氨酸衍生代謝物可以為三羧酸循環(huán)提供中間代謝物，生成谷胱甘肽，促進(jìn)脂肪酸合成。

3 Gln與卵巢癌

3.1 Gln促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞生長 Gln是腫瘤細(xì)胞生物合成的最主要的營養(yǎng)物質(zhì)之一。通過分析細(xì)胞毒性、細(xì)胞周期進(jìn)展、凋亡、細(xì)胞應(yīng)激和葡萄糖/Gln代謝評(píng)估卵巢癌細(xì)胞系（HEY，SKOV3和IGROV-1）對(duì)Gln的依賴，結(jié)果顯示3種細(xì)胞系增殖對(duì)Gln呈劑量依賴特征[19]。Gln可以促進(jìn)細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期，膜聯(lián)蛋白V（Annexin-V）實(shí)驗(yàn)分析Gln對(duì)細(xì)胞凋亡的影響發(fā)現(xiàn)，卵巢癌細(xì)胞在Gln缺乏的培養(yǎng)基中凋亡率顯著增加，同時(shí)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生和細(xì)胞應(yīng)激相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào)。絲裂原活化蛋白激酶/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（MAPKs/ERK）和PI3K/AKT/mTOR途徑對(duì)控制卵巢癌細(xì)胞生長和存活具有非常關(guān)鍵的作用，Gln可以增加S6（Ser235/236，S6是mTOR的底物）和p42/44（ERK）磷酸化，表明MAPK/ERK和mTOR/S6參與了Gln代謝。mTOR抑制劑雷帕霉素可以強(qiáng)烈抑制S6的磷酸化以及GLS的表達(dá)，Gln通過mTOR/S6途徑促進(jìn)卵巢癌細(xì)胞增殖。另外，Gln通過調(diào)節(jié)mTOR/S6和MAPK途徑增加GLS和谷氨酸脫氫酶（GDH）活性[20-21]。以上研究提示，Gln代謝對(duì)卵巢腫瘤的生長具有非常重要的促進(jìn)作用，因此是否能從Gln代謝通路中，靶向關(guān)鍵的合成酶，尋求卵巢癌新的治療方案值得深入探討。

3.2 Gln與卵巢癌細(xì)胞侵襲相關(guān) 多種不同的腫瘤微環(huán)境說明細(xì)胞需要合適的營養(yǎng)物質(zhì)維持生長、侵襲和能量代謝。越來越多的研究表明，腫瘤細(xì)胞代謝依賴主要由癌基因改變和重新設(shè)置細(xì)胞代謝過程促進(jìn)腫瘤發(fā)生。然而近來關(guān)于癌癥侵襲和惡性腫瘤研究顯示，腫瘤代謝依賴更加明顯。葡萄糖（Glc）和Gln促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長，而腫瘤細(xì)胞侵襲和遷移能力與腫瘤細(xì)胞特有的代謝物質(zhì)依賴尚不清楚。糖代謝與腫瘤細(xì)胞存活途徑的交互作用影響侵襲、遷移和能量平衡。許多針對(duì)糖酵解的靶向藥物通過活化表皮生長因子受體（EGFR）、癌基因Src、詹納斯激酶（Janus-activated kinase，JAK）和ERK途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、抗凋亡反應(yīng)和轉(zhuǎn)移，但是Gln代謝與控制腫瘤細(xì)胞表型的網(wǎng)絡(luò)尚不清楚[22-23]。卵巢癌患者代謝網(wǎng)絡(luò)顯示，預(yù)后不良的患者Gln分解代謝相關(guān)基因呈高表達(dá)，包括GLS1、谷氨酸脫氫酶（GLUD1）、谷草轉(zhuǎn)氨酶1（GOT1）和GOT2以及三羧酸循環(huán)相關(guān)基因[如丙

酮酸脫氫酶（PDH），檸檬酸合成酶（CS），順烏頭酸酶（ACO2）和琥珀酸脫氫酶（SDHB）]，這與葡萄糖進(jìn)入三羧酸循環(huán)涉及的基因表達(dá)情況相反。采用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）技術(shù)通過靶向代謝組學(xué)分析OVCAR3和SKOV3卵巢癌細(xì)胞系相關(guān)代謝產(chǎn)物豐度發(fā)現(xiàn)，低侵襲性卵巢癌細(xì)胞（low invasive ovary cancer，LI-OVCA）糖酵解途徑（丙酮酸，乳酸）和三羧酸循環(huán)（檸檬酸，蘋果酸，延胡索酸）代謝產(chǎn)物高于高侵襲性卵巢癌細(xì)胞（high invasive ovary cancer，HI-OVCA）。利用同位素示蹤技術(shù)和生物能學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，LI-OVCA是Gln非依賴的，而HI-OVCA是Gln顯著依賴的，說明在高侵襲性的卵巢癌中，Gln代謝支撐了線粒體三羧酸循環(huán)活性。因此是Gln代謝與卵巢癌不良預(yù)后有關(guān)，而不是糖酵解[19]。

3.3 Gln與卵巢癌化療藥物抵抗 鉑類和紫杉醇是卵巢癌一線化療藥物，雖然80%卵巢癌患者對(duì)以鉑類為基礎(chǔ)的一線化療方案敏感，但復(fù)發(fā)率卻高達(dá)60%以上，其中大部分患者在一線化療后出現(xiàn)繼發(fā)性鉑類耐藥，導(dǎo)致復(fù)發(fā)性卵巢癌患者預(yù)后極差[24-25]。研究證實(shí)c-myc通過三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化調(diào)節(jié)鉑類抵抗的卵巢癌細(xì)胞系對(duì)Gln代謝的依賴。目前，將代謝途徑作為研究目標(biāo)來增強(qiáng)卵巢癌治療療效及克服藥物抵抗是較為引人注目的研究方向。在鉑類敏感的卵巢癌細(xì)胞系A(chǔ)2780中，鉑類藥物治療最初糖和Gln的代謝是上調(diào)的；相反，鉑類抵抗的細(xì)胞系CP70中對(duì)Gln的存在顯著依賴，并伴隨著Gln轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ASCT2和GLS表達(dá)上調(diào)。通過GLS穩(wěn)定過表達(dá)證實(shí)了因?yàn)镚ln代謝的重要作用才引起了鉑類抵抗，如果在鉑類抵抗的卵巢癌細(xì)胞中采用小發(fā)夾RNA（shRNA）降調(diào)GLS的表達(dá)可以使細(xì)胞重新對(duì)鉑類治療敏感。重要的是在體外，GLS抑制劑（BPTES）和鉑類聯(lián)用可以協(xié)同抑制鉑類敏感和抵抗的卵巢癌。鉑類聯(lián)合BPTES與單一鉑類治療相比，腫瘤細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)顯著增加。因此，Gln代謝通路和以鉑類為基礎(chǔ)的化學(xué)療法聯(lián)合使用是卵巢癌潛在的治療策略，特別是耐藥性卵巢癌[26]。

4 結(jié)語

卵巢癌常發(fā)生在圍絕經(jīng)期女性，由于早期缺乏明顯的癥狀和有效的診斷方法，其死亡率一直處于婦科腫瘤第一位。近十年來腫瘤代謝組學(xué)研究重新引起研究者們的注意，腫瘤代謝改變特點(diǎn)首次發(fā)現(xiàn)至今已近一個(gè)世紀(jì)前[27]，采用新的生化和分子生物學(xué)手段研究腫瘤代謝有助于增加對(duì)不同時(shí)期腫瘤相關(guān)代謝改變機(jī)制和功能的理解[12]。其中Gln作為第二大腫瘤營養(yǎng)物質(zhì)來源成為卵巢癌代謝研究的新方向。上述研究表明Gln分解代謝有助于卵巢癌細(xì)胞的生長和侵襲，通過抑制Gln分解代謝酶類如GLS，能有效阻滯癌癥侵襲并增加鉑類抵抗的卵巢癌細(xì)胞重新對(duì)鉑類化療藥物敏感。因此，靶向Gln分解代謝途徑，對(duì)尋求卵巢癌診斷和預(yù)后標(biāo)記物以及新的治療靶點(diǎn)意義重大。