SHMT2在腫瘤中的研究進(jìn)展

劉璋楠侯俊清王慧娟

1.河南大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 河南大學(xué)抗體藥物開發(fā)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,河南 開封 475004;2.河南大學(xué) 淮河臨床學(xué)院,河南 開封475000

自從19世紀(jì)20年代Warburg效應(yīng)提出以來(lái),人們普遍接受了代謝異常是腫瘤的重要特征[1]。惡性腫瘤細(xì)胞中進(jìn)行著旺盛的代謝運(yùn)動(dòng),需要大量的能量供應(yīng),快速合成核苷酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子,甚至可以?shī)Z取正常組織的分解產(chǎn)物,合成腫瘤本身所需要的物質(zhì)。許多代謝酶及代謝物的變化都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞代謝表型的改變從而啟動(dòng)腫瘤的發(fā)生。臨床研究中已經(jīng)將腫瘤發(fā)生發(fā)展及治療效果不佳的現(xiàn)象與整個(gè)機(jī)體的代謝改變聯(lián)系起來(lái)。

腫瘤細(xì)胞主要依靠糖酵解來(lái)產(chǎn)生能量,糖酵解在腫瘤細(xì)胞中異?；罨?絲氨酸合成通路作為糖酵解的分支,近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]。絲氨酸作為非必需氨基酸,正常細(xì)胞可以依靠?jī)?nèi)源性合成滿足生長(zhǎng)需求,而腫瘤細(xì)胞由于生長(zhǎng)加快、代謝增強(qiáng),還需要外源性的攝入。合成和攝入的絲氨酸在絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶SHMT(胞質(zhì):SHMT1;線粒體:SHMT2)的作用下轉(zhuǎn)化成甘氨酸,同時(shí)提供一個(gè)碳原子進(jìn)入一碳代謝,為腫瘤生長(zhǎng)所需的蛋白質(zhì)和核酸合成提供了必要的前體物質(zhì)[3]。位于線粒體中的同工酶SHMT2的表達(dá)在多種腫瘤中顯著上調(diào),且與預(yù)后不良相關(guān)[4-6],本文就近年來(lái)絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶2(SHMT2)在腫瘤中的研究進(jìn)展作如下總結(jié)。

1 SHMT2功能及在腫瘤中的表達(dá)

絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶(SHMT)是絲氨酸/甘氨酸合成途徑和一碳代謝的關(guān)鍵酶,在人類基因組中發(fā)現(xiàn)了兩類SHMT基因,即SHMT1和SHMT2。SHMT2位于12q13染色體位點(diǎn),編碼55k D大小的蛋白,主要存在于線粒體中,而SHMT1編碼胞質(zhì)同工酶,可運(yùn)輸至細(xì)胞核[7]。見(jiàn)圖1。

圖1 絲氨酸/甘氨酸合成途徑和一碳代謝

最近的研究[8]表明,SHMT2在多種腫瘤中顯著高表達(dá),且與不良預(yù)后相關(guān)。例如SHMT2在肝癌中高表達(dá),干擾SHMT2后能抑制肝癌的發(fā)展,而在肝癌細(xì)胞系中,SHMT2的下調(diào)在體內(nèi)外均可降低細(xì)胞的生長(zhǎng)和致瘤性,SHMT2表達(dá)與肝內(nèi)膽管癌患者腫瘤TNM分期顯著相關(guān),隨著TNM分期的增加,SHMT2的表達(dá)增加,SHMT2水平較低的患者總體生存率較高[9];SHMT2在快速增殖膠質(zhì)瘤中也存在高表達(dá),促進(jìn)新陳代謝的變化,使腫瘤細(xì)胞耐受缺血缺氧的微環(huán)境,此功能可能依賴于甘氨酸的清除[10],在膠質(zhì)瘤患者中,SHMT2的高表達(dá)被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的預(yù)后因子[11];基因富集分析發(fā)現(xiàn),SHMT2的高表達(dá)與乳腺癌患者的侵襲性和較差生存率顯著相關(guān),SHMT2在乳腺癌ER-病例中是一個(gè)有價(jià)值的預(yù)后指標(biāo),可以作為乳腺癌治療和藥物開發(fā)的潛在靶點(diǎn)[12];另有臨床研究[13]也表明,SHMT2的高表達(dá)與結(jié)直腸癌侵襲性和預(yù)后相關(guān)。以上研究結(jié)果都顯示SHMT2在多種腫瘤中高表達(dá),抑制SHMT2可以抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和侵襲,SHMT2很可能作為腫瘤治療的一個(gè)新靶點(diǎn)。

2 SHMT2影響腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的可能機(jī)制

目前只有少量文獻(xiàn)報(bào)道什么機(jī)制影響腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng),具體機(jī)制尚不清楚。有報(bào)道[14]對(duì)敲除SHMT2的細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析發(fā)現(xiàn),細(xì)胞周期的相關(guān)蛋白變化顯著,找到多個(gè)與細(xì)胞周期相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào),把排名第一的基因UHRF1(泛素樣,含有PHD和RING指環(huán)結(jié)構(gòu)域蛋白1)進(jìn)行過(guò)表達(dá),在敲除SHMT2的細(xì)胞中回補(bǔ)UHRF1,細(xì)胞的增殖能力在體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)中均得到恢復(fù),但并沒(méi)有達(dá)到原始水平,又對(duì)測(cè)序結(jié)果中排名第二的CCND1(細(xì)胞周期蛋白D1)基因進(jìn)行回補(bǔ),結(jié)果顯示細(xì)胞增殖能力得到完全恢復(fù)。因此,SHMT2可能通過(guò)靶向下游與周期相關(guān)的兩個(gè)基因UHRF1和CCND1對(duì)細(xì)胞增殖進(jìn)行調(diào)控。

SHMT2是介導(dǎo)絲氨酸轉(zhuǎn)化成甘氨酸的關(guān)鍵酶。該過(guò)程伴隨THF大量生成,是嘌呤、嘧啶及膠原蛋白合成的基礎(chǔ)原料,而代謝產(chǎn)物甘氨酸在細(xì)胞增殖中也發(fā)揮重要作用。小鼠原代肝細(xì)胞內(nèi)的甘氨酸可激活A(yù)kt-m TOR通路來(lái)促進(jìn)細(xì)胞DNA合成,上調(diào)SHMT2導(dǎo)致的細(xì)胞增殖加快與胞內(nèi)甘氨酸含量增加及Akt-m TOR通路活化相關(guān),抑制SHMT2表達(dá)所導(dǎo)致肝細(xì)胞增殖抑制及肝功受損與組織甘氨酸含量及Akt-m TOR通路活性降低相關(guān),因此,SHMT2可以促進(jìn)肝細(xì)胞復(fù)制,其機(jī)制可能與甘氨酸介導(dǎo)的Akt-m TOR通路活化相關(guān)[15]。

SHMT2可能通過(guò)STAT3/SHMT2/PKM2回路調(diào)節(jié)癌癥進(jìn)展早期對(duì)炎癥的代謝變化,STAT3是STAT家族成員之一,可參與多種調(diào)節(jié)途徑,SHMT2基因上游區(qū)域有一個(gè)STAT3結(jié)合位點(diǎn),STAT3可能在缺氧或氧化應(yīng)激條件下負(fù)責(zé)誘導(dǎo)和維持Warburg效應(yīng)。例如在人前列腺癌細(xì)胞系中,用IL-6誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),乳酸的產(chǎn)生明顯增加,提示代謝向Warburg效應(yīng)轉(zhuǎn)移,同時(shí)發(fā)現(xiàn)SHMT2線粒體表達(dá)增加,活性增強(qiáng),導(dǎo)致SHMT2的底物絲氨酸濃度下降,而絲氨酸是PKM2的變構(gòu)陽(yáng)性調(diào)節(jié)因子,有利于PKM2從四聚體向二聚體的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)化減慢了糖酵解通量,增加了乳酸/丙酮酸的比例,導(dǎo)致代謝變化,這種代謝變化是通過(guò)增加SHMT2的表達(dá)來(lái)維持的[16]。

SHMT2可以限制丙酮酸激酶(PKM2)的活性,從而降低氧的消耗,引發(fā)一種代謝改變,這種狀態(tài)給處于血管分布較少的腫瘤區(qū)域細(xì)胞帶來(lái)了巨大的生存優(yōu)勢(shì)。PKM2在糖酵解過(guò)程中催化磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸,可減緩腫瘤生長(zhǎng)。降低PKM2的活性可以使糖酵解產(chǎn)生的碳以一種有利于腫瘤細(xì)胞增殖的方式重新分布在腫瘤中,SHMT2的表達(dá)可以抑制PKM2的活性,從而抑制碳通量進(jìn)入TCA循環(huán),在缺氧環(huán)境下促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的存活[10]。

作為癌基因c-Myc的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn),SHMT2的過(guò)表達(dá)可以刺激c-Myc缺陷細(xì)胞的快速增殖[17];相反,在Myc依賴的細(xì)胞中敲除SHMT2,降低了NADPH/NADP+的產(chǎn)率,結(jié)果導(dǎo)致活性氧含量升高,進(jìn)而觸發(fā)缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡[18]。在非小細(xì)胞肺癌里(NSCLC),轉(zhuǎn)錄因子NRF2通過(guò)ATF4控制絲氨酸/甘氨酸代謝的關(guān)鍵酶PHGDH、SHMT2的表達(dá),以支持谷胱甘肽和核苷酸的產(chǎn)生,并與NSCLC的臨床侵犯性相關(guān)[19]。Celardo等[20]發(fā)現(xiàn),ATF4調(diào)節(jié)單碳代謝基因SHMT2和線粒體亞甲基四氫葉酸脫氫酶(NMDMC)的表達(dá),對(duì)線粒體起到的保護(hù)作用,而抑制SHMT2或NMDMC會(huì)導(dǎo)致線粒體功能缺陷。

在SHMT2的自身調(diào)節(jié)方面也取得了一定的進(jìn)展,主要集中在SHMT2的表觀修飾方面。由于蛋白自動(dòng)琥珀?；姆敲复呋饔?新翻譯的SHMT2可能被琥珀酰基團(tuán)阻斷,在沒(méi)有酶活性的情況下保持其同源二聚體狀態(tài)。但當(dāng)細(xì)胞處于快速增殖狀態(tài)或代謝應(yīng)激狀態(tài)時(shí),SIRT5使SHMT2脫羧,并從K280中去除琥珀基,從而增強(qiáng)SHMT2四聚體的形成,激活其酶活性,使絲氨酸的分解代謝增強(qiáng),提供一碳單位來(lái)促進(jìn)腫瘤的快速增殖,從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)[21]。與SIRT5相同,SIRT3也有類似的功能,SIRT3通過(guò)去乙?；疭HMT2在結(jié)直腸癌中發(fā)揮致癌作用,去乙酰化的SHMT2可以使絲氨酸消耗增加,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng),發(fā)揮其致癌功能[14]。

3 相關(guān)抑制劑的開發(fā)研究

除了已知的“Warburg effect”之外,腫瘤細(xì)胞為了滿足其快速增殖的需求,會(huì)消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入生物大分子合成的通路,并且會(huì)提供足夠的ATP。幾乎所有的腫瘤細(xì)胞都具有這種代謝變化,這些改變的代謝通路就可能會(huì)成為潛在的治療靶點(diǎn)[22-23]。近年來(lái)人們針對(duì)腫瘤相關(guān)代謝通路的關(guān)鍵酶采取各種手段試圖抑制其活性,減少其代謝物的產(chǎn)生,從而達(dá)到抑制腫瘤生長(zhǎng)的目的。

SHMT2在腫瘤細(xì)胞的表達(dá)升高促進(jìn)細(xì)胞代謝的轉(zhuǎn)變,使細(xì)胞在缺血的腫瘤微環(huán)境中存活,因此SHMT2被認(rèn)為是腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中至關(guān)重要的一個(gè)酶。Gucker等[24]于2017年通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得到了對(duì)SHMT1/2均有抑制活性的化合物,發(fā)現(xiàn)這些化合物在細(xì)胞水平作用明顯,但由于其在體內(nèi)快速清除,限制了其臨床應(yīng)用,需要后期投入更多的精力來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造以獲得成藥性更好的化合物。

絲氨酸/甘氨酸代謝是連接絲氨酸和一碳代謝的橋梁,針對(duì)絲氨酸合成和一碳代謝的小分子抑制劑的開發(fā)也得到了廣泛的關(guān)注。磷酸甘油酸脫氫酶PHGDH是絲氨酸合成的關(guān)鍵酶,靶向PHGDH的小分子抑制劑(NCT503、CBR-5884)可以抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)[25-26],尤其對(duì)于PHGDH高表達(dá)的腫瘤具有很好的臨床應(yīng)用前景,如膠質(zhì)瘤、肺癌、前列腺癌等[27-29]。一碳代謝共涉及三個(gè)細(xì)胞途徑:葉酸循環(huán)、甲硫氨酸循環(huán)和轉(zhuǎn)硫途徑,葉酸循環(huán)的關(guān)鍵酶是亞甲基四氫葉酸脫氫酶2(MTHFD2),其高表達(dá)與乳腺癌、腎癌和胰腺癌的不良臨床預(yù)后顯著相關(guān)[30-32],并且可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的干細(xì)胞轉(zhuǎn)化、EMT化和多藥耐藥[31-32]。為了防止腫瘤治療過(guò)程中耐藥性的產(chǎn)生,促使了一些新的靶向于MTHFD2的抑制劑的產(chǎn)生[33]。BHMT(甜菜堿-同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)將同型半胱氨酸還原為甲硫氨酸,是甲硫氨酸循環(huán)的關(guān)鍵酶,其在小鼠體內(nèi)的缺失促進(jìn)了脂肪肝、肝癌和同型半胱氨酸的積累,還會(huì)導(dǎo)致某些組織中多胺和鞘脂類物質(zhì)的消耗[34]。甲硫氨酸循環(huán)產(chǎn)生了S-腺苷甲硫胺酸(SAM),在甲基化反應(yīng)中充當(dāng)甲基供體[35],參與組蛋白、DNA和RNA的甲基化反應(yīng),針對(duì)甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制劑在腫瘤治療中已經(jīng)進(jìn)入了臨床前研究[36]。

4 展望

基于腫瘤組織和正常組織的代謝差異,代謝組學(xué)在腫瘤生物學(xué)研究中具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。代謝通路是一系列基因和蛋白質(zhì)的最終的共同通路,可以得到更多的整合分析信息。隨著科學(xué)的進(jìn)步和研究的深入,針對(duì)腫瘤的治療方法越來(lái)越具有多樣性。靶向腫瘤代謝是目前腫瘤治療中很有前途的策略之一,位于線粒體中的同工酶SHMT2的表達(dá)在多種腫瘤中顯著上調(diào),且與預(yù)后不良相關(guān)。甚至有研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞需要SHMT2的作用才能達(dá)到最佳的增殖和致瘤性。因此,探討SHMT2代謝酶在腫瘤中的作用及其機(jī)制,將會(huì)為抗腫瘤藥物的開發(fā)和生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)帶來(lái)更多新的機(jī)會(huì)。