谷氨酰胺代謝在肺纖維化疾病中的研究進(jìn)展

殷娥高，楊 眉綜述，雷 雯，董昭興審校

0 引 言

肺纖維化是一種病因不明的進(jìn)行性、多因素和致命性肺部疾病，目前尚無有效治療方法。盡管食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，F(xiàn)DA)最近批準(zhǔn)了治療特發(fā)性肺纖維化的藥物尼達(dá)尼布和吡非尼酮[1]，顯示可延緩疾病的進(jìn)展，但隨著時間的推移，副作用限制了治療效果，且對于肺功能重度下降的患者，病情較難逆轉(zhuǎn)[2]。因此，目前研究的重點(diǎn)在于明確肺纖維化形成的機(jī)制及尋找新的治療肺纖維化的方法。近年來，細(xì)胞代謝異常在肺纖維化發(fā)病機(jī)制中的作用受到重視，特別是谷氨酰胺代謝的異常。代謝重編程是肌成纖維細(xì)胞分化和組織纖維化過程中不可或缺的一步。肌成纖維細(xì)胞中膠原蛋白的翻譯和穩(wěn)定需要谷氨酰胺分解代謝增強(qiáng)[3]。同時，抑制谷氨酰胺分解代謝的關(guān)鍵酶，可減輕肺纖維化[4]。因此，谷氨酰胺代謝過程與纖維化中肌成纖維細(xì)胞的分化、膠原蛋白的產(chǎn)生存在密切聯(lián)系。本文就谷氨酰胺分解代謝與肺纖維化相關(guān)的研究進(jìn)展作一綜述。

1 谷氨酰胺代謝概述

谷氨酰胺是人體內(nèi)含量最豐富的非必需氨基酸[5]，廣泛存在于骨骼肌、肝、腦組織、肺、以及胃等組織中。在劇烈運(yùn)動、受傷、感染等應(yīng)激情況下，谷氨酰胺需要量增加, 機(jī)體通過生物催化反應(yīng)將其他氨基酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺[6]。谷氨酰胺可通過細(xì)胞膜上的丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2從胞外轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)[7], 或通過胞飲的方式進(jìn)入細(xì)胞[8]。谷氨酰胺代謝是谷氨酰胺分解代謝過程，用于產(chǎn)生生物能量、合成蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸以及維持氧化還原穩(wěn)態(tài)[9-13]。目前大量研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺是細(xì)胞增殖和生長的重要代謝物[14]，細(xì)胞內(nèi)的谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(Glutaminase，GLS)的作用下脫氨基生成谷氨酸(glutamicacid, Glu)[15]，谷氨酸通過谷氨酸脫氫酶生成α-酮戊二酸(α-ketoglutarate, α-KG)，進(jìn)入三羧酸循環(huán) (tricarboxylic acid cycle, TCA )氧化供能[9]。這是肌成纖維細(xì)胞分化所需的關(guān)鍵代謝過程[16]，支持谷氨酰胺分解在肺纖維化中的重要作用[3,16-17]。此外，谷氨酰胺還參與胞內(nèi)谷胱甘肽的合成, 清除活性氧, 維持胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)[18]。

2 谷氨酰胺代謝在肺纖維化中的作用

谷氨酰胺代謝與多種纖維化疾病相關(guān)，包括肝纖維化[19]、腎纖維化[20]、腹膜纖維化[21]、皮膚纖維化[22]等。研究證實(shí)，谷氨酰胺代謝對纖維化進(jìn)程的影響，主要是通過影響肌成纖維細(xì)胞分化和膠原蛋白產(chǎn)生[3, 16, 23]。因此，干預(yù)谷氨酰胺代謝以及使用谷氨酰胺酶抑制劑有望成為治療纖維化疾病的新手段。

2.1谷氨酰胺代謝對肌成纖維細(xì)胞分化的影響肌成纖維細(xì)胞在纖維化過程中起關(guān)鍵作用，阻斷其分化過程，有望成為治療肺纖維化的一種新的治療靶點(diǎn)[24-25]。肌成纖維細(xì)胞對谷氨酰胺的需求較正常細(xì)胞顯著增高，其為生物合成途徑提供多種底物。Hewitson等[26]在腎纖維化的研究中證實(shí)，腎損傷后釋放的促纖維化信號誘導(dǎo)代謝重編程，以滿足成纖維細(xì)胞表型的高生物能量和生物合成需要，纖維化信號如轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)觸發(fā)細(xì)胞代謝的重新編程，向糖酵解轉(zhuǎn)變，與線粒體氧化磷酸化解偶聯(lián)，谷氨酰胺代謝增強(qiáng)。Karen等[16]研究中發(fā)現(xiàn)在TGF-β誘導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞中，觀察到TCA循環(huán)代謝產(chǎn)物的濃度增加，包括α-KG、琥珀酸、富馬酸、蘋果酸和檸檬酸。而且，與對照組相比，TGF-β誘導(dǎo)的肌成纖維細(xì)胞中谷氨酸濃度升高，而谷氨酰胺濃度降低，提示谷氨酰胺分解作用增強(qiáng)。故而得出谷氨酰胺分解是肌成纖維細(xì)胞代謝重編程的關(guān)鍵組成部分，調(diào)節(jié)肌成纖維細(xì)胞的分化。Bai等[23]的研究證實(shí)，特發(fā)性肺纖維化患者中成纖維細(xì)胞對谷氨酰胺代謝的變化比其他細(xì)胞更敏感。Robert等[27]研究也證實(shí)了谷氨酰胺和谷氨酸衍生的氨基酸的生物合成是人肺成纖維細(xì)胞分化所必需的。因此，谷氨酰胺代謝影響肌成纖維細(xì)胞的分化，參與肌成纖維細(xì)胞的代謝重編程。

2.2谷氨酰胺代謝對膠原蛋白生成的影響在肺纖維化中，TGF-β誘發(fā)成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的分化。肌成纖維細(xì)胞是一種合成細(xì)胞，能分泌大量細(xì)胞外基質(zhì)。細(xì)胞外基質(zhì)的過度集聚導(dǎo)致組織纖維化，其中，膠原蛋白是纖維組織中發(fā)現(xiàn)的主要結(jié)構(gòu)蛋白。脯氨酸與甘氨酸一起占膠原氨基酸殘基的57%，在胞質(zhì)中通過吡咯啉-5羧酸鹽直接由谷氨酸生成[28]，因此，谷氨酰胺代謝增加通過間變性反應(yīng)補(bǔ)充TCA循環(huán)，同時也為膠原合成提供脯氨酸。Ge等[3]還發(fā)現(xiàn)肌成纖維細(xì)胞谷氨酰胺降解終末產(chǎn)物α-KG水平升高。與谷氨酰胺降解類似，α-KG可激活mTORC1，促進(jìn)膠原的表達(dá)，但不能激活纖維連接蛋白、彈性蛋白或α-平滑肌肌動蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)；α-KG對成纖維細(xì)胞膠原降解也有明顯的抑制作用。Robert等[27]的研究中發(fā)現(xiàn)在肺成纖維細(xì)胞中，谷氨酰胺及其通過谷氨酰胺酶轉(zhuǎn)化為谷氨酸是TGF-β誘導(dǎo)膠原蛋白產(chǎn)生所必需的；谷氨酸通過谷氨酸脫氫酶、谷丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶或谷草轉(zhuǎn)氨酶代謝成α-KG不是膠原蛋白產(chǎn)生所必需的。谷氨酰胺分解代謝也有報道在常氧條件下激活缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)[29]。HIF-1α調(diào)節(jié)TGF-β誘導(dǎo)的Smad3激活下游促纖維化標(biāo)志物的表達(dá)[30]。因此，谷氨酰胺代謝中代謝產(chǎn)物直接或間接參與肺纖維化中膠原蛋白的生成，進(jìn)而影響肺纖維化的形成。

2.3谷氨酰胺酶在肺纖維化中的作用GLS有2種亞型，GLS1(腎型)和GLS2(肝型)，GLS1上調(diào)與增殖率增加相關(guān)[31]。肺肌成纖維細(xì)胞中谷氨酰胺消耗增加主要由GLS1水平升高驅(qū)動[3,16]。Ge等[3]的研究證實(shí)，人肺肌成纖維細(xì)胞經(jīng)歷了谷氨酰胺代謝分解重編程，GLS1在肺纖維化和用促纖維化介質(zhì)TGF-β處理的成纖維細(xì)胞中表達(dá)增強(qiáng)。同時還發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的谷氨酰胺分解通過促進(jìn)膠原蛋白的穩(wěn)定和合成，在人肺成纖維細(xì)胞膠原蛋白的表達(dá)中起著關(guān)鍵作用。Cui等[4]的研究證實(shí)，博來霉素致肺纖維化小鼠肺成纖維細(xì)胞GLS1表達(dá)上調(diào)，在GLS1-/-敲低小鼠暴露于博來霉素時，小鼠中促纖維化介質(zhì)減少，包括纖連蛋白、α-SMA和膠原轉(zhuǎn)錄減少。然后，在TGF-β暴露的小鼠肺成纖維細(xì)胞中使用了GLS1的抑制劑CB-839，發(fā)現(xiàn)選擇性抑制Ⅰ型膠原和Ⅲ型膠原的蛋白水平，但不抑制α-SMA或纖連蛋白。還證實(shí)在CB-839處理的細(xì)胞中膠原降解加速，支持 GLS1通過膠原穩(wěn)定在膠原蛋白表達(dá)中發(fā)揮作用。Choudhury等[32]的研究證實(shí)，在來自特發(fā)性肺纖維化的患者的成纖維細(xì)胞比正常肺對應(yīng)物表達(dá)更多的GLS mRNA。因此，谷氨酰胺酶是肺纖維化中谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵作用點(diǎn)。

3 靶向谷氨酰胺代謝對肺纖維化的作用

目前對靶向谷氨酰胺代謝在肺纖維化中的相關(guān)研究主要集中在靶向谷氨酰胺酶上，谷氨酰胺在細(xì)胞內(nèi)首先在GLS的作用下分解為Glu和一個銨離子。因此，GLS是谷氨酰胺分解代謝中的第一個催化酶, 也是治療肺纖維化的重要靶點(diǎn)。Cui等[4]的研究證實(shí)，博來霉素處理第7天后開始對博來霉素暴露小鼠進(jìn)行CB-839治療，持續(xù)2周，發(fā)現(xiàn)羥脯氨酸水平降低、組織學(xué)改善和膠原沉積減少；CB-839處理的細(xì)胞中膠原降解加速。Choudhury等[32]的研究證實(shí)，給予GLS1抑制劑CB-839可減輕博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化；纖維化介質(zhì)不僅以CB-839劑量依賴性方式被抑制，而且在室內(nèi)空氣中的肺外周血氧合(SpO2)改善；GLS1抑制后，F(xiàn)lexivent的肺順應(yīng)性同樣得到改善。鑒于CB839現(xiàn)在已經(jīng)在肺纖維化的動物模型中被證明可減輕肺纖維化程度，因此，干預(yù)谷氨酰胺分解代謝可成為肺纖維化的潛在治療靶點(diǎn)。但是，由于肺纖維化形成是多方面的，未來可將CB-839與FDA批準(zhǔn)的IPF的藥物(吡非尼酮或尼達(dá)尼布)聯(lián)合治療的療效值得進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 語

谷氨酰胺為纖維化疾病提供碳源、氮源, 以及維持氧化還原穩(wěn)態(tài), 是細(xì)胞重要的物質(zhì)和能量來源, 在纖維化疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。谷氨酰胺代謝在肺纖維化中的作用機(jī)制逐漸被闡明。谷氨酰胺代謝通過影響肌成纖維細(xì)胞的分化及膠原蛋白的產(chǎn)生，從而影響肺纖維化形成。谷氨酰胺代謝的研究將有利于從代謝角度解釋肺纖維化的發(fā)病機(jī)制，以及代謝參與調(diào)控肺纖維化的進(jìn)展。但肺纖維化的病因及發(fā)病機(jī)制都很復(fù)雜，目前的認(rèn)識還是比較局限。隨著越來越多的研究及關(guān)注, 希望可尋找在谷氨酰胺代謝過程中調(diào)控纖維化的新靶點(diǎn), 為抗纖維化提供新思路。