谷氨酰胺酶2在腫瘤中作用的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

劉康俊，張 弛，王 謙，彭 睿 綜述 柏斗勝 審校

（1.揚(yáng)州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225001；2.揚(yáng)州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，蘇北人民醫(yī)院肝膽胰外科，普通外科研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

腫瘤細(xì)胞可出現(xiàn)多種表型的改變，而代謝異常是腫瘤細(xì)胞的一項(xiàng)主要特征[1]。腫瘤細(xì)胞異常代謝機(jī)制的研究可為抗腫瘤治療提供新的潛在治療靶點(diǎn)和思路。谷氨酰胺可為細(xì)胞生長(zhǎng)提供代謝所需的能量，為合成各種大分子物質(zhì)如脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等提供原料，而異常代謝的腫瘤細(xì)胞消耗大量的谷氨酰胺，因而谷氨酰胺在腫瘤代謝過(guò)程中起到重要的作用[2]。谷氨酰胺酶（glutaminase，GA）催化谷氨酰胺向谷氨酸的轉(zhuǎn)化，是谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵步驟，而GA有腎型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 1（glutaminase 1，GLS1）]和肝型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 2（glutaminase 2，GLS2）]兩種同工酶[3]。GLS2在腫瘤代謝過(guò)程中發(fā)揮重要作用，可作為腫瘤治療的潛在靶點(diǎn)。本文概述GLS2的基礎(chǔ)和生理作用，GLS2與腫瘤關(guān)系研究進(jìn)展，并對(duì)GLS2在腫瘤臨床診治過(guò)程中的應(yīng)用作了展望。

GLS2的概述

GA分為GLS1和GLS2。目前研究發(fā)現(xiàn)GLS2與GLS1在分子結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、調(diào)節(jié)和免疫學(xué)特性上有顯著差異。人類(lèi)GLS2位于12號(hào)染色體上，編碼肝型同工酶。GLS2基因長(zhǎng)約18 kb，含18個(gè)外顯子[4]。目前已從哺乳動(dòng)物GLS2基因表達(dá)中得到兩種剪接變異體：包含18個(gè)外顯子的長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄物谷氨酰胺酶B（glutaminase B,GAB），及缺乏外顯子 1的短轉(zhuǎn)錄物肝型谷氨酰胺酶（liver-type glutaminase,LGA）。最初，GLS2被認(rèn)為只在人類(lèi)肝臟中表達(dá)LGA，后來(lái)被證實(shí)在肝外組織如腦、胰腺、乳腺、結(jié)腸直腸癌中也表達(dá)GAB[5-6]。GLS1基因位于2號(hào)染色體。雖然人GLS1和GLS2基因位于不同的染色體中，但具有相當(dāng)程度的序列相似性[7]。除人類(lèi)GLS1基因中存在額外外顯子外，兩個(gè)基因編碼序列的主要差異位于外顯子1和18，人類(lèi)GLS1與GLS2外顯子最顯著的差異位于涉及細(xì)胞器靶向和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的區(qū)域，這可能與功能差異和調(diào)節(jié)有關(guān)[4]。研究結(jié)果顯示，多數(shù)情況下GLS1的表達(dá)可隨著細(xì)胞增殖速率的增加而上調(diào)，GLS2的表達(dá)卻與細(xì)胞靜息狀態(tài)有關(guān)[8]。究其機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)GLS2啟動(dòng)子區(qū)域在肝癌細(xì)胞中是高甲基化的，在不同轉(zhuǎn)移潛能的肝癌細(xì)胞系中也觀察到GLS2啟動(dòng)子的高甲基化，提示GLS2啟動(dòng)子高甲基化可能是導(dǎo)致肝癌中GLS2表達(dá)下調(diào)的重要機(jī)制[9]。一項(xiàng)新的研究同樣發(fā)現(xiàn)，GLS2在基底型乳腺癌中因其啟動(dòng)子的高甲基化而表達(dá)下調(diào)，但在管腔型乳腺癌中，GLS2受GATA3調(diào)控而高表達(dá)。相反，GLS1在基底型乳腺癌高表達(dá)，在管腔型乳腺癌低表達(dá)[10]。雖然GLS1與GLS2多表達(dá)于不同種類(lèi)的細(xì)胞中，但也可在同一細(xì)胞中表達(dá)，并在特定條件下可轉(zhuǎn)化[5]。故研究其表達(dá)應(yīng)具體到細(xì)胞的亞型?？傊?，無(wú)論是GLS1還是GLS2，在谷氨酰胺代謝中都發(fā)揮重要的作用。

谷氨酰胺是人血漿中最豐富的氨基酸，谷氨酰胺代謝可將谷氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸，并在三羧酸（tricarboxylic acid,TCA）循環(huán)中進(jìn)一步代謝[11]。目前研究結(jié)果顯示，谷氨酰胺及其產(chǎn)物在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，提示谷氨酰胺代謝與細(xì)胞存活和生長(zhǎng)有重要關(guān)聯(lián)，其意義遠(yuǎn)超出其單純?cè)诖x中的作用[12]。GA是分解代謝中的一個(gè)關(guān)鍵酶，定位于線粒體內(nèi)膜的GLS2與尿素循環(huán)、糖異生和對(duì)抗抗氧化應(yīng)激密切相關(guān)[7]。GLS2同樣定位于細(xì)胞核中，且GLS2可直接參與或作為共調(diào)節(jié)因子參與調(diào)控基因表達(dá)。低磷酸鹽水平激活GLS2，而谷氨酰胺代謝產(chǎn)物谷氨酸對(duì)GLS2有輕微抑制作用[13]。由此可見(jiàn)，GLS2不僅在正常細(xì)胞，在腫瘤代謝及進(jìn)展中也發(fā)揮關(guān)鍵作用。

GLS2與腫瘤的關(guān)系

一、GLS2與腫瘤代謝的關(guān)系

代謝重編程是腫瘤代謝的一項(xiàng)主要特征，腫瘤細(xì)胞為滿足其增殖過(guò)程中對(duì)能量的需求及生物合成，重新編碼與代謝有關(guān)的基因，從而利于能量產(chǎn)生及生物大分子合成以改變代謝的過(guò)程[14]。研究結(jié)果顯示，即使在氧氣充足的情況下，仍會(huì)有葡萄糖消耗增加和乳酸水平升高的有氧糖酵解（Warburg效應(yīng)）[15]。谷氨酰胺作為有氧糖酵解的主要底物可轉(zhuǎn)化為乳酸，通過(guò)TCA循環(huán)提供能量及癌細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖所需氮、碳骨架[15]。GA作為谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵酶及起始酶，可調(diào)控谷氨酰胺代謝，進(jìn)而調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖，其表達(dá)與多種癌癥的惡性程度和生長(zhǎng)速度相關(guān)。且其代謝產(chǎn)物可為腫瘤代謝提供煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADPH）和抗氧化劑谷胱甘肽，從而降低活性氧自由基的表達(dá)水平[16]。GLS1在正常組織中廣泛地表達(dá)，并被認(rèn)為在許多癌癥發(fā)生、進(jìn)展中起關(guān)鍵作用，而GLS2則主要表達(dá)于肝臟、腦、垂體腺和胰腺癌等組織[17]。目前，已證實(shí)大多數(shù)腫瘤中GLS1高表達(dá)具有促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖作用，而GLS2高表達(dá)抑制癌細(xì)胞增殖作用[18]。GLS2不僅與腫瘤代謝的關(guān)系密切，還在多數(shù)腫瘤的進(jìn)展中也可能起關(guān)鍵作用。

二、GLS2與腫瘤進(jìn)展的關(guān)系

研究結(jié)果顯示，GLS2與多種腫瘤代謝基因及信號(hào)通路調(diào)控有關(guān)，如 p53、PI3K/AKT、Myc 等[19-20]。其相互作用，有著密切復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而對(duì)腫瘤的進(jìn)展發(fā)生影響。一方面，在大多數(shù)腫瘤中，GLS1高表達(dá)，GLS2低表達(dá)，如肝癌、結(jié)腸直腸癌[6]，且在肝癌進(jìn)展過(guò)程中，GLS2可向 GLS1表達(dá)轉(zhuǎn)變[21]。GLS2的產(chǎn)生可受到p53基因的調(diào)控。p53是抑癌基因，在有、無(wú)應(yīng)激條件下均可誘導(dǎo)GLS2的產(chǎn)生，并通過(guò)增加谷氨酸和α-酮戊二酸的產(chǎn)生來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝，進(jìn)而增強(qiáng)線粒體呼吸和ATP產(chǎn)生誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，并進(jìn)一步降低細(xì)胞中的活性氧防止氧化應(yīng)激[18]。GLS2在調(diào)節(jié)代謝的同時(shí)，可負(fù)調(diào)控PI3K/AKT信號(hào)通路，從而抑制肝癌細(xì)胞增殖和腫瘤進(jìn)展[9]。另一方面，在少部分腫瘤，如人神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中GLS2卻是高表達(dá)的[19]。MYCN是Myc家族成員，可通過(guò)選擇性上調(diào)GLS2（而不是GLS1），促進(jìn)MYCN擴(kuò)增的神經(jīng)母細(xì)胞瘤谷氨酰胺向谷氨酸的轉(zhuǎn)化。且與MYCN未擴(kuò)增的神經(jīng)母細(xì)胞瘤相比，MYCN擴(kuò)增的神經(jīng)母細(xì)胞瘤病人生存率降低。沉默GLS2后，體外、體內(nèi)試驗(yàn)均可顯著降低腫瘤細(xì)胞的增殖和進(jìn)展[18]。證明在某些特定腫瘤中GLS2也可發(fā)揮促癌作用。

研究證實(shí)，腫瘤細(xì)胞中GLS2除經(jīng)典代謝特征外，還可通過(guò)與一些特定的蛋白質(zhì)結(jié)合域相互作用而發(fā)揮功能[22]。如在大多數(shù)腫瘤中，GLS2過(guò)表達(dá)可抑制腫瘤細(xì)胞集落形成[20]。在肝細(xì)胞肝癌 （hepatocellular carcinoma,HCC）中，GLS2與Dicer（RNaseⅢ核糖核酸酶）相互作用并穩(wěn)定Dicer蛋白以促進(jìn)miR-34a（miRNA）成熟，隨后以GA活性非依賴(lài)性方式抑制Snail表達(dá)，GLS2的非谷氨酸分解功能通過(guò)Dicer-miR-34a-Snai抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制HCC的遷移和侵襲[23]。可見(jiàn)GLS2可能通過(guò)上述途徑抑制HCC血管生成，而臨床病理也證實(shí)GLS2表達(dá)與HCC病人的血管侵襲呈負(fù)相關(guān)。此外，p53基因也可調(diào)控GLS2與Rac1蛋白質(zhì)的結(jié)合，然后，GLS2抑制Rac1激活劑鳥(niǎo)嘌呤-核苷酸交換因子的相互作用，進(jìn)而抑制Rac1促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移的作用[24]。以上這些抑癌作用均與GA活性無(wú)關(guān)。

p53家族成員TAp73也可促進(jìn)GLS2的表達(dá)。TAp73在視黃酸誘導(dǎo)的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞的終末神經(jīng)元分化期間調(diào)節(jié)GLS2，使GLS2過(guò)表達(dá)或抑制來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元分化和細(xì)胞內(nèi)ATP的水平[24]，并通過(guò)GLS2過(guò)表達(dá)和沉默實(shí)驗(yàn)分別導(dǎo)致神經(jīng)元分化的增加和減少。說(shuō)明GLS2在細(xì)胞，特別是神經(jīng)元的分化上，發(fā)揮重要作用[25]。以上研究表明，GLS2不僅在腫瘤的代謝上發(fā)揮作用，而且通過(guò)另外一些非代謝途徑影響腫瘤進(jìn)展。

GLS2與腫瘤的治療

GLS2與腫瘤代謝及生物學(xué)特性有著密切關(guān)系，由此可見(jiàn)，GLS2可能成為腫瘤治療的潛在新靶點(diǎn)。為此，可先了解GLS2相關(guān)代謝重編程的分子基礎(chǔ)，并系統(tǒng)地分析代謝數(shù)據(jù)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的整合，從而加速癌癥研究治療。其次，GLS2是谷氨酰胺代謝的一個(gè)關(guān)鍵酶，而谷氨酰胺在腫瘤進(jìn)展過(guò)程中起重要作用，GLS2可能是與一些腫瘤（如肝癌、乳腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤）代謝有關(guān)的藥物及作用靶點(diǎn)，進(jìn)而可用于控制腫瘤的代謝及進(jìn)展[15]。

一方面，由于在大多數(shù)腫瘤中GLS2低表達(dá)，如使GLS2過(guò)表達(dá)可對(duì)腫瘤的進(jìn)展有抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞系過(guò)表達(dá)GLS2可抑制O6-甲基鳥(niǎo)嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（O6-methylguanine-DNA methyltransferase,MGMT）蛋白表達(dá)，而MGMT是一種DNA修復(fù)蛋白，其促進(jìn)腫瘤細(xì)胞對(duì)烷化劑的抗性。故GLS2過(guò)表達(dá)可增加腫瘤細(xì)胞對(duì)烷化劑的敏感性[26]。雖然其機(jī)制目前尚不清楚，但可能為腫瘤治療提供一條新的思路。使用烷化劑治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的同時(shí)，使用靶向藥物過(guò)表達(dá)腫瘤細(xì)胞的GLS2，以增加烷化劑的抗腫瘤作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，胃癌化療藥物大黃素甲醚8-O-β-吡喃葡萄糖苷，通過(guò)下調(diào)miR-103a-3p對(duì)GLS2的抑制作用，從而提高GLS2的蛋白質(zhì)水平，抑制胃癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移，并促進(jìn)活性氧（reactive oxygen species，ROS）和丙二醛的產(chǎn)生[27]。另一方面，少部分腫瘤中GLS2過(guò)表達(dá)，如在 MYCN擴(kuò)增的神經(jīng)母細(xì)胞瘤[19]、宮頸癌[28]、管腔型乳腺癌[10]，顯示出致癌作用。研究證明，具有放射抗性病人腫瘤組織中GLS2的表達(dá)顯著增強(qiáng)，沉默放射抗性宮頸癌細(xì)胞的GLS2，會(huì)降低細(xì)胞GSH和NADH并最終增加ROS水平，表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的放射敏感性[28]。對(duì)于管腔型乳腺癌，使用小分子抑制劑968靶向GLS2或敲低GLS2后，腫瘤細(xì)胞增殖速度明顯降低，且對(duì)化療藥物更敏感[10,29]。同樣，研究證實(shí)缺氧誘導(dǎo)因子1α可通過(guò)調(diào)控GLS2而影響谷氨酰胺代謝，最終引起結(jié)腸癌化療耐受[30]。此過(guò)程中GLS2為高表達(dá)，可能為逆轉(zhuǎn)耐藥找到新的靶點(diǎn)。

綜上所述，GLS2在不同腫瘤表達(dá)和作用可能各異，進(jìn)行腫瘤的分子亞型研究，才能對(duì)腫瘤的個(gè)體化精準(zhǔn)治療有幫助。另外，對(duì)GLS2與一些蛋白質(zhì)結(jié)合域結(jié)合發(fā)揮其經(jīng)典代謝特征之外的抗腫瘤作用進(jìn)行研究，可為腫瘤治療提供一些新的潛在治療靶點(diǎn)和思路。

總結(jié)與展望

谷氨酰胺在腫瘤代謝中的作用是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，其包括腫瘤細(xì)胞增殖的多個(gè)核心代謝任務(wù)，如能量代謝，支持細(xì)胞防御氧化應(yīng)激，補(bǔ)充大分子生產(chǎn)過(guò)程中消耗的核苷酸、氨基酸等物質(zhì)。如何有效阻斷腫瘤中高谷氨酰胺代謝，是控制腫瘤進(jìn)展的一個(gè)關(guān)鍵策略。近幾年發(fā)現(xiàn)，GLS2除經(jīng)典代謝特征外，還能影響腫瘤細(xì)胞對(duì)放、化療的敏感性。其可能通過(guò)與一些潛在的蛋白質(zhì)結(jié)合域作用，進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤的功能。所以，GLS2的研究引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。GLS2是谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵酶和起始酶，進(jìn)一步加強(qiáng)GLS2的臨床和基礎(chǔ)研究，并對(duì)GLS2有關(guān)的信號(hào)通路進(jìn)行研究，可能找到與腫瘤治療相關(guān)的潛在新靶點(diǎn)，為放、化療手段協(xié)同治療腫瘤提供新思路。