腫瘤細(xì)胞氨的合成及代謝去向研究進(jìn)展

白長森

天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院，天津300060

代謝重編程是腫瘤的十大特征之一[1]。腫瘤細(xì)胞代謝途徑的核心作用是合成細(xì)胞生長和增殖所需物質(zhì)及能量。德國科學(xué)家Otto Warburg提出腫瘤細(xì)胞中普遍存在有氧糖酵解現(xiàn)象(Warburg Effect)：正常細(xì)胞可通過線粒體進(jìn)行高效的氧化磷酸化供能，即使在氧氣充足的情況下腫瘤細(xì)胞仍然優(yōu)先利用葡萄糖進(jìn)行糖酵解代謝，并將代謝所得的乳酸分泌出細(xì)胞[2]，這可導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞生物合成的原料不足。谷氨酰胺是人體血液中含量最高的氨基酸，可在能量或物質(zhì)不足的情況下參與腫瘤細(xì)胞的生物合成和能量代謝[3]。研究[4]發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的快速增殖也需進(jìn)行支鏈氨基酸代謝。但氨基酸分解代謝在提供腫瘤細(xì)胞生長所需物質(zhì)及能量的同時，會釋放大量的氨，氨通常被認(rèn)為是有毒的機(jī)體代謝副產(chǎn)物[5,6]，需要通過生成尿素等方式排出；但也有研究顯示其在腫瘤發(fā)生發(fā)展的過程中起到了重要作用，如在某些腫瘤細(xì)胞中氨可以被重復(fù)利用，支持腫瘤細(xì)胞的生物合成[7]。目前臨床對氨代謝在腫瘤中的作用還存在一定爭議，了解腫瘤細(xì)胞中氨的合成及代謝去向可以為腫瘤患者的診療提供新的方向，本文將對腫瘤細(xì)胞氨的合成及代謝去向的研究進(jìn)展進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1 腫瘤細(xì)胞中氨的來源

谷氨酰胺是條件性必需氨基酸，其在極低濃度下仍能繼續(xù)支持未轉(zhuǎn)化腫瘤細(xì)胞的生長，但轉(zhuǎn)化的腫瘤細(xì)胞在更高濃度谷氨酰胺的環(huán)境下才能存活[8]。轉(zhuǎn)化腫瘤細(xì)胞對谷氨酰胺的高需求發(fā)生在腫瘤轉(zhuǎn)化灶發(fā)生發(fā)展中?；谖崔D(zhuǎn)化細(xì)胞和轉(zhuǎn)化細(xì)胞對谷氨酰胺需求的巨大差異，科學(xué)家提出了一種新的癌癥治療方法，在抑制轉(zhuǎn)化腫瘤細(xì)胞持續(xù)生長和存活的同時，不降低未轉(zhuǎn)化細(xì)胞的生長速度。這些現(xiàn)象均反映生長迅速腫瘤細(xì)胞對谷氨酰胺存在依賴。為了滿足能量代謝與增殖需要，腫瘤細(xì)胞會消耗大量的谷氨酰胺[9]。

谷氨酰胺可以通過分解代謝為腫瘤細(xì)胞提供碳源或氮源，其在代謝過程中有一個共同途徑：谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(Glutaminase，GLS)的催化下生成谷氨酸，同時會向腫瘤微環(huán)境中釋放氨[10]。Zhang 等[11]發(fā)現(xiàn)，在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌患者的癌組織中，GLS mRNA的表達(dá)量明顯高于臨近正常組織。Xi 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，肝癌患者癌組織中GLS表達(dá)顯著增加，并且與血清AFP、腫瘤分化、淋巴轉(zhuǎn)移、TNM分期和較差的患者預(yù)后有關(guān)。Wang 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，口腔癌細(xì)胞中c-Myc可通過上調(diào)GLS表達(dá)，促進(jìn)癌細(xì)胞的增殖和遷移。當(dāng)谷氨酰胺作為碳源時，催化生成的谷氨酸會進(jìn)一步被谷氨酸脫氫酶(Glutamate dehydrogenase，GLUD)催化生成α-酮戊二酸，進(jìn)入三羧酸(Tricarboxylic acid，TCA)循環(huán)，實現(xiàn)對TCA循環(huán)的回補(bǔ)作用，而這一過程中也有氨的釋放[14]。Takeuchi等[15]研究發(fā)現(xiàn)，谷氨酰胺耗盡72 h時，乳腺癌組織中谷氨酸存在量和氨釋放量呈正相關(guān)，而谷氨酸可以促進(jìn)谷氨酰胺耗竭條件下的細(xì)胞增殖。

2 腫瘤細(xì)胞中氨的代謝去向

正常機(jī)體內(nèi)氨有多種代謝途徑，可通過谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)的催化再次合成谷氨酰胺，也可在相關(guān)酶的作用下合成其他含氮物質(zhì)，或通過以氨甲酰磷酸合成酶1(Carbamoyl phosphate synthase 1，CPS1)為限速酶的尿素循環(huán)，以尿素等小分子的形式排出體外[16]。

2.1 合成谷氨酸及谷氨酰胺 谷氨酰胺代謝所產(chǎn)生多余的氨可以被某些腫瘤細(xì)胞重新攝取，在GLUD的催化下氨和α-酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸和氨可進(jìn)一步在GS的作用下合成谷氨酰胺[10]。

Jessica 等[7]通過穩(wěn)定同位素標(biāo)記的代謝流示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，人乳腺癌細(xì)胞中氨可被循環(huán)利用到氨基酸的中心代謝中，從而實現(xiàn)氮的最大程度利用。乳腺癌細(xì)胞主要通過GLUD催化的還原性胺化作用吸收氨，二次反應(yīng)使脯氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等氨基酸直接獲取氮。氨在小鼠體內(nèi)腫瘤微環(huán)境中積累，在GLUD催化下直接參與氨基酸的合成。以上研究說明，腫瘤微環(huán)境中釋放的氨不是細(xì)胞內(nèi)代謝廢物，可作為腫瘤生物合成的基本氮源。Bott等[17]報道，在人及鼠多種腫瘤組織中真核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子c-Myc可促進(jìn)靶向胸腺嘧啶DNA糖基化酶表達(dá)，促進(jìn)GS啟動子主動去甲基化從而提高其表達(dá)，催化谷氨酸和氨合成谷氨酰胺[17]。谷氨酰胺受限的條件下GS高表達(dá)可使谷氨酰胺增加，增強(qiáng)核苷酸合成和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)，有助于細(xì)胞存活，而GS的沉默表達(dá)則會抑制細(xì)胞增殖和異種移植腫瘤的生長。胰腺腫瘤組織常呈高度纖維化，血管化不良，導(dǎo)致谷氨酰胺等營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)受限[18]。胰腺癌基質(zhì)相關(guān)的胰腺星狀細(xì)胞可分泌丙氨酸至腫瘤微環(huán)境中，供胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞利用回補(bǔ)三羧酸循環(huán)。丙氨酸可作為腫瘤細(xì)胞的替代碳源，減輕腫瘤微環(huán)境中氨的產(chǎn)生[19]。胰腺腫瘤的代謝網(wǎng)絡(luò)中，多種燃料可用于促進(jìn)嚴(yán)峻微環(huán)境中腫瘤細(xì)胞的生長。腫瘤細(xì)胞在谷氨酰胺不足的情況下，可通過TCA循環(huán)獲得α-酮戊二酸，并利用細(xì)胞內(nèi)代謝廢物氨生成谷氨酸，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞中GS表達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)氨的利用及谷氨酰胺生成[20]。

2.2 氨與支鏈氨基酸合成谷氨酸 膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，GLS受到抑制時，腫瘤細(xì)胞可利用支鏈氨基酸和氨在支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶1(Branched chain amino acid transaminase，BCAT1)和BCAT2的共同作用下合成谷氨酸。異檸檬酸脫氫酶1(Isocitrate dehydrogenase，IDH1)突變的低度神經(jīng)膠質(zhì)瘤和繼發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中存在過量還原型2-羥基戊二酸酯(2-hydroxyglutarate，2HG)堆積，抑制腫瘤細(xì)胞BCAT1、BCAT2表達(dá)，增加腫瘤細(xì)胞對GLS來源谷氨酸的依賴[4]。特異性抑制GLS表達(dá)可使IDH突變的神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞對氧化應(yīng)激和放射治療更加敏感。

2.3 氨在尿素循環(huán)中的作用

2.3.1 通過尿素循環(huán)代謝成尿素排除 尿素循環(huán)是機(jī)體氨代謝的重要途徑，谷氨酰胺是尿素循環(huán)中氮源的主要供體，分解產(chǎn)生的氨為尿素循環(huán)提供了底物，最終將體內(nèi)多余的氨以尿素等小分子的形式排出體外[16]。參與尿素循環(huán)的酶主要有五種：CPS1、鳥氨酸氨基甲酰轉(zhuǎn)移酶(Ornithine carbamoyltransferase，OTC)、精氨酸代琥珀酰合成酶1(Arginine succinyl synthase 1，ASS1)、精氨酸代琥珀酰分解酶(Arginine succinyl decomposing enzyme，ASL)以及精氨酸酶(Arginase，AGR)，CPS1作為尿素循環(huán)中的限速酶和關(guān)鍵酶，在尿素循環(huán)中發(fā)揮重要作用[21]。研究[22]發(fā)現(xiàn)，在以抑癌基因P53失活為標(biāo)志的腫瘤組織中參與尿素循環(huán)的酶均出現(xiàn)不同程度的表達(dá)增高，腫瘤細(xì)胞尿素循環(huán)酶CPS1、OTC、ARG1 mRNA相對表達(dá)量均升高，過量的氨被代謝后細(xì)胞中氨水平降低、尿素水平升高。

2.3.2 尿素循環(huán)失調(diào)參與嘧啶合成 多數(shù)腫瘤組織中尿素循環(huán)酶的表達(dá)發(fā)生特定改變，從而導(dǎo)致細(xì)胞中出現(xiàn)被稱為 “尿素循環(huán)失調(diào)”(Urea cycle disorders，UCD)的一般代謝標(biāo)志。 UCD引起氮向氨基甲酸酯-磷酸合成酶2，天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶和二氫乳清酶(Carbamate-phosphate synthase 2, aspartate transcarbamylase and dihydrowheyase，CAD)的方向活化，并促進(jìn)嘧啶合成，改變腫瘤患者生物流體中含氮代謝物水平[23]。參與尿素循環(huán)的酶(CPS1)和參與核苷酸代謝的酶(CAD)具有高度同源性，通過高效的代謝底物交換，使中間產(chǎn)物分流到腫瘤的合成代謝途徑，表現(xiàn)為增強(qiáng)嘧啶的合成，從而減少腫瘤細(xì)胞碳、氮的浪費(fèi)[24]。Erez等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在腫瘤組織ASS1活性降低時，腫瘤細(xì)胞可以通過活化CAD促進(jìn)嘧啶合成，進(jìn)行腫瘤細(xì)胞的增殖。與Ⅱ型瓜氨酸血癥比較，由ASS1缺乏導(dǎo)致的Ⅰ型瓜氨酸血癥患者血清嘧啶水平升高，且Ⅱ型瓜氨酸血癥患者由天冬氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白缺乏引起ASS1的底物利用率降低。猜測ASS1缺乏可增加腫瘤細(xì)胞質(zhì)中天冬氨酸水平，上調(diào)其底物利用率，通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途徑促進(jìn)核糖體蛋白S6激酶1(S6K1)的磷酸化，激活CAD。存在致癌性KRAS突變和細(xì)胞肝激酶B1(LKB1)缺失的腫瘤細(xì)胞的侵襲性更強(qiáng)，而人KL細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞氮代謝組學(xué)特征相同[26]。KL細(xì)胞可高表達(dá)尿素循環(huán)酶CPS1，在線粒體中催化氨和碳酸氫鹽產(chǎn)生氨基甲酰磷酸，從而啟動氮的代謝流程。抑制CPS1表達(dá)時可導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中氨的積累，降低腫瘤細(xì)胞嘧啶與嘌呤的比例，損害細(xì)胞周期S期進(jìn)程，并引起DNA聚合酶停滯和DNA損傷，最終導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡。

2.4 氨生成其他含氮物質(zhì) 腫瘤細(xì)胞內(nèi)過量的氨在尿素循環(huán)代謝的過程中，一部分氨可以用于生成多種含氮類物質(zhì)，有助于腫瘤細(xì)胞的生長。如尿素循環(huán)中利用氨產(chǎn)生的內(nèi)源性精氨酸，可以在ARG1的作用下生成鳥氨酸和尿素，同時也有部分精氨酸生成多胺、NO等含氮物質(zhì)[27]。

多胺是腫瘤細(xì)胞生長和增殖所需的聚陽離子[28]。P53失活的腫瘤細(xì)胞多胺含量升高[22]。Simon等[29]研究發(fā)現(xiàn)，腎透明細(xì)胞癌組織中ARG2、ASS1等尿素循環(huán)關(guān)鍵酶的表達(dá)降低，腫瘤細(xì)胞可通過保存關(guān)鍵生物合成輔因子磷酸吡哆醛、避免有毒多胺積累兩種途徑促進(jìn)細(xì)胞生長。由此看來，多胺在不同腫瘤中可能起著不同作用。

NO在腫瘤細(xì)胞的增殖中具有雙重作用，低劑量NO可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、血管生成和上皮向間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，而高劑量NO對腫瘤細(xì)胞的效果相反[30]。Erbas等[31]研究發(fā)現(xiàn)，精氨酸還原酶抑制劑羅舒伐他汀可抑制乳腺癌細(xì)胞移植瘤的增殖，可能作用機(jī)制為羅舒伐他汀可減少精氨酸作為多胺前體的使用率，增加為NO前體的用途，從而起到了抗腫瘤的作用[32]。

在乏氧和線粒體功能受損的條件下，谷氨酰胺可為腫瘤細(xì)胞提供碳源，同時將多余碳和氮富集在二氫乳清酸(Dihydroorotate，DHOA)中，并將其分泌出細(xì)胞，避免細(xì)胞中氨的積累[33]。乳清酸(Orotate，OA)是DHOA的下游直接產(chǎn)物，乳腺癌、肝癌、肺癌和胃癌患者血清OA水平均明顯高于正常人，表明DHOA/OA可能是腫瘤患者體內(nèi)一種替代的排氨途徑。尿素循環(huán)紊亂也可以導(dǎo)致OA尿癥。OA是嘧啶生物合成途徑的中間體，在嘧啶循環(huán)的許多先天性錯誤和許多其他涉及精氨酸代謝的疾病中，如OTC缺乏癥患者和低精氨酸狀態(tài)，均發(fā)現(xiàn)OA排泄增加[34,35]。

由于腫瘤細(xì)胞的存活和增殖需要谷氨酰胺，目前已有部分藥物被研發(fā)用于抑制谷氨酰胺的分解代謝，主要通過干預(yù)分解代謝過程中酶的活性從而抑制腫瘤的生長及氨的產(chǎn)生，例如GLS抑制劑：化合物968、BPTES和CB-839等[36～38]。

綜上所述，氨代謝在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。氨在腫瘤增殖的過程中可以被循環(huán)利用或以某種方式安全代謝并釋放到微環(huán)境中。