一碳代謝與腫瘤治療的研究進展

柴東奇，王衛(wèi)星

0 引言

20世紀20年代，Otto Warburg發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞即使在有氧情況下依然傾向于利用糖酵解而不是線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生能量，這種現(xiàn)象被稱為“Warburg效應”[1]。它表明腫瘤細胞為了適應其增殖能力的變化會調整自身的新陳代謝。盡管如此，在當時腫瘤細胞代謝的改變并未受到關注，直到最近十幾年，人們才逐漸開始對腫瘤代謝重編程產(chǎn)生重視[2]。一碳單位是指含有一個碳原子的有機基團，包括甲基、甲烯基、甲炔基、甲?；?，一碳代謝就是一碳單位在生物體內生成與轉移利用的過程。腫瘤細胞需要大量的一碳單位用于核苷酸的合成、DNA的甲基化、NAD（P）H、ATP和一些代謝中間產(chǎn)物的產(chǎn)生以維持腫瘤的快速增殖。本文將從腫瘤中一碳單位的產(chǎn)生與利用兩個方面的改變入手，探討營養(yǎng)素治療以及靶向相關酶在抗腫瘤中的應用。

1 一碳單位的產(chǎn)生

一碳單位來源于氨基酸的分解代謝，包括絲氨酸、甘氨酸等以及膽堿。腫瘤中的一碳單位主要來自絲氨酸，腫瘤細胞通過快速攝取外源性絲氨酸來增加一碳單位的供應，而當外源性絲氨酸缺乏時，腫瘤細胞可以激活絲氨酸合成途徑（serine synthesis pathway,SSP）生成絲氨酸。這兩種途徑使腫瘤細胞能獲取足夠的絲氨酸以維持自身最大的生長速率[3-4]。丙酮酸激酶M2（pyruvate kinase M2,PKM2）在腫瘤增殖時表達，當絲氨酸減少時，PKM2活性降低，糖酵解產(chǎn)生丙酮酸減少使更多的3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate,3-PG）轉化為絲氨酸[5]。甘油磷酸酯突變酶1在腫瘤中廣泛上調，它能催化3-PG生成的2-磷酸甘油酸（2-PG），2-PG可以激活磷酸甘油酸脫氫酶（phosphoglycerate dehydrogenase,PHGDH）將3-PG從糖酵解轉向絲氨酸合成[6]。有研究表明某些乳腺癌、胰腺癌和肺癌患者中PHGDH表達升高并且大部分表達升高的患者都表現(xiàn)出不良的預后[7-9]。哺乳動物同時具有細胞質絲氨酸羥甲基轉移酶（serine hydroxymethyltransferase 1,SHMT1）和線粒體絲氨酸羥甲基轉移酶（SHMT2）[10]，在大部分快速增殖的細胞中，絲氨酸主要是由SHMT2催化產(chǎn)生一碳單位，并以甲酸的形式進入細胞質中參與核苷酸的合成。在SHMT2缺失的細胞系中，它們能通過SHMT1分解代謝絲氨酸來支持胸苷酸和嘧啶的合成[11]。

甘氨酸可以通過甘氨酸裂解系統(tǒng)產(chǎn)生一碳單位。甘氨酸在甘氨酸脫羧酶（glycine decarboxylase,GLDC）作用下裂解，并在氨甲基轉移酶的作用下提供一個一碳單位進入葉酸循環(huán)，見圖1[12]。有研究表明，線粒體中的甘氨酸合成與腫瘤的快速增殖存在密切聯(lián)系，其機制可能是甘氨酸可直接參與嘌呤核苷酸的從頭合成或者是提供一碳單位用于核苷酸的合成以及細胞內的甲基化反應[13]。GLDC在非小細胞肺癌和卵巢癌等腫瘤中的表達異常升高。在腫瘤發(fā)生早期，GLDC的高表達通過促進一碳單位的生成用于核苷酸的合成從而促進腫瘤的發(fā)展[14]。組氨酸也是一碳單位的來源，它先代謝成亞胺甲基谷氨酸，在轉化為谷氨酸的過程中，四氫葉酸（tetrahydrofolate,THF）接受一個亞胺甲基生成亞胺甲基-THF，而后除去銨離子變成亞甲基-THF。色氨酸則可通過犬尿酸途徑代謝生成一碳單位[4]。在葉酸缺乏期間，膽堿是一碳單位的重要來源，膽堿代謝的中間產(chǎn)物甜菜堿、二甲基甘氨酸、肌氨酸，可以直接用于同型半胱氨酸的再甲基化和產(chǎn)生一碳單位[15]。

2 一碳單位的利用

2.1 葉酸循環(huán)

腫瘤細胞的快速增殖需要大量的核苷酸，一碳單位可通過葉酸循環(huán)產(chǎn)生嘌呤和胸苷酸[16]。葉酸循環(huán)可發(fā)生在線粒體或細胞質中，腫瘤中線粒體通路通常持續(xù)性地過表達，抑制線粒體途徑后，10-甲酰-THF的減少會誘導細胞轉而利用細胞質途徑來產(chǎn)生和利用一碳單位[17]。在線粒體途徑中，5,10-亞甲基-THF氧化的關鍵步驟可以由兩個同工酶亞甲基四氫葉酸脫氫酶2（methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2,MTHFD2）和MTHFD2L（MTHFD2-like）催化，見圖1。在一項比較19種不同腫瘤中1000多種酶的差異性表達的研究中發(fā)現(xiàn)MTHFD2是其中表達上調最多的酶[18]。在乳腺癌、肺癌和急性白血病等腫瘤中抑制MTHFD2的表達能夠影響癌細胞的增殖[19-21]。雖然兩種線粒體同工酶在正常細胞和腫瘤細胞中都有表達，但有研究表明MTHFD2L的表達在腫瘤細胞中并未顯示出明顯的上調，在抑制MTHFD2表達后，腫瘤細胞不會代償性增加MTHFD2L的表達[22]。因此，在靶向腫瘤線粒體葉酸途徑的治療中應選擇MTHFD2作為治療靶點。

葉酸循環(huán)也能為細胞增殖提供所需的NAD（P）H和ATP。敲除MTHFD基因后發(fā)現(xiàn)無論是細胞質還是線粒體MTHFD同工酶的缺失，都會導致細胞NADPH/NADP（+）和還原型谷胱甘肽/氧化型谷胱甘肽比值的降低，從而降低細胞的抗氧化應激能力[23]。能量不足時，癌細胞通過絲氨酸分解代謝生成甘氨酸和甲酸鹽，在此過程中，ADP在線粒體10-甲酰-THF合成酶的作用下轉化為ATP。同時該途徑可產(chǎn)生NADH，NADH可通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP[24]。

圖1 葉酸循環(huán)Figure 1 Folate cycle

2.2 蛋氨酸循環(huán)

蛋氨酸循環(huán)中，一碳單位可用于同型半胱氨酸再甲基化重新生成蛋氨酸。蛋氨酸在甲硫氨酸腺苷基轉移酶作用下產(chǎn)生S-腺苷蛋氨酸（sadenosylmethionine,SAM），而后在甲基轉移酶的作用下將甲基基團轉移到各種生物分子，包括蛋白質、核酸、脂質等[25]，見圖2。然而，當?shù)鞍彼岢渥銜r，腫瘤細胞不需要一碳代謝提供的一碳單位用于蛋氨酸的再生，但是有研究發(fā)現(xiàn)葉酸循環(huán)仍可通過提供ATP支持蛋氨酸向SAM的轉化[26]。

甲基化狀態(tài)的改變是由于甲基轉移酶和去甲基化酶活性的差異造成的，SAM是這些酶主要的甲基供體，蛋白質、核苷酸、代謝產(chǎn)物的甲基化改變可導致癌癥的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)，限制蛋氨酸的攝入可以影響SAM的水平和SAM/SAH比值，從而影響組蛋白甲基化水平，這種變化可以在重新補充蛋氨酸后完全恢復[27]。mTOR通路的異常激活可在大多數(shù)腫瘤中發(fā)現(xiàn)，有證據(jù)表明mTOR信號的激活能夠通過影響絲氨酸和一碳代謝，從而調節(jié)DNA甲基化促進腫瘤發(fā)生[28]。肝臟激酶B1（liver kinase B1,LKB1）能直接激活與AMP-活化蛋白激酶相關的14個激酶家族，其中許多激酶與細胞的代謝重編程有關。有研究發(fā)現(xiàn)，LKB1缺失的細胞中有更多葡萄糖和谷氨酰胺代謝的中間產(chǎn)物進入一碳代謝通路中，使SAM產(chǎn)生增多導致DNA甲基化水平升高，提示LKB1缺乏的腫瘤可能對抑制DNA甲基化治療更加敏感[29]。

2.3 轉硫化途徑

轉硫化途徑通過同型半胱氨酸與蛋氨酸循環(huán)相耦聯(lián)，絲氨酸與同型半胱氨酸可在胱硫醚β合酶（cystathionine beta-synthase,CBS）作用下縮合生成胱硫醚，見圖2。胱硫醚由胱硫醚裂解酶（cystathionine lyase,CGL）裂解來生成α酮丁酸和半胱氨酸。半胱氨酸可以用于谷胱甘肽合成和?；撬岬拇x。谷胱甘肽是細胞中最豐富的代謝物之一，它可以通過清除和減少活性氧，維持適當?shù)腘ADPH/NADP+比值來維持細胞的氧化還原平衡[13]。另外，半胱氨酸也可通過CBS和CGL脫硫生成硫化氫，硫化氫是一種氣體信號分子，它可以硫化靶蛋白中反應性Cys殘基，從而提高目標蛋白質的催化活性[30]。

圖2 蛋氨酸循環(huán)和轉硫化途徑Figure 2 Methionine cycle and transsulfuration pathway

3 一碳代謝與抗腫瘤治療

3.1 營養(yǎng)素治療

為了產(chǎn)生足夠的一碳單位來滿足自身的增殖需求，腫瘤細胞通常會增加對細胞外的絲氨酸、甘氨酸等原料的攝取，因此限制飲食中的絲氨酸、甘氨酸可能是一種良好的治療策略。在小鼠移植瘤模型中，研究發(fā)現(xiàn)小鼠可以適應慢性的絲氨酸和甘氨酸的缺乏，并且腫瘤的體積減小，生存時間延長。在p53缺失的小鼠中腫瘤的體積減少更加顯著，這可能是由于p53缺乏時，糖酵解和氧化磷酸化之間的轉化受損，導致ATP生成不足[3]。另有研究表明，絲氨酸和甘氨酸的缺失增加了絲氨酸的從頭合成和甘氨酸的代謝，這會降低谷胱甘肽的合成并增加活性氧水平[31]，p53缺乏時，細胞不能增加谷胱甘肽的合成并且氧消耗增加，這都會使細胞氧化還原平衡受損[3]。提示限制飲食中的絲氨酸在治療p53缺失腫瘤中可能具有更好的治療效果。

二甲雙胍被廣泛應用于2型糖尿病的治療，在實驗模型中可以明顯抑制腫瘤生長。有研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏絲氨酸和甘氨酸飲食聯(lián)合二甲雙胍治療的小鼠中，腫瘤的生長速度以及腫瘤的最終體積顯著減小。其機制可能是絲氨酸的缺乏可以抑制二甲雙胍誘導的糖酵解途徑的代償性增加[32]。也有研究表明，在缺乏絲氨酸的培養(yǎng)基中增加甘氨酸的量，能使SHMT介導的反應反向進行，降低NADPH/NADP+比值和細胞抗氧化應激能力，從而進一步損傷細胞[23]。在大腸癌肝轉移中，增加飲食中的甘氨酸可通過減少腫瘤的微血管密度產(chǎn)生抗腫瘤作用[33]。葉酸是一種水溶性的B族維生素，葉酸攝入量不足可能會改變DNA甲基化，增加患癌癥的風險。相反，補充葉酸可以預防幽門螺桿菌相關性胃癌[28]，但也有研究顯示，低葉酸攝入量能顯著降低胃癌風險[34]。另外，Huang等研究表明，較高的維生素B6和膽堿攝入量可以降低胰腺癌的風險[35]。

3.2 靶向一碳代謝的酶

早在70余年前，F(xiàn)aber和他的同事發(fā)現(xiàn)葉酸可以刺激急性淋巴細胞白血病細胞的增殖，并使用氨基蝶呤誘導了患者的臨床緩解。之后，更多靶向一碳代謝途徑的藥物被發(fā)現(xiàn)，例如甲氨蝶呤、5-氟尿嘧啶等。近年來，靶向一碳代謝的酶已經(jīng)成為一種新型的抗腫瘤治療策略。在SSP途徑擴增的腫瘤中，如黑色素瘤、乳腺癌、結腸癌和肺癌，PHGDH是腫瘤細胞增殖和存活所必需的。在一種稱為神經(jīng)內分泌前列腺癌的高度致命的前列腺癌亞型中，有研究表明，抑制PHGDH能夠減少體內腫瘤生長以及抑制前列腺癌細胞向神經(jīng)內分泌前列腺癌細胞分化[36]。這表明PHGDH是癌癥治療的主要潛在靶點之一。有研究顯示，使用PHGDH抑制劑NCT-502、NCT-503可以抑制細胞培養(yǎng)中依賴PHGDH的細胞系和原位異種移植瘤的生長，它不僅可以減少葡萄糖來源的絲氨酸產(chǎn)生，還能減少細胞利用一碳單位合成核苷酸，這是因為抑制SSP途徑會增加SHMT1的活性使部分一碳單位用于絲氨酸的生成[37]。

SHMT2和MTHFD2是腫瘤中最穩(wěn)定的過表達酶，為了抑制腫瘤細胞利用絲氨酸產(chǎn)生一碳單位，需要同時抑制SHMT1和SHMT2，在Ras基因突變的結腸癌細胞中敲除SHMT1和SHMT2可以抑制異種移植物的形成。雖然SHMT1和SHMT2的聯(lián)合抑制劑，如SHIN1在細胞實驗中已被證實具有良好的穩(wěn)定性，但是由于它在生物體內可被快速清除而不能有效的使用[10]。MTHFD2是腫瘤和正常細胞中表達差異最大的酶，在人類移植瘤和小鼠白血病模型中，抑制MTHFD2可降低白血病的腫瘤負荷，延長生存期[21]。腫瘤的干細胞樣特性與腫瘤的復發(fā)和耐藥性有關，有研究發(fā)現(xiàn)，在對吉非替尼產(chǎn)生耐藥性的肺癌細胞中，MTHFD2介導的線粒體一碳代謝可通過影響β-連環(huán)素途徑來維持腫瘤的干細胞樣特性并可通過消耗5-氨基咪唑羧胺核糖核苷酸產(chǎn)生耐藥性[19]。因此，在MTHFD2表達升高的腫瘤中靶向MTHFD2的治療可能可以根治腫瘤，防止復發(fā)。在MCF-7細胞中，MTHFD2的缺失使細胞通過絲氨酸產(chǎn)生甘氨酸途徑受損，這時細胞主要依靠胞外途徑獲得甘氨酸[38]，提示抑制MTDHF2聯(lián)合飲食中甘氨酸的控制可能是一種較好的治療策略。

3.3 調節(jié)甲基化

腫瘤的表觀遺傳狀態(tài)改變是一個研究熱點，靶向組蛋白和DNA翻譯后修飾的酶的幾種藥物正在進行臨床前評估和早期臨床試驗。其中包括甲基轉移酶抑制劑，它可以抑制SAM介導的組蛋白和DNA的甲基化改變細胞的表觀遺傳狀態(tài)[39]。目前已經(jīng)有多種藥物被FDA批準用于臨床，其中包括阿扎胞苷和地西他濱。地西他濱可與DNA結合，而阿扎胞苷與RNA和DNA結合，從而抑制DNA甲基轉移酶[40]。SGI-110（guadecitabine）是地西他濱的前藥形式，是一種小分子DNA甲基化抑制劑，相比于目前的一些核苷類似物，它的性質更加穩(wěn)定。在小鼠卵巢癌模型中，SGI-110可以增加順鉑化療的敏感度，對于鉑類耐藥的卵巢癌患者，SGI-110的聯(lián)合治療可能會有較好的療效[41]。另外，組蛋白乙酰化修飾在表觀遺傳學調控中起著關鍵作用，并受組蛋白去乙?；负徒M蛋白乙酰轉移酶調控，組蛋白去乙酰化酶在多種癌癥類型中過度表達，可以通過抑制組蛋白去乙酰化酶進行抗腫瘤治療[42]。

4 總結

隨著對腫瘤細胞中一碳單位的產(chǎn)生與利用的改變更深入的探究，多種抗腫瘤治療方法被提出，包括營養(yǎng)素治療，靶向一碳代謝相關途徑的酶等，但仍有很多問題亟待解決，例如營養(yǎng)治療中，減少絲氨酸的攝入對于SSP途徑擴增的腫瘤效果可能并不明顯。靶向一碳代謝途徑的酶時，由于很多代謝酶具有不同的亞型，不同亞型的酶結構高度相似，因此會導致藥物選擇性不佳而引起潛在的不良反應。靶向特定亞型的代謝酶可能會引起其他亞型的代償性激活，例如抑制MTHFD2后，MTHFD1可以代償性的激活[17]?？傊?，靶向一碳代謝途徑的抗腫瘤治療仍存在許多難點，需要進一步的研究。