谷氨酰胺代謝與卵巢癌相關(guān)研究進(jìn)展*

張自輝，洪 莉

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院婦產(chǎn)科，武漢 430060)

卵巢癌是婦科最常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，據(jù)報(bào)道，2020年全球新增卵巢癌患者313959例，我國(guó)新發(fā)病例55342例，占17.62%，而全球卵巢癌患者死亡207252例，占女性腫瘤死亡人數(shù)的4.7%，其中我國(guó)死亡病例數(shù)為37519，占18.10%[1-2]。目前卵巢癌的標(biāo)準(zhǔn)治療包括腫瘤細(xì)胞減滅術(shù)及鉑類聯(lián)合紫杉烷類藥物化療。一線治療后多數(shù)患者會(huì)復(fù)發(fā)并產(chǎn)生鉑耐藥，最終導(dǎo)致預(yù)后不良。因此，研究卵巢癌的惡性進(jìn)展及耐藥相關(guān)機(jī)制，對(duì)于卵巢癌的治療及改善預(yù)后具有重要意義。

氨基酸是哺乳動(dòng)物合成蛋白質(zhì)的最重要前體物質(zhì)之一，人類八種氨基酸(Thr、Met、Phe、Trp、Val、Ile、Leu和Lys)不能自我合成，因此被認(rèn)為是必需氨基酸。谷氨酰胺是許多蛋白質(zhì)、核苷酸和其他生物大分子合成的重要前體，并生成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADPH)和谷胱甘肽(GSH)以維持氧化還原穩(wěn)態(tài)。因此，谷氨酰胺在細(xì)胞存活和生長(zhǎng)中具有關(guān)鍵作用。谷氨酰胺不是必需氨基酸，但是被認(rèn)為是條件必需氨基酸，特別是在分解代謝應(yīng)激條件下，如手術(shù)后、創(chuàng)傷或敗血癥等，腎臟、胃腸道和免疫系統(tǒng)等對(duì)谷氨酰胺的需求急劇增加。此外，谷氨酰胺與腫瘤惡性進(jìn)展亦密切相關(guān)。由于腫瘤細(xì)胞快速增殖，谷氨酰胺作為腫瘤細(xì)胞能源的基本底物，以及合成核苷酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和GSH生物合成等重要前體，谷氨酰胺從頭合成不能滿足腫瘤細(xì)胞的需求，此時(shí)谷氨酰胺轉(zhuǎn)變?yōu)闂l件性必需氨基酸，即“谷氨酰胺成癮”。研究顯示，腫瘤細(xì)胞通過(guò)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白攝取利用谷氨酰胺，滿足腫瘤細(xì)胞能量和生物合成需求，從而促進(jìn)腫瘤的惡性進(jìn)展[3]。近年研究表明，谷氨酰胺代謝廣泛參與卵巢癌的增殖[4]、侵襲轉(zhuǎn)移[5]、耐藥[6]及免疫逃逸[7]等環(huán)節(jié)，是卵巢癌的潛在治療靶標(biāo)。因此，本文將谷氨酰胺代謝參與卵巢癌的最新研究做一綜述。

1 腫瘤谷氨酰胺代謝

代謝重編程是腫瘤的重要特征之一。既往研究認(rèn)為，腫瘤細(xì)胞即使在氧充足的情況下進(jìn)行糖酵解獲取能量，并且產(chǎn)生大量的乳酸，即“Warburg效應(yīng)”，被認(rèn)為是腫瘤能量代謝的主要方式。但是脂肪酸和氨基酸，尤其是谷氨酰胺、絲氨酸和甘氨酸等代謝失調(diào)，也與腫瘤能量代謝密切相關(guān)[8]。2021年4月，美國(guó)范德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Reinfeld等在《Nature》上發(fā)表最新研究，利用兩種不同的PET示蹤劑，一種用于追蹤葡萄糖，另一種用于追蹤谷氨酰胺，在結(jié)直腸癌、腎癌、乳腺癌等6種不同腫瘤模型中進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，髓系免疫細(xì)胞(主要是巨噬細(xì)胞)都吸收葡萄糖最多，其次是T細(xì)胞和癌細(xì)胞，相反，癌細(xì)胞吸收谷氨酰胺最多[9]。研究揭示腫瘤微環(huán)境中的不同細(xì)胞傾向于吸收不同的營(yíng)養(yǎng)，這有助于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)特異性靶向腫瘤代謝療法。

研究表明，谷氨酰胺通過(guò)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SLC1、SLC6、SLC7和SLC38等4個(gè)家族)轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)[10]。線粒體谷氨酰胺酶(GLS)是催化谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸的關(guān)鍵酶，谷氨酸可通過(guò)兩種方式產(chǎn)生α-酮戊二酸：谷氨酸脫氫酶(GDH)或轉(zhuǎn)氨酶(ALT/AST)反應(yīng)。通過(guò)這些途徑，谷氨酰胺以α-酮戊二酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)，參與檸檬酸的合成并生成乙酰輔酶A，促進(jìn)脂質(zhì)代謝，草酰乙酸可轉(zhuǎn)化為天冬氨酸促進(jìn)核苷酸的合成。α-酮戊二酸參與三羧酸循環(huán)產(chǎn)生ATP為細(xì)胞提供能量。此外，三羧酸循環(huán)中的蘋果酸產(chǎn)生丙酮酸和NADPH。谷氨酸通過(guò)胱氨酸-谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體(System Xc-)可介導(dǎo)細(xì)胞外胱氨酸與細(xì)胞內(nèi)谷氨酸交換，從而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)GSH的合成和維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡穩(wěn)定，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷。其中System Xc-由SLC3A2和SLC7A11組成的異二聚體，可促進(jìn)細(xì)胞攝入胱氨酸并排出谷氨酸，GSH是一種含有巰基的小分子活性肽，主要由谷氨酸、半胱氨酸以及甘氨酸構(gòu)成，GSH含有的巰基結(jié)構(gòu)可被氧化脫氫，使GSH成為機(jī)體內(nèi)重要的抗氧化劑以及自由基清除劑。谷氨酰胺代謝，見(jiàn)圖1。靶向谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)及代謝途徑在抗腫瘤能量代謝治療方面具有巨大潛力。谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是谷氨酰胺進(jìn)入細(xì)胞進(jìn)行代謝的最重要的環(huán)節(jié)，本文總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共15種，見(jiàn)表1[10-11]。

表1 谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基本特征

圖1 谷氨酰胺代謝示意圖

2 谷氨酰胺代謝與卵巢癌的臨床病理相關(guān)性

谷氨酰胺代謝對(duì)于腫瘤的惡性進(jìn)展至關(guān)重要。一項(xiàng)關(guān)于卵巢癌患者和正常人群的血清代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，卵巢癌患者血清谷氨酰胺水平顯著升高，ROC曲線AUC值為0.778[12]。另一項(xiàng)關(guān)于卵巢癌代謝組學(xué)的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，高水平谷氨酰胺與卵巢癌患者預(yù)后不良或復(fù)發(fā)相關(guān)[13]，原因可能與癌細(xì)胞增殖和侵襲過(guò)程的代謝譜變化有關(guān)。此外，多項(xiàng)研究表明，谷氨酰胺代謝與卵巢癌的臨床病理、預(yù)后不良以及化療耐藥等密切相關(guān)。Guo等[14]發(fā)現(xiàn)SLC1A5與p-mTOR在卵巢癌高表達(dá)，與FIGO分期、病理分級(jí)、CA125及Ki-67顯著相關(guān)，SLC1A5和p-mTOR高表達(dá)是預(yù)測(cè)卵巢癌患者預(yù)后不良的重要因素，卵巢癌中SLC1A5和p-mTOR表達(dá)水平呈正相關(guān)(r=0.385，P<0.001)。提示SLC1A5可能通過(guò)mTOR通路促進(jìn)卵巢癌的進(jìn)展。另一項(xiàng)研究亦表明，SLC1A5陽(yáng)性是卵巢癌復(fù)發(fā)的獨(dú)立預(yù)測(cè)因素[15]。SLC7A5高表達(dá)與卵巢癌患者較差的預(yù)后和化療耐藥性顯著相關(guān)[16]。此外，谷氨酸-氨連接酶(GLUL)在卵巢癌高表達(dá)，且與較差的無(wú)病生存期(disease-free survival，DFS)和總生存期(overall survival，OS)密切相關(guān)[17]。另一項(xiàng)多組學(xué)研究分析顯示，GLS2過(guò)表達(dá)與結(jié)腸癌、血液系統(tǒng)腫瘤、卵巢癌和胸腺癌的總體存活率較差密切相關(guān)[18]。目前還沒(méi)有SLC38A1和SLC1A6等與卵巢癌的相關(guān)研究。但SLC38A1在多種腫瘤高表達(dá)，且與預(yù)后不良有關(guān)[19-20]。因此，研究谷氨酰胺代謝在卵巢癌中的作用機(jī)制，靶向谷氨酰胺代謝治療有望提高卵巢癌患者的預(yù)后，具有重要的積極意義。

3 谷氨酰胺代謝與卵巢癌惡性進(jìn)展的作用機(jī)制

3.1 谷氨酰胺代謝與卵巢癌的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移 谷氨酰胺代謝與卵巢癌的侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。Yang等[21]利用同位素示蹤劑和生物能量分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)低侵襲性卵巢癌細(xì)胞(OVCAR3、IGROV1和OVCA429)不依賴谷氨酰胺，而高侵襲性卵巢癌細(xì)胞(SKOV3、SKOV3ip和Hey8)增殖和侵襲明顯依賴谷氨酰胺，其機(jī)制可能與谷氨酰胺激活STAT3通路有關(guān)。此外，Prasad等[5]研究顯示，谷氨酰胺可能通過(guò)上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子ETS1促進(jìn)MMP2、MMP9、波形蛋白(VIMENTIN)和VEGF表達(dá)，從而參與卵巢癌的侵襲和轉(zhuǎn)移。另有研究顯示，敲低GLUL顯著抑制卵巢癌OVCAR-3和ES-2細(xì)胞的增殖，其機(jī)制可能與抑制p38 MAPK信號(hào)通路有關(guān)[17]。而miR-450a過(guò)表達(dá)抑制卵巢癌A2780和SKOV-3細(xì)胞遷移和侵襲，促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡，其機(jī)制亦與抑制谷氨酰胺代謝密切相關(guān)[22]。因此，谷氨酰胺代謝密切參與卵巢癌的惡性增殖、侵襲及轉(zhuǎn)移，是卵巢癌惡性進(jìn)展的重要機(jī)制之一。

3.2 谷氨酰胺與卵巢癌的耐藥 細(xì)胞代謝的改變不僅促進(jìn)腫瘤的惡性進(jìn)展，而且還參與腫瘤的化療耐藥。耐藥細(xì)胞中某些代謝基因或相關(guān)通路的表達(dá)失調(diào)，導(dǎo)致谷氨酰胺分解、糖酵解和脂肪酸氧化等途徑的激活，耐藥細(xì)胞對(duì)葡萄糖和谷氨酰胺的攝取利用增加，從而生成抗氧化劑以及線粒體的代謝重編程是腫瘤耐藥的重要機(jī)制之一。研究表明，卵巢癌A2780/DDP細(xì)胞中谷氨酰胺、谷氨酸和GSH顯著高于A2780細(xì)胞，谷氨酰胺饑餓則抑制A2780/DDP細(xì)胞中的GSH水平和CDDP抗性[6]。有研究顯示，與敏感細(xì)胞系相比，順鉑耐藥細(xì)胞系中谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ASCT2和谷氨酰胺酶(GLS)表達(dá)增加，而抑制ASCT2和GLS表達(dá)則可逆轉(zhuǎn)順鉑耐藥[23]。此外，System Xc-系統(tǒng)在A2780/DDP高表達(dá)，胱氨酸攝取率及GSH均高于A2780細(xì)胞[24]。這些研究表明高谷氨酰胺代謝對(duì)于卵巢癌化療抗性具有重要作用。相反，使用谷氨酰胺酶抑制劑雙-2-(5-苯基乙酰氨基-1,3,4-噻二唑-2-基)乙基硫醚(BPTES)靶向谷氨酰胺酶(GLS)通過(guò)抑制卵巢癌細(xì)胞谷氨酰胺代謝使紫杉醇和順鉑耐藥癌細(xì)胞系對(duì)化療重新敏感[25]。另有研究顯示，谷氨酰胺酶1(GLS1)抑制劑化合物968通過(guò)誘導(dǎo)人卵巢癌HEY、SKOV3和IGROV-1細(xì)胞系G1期細(xì)胞周期停滯、細(xì)胞凋亡和細(xì)胞應(yīng)激來(lái)抑制卵巢癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，同時(shí)增強(qiáng)紫杉醇化療敏感性[26]。因此，靶向化療耐藥代謝重編程和代謝調(diào)控對(duì)于增強(qiáng)卵巢癌化療敏感性、逆轉(zhuǎn)化療耐藥具有重要意義。

3.3 谷氨酰胺與卵巢癌的免疫逃逸 腫瘤細(xì)胞代謝重編程導(dǎo)致的低氧、酸性、營(yíng)養(yǎng)耗盡的腫瘤微環(huán)境(TME)是產(chǎn)出腫瘤免疫逃逸的一個(gè)重要因素。Ma等[27]研究表明，腫瘤細(xì)胞攝取谷氨酰胺通過(guò)促進(jìn)腎癌ERK1和2(ERK1/2)磷酸化和c-Jun激活EGFR信號(hào)傳導(dǎo)誘導(dǎo)PD-L1表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤免疫逃逸。另一項(xiàng)研究表明，腎透明細(xì)胞癌(ccRCC)消耗谷氨酰胺導(dǎo)致細(xì)胞外谷氨酰胺的局部剝奪，從而通過(guò)激活缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor 1α，HIF1α)，并誘導(dǎo)腫瘤浸潤(rùn)巨噬細(xì)胞分泌IL-23，IL-23激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖并促進(jìn)IL-10和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β表達(dá)，從而抑制細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷[28]。腫瘤代謝治療策略面臨的主要問(wèn)題是如何特異性靶向腫瘤代謝而不影響正常細(xì)胞代謝和抑制TME中抗腫瘤免疫效應(yīng)細(xì)胞的功能。2021年4月，美國(guó)范德堡大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Reinfeld等研究可能解答了這一難題[9]。另一項(xiàng)研究亦證實(shí)，阻斷癌細(xì)胞谷氨酰胺代謝后，活化的CD8+T細(xì)胞通過(guò)上調(diào)乙酸鹽代謝，從而產(chǎn)生高水平的乙酰輔酶A(作為雙碳源)，間接(作為通過(guò)增加丙酮酸羧化酶活性來(lái)激活葡萄糖回補(bǔ))利用乙酸鹽為OXPHOS提供能量并產(chǎn)生ATP，維持NADP(H)穩(wěn)態(tài)[26]。因此，靶向腫瘤谷氨酰胺代謝并不會(huì)抑制抗腫瘤免疫功能。在卵巢癌相關(guān)研究中，卵巢癌谷氨酰胺代謝通過(guò)調(diào)節(jié)CD11b+Gr1+骨髓細(xì)胞的免疫抑制功能從而介導(dǎo)免疫逃逸[7]。GLS抑制劑968和PD-L1阻斷劑的聯(lián)合治療可增強(qiáng)對(duì)卵巢癌的免疫反應(yīng)，其機(jī)制可能與968增強(qiáng)CD4+和CD8+T細(xì)胞的顆粒酶B表達(dá)，從而與抗PD-L1抗體協(xié)同激活T細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞[29]。此外，BPTES衍生物CB-839促進(jìn)CD4+T輔助1(Th1)細(xì)胞和CD8+細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(CTL)，從而促進(jìn)免疫細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞[30]。以上研究均表明，靶向谷氨酰胺代謝并不會(huì)影響TME中抗腫瘤免疫效應(yīng)細(xì)胞的功能，同時(shí)聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)阻斷可顯著增強(qiáng)免疫細(xì)胞殺傷腫瘤細(xì)胞，因此抗谷氨酰胺代謝是卵巢癌免疫治療的一種重要輔助策略。

4 靶向谷氨酰胺代謝在抗卵巢癌方面具有重大價(jià)值和潛力

4.1 靶向谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn) 在腫瘤谷氨酰胺代謝重編程中，腫瘤細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞膜谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白攝取谷氨酰胺，因此，靶向谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)是抗腫瘤代謝的一種途徑。L-γ-谷氨酰對(duì)硝基苯胺(GPNA)是谷氨酰胺類似物。研究表明，GPNA可顯著抑制多種腫瘤細(xì)胞系中谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，如SLC1A5、SLC7A5、SLC38A1、SLC38A2等，從而發(fā)揮抗腫瘤作用[31]。此外，V-9302是SLC1A5的特異性小分子抑制劑，亦可通過(guò)阻斷SLC1A5、SLC38A1或SLC38A2等谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮抗腫瘤作用，包括頭頸部鱗狀細(xì)胞癌、肝癌、結(jié)直腸癌等[32]。此外，針對(duì)SLC1A5的mAb可通過(guò)阻斷谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制AKT和ERK磷酸化，從而對(duì)于KRAS突變的人結(jié)直腸癌細(xì)胞也具有抗腫瘤作用[33]。δ-生育三烯酚亦可通過(guò)抑制SLC1A5和SLC7A5表達(dá)，從而抑制非小細(xì)胞肺癌的生長(zhǎng)并誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能與抑制mTOR通路蛋白(p-mTOR和p-4EBP1)有關(guān)[34]。BCH是SLC7A5的競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑，可通過(guò)抑制mTOR通路p70S6K(T389)磷酸化顯著抑制卵巢癌細(xì)胞系(SKOV3、IGROV1)集落形成能力，提示谷氨酰胺代謝可能對(duì)于卵巢癌的錨定非依賴性生長(zhǎng)至關(guān)重要[35]。谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在卵巢癌的臨床病理及預(yù)后具有重要意義，但目前靶向卵巢癌谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究有限。

4.2 靶向谷氨酰胺代謝 研究表明，谷氨酰胺酶抑制劑CB-839可通過(guò)阻斷谷氨酰胺代謝增強(qiáng)卵巢癌細(xì)胞對(duì)PI3K/mTOR通路抑制劑PP242的敏感性，發(fā)揮協(xié)同作用促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡，其機(jī)制可能與抑制STAT3磷酸化相關(guān)[36]。CB-839與PARP抑制劑聯(lián)合對(duì)于耐藥型卵巢癌具有更顯著抗腫瘤作用，可顯著延長(zhǎng)荷瘤鼠生存期，這與阻斷谷氨酰胺代謝、抑制GSH合成，擾亂癌細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)和核苷酸合成有關(guān)[37]。此外，谷氨酰胺酶1抑制劑化合物968亦可抑制卵巢癌細(xì)胞增殖，并增強(qiáng)紫杉醇化療敏感性[26]，同時(shí)與PD-L1阻斷劑聯(lián)用可增強(qiáng)免疫殺傷腫瘤細(xì)胞[29]。另外，谷氨酸脫氫酶1(GDH1)抑制劑R-162通過(guò)抑制谷氨酰胺分解，增加線粒體ROS水平等機(jī)制具有抗肺癌及乳腺癌的作用[38]。System Xc-系統(tǒng)抑制劑柳氮磺胺吡啶(SASP)可抑制卵巢癌細(xì)胞中Xc-系統(tǒng)活性，抑制GSH生成，增加ROS水平，從而抑制卵巢癌細(xì)胞生長(zhǎng)，促進(jìn)其凋亡[39]。此外，氨基氧乙酸(AOA)和表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(EGCG)抗神經(jīng)母細(xì)胞瘤的機(jī)制與抑制GDH活性，阻斷谷氨酰胺代謝有關(guān)[40]。但AOA和EGCG是否通過(guò)阻斷谷氨酰胺代謝發(fā)揮抗卵巢癌的作用仍有待進(jìn)一步研究。因此，通過(guò)靶向谷氨酰胺代謝或聯(lián)合其他抗腫瘤療法，是抗卵巢癌代謝治療的一種潛在新策略。見(jiàn)圖2。

圖2 靶向谷氨酰胺代謝途徑示意圖

5 小結(jié)與展望

綜上所述，谷氨酰胺代謝廣泛參與卵巢癌的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，并且與腫瘤免疫逃逸以及化療耐藥密切相關(guān)。谷氨酰胺代謝對(duì)于卵巢癌的惡性進(jìn)展及預(yù)后不良具有重要意義，靶向谷氨酰胺代謝是抗卵巢癌的一種潛在新策略。從機(jī)制上來(lái)說(shuō)，靶向谷氨酰胺代謝的相關(guān)基因或通路，可阻斷卵巢癌細(xì)胞的能量代謝和抑制氧化還原穩(wěn)態(tài)，并增強(qiáng)化療敏感性及逆轉(zhuǎn)化療耐藥，同時(shí)與免疫檢查點(diǎn)阻斷聯(lián)用能更好地發(fā)揮免疫殺傷腫瘤細(xì)胞作用，從而達(dá)到更好的抗腫瘤效應(yīng)。