BiG專欄

前言

腫瘤的發(fā)生依賴于細胞代謝的重編程。腫瘤細胞代謝的一個共同特征是能夠從營養(yǎng)匱乏的環(huán)境中獲取必需的營養(yǎng)物質(zhì)，并利用這些營養(yǎng)來維持生存能力以及生成新的生物量。細胞內(nèi)和細胞外代謝物的改變可以伴隨腫瘤相關的代謝重編程對基因表達、細胞分化和腫瘤微環(huán)境產(chǎn)生深遠的影響。腫瘤代謝水平的改變主要有六大特征，但僅有少數(shù)腫瘤同時展現(xiàn)這六種特征，根據(jù)腫瘤所表現(xiàn)出的特異性特征可能會有助于更好的指導腫瘤分類和治療。

脂質(zhì)納米遞送系統(tǒng)

葡萄糖和氨基酸攝取失調(diào)

在哺乳動物細胞中支持生存和生物合成的兩種主要營養(yǎng)物質(zhì)是葡萄糖和谷氨酰胺，通過葡萄糖和谷氨酰胺的分解代謝，細胞維持著各種碳中間體的混合庫，這些中間體被用作各種大分子組裝的基石。與不增殖的正常組織相比，腫瘤對葡萄糖的消耗明顯增加，該現(xiàn)象是由德國生理學家Warburg在90多年前首次描述的。20世紀50年代美國生理學家Harry Eagle首次描述了增殖腫瘤細胞對谷氨酰胺的高需求現(xiàn)象，他證明了HeLa細胞對谷氨酰胺的最佳生長需求要比其它氨基酸多10-100倍。PI3K/Akt信號通路是葡萄糖攝取的主要調(diào)節(jié)因子，該信號通路可以提高葡萄糖轉運蛋白GLUT1的轉錄水平并且促進GLUT1蛋白從細胞內(nèi)膜易位到細胞表面行使功能。此外，Akt可以增強己糖激酶(HK)以及磷酸果糖激酶(PFK)的活性，前者可以使葡萄糖分子磷酸化，從而阻止它們回流到胞外空間，后者是催化糖酵解的關鍵不可逆步驟，也是糖酵解的限速步驟。然而，PI3K/Akt信號傳導模塊并不是腫瘤唯一的促進葡萄糖攝取的手段，其它致癌信號蛋白，例如Ras，已被發(fā)現(xiàn)可以上調(diào)GLUT1 mRNA的表達并增加細胞的葡萄糖消耗水平。轉錄因子c-myc在增殖細胞中上調(diào)并且在各種腫瘤類型中經(jīng)常被擴增，是增殖細胞利用谷氨酰胺的主要驅(qū)動因子。c-myc誘導谷氨酰胺轉運蛋白ASCT2和SN2的轉錄，并促進谷氨酰胺利用酶包括谷氨酰胺酶(GLS1)、磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRPS2)和氨甲酰磷酸合成酶2 (CAD)的表達，它們通過轉運蛋白將谷氨酰胺轉化為谷氨酸來支持谷氨酰胺的攝取。除了來自c-myc的正向調(diào)控外，谷氨酰胺的攝取也受到Rb腫瘤抑制蛋白家族的負向調(diào)控，Rb家族蛋白的缺失已被證明通過E2F依賴性上調(diào)ASCT2和GLS1提高谷氨酰胺的攝取和利用。對于任何一個細胞來說，在缺乏適當?shù)拇x資源的情況下試圖增殖可能會以災難告終。為了避免這種情況，異常激活的致癌基因和/或腫瘤抑制因子的缺失將癌細胞鎖定在一種特殊狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，癌細胞從胞外環(huán)境中持續(xù)性地獲得可用的葡萄糖、谷氨酰胺和必需氨基酸，從而使癌細胞不受控制地增殖。

創(chuàng)造多種機會獲取養(yǎng)分

盡管腫瘤細胞對葡萄糖和氨基酸有強烈的吸收欲望，但體內(nèi)的腫瘤細胞經(jīng)常由于養(yǎng)分消耗率的增加和腫瘤血管供應的不足而遇到營養(yǎng)缺乏的情況，為了解決耗盡的正常合成代謝前體供應問題，某些癌種獲得特異性突變，從而激活了細胞利用其它途徑獲取必要營養(yǎng)的能力。血漿和組織間質(zhì)液富含可溶性蛋白，但細胞外蛋白一般不作為氨基酸的來源。突變的Ras或c-Src等位基因的表達為細胞提供了一種機制，使它們能夠通過溶酶體降解細胞外蛋白來滿足對游離氨基酸的需求，與通過轉運體進入細胞的低分子量營養(yǎng)物質(zhì)的攝取方式不同，細胞外大分子的攝取是通過大胞飲作用進行的，在這個過程中大量的細胞外液被攝取到巨大的囊泡中。值得注意的是，盡管PI3K/Akt信號通路能夠刺激低分子量營養(yǎng)物質(zhì)的攝取，但是并不能促進細胞外蛋白的利用。除了可溶性的細胞外蛋白外，游離氨基酸也可以通過entosis形式從整個活細胞的吞噬和消化中獲取，也可以從凋亡細胞的吞噬中獲取。有趣的是，含有KRAS等位基因突變的腫瘤細胞更容易發(fā)生entosis現(xiàn)象，因此KRAS突變細胞不僅比非突變細胞具有營養(yǎng)優(yōu)勢，而且還會主動消除后者，這種特性可能會促進腫瘤內(nèi)的細胞競爭，導致更具有侵略性的細胞群的出現(xiàn)。腫瘤生長過程中缺乏血管營養(yǎng)物質(zhì)遞送的后果是腫瘤缺氧，這導致許多需要氧分子作為電子受體的生物合成反應受到抑制。例如缺氧損害了硬脂酰輔酶A去飽和酶1(SCD1)催化的將雙鍵引入從頭合成的脂肪酸過程，這造成了不飽和脂肪酸種類的缺乏，為了補充缺失的脂肪酸，缺氧細胞從周圍環(huán)境中導入“現(xiàn)成的”不飽和脂肪酸，這類脂肪酸以單?；湹娜苎字男问酱嬖?。

利用糖酵解/TCA循環(huán)中間產(chǎn)物進行生物合成和NADPH生產(chǎn)

細胞增殖不僅增加了細胞所需營養(yǎng)物質(zhì)的數(shù)量，而且還改變了營養(yǎng)物質(zhì)的使用方式。增殖細胞的碳使用模式與靜止細胞的碳使用模式有很大的不同，在細胞增殖過程中，還原性碳的主要用途是合成各種生物分子，包括脂肪酸、膽固醇、戊糖和己糖衍生物、甘油、核苷酸和非必需氨基酸，因此增殖細胞必須首先將獲得的營養(yǎng)物質(zhì)轉化為各種中間體結構， 這些中間體包括胞質(zhì)乙酰輔酶A、單碳葉酸循環(huán)單元和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)，以及一系列糖酵解和TCA循環(huán)中間體。此外，許多生物合成反應本質(zhì)上是還原反應，因此需要還原力的來源，例如，生成棕櫚酸需要消耗14個還原當量，而生成膽固醇分子需要26個。用于細胞生物合成反應的還原性當量的指定供體是NADPH，由NADP+產(chǎn)生NADPH的過程是通過碳基的受控氧化來實現(xiàn)的，這與那些產(chǎn)生NADH來支持線粒體的電子傳遞途徑有很大的區(qū)別，因此增殖的細胞必須分配一部分碳底物用于NADPH的生產(chǎn)。眾所周知，腫瘤細胞偏愛有氧糖酵解過程，它們將細胞中多余的丙酮酸轉化為乳酸并排出胞外，但為什么腫瘤細胞不是將過量的丙酮酸轉運到線粒體中以維持氧化磷酸化呢?這個問題的答案逐漸變得清晰起來。增殖狀態(tài)下的細胞對ATP的需求遠沒有對一些分子前體物以及NADPH的需求高，葡萄糖分解代謝是這些前體和還原性物質(zhì)的有力提供者，而產(chǎn)生NADH和ATP的TCA循環(huán)是葡萄糖代謝的主要負調(diào)節(jié)因子，通過將過量的丙酮酸轉化為乳酸，增殖細胞可防止細胞溶質(zhì)NADH的積累并減少ATP的產(chǎn)生，從而促進持續(xù)的細胞溶質(zhì)葡萄糖代謝，避免因線粒體ATP生成過多而產(chǎn)生的反饋抑制效應。

對氮的需求增加

除了在生物合成途徑中增加碳的消耗，生長信號也同時提高了細胞對還原性氮的需求。增殖細胞必須從頭合成許多含氮分子，包括核苷酸、非必需氨基酸和多胺。谷氨酰胺一種非必需氨基酸，含有兩個還原態(tài)氮原子，是后生動物細胞間轉移還原態(tài)氮的主要途徑。谷氨酰胺的酰胺基團是嘌呤和嘧啶生物合成不可缺少的氮供體。每個尿嘧啶和胸腺嘧啶需要一個谷氨酰胺分子，每個胞嘧啶和腺嘌呤需要兩個谷氨酰胺分子，而每個鳥嘌呤需要三個谷氨酰胺分子的參與。此外，嘧啶環(huán)和嘌呤環(huán)的組裝都利用了天冬氨酸，而天冬氨酸是由TCA循環(huán)的代謝物草酰乙酸和谷氨酸轉氨化而來的，這兩種物質(zhì)都是谷氨酰胺的分解產(chǎn)物，因此谷氨酰胺是核苷酸生物合成的關鍵結構組成部分。相應的，谷氨酰胺的水平已被證明是細胞周期進程的限速條件，在某些細胞環(huán)境中，谷氨酰胺剝奪導致細胞周期停滯在S期。除了用于核苷酸生物合成外，谷氨酰胺還可以通過谷氨酰胺酶直接脫氨成谷氨酸，谷氨酰胺酶在癌細胞中經(jīng)常以c-myc依賴性的方式上調(diào)，谷氨酰胺衍生的谷氨酸作為氮的供體，通過轉胺作用產(chǎn)生許多非必需氨基酸。盡管精氨酸是一種非必需氨基酸，但在某些致瘤條件下也是必需的。精氨酸是四個氮原子的載體，是多種含氮化合物的前體，包括多胺、肌酸、胍基丁胺以及脯氨酸生物合成的前體吡咯啉-5-羧酸鹽。腫瘤細胞不選擇精氨酸的從頭生成，而是主要依賴于精氨酸的外源性內(nèi)流。很明顯的是，與碳代謝類似，氮的代謝在腫瘤發(fā)生過程中也經(jīng)歷了復雜的重編程。

代謝物驅(qū)動基因調(diào)控的改變

驅(qū)動腫瘤發(fā)生的異常激活的生長和存活信號促進了癌細胞代謝的重編程，從而增加了營養(yǎng)的獲取和生物合成。然而代謝網(wǎng)絡本身不僅僅是生長信號的被動接收者，而且恰恰相反，它直接將有關細胞代謝狀態(tài)的信息傳遞給各種調(diào)節(jié)酶，其中包括在染色質(zhì)中添加或者去除表觀遺傳標記的酶。當細胞代謝的葡萄糖超過生物能量支持所需時，代謝物胞質(zhì)乙酰輔酶A開始起到關鍵作用。胞質(zhì)乙酰輔酶A是使組蛋白和其它蛋白質(zhì)乙?；拿傅膶Ｐ缘孜?。組蛋白乙?；瘶擞浥c基因組DNA對轉錄復合物組裝的可接近性增加有關，組蛋白乙酰化后對細胞營養(yǎng)和信號轉導狀態(tài)的改變非常敏感。除了乙酰輔酶A，p300組蛋白乙酰轉移酶最近也被證明可以利用巴豆?；o酶A作為底物，值得注意的是，在組蛋白尾部的特定氨基酸殘基上進行巴豆?；鶚擞浶揎椄芗せ罨虮磉_。細胞中的許多甲基化反應，包括在組蛋白尾部的甲基標記、DNA上的胞嘧啶甲基化和mRNA上的腺苷甲基化都利用S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作為甲基的供體。SAM是單碳代謝途徑的產(chǎn)物，由絲氨酸分解代謝提供能量，最近的一些研究表明，組蛋白和DNA甲基化對SAM水平的變化非常敏感。細胞中的多種翻譯后修飾是由一類α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶執(zhí)行的，DNA去甲基化酶TET家族成員便是α-酮戊二酸依賴性雙加氧酶的一種。 另一類與腫瘤相關的、可調(diào)節(jié)a-酮戊二酸依賴型雙加氧酶活性的基因是異檸檬酸脫氫酶1 (IDH1)和異檸檬酸脫氫酶2 (IDH2)的功能獲得型突變，編碼IDH1或IDH2的基因中的活性位點突變提供了將TCA循環(huán)中間體α-酮戊二酸(α-KG)還原為D-2HG的新能力，從而替代傳統(tǒng)的異檸檬酸和α-酮戊二酸的相互轉換。

與腫瘤微環(huán)境的代謝性互作

有關細胞代謝狀態(tài)的信息不僅影響其自身的長期決策，而且有可能影響其附近其它細胞的命運。已知的多種遺傳穩(wěn)定的細胞類型，包括腫瘤相關的成纖維細胞、內(nèi)皮細胞以及先天性和適應性免疫系統(tǒng)成分，受附近腫瘤的影響經(jīng)常會發(fā)生特征性的表型變化。腫瘤細胞如何重新編程其微環(huán)境以幫助腫瘤生長和傳播是一個值得深入研究的領域，但很明顯的是這種重新編程包含多種策略，包括分泌生長因子、改變細胞外基質(zhì)以及細胞間相互作用等。腫瘤細胞對細胞外葡萄糖和谷氨酰胺的高度利用導致細胞外乳酸的積累，這被證明影響腫瘤微環(huán)境中的多種細胞類型。乳酸含量的增高可以減弱樹突狀細胞和T細胞的活化以及單核細胞的遷移從而導致免疫逃逸；乳酸還可以刺激駐留的巨噬細胞極化至M2狀態(tài)，M2巨噬細胞同樣具有免疫抑制作用；乳酸的積累有助于促進血管生成；此外，乳酸水平的增加也刺激成纖維細胞產(chǎn)生透明質(zhì)酸，這可能有助于腫瘤的侵襲。一些腫瘤采用一種獨特的策略來促進其周圍免疫耐受微環(huán)境的出現(xiàn)。例如，許多實體瘤會過表達可降解色氨酸的吲哚胺-2, 3-雙加氧酶(IDO1)和色氨酸-2, 3-雙加氧酶(TDO2)，它們會催化必需氨基酸色氨酸轉化為其衍生物犬尿氨酸，色氨酸的消耗會引發(fā)效應T細胞的氨基酸剝奪相關凋亡事件，而且犬尿酸會促進調(diào)節(jié)性T細胞表型的形成，從而進一步抑制抗腫瘤免疫應答過程。相反的，腫瘤微環(huán)境對癌細胞自身的代謝也有深遠的影響。腫瘤通常面臨營養(yǎng)和氧氣不足的環(huán)境，并因此制定出各種營養(yǎng)獲取策略來繞過這些限制，缺氧會阻礙細胞進行氧化磷酸化和其它需要氧氣反應的能力，破壞氧化還原平衡，影響細胞信號傳導和轉錄程序，總而言之腫瘤細胞與其微環(huán)境之間的相互作用施加了一種選擇壓力，進一步塑造了腫瘤細胞的新陳代謝并促成了更具攻擊性腫瘤細胞的出現(xiàn)。