肿瘤细胞适应营养缺乏环境的机制及相关研究进展*

齐丽莎 孙保存

·国家基金研究进展综述·

肿瘤细胞适应营养缺乏环境的机制及相关研究进展*

齐丽莎 孙保存

由于具有无限增殖的特点及有氧糖酵解的能量代谢方式，肿瘤细胞对于葡萄糖和谷氨酰胺等营养物质的需求远超过正常细胞，常处于营养缺乏状态。然而，肿瘤细胞可通过某些特定蛋白感知肿瘤微环境中营养物质的供给变化，调控相应的信号通路，阻滞细胞周期、代谢或调节细胞自噬等多种途径适应饥饿状态并不断演进。本综述旨在介绍低营养状态下肿瘤细胞的感知机制、下游效应因子的变化。

营养缺乏 AMP-活化蛋白激酶 蛋白磷酸酶2A p53

细胞的代谢与其生存密切相关。肿瘤错综复杂的代谢机制影响着肿瘤的发生、发展，是当前肿瘤生物学领域的研究热点之一。许多恶性肿瘤不同于正常组织的最重要的代谢特点为其能量消耗远超过所能获得的能量供应，肿瘤细胞常处于饥饿状态。然而，肿瘤细胞通过特定机制感知并适应这种恶劣环境而得以存活。明确相关的分子机制对于开发针对于肿瘤代谢的靶向治疗具有十分重要的意义。

1 肿瘤的营养缺乏状态

1.1葡萄糖

20世纪20年代，Otto Warburg发表了一项具有开创性的观察结果：相对于正常细胞，肿瘤细胞对葡萄糖摄取和利用的依赖性显著增强，即使在氧浓度充足的环境下，肿瘤细胞也更倾向于通过糖酵解而不是氧化磷酸化进行糖代谢，这种现象被称为“瓦博格效应”［1］。等量葡萄糖通过糖酵解产生ATP的量虽低于氧化磷酸化，但由于其反应过程较少，ATP产生速度快，能够有效为细胞提供能量。临床上常使用正电子发射计算机断层技术（positron emission tomography-computed tomography，PET-CT）通过检测组织细胞葡萄糖摄取程度来诊断肿瘤微小病灶，也体现了肿瘤葡萄糖高消耗的特性。大量理论认为“瓦博格效应”可能是肿瘤适应缺氧环境或肿瘤细胞线

粒体突变导致氧化磷酸化异常的结果。然而，近年来的研究表明肿瘤细胞这一重要代谢特征可能是肿瘤形成过程中选择性癌基因突变的结果，如原癌基因磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）是人类肿瘤中常见的突变激酶之一，不仅对于肿瘤细胞生长、存活等具有极其重要的作用，在刺激肿瘤细胞由有氧代谢转化为糖酵解过程中也起着直接的作用［2］。

1.2谷氨酰胺

谷氨酰胺是肿瘤细胞合成代谢中需要的关键底物。肿瘤细胞对谷氨酰胺的需求量是其他的氨基酸的10倍。首先，谷氨酰胺为转氨基反应提供氮源以保持细胞内非必需氨基酸和核苷酸的合成，因而对高增殖活性的肿瘤细胞尤其重要。其次，谷氨酰胺代谢可产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH），不但为磷脂合成的前体脂肪酸的合成提供了底物，还可保护肿瘤细胞免受氧化损伤。此外，谷氨酰胺可活化mTOR信号通路靶蛋白，参与肿瘤细胞的蛋白质翻译调控［3］。由于谷氨酰胺可以为细胞内主要的抗氧化剂谷胱甘肽提供碳或氮，因而在抑制氧化应激方面也具有重要作用［4］。与葡萄糖代谢相似，肿瘤细胞对谷氨酰胺的摄取利用增加也受癌基因调控，如C-myc通过谷氨酰胺转运蛋白和谷氨酰胺酶协同调控以增加谷氨酰胺代谢［5］。有报道K-ras通过促进代谢关键酶Glud1和Got1的转录重排增强谷氨酰胺代谢，促进胰腺导管腺癌细胞的生长［6］。

尽管肿瘤的生存和增殖都需要营养供应，肿瘤细胞对葡萄糖或谷氨酰胺的需求常超过其生产而处于营养缺乏状态。在体积较大的肿瘤组织中，血糖水平显著低于同来源的正常组织［7］，此外，早期有报道，与正常组织相比，肿瘤组织中的谷氨酰胺下降至几乎检测不到的水平，且肿瘤组织中心部位显著低于与肿瘤周边［8］。这些结果提示，在体内肿瘤发展出适应机制可感知并能在低营养供应环境中生存和演进。

2 调节肿瘤细胞适应营养缺乏的关键蛋白

2.1单磷酸腺苷活化的蛋白激酶（adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK）

细胞中AMP与三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的比例增加能够活化AMPK，在调节细胞应激反应中起着至关重要的作用。AMPK可磷酸化多种底物以增加葡萄糖摄取，抑制糖异生并增强线粒体生物合成功能，增加ATP水平。mTOR是蛋白质和其他合成代谢途径的主要调节因子，在营养限制条件下抑制mTOR能够帮助细胞保存能量［9］。AMPK可直接磷酸化mTOR的负性调节因子TSC2和Raptor，抑制mTOR表达。AMPK还可激活真核延伸因子2（eukaryotic elongation factor 2，eEF2）激酶使eEF磷酸化失活，直接抑制蛋白质翻译，这是多种肿瘤细胞适应营养匮乏并得以生存的通用机制［10］。

在营养缺乏条件下，细胞利用自噬过程对非必要生物大分子和细胞器进行再循环利用。AMPK可磷酸化自噬过程中重要的启动激酶ULK1，活化自噬反应［11］。AMPK及其底物为减轻细胞的饥饿应激也发挥着多种重要的作用：在低葡萄糖条件下，AMPK可磷酸化p53，阻滞细胞周期，为肿瘤细胞保存能量以等待促增殖条件的再次出现［12］；AMPK可抑制参与脂质和糖类代谢的重要转录因子SREBP1的作用［13］；AMPK可直接作用于染色体，使组蛋白H2B第36个丝氨酸磷酸化而激活转录，使细胞适应能量缺乏［14］；AMPK还可使ACC1和ACC2磷酸化，减少NADPH消耗，保护细胞免受氧化损伤［15］。

2.2蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）

PP2A由支架亚基（A）、催化亚基（C）和调控亚基（B）组成，决定着细胞内一半以上磷酸酶的活性。PP2A受细胞内氨基酸水平的调控，在感知营养状态中具有动态的自适应作用：氨基酸水平较低时，PP2A活化并使mTOR上游活化激酶MAP4K3在ser170位点发生去磷酸化，抑制mTORC1信号通路及蛋白翻译；而重新加入氨基酸后，PP2A活性下降，ser170磷酸化增加［16］。PP2A对谷氨酰胺变化也具有适应性反应：低谷氨酰胺水平时，PP2A的一种特定的B亚基B55α，可在转录水平诱导p53活化，维持细胞存活［8］。许多人类肿瘤中都存在着PP2A/B55α-p53信号轴，可能解释了肿瘤能够耐受体内低谷氨酰胺水平或谷氨酰胺酶抑制剂的原因。

3 转录因子介导的肿瘤细胞饥饿适应

3.1p53

肿瘤抑制基因p53是主要的细胞应激感受和效应蛋白，可发生多种翻译后修饰如泛素化、磷酸化等。早期对于p53的研究主要聚焦于其对组织缺氧和DNA损伤的反应，即激活细胞凋亡和阻滞细胞周期。最近的几项研究证实了p53对于细胞适应营养缺乏状态同样具有重要作用。p53转录激活的特异性主要取决于启动子的亲和力和可用性，因此，p53上游的信号转导通路可能决定着p53发挥何种作用。如前所述，p53可通过阻滞细胞周期使细胞适应低血糖水平。除了葡萄糖，在其他营养物质如氨基酸供应缺乏时，p53也能够帮助细胞存活。最近的研究表明，谷氨酰胺缺乏能够激活p53基因并维持细胞存活，而那些缺乏p53功能的细胞在同样条件下却不

能存活［17］。另一项研究发现，低谷氨酰胺水平时，细胞可通过抑制苹果酸酶使细胞经历依赖p53的细胞老化［18］。此外，在低丝氨酸的水平时，p53也可帮助细胞维持存活［19］。因此，与DNA损伤诱导p53信号通路活化导致细胞凋亡的作用相反，在营养缺乏状态下，p53发挥的作用是维持细胞生存。除了阻滞细胞周期外，p53还可激活其他代谢调节因子帮助细胞对抗饥饿：糖缺乏时，p53可促进细胞表达Sco2，促进线粒体氧化磷酸化而抑制糖酵解以减少糖消耗［20］；p53也可活化脂肪细胞发育和脂代谢的重要因子LPIN1的蛋白转录，促进细胞脂肪酸氧化而降低糖酵解［21］。

p53也可通过非转录依赖的方式帮助细胞适应营养缺乏。细胞分裂所需的脂质和核苷酸都需要戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway，PPP），PPP上调是高细胞增殖能力的标志。有研究表明p53可抑制PPP第一个限速酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的活化，显著影响PPP，抑制细胞增殖［22］。然而，有研究也发现p53可通过转录激活Tp53诱导糖酵解和细胞凋亡调节蛋白（Tp53-induced glycolysis and apoptosis regulator，TIGAR）而促进PPP代谢途径。TIGAR是一种果糖-2，6-二磷酸酶，可促进PPP产生NADPH（发挥抗氧化功能）和磷酸核糖（用于核苷酸的生物合成）。最近的一项研究发现TIGAR可以促进肠道肿瘤的生长，而TIGAR缺失可降低肠腺瘤模型小鼠的肿瘤负荷并延长小鼠存活时间［23］。以上的这些研究表明，p53在不同的条件、不同组织中对PPP代谢途径的调控机制及作用可能不尽相同。

总之，根据营养供应状态的不同，p53在调控细胞增殖和肿瘤进展中发挥着双重作用。一方面，当多种营养物质缺乏，p53阻滞细胞周期、抑制细胞凋亡，帮助那些具有较高增殖活性的细胞暂时存活；另一方面，p53可抑制“瓦博格效应”，减轻细胞对葡萄糖的需求依赖。

3.2过氧化物酶增殖物激活受体γ共激活因子（peroxisome proliferator activated receptor gamma coactivator-1，PGC-1）

PGC-1家族包括3个亚型：PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相关的共激活因子（PGC-1-related coactivator，PRC）。PGC-1α通过共激活转录因子过氧化物酶增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator activated receptor gamma，PPARγ）、核呼吸因子-1（nuclear respiratory factor-1，NRF-1）、NRF-2及FOXO1参与线粒体生物合成、细胞呼吸率调控及代谢底物利用［24-26］。PGC-1α可反式激活p53，导致细胞周期阻滞和代谢靶基因的选择性激活［27］。然而，若葡萄糖缺乏持续的时间过长，PGC-1α发生泛素降解，其对p53的作用消失，就会促发细胞凋亡。PGC-1家族成员PRC也可参与细胞的饥饿适应反应，但具体机制仍不明确［28］。

3.3TAp63

结构和功能上与p53密切相关的p63蛋白，在调控肿瘤发生和代谢方面也具有重要作用。P63转录激活结构域（P63 transactivation domain，TAp63）缺失可以抑制p53，且TAp63缺陷小鼠常发生自发性、高转移性的肿瘤，表明p63具有抗肿瘤作用，但其在肿瘤抑制中的确切作用机制目前还不清楚［29-30］。Su等［31］研究发现TAp63调控着重要代谢调节蛋白AMPKα2、SIRT1和LKB1的转录活化，在脂质和糖代谢中发挥重要调控作用。

4 展望

关于肿瘤细胞感知并适应不断变化的营养条件方面的研究已取得了一些令人振奋的结果。在营养缺乏状态下，AMPK和PP2A等具有的多种功能已表明细胞的代谢重编程受多条信号通路复杂而精细的调控，而下游的效应因子，如p53等在信号网络调控中同样也具有多重作用，相关研究结果也为针对p53突变或缺失肿瘤的营养代谢靶向治疗提供了实验依据。总之，识别和明确肿瘤适应营养缺乏的分子机制对于肿瘤治疗具有重要的意义。

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（2014-10-06收稿）

（2015-04-02修回）

（编辑：郑莉）

Mechanism and research advances regarding adaption of nutrition insufficiency for tumor cells

Lisha QI，Baocun SUN

Baocun SUN；E-mail:sunbaocun2014@163.com

Given the unlimited proliferation and aerobic glycolysis in tumor cells，these cells require more glucose，glutamine，and other nutrients compared with normal cells.Tumor cells are often affected by insufficient nutrient supply.However，by sensing changes in the nutrient supply in tumor microenvironment and by regulating signal-transduction pathways，some specific proteins can help tumor cells in blocking the cell cycle，reprogramming metabolism，and regulating autophagy to progress and survive against nutrient stress.Exciting innovations have been made to elucidate the mechanisms relevant to this process.This review aims to highlight recent studies on the mechanisms of sensing the low nutrient supply in microenvironments，as well as the downstream effect factors in cancer cells.

nutrition insufficiency，adenosine monophosphate-activated protein kinase，protein phosphatase 2A，p53

10.3969/j.issn.1000-8179.20141663

天津医科大学肿瘤医院病理科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室（天津市300060）

*本文课题受国家自然科学基金项目（编号：81402420）和天津医科大学科学基金项目（编号：2013KYQ08）资助

孙保存sunbaocun2014@163.com

Department of Pathology，Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital，National Clinical Research Center for Cancer，Tianjin Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy，Tianjin 300060，China.

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.81402420）and the Science Funds of Tianjin Medical University（No.2013KYQ08）.

齐丽莎专业方向为肿瘤血管生成，肿瘤微环境的研究。

E-mail：qilisha2005@163.com