脂肪酸从头合成代谢重编程与肿瘤的发生发展*

骆惊涛 李强

·国家基金研究进展综述·

脂肪酸从头合成代谢重编程与肿瘤的发生发展*

骆惊涛 李强

肿瘤细胞代谢重编程是肿瘤发生发展过程中最显著的特征之一，是对肿瘤有氧糖酵解（即Warburg效应）内涵的进一步扩展。细胞癌变过程的代谢模式发生显著变化，涉及到糖酵解、氧化磷酸化、氨基酸代谢、脂肪酸代谢和核酸代谢等诸多方面，其中脂肪酸代谢在肿瘤细胞的能量存储、细胞增殖及重要信号分子合成等方面起到重要作用。研究脂肪酸从头合成代谢的机制与肿瘤发生发展的关系，利用、干预和修正代谢通路上关键酶的异常，正成为肿瘤诊断、预防和治疗的新思路。本文就脂肪酸从头合成代谢重编程与肿瘤发生发展的关系做一综述。

肿瘤细胞 脂肪酸代谢 从头合成 肿瘤生长

德国科学家Warburg［1］发现，与正常细胞代谢相比，即便是在氧供应充足的情况下，肿瘤细胞也优先进行糖酵解，为肿瘤细胞提供能量以及生物大分子合成所需要的前体，此即著名的Warburg效应，也称为肿瘤的有氧糖酵解。因此，研究肿瘤细胞与正常细胞间的代谢改变，明确其代谢途径及调控机理，在探索肿瘤新的治疗手段过程中日益受到关注。

肿瘤生长是一个多因素参与、多阶段进行的动态过程，最近的研究显示肿瘤细胞代谢重编程［2］是调控肿瘤发生发展过程中的重要因素，从既往对肿瘤代谢的研究中可知，肿瘤代谢重编程可以使得肿瘤细胞在不利的生存环境下保持选择性的生长优势，但是其在肿瘤发生发展中的作用及机制研究仍是一项迫切、复杂的前瞻性研究，多种代谢相关基因在肿瘤的发生发展过程中扮演类似癌基因和抑癌基因的角色［3-4］，脂肪酸（fatty acid，FA）合成代谢在其中起到重要作用［5］。与正常细胞相比，肿瘤细胞90%的脂肪合成来源于从头合成，在能量应激状态下可以通过脂肪酸β氧化分解出能量以供肿瘤细胞生存所需［6］。证据表明，限制肿瘤细胞FA代谢可以控制肿瘤细胞的增殖，本文旨在为通过调节FA代谢来治疗肿瘤提供新的思路［7］。

作者单位：天津医科大学肿瘤医院颌面头颈肿瘤科，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心（天津市300060）

1 肿瘤细胞能量代谢的改变

癌症从根本上讲就是细胞的异常生长和增殖，这需要构建细胞的原材料，如核酸、蛋白质和脂质等。肿瘤细胞常干扰正常代谢过程，使细胞内积累大量的代谢中间产物。肿瘤细胞中非正常代谢途径Warburg［1］效应低效地将葡萄糖转化为大分子中间产物，而不是高效代谢生成二氧化碳和水。在正常细胞代谢中，氧存在的情况下葡萄糖经过糖酵解在细胞质中产生丙酮酸，进入线粒体后，丙酮酸氧化成乙酰辅酶A，随后进入三羧酸循环经过氧化磷酸化产生还原当量。当氧气含量不足时，过量的丙酮酸在胞浆中发酵成为乳酸。正常细胞通过高效率氧化磷酸化途径，一个葡萄糖分子发生完全氧化可产生36分子ATP，而通过无氧糖酵解途径仅获得2分子ATP。Warburg［1］效应为即使在氧气含量充足的情况下，肿瘤细胞消耗大量的葡萄糖，而氧化磷酸化程度降低，通过糖酵解产生ATP并且生成乳酸。

在肿瘤细胞中，碳必须从产生能源转变成FA，以用于膜和信号分子的生成。细胞膜脂质包括磷脂（PLS），如磷脂酰胆碱（PC）和磷脂酰乙醇胺（PE）等，其他脂质如甾醇、鞘磷脂和溶血磷脂等。这些脂质的衍生部分均来自乙酰辅酶A，并且包含大量的FA。FA的合成原料为外源性或内源性从头合成。大多数正常细胞通过外源性途径获取FA，但肿瘤细胞通常为内源性从头合成FA，并对合成途径关键酶进行调节。进入生物活性池后，FA需要通过脂酰辅酶A合成酶“激活”共价修饰CoA。分别生成甘油三脂（TGs）或甾醇酯（SEs），然后存储在脂滴中（LDs）。在细胞中FA可以有很多的用途，包括作为细胞膜的原料、信号分子或氧化为二氧化碳作为能量来源［8］。

肿瘤也可以从肿瘤微环境中清除脂类，使FA摄取途径也成为治疗肿瘤潜在的靶点。例如，作为脂质分子伴侣的脂肪酸结合蛋白4（FABP4），在卵巢癌肿瘤细胞中可以从肿瘤微环境的脂肪细胞中提取FA用于肿瘤的生长。另外，在脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）抑制剂C75或ATP柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）抑制剂 SB-204990存在下［9］，前列腺肿瘤细胞出现明显凋亡。CD36是一种广泛表达的跨膜蛋白，在FA摄取中的功能已经在乳腺癌中得到证实［10］，降低基质组织CD36的水平与肿瘤早期发生相关。值得注意的是，由于肿瘤细胞培养在体外与体内情况明显不同，外源性摄取的脂类在某些肿瘤中可能更重要。

2 限制FA的供应，以限制肿瘤细胞增殖

FA是肿瘤细胞生长所必需的，限制FA的利用率可以作为一个治疗策略。从脂质代谢的观点来看，可能通过几种方式来实现：1）阻断FA从头合成；2）通过FA氧化使其降解；3）转成脂质储存；4）减少FA释放。这些步骤可以通过单独用药或联合用药来进行。本文着重论述对FA从头合成代谢的控制。

2.1 阻断FA从头合成

降低FA最简单的方法就是以阻止其从头合成。葡萄糖代谢途径产生的FA代谢关键酶柠檬酸是三羧酸循环的中间产物。从柠檬酸转化为具有生物活性的FA需要几个步骤，包括ACLY、乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-coa carboxylase，ACC）、FASN和乙酰辅酶A合成酶（Acetyl-CoA synthetase，ACS）。降低FA利用率，抑制这些酶活性，从而限制肿瘤细胞生长。这些酶的抑制剂对于非肿瘤细胞的影响很小。

柠檬酸盐的亚细胞定位决定了其代谢：线粒体内柠檬酸进入三羧酸循环，胞浆中柠檬酸进入脂肪酸合成。柠檬酸跨线粒体内膜转运通过转运蛋白柠檬酸载体（citrate carrier，CIC）调节。在多种肿瘤细胞系中CIC水平升高与预后不良相关，并且由苯-三羧酸类似物（benzene-tricarboxylate analog，BTA）抑制CIC在不同类型的肿瘤和小鼠肿瘤模型体内起到抗肿瘤作用［11］。

2.1.1 ATP柠檬酸裂解酶 ACLY将六碳柠檬酸转化成草酰乙酸和二碳的乙酰-CoA，通过这种方式将葡萄糖代谢和脂肪酸代谢相关联。降表达ACLY可降低细胞将葡萄糖代谢成脂类的能力，在人腺癌细胞和小鼠淋巴样细胞中得到了验证［12-13］。通过下调ACLY的表达或应用SB-204990抑制ACLY，改变代谢途径来降低小鼠肿瘤的发生和人类肿瘤细胞移植瘤的形成［14］。ACLY是一个有希望的治疗靶点，其产物乙酰-CoA是许多分子的重要代谢物，也是用于蛋白质和核酸的乙酰化的底物。因此，抑制其产生可以影响FA从头合成代谢途径。

2.1.2 乙酰辅酶A羧化酶 ACC羧化乙酰-CoA形成丙二酰-CoA，是FA从头合成的关键步骤，是此过程中高度调控的酶。ACC是由柠檬酸盐和谷氨酸正性变构调节，由长链和短链脂酰辅酶A，如棕榈酰辅酶A负性变构调节。腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）及其它激酶可使ACC通过磷酸化失活［15］。人类基因组有ACC1和ACC2两种同工酶，由ACC1催化产生的丙二酰辅酶A（malonyl-CoA），被认为是作为FA合成的底物，而由ACC2催化产生的丙二酰辅酶A用于抑制肉毒碱棕榈酰转移酶（carnitine palmitoyltransferase 1，CPT1），从而防止FA降解［16］。

通过siRNA降表达ACC1可引起前列腺癌、乳腺癌肿瘤细胞和头颈鳞状细胞癌细胞的凋亡，在对照组非肿瘤细胞无明显凋亡［8，17-18］。应用ACC1和ACC2的抑制剂Soraphen-A在前列腺肿瘤细胞中得到类似的结果。然而，在乳腺肿瘤细胞中应用ACC抑制TOFA［5-（十四烷氧基）-2-糠酸］得到了一个矛盾的结果。这可能归因于表皮生长因子受体（EGFR）的活化，如另一组实验证实TOFA可阻断EGFR活化的人胶质细胞瘤细胞系生长，但不影响非EGFR活化的细胞系。在肺癌细胞系中沉默ACC1和ACC2，可以通过促进NADPH的氧化还原平衡使得肿瘤细胞加速增长［19］，这使得ACC的问题更加复杂化。

ACC在肿瘤细胞中的作用仍有待阐明，其活性可以通过促进ACC的磷酸化进行控制。ACC上游AMPK可以被药物激活，如已广泛用于治疗糖尿病的药物二甲双胍，在体内和体外实验，小鼠和人类实体瘤的实验中均证实，二甲双胍治疗具有抗肿瘤活性［20］，临床试验正在进一步探究其功效。

2.1.3 丙二酰-CoA脱羧酶（malonyl-coA decarboxylase，MCD） MCD脱羧丙二酰-CoA为乙酰-CoA，基本上可扭转ACC的催化反应。MCD抑制率与ACC类似，降表达MCD或应用MCD小分子抑制剂MPA治疗，对于乳腺肿瘤细胞系有细胞毒性，但不对成纤维细胞产生毒性［21］。

2.1.4 脂肪酸合酶（FASN） FASN催化连续缩合反应，从丙二酰-CoA和乙酰-CoA底物转化为FA，主要产生16碳棕榈酸酯，这也是关于癌症的研究最多的脂肪酸代谢酶。FA合成的增多是由于FASN水平的升高，与预后不良密切相关［22］，在多种肿瘤中已得到证实。对FASN的RNA干扰降低了甘油三酯和磷脂的水平，并抑制了前列腺癌淋巴结转移细胞（LNCaP细胞）的生长和凋亡，而对皮肤成纤维细胞无影响。有一些报道，FASN的化学抑制剂优先杀死肿瘤细胞。FASN是一个有吸引力的治疗靶点，因为大多数肿瘤细胞依赖于FASN介导的FA从头合成，而大多数非肿瘤细胞更依赖于外源性FA。然而，FASN抑制后诱导的细胞死亡可能是由于丙二酰-CoA的毒性累积，而不是FA的缺乏。此外，FASN的一些抑制剂在动物模型上显示出严重的不良反应，包括明显体质量减轻等［23-24］。

2.1.5 乙酰辅酶A合成酶（ACS） FA进入生物活性池必须先由ACS激活，生成脂肪酸辅酶A。具有生物活性的FA有助于蛋白质棕榈酰化，是一种翻译后修饰，在某些肿瘤中尤其重要。哺乳动物有5个ACS亚型（ACSL1、ACSL3、ACSL4、ACSL5和ACSL6），具有酰基-CoA合成酶活性的FA转运蛋白。ACSL4在某些结肠腺癌中上调，ACSL5水平在胶质母细胞瘤高表达。ACSL4的过表达可能是通过清除产生促凋亡信号的未酯化的花生四烯酸（arachidonic，AA），抑制细胞凋亡使肿瘤细胞得以存活。应用ACS的化学抑制Triacsin C（ACSL1、ACSL3和ACSL4的抑制剂）可诱导肺癌、结肠癌、脑癌等肿瘤细胞凋亡［25-26］。一些噻唑烷二酮类（TZDs）直接体内结合并且抑制大鼠ACSL4。TZDs激活过氧化物酶增殖物激活受体（PPARs）尤其是PPARγ，现已经广泛应用于糖尿病的治疗。TZD与糖尿病患者某些肿瘤的发生率低相关，很可能是由于PPARγ非依赖性的方式。采用失活ACS治疗肿瘤时，需要注意的是不同的药物具有不同特异性，可能具有不同的作用［27］。

2.2 FA合成基因表达的阻断

除了直接以脂肪酸合成酶为靶点，其活性的调节也可以通过降低转录水平来实现。FA合成的主要转录调节是固醇调节元件结合蛋白-1（sterol regulatory element-binding protein 1，SREBP-1）转录因子。SREBP-1具有两种亚型：SREBP-1a为大部分细胞系的主要亚型，SREBP-1c在肝和大多数组织中占主导地位。正常水平SREBP-1c激活脂肪酸生物合成途径与反应性基因ACLY、ACC、FAS、SCD-1和GPAT。因此，在肿瘤细胞中抑制SREBP-1能降低FA合成基因的表达，并可能阻止肿瘤细胞增殖。事实上，shRNA下调SREBP-1降低了ACC和FAS的含量，活化EGFR，激活SREBP-1促进胶质母细胞瘤肿瘤细胞死亡，并且SREBP-1和SREBP-2的活化抑制剂使得高EGFR表达、高SREBP-1表达的肿瘤细胞死亡［28］。此外，更高水平的SREBP-1可见于前列腺癌组织中，并且SREBP-1和SREBP-2在前列腺癌进展中均起到重要作用。最近的研究表明，对于抑制SREBP-1预防肿瘤细胞增殖的机制是通过SCD-1缺失和FA饱和，从而导致脂肪毒性来实现［27］。通过25-HC、fatostatin和FGH10019等抑制剂抑制SREBP所引起的SREBP-1及SREBP-2的靶基因表达降低在各种肿瘤细胞系中均抑制肿瘤细胞生长，在裸鼠体内实验也得到证实。

SREBP转录因子和FA合成可以由多种信号传导途径调节，包括生长因子信号。另一个转录因子，肝X激活受体（liver X-activated receptor，LXR），通过诱导SREBP-1c激活FA合成。因此，肿瘤细胞增殖的减慢可能通过防止LXR活化来实现［29-30］。但是这些发现可能反映的是LXR的功能而不是FA合成的调节。

3 结论与展望

FA参与肿瘤细胞的多个生物学过程，包括细胞膜形成、能量存储、信号分子产生等，本文旨在分析FA的从头合成代谢。为了适应肿瘤的快速生长，肿瘤细胞通过增强葡萄糖摄取能力，联合FA代谢等多种代谢方式进行适应性改变，目的是维持肿瘤的发生发展，这种代谢模式的变化构成了肿瘤细胞的代谢重编程。对于多个FA代谢途径中的靶点有针对性地治疗，通过化学及小分子抑制剂或靶向药物的使用，具有高度增殖性的肿瘤细胞可能对于FA代谢的抑制更敏感，能在细胞中通过定位的方式来完成（胞浆、线粒体或细胞核处）。脂质代谢是复杂的，有许多不同的反馈机制和调控点。此外，大多数脂质代谢酶具有多个亚型，并且可被耦合到不同的脂类代谢过程，可以有不同的细胞定位或组织分布。因此，寻找肿瘤发生发展过程中特异性改变的代谢酶或代谢产物，研究其在肿瘤发展过程中的作用及机制，对明确肿瘤有效的治疗靶点具有重要意义。

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Metabolic reprogramming of the de novo fatty acid synthesis pathway in cancer development and progression

Jingtao LUO,Qiang LI

Department of Head and Neck Surgical Oncology,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital;National Clinical Research Center of Cancer;Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy,Tianjin,Tianjin's Clinical Research Center for Cancer,Tianjin 300060,China
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No.81702698),Tianjin Medical University Science Foundation(No.2016KYZQ09),and Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital Doctor Foundation(No.B1602)

Cancer cell metabolic reprogramming is a highly significant feature in tumor development and progression.This process is an extension of aerobic glycolysis(i.e.,Warburg effect).The metabolic pattern,such as that of glycolysis,oxidative phosphorylation,amino acid metabolism,fatty acid metabolism,and nucleic acid metabolism,is altered significantly during cell carcinogenesis.Fatty acid metabolism is required for energy storage,membrane proliferation,and signaling molecule generation.Thus,studying the mechanism of de novo fatty acid synthesis and its relationship with the development and progression of tumor,as well as the use and targeting of the key enzyme in this metabolic pathway,is vital for the diagnosis,prevention,and treatment of cancer.Herein,we provide a brief review of metabolic reprogramming in cancer cells.We focus on the pathways of de novo fatty acid synthesis during the development and progression of tumor.

cancer cell,fatty acid metabolism,de novo synthesis,tumor growth

Qiang LI;E-mail:qli@tmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1000-8179.2017.18.937

*本文课题受国家自然科学基金项目（编号：81702698）、天津医科大学科学基金项目（编号：2016KYZQ09）和天津医科大学肿瘤医院博士启动基金项目（编号：B1602）资助

李强 qli@tmu.edu.cn

（2017-08-17收稿）

（2017-09-11修回）

（编辑：郑莉 校对：孙喜佳）

骆惊涛 专业方向为头颈肿瘤外科。

E-mail：jluo@tmu.edu.cn