肿瘤细胞氨的合成及代谢去向研究进展

白长森

天津医科大学肿瘤医院，天津300060

代谢重编程是肿瘤的十大特征之一[1]。肿瘤细胞代谢途径的核心作用是合成细胞生长和增殖所需物质及能量。德国科学家Otto Warburg提出肿瘤细胞中普遍存在有氧糖酵解现象(Warburg Effect)：正常细胞可通过线粒体进行高效的氧化磷酸化供能，即使在氧气充足的情况下肿瘤细胞仍然优先利用葡萄糖进行糖酵解代谢，并将代谢所得的乳酸分泌出细胞[2]，这可导致肿瘤细胞生物合成的原料不足。谷氨酰胺是人体血液中含量最高的氨基酸，可在能量或物质不足的情况下参与肿瘤细胞的生物合成和能量代谢[3]。研究[4]发现，肿瘤细胞的快速增殖也需进行支链氨基酸代谢。但氨基酸分解代谢在提供肿瘤细胞生长所需物质及能量的同时，会释放大量的氨，氨通常被认为是有毒的机体代谢副产物[5,6]，需要通过生成尿素等方式排出；但也有研究显示其在肿瘤发生发展的过程中起到了重要作用，如在某些肿瘤细胞中氨可以被重复利用，支持肿瘤细胞的生物合成[7]。目前临床对氨代谢在肿瘤中的作用还存在一定争议，了解肿瘤细胞中氨的合成及代谢去向可以为肿瘤患者的诊疗提供新的方向，本文将对肿瘤细胞氨的合成及代谢去向的研究进展进行重点介绍。

1 肿瘤细胞中氨的来源

谷氨酰胺是条件性必需氨基酸，其在极低浓度下仍能继续支持未转化肿瘤细胞的生长，但转化的肿瘤细胞在更高浓度谷氨酰胺的环境下才能存活[8]。转化肿瘤细胞对谷氨酰胺的高需求发生在肿瘤转化灶发生发展中。基于未转化细胞和转化细胞对谷氨酰胺需求的巨大差异，科学家提出了一种新的癌症治疗方法，在抑制转化肿瘤细胞持续生长和存活的同时，不降低未转化细胞的生长速度。这些现象均反映生长迅速肿瘤细胞对谷氨酰胺存在依赖。为了满足能量代谢与增殖需要，肿瘤细胞会消耗大量的谷氨酰胺[9]。

谷氨酰胺可以通过分解代谢为肿瘤细胞提供碳源或氮源，其在代谢过程中有一个共同途径：谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(Glutaminase，GLS)的催化下生成谷氨酸，同时会向肿瘤微环境中释放氨[10]。Zhang 等[11]发现，在头颈部鳞状细胞癌患者的癌组织中，GLS mRNA的表达量明显高于临近正常组织。Xi 等[12]研究发现，肝癌患者癌组织中GLS表达显著增加，并且与血清AFP、肿瘤分化、淋巴转移、TNM分期和较差的患者预后有关。Wang 等[13]研究发现，口腔癌细胞中c-Myc可通过上调GLS表达，促进癌细胞的增殖和迁移。当谷氨酰胺作为碳源时，催化生成的谷氨酸会进一步被谷氨酸脱氢酶(Glutamate dehydrogenase，GLUD)催化生成α-酮戊二酸，进入三羧酸(Tricarboxylic acid，TCA)循环，实现对TCA循环的回补作用，而这一过程中也有氨的释放[14]。Takeuchi等[15]研究发现，谷氨酰胺耗尽72 h时，乳腺癌组织中谷氨酸存在量和氨释放量呈正相关，而谷氨酸可以促进谷氨酰胺耗竭条件下的细胞增殖。

2 肿瘤细胞中氨的代谢去向

正常机体内氨有多种代谢途径，可通过谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)的催化再次合成谷氨酰胺，也可在相关酶的作用下合成其他含氮物质，或通过以氨甲酰磷酸合成酶1(Carbamoyl phosphate synthase 1，CPS1)为限速酶的尿素循环，以尿素等小分子的形式排出体外[16]。

2.1 合成谷氨酸及谷氨酰胺 谷氨酰胺代谢所产生多余的氨可以被某些肿瘤细胞重新摄取，在GLUD的催化下氨和α-酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸和氨可进一步在GS的作用下合成谷氨酰胺[10]。

Jessica 等[7]通过稳定同位素标记的代谢流示踪技术发现，人乳腺癌细胞中氨可被循环利用到氨基酸的中心代谢中，从而实现氮的最大程度利用。乳腺癌细胞主要通过GLUD催化的还原性胺化作用吸收氨，二次反应使脯氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等氨基酸直接获取氮。氨在小鼠体内肿瘤微环境中积累，在GLUD催化下直接参与氨基酸的合成。以上研究说明，肿瘤微环境中释放的氨不是细胞内代谢废物，可作为肿瘤生物合成的基本氮源。Bott等[17]报道，在人及鼠多种肿瘤组织中真核转录调节因子c-Myc可促进靶向胸腺嘧啶DNA糖基化酶表达，促进GS启动子主动去甲基化从而提高其表达，催化谷氨酸和氨合成谷氨酰胺[17]。谷氨酰胺受限的条件下GS高表达可使谷氨酰胺增加，增强核苷酸合成和氨基酸转运，有助于细胞存活，而GS的沉默表达则会抑制细胞增殖和异种移植肿瘤的生长。胰腺肿瘤组织常呈高度纤维化，血管化不良，导致谷氨酰胺等营养物质供应受限[18]。胰腺癌基质相关的胰腺星状细胞可分泌丙氨酸至肿瘤微环境中，供胰腺导管腺癌细胞利用回补三羧酸循环。丙氨酸可作为肿瘤细胞的替代碳源，减轻肿瘤微环境中氨的产生[19]。胰腺肿瘤的代谢网络中，多种燃料可用于促进严峻微环境中肿瘤细胞的生长。肿瘤细胞在谷氨酰胺不足的情况下，可通过TCA循环获得α-酮戊二酸，并利用细胞内代谢废物氨生成谷氨酸，促进肿瘤细胞中GS表达，进一步促进氨的利用及谷氨酰胺生成[20]。

2.2 氨与支链氨基酸合成谷氨酸 胶质瘤细胞中，GLS受到抑制时，肿瘤细胞可利用支链氨基酸和氨在支链氨基酸转氨酶1(Branched chain amino acid transaminase，BCAT1)和BCAT2的共同作用下合成谷氨酸。异柠檬酸脱氢酶1(Isocitrate dehydrogenase，IDH1)突变的低度神经胶质瘤和继发性胶质母细胞瘤细胞中存在过量还原型2-羟基戊二酸酯(2-hydroxyglutarate，2HG)堆积，抑制肿瘤细胞BCAT1、BCAT2表达，增加肿瘤细胞对GLS来源谷氨酸的依赖[4]。特异性抑制GLS表达可使IDH突变的神经胶质瘤细胞对氧化应激和放射治疗更加敏感。

2.3 氨在尿素循环中的作用

2.3.1 通过尿素循环代谢成尿素排除 尿素循环是机体氨代谢的重要途径，谷氨酰胺是尿素循环中氮源的主要供体，分解产生的氨为尿素循环提供了底物，最终将体内多余的氨以尿素等小分子的形式排出体外[16]。参与尿素循环的酶主要有五种：CPS1、鸟氨酸氨基甲酰转移酶(Ornithine carbamoyltransferase，OTC)、精氨酸代琥珀酰合成酶1(Arginine succinyl synthase 1，ASS1)、精氨酸代琥珀酰分解酶(Arginine succinyl decomposing enzyme，ASL)以及精氨酸酶(Arginase，AGR)，CPS1作为尿素循环中的限速酶和关键酶，在尿素循环中发挥重要作用[21]。研究[22]发现，在以抑癌基因P53失活为标志的肿瘤组织中参与尿素循环的酶均出现不同程度的表达增高，肿瘤细胞尿素循环酶CPS1、OTC、ARG1 mRNA相对表达量均升高，过量的氨被代谢后细胞中氨水平降低、尿素水平升高。

2.3.2 尿素循环失调参与嘧啶合成 多数肿瘤组织中尿素循环酶的表达发生特定改变，从而导致细胞中出现被称为 “尿素循环失调”(Urea cycle disorders，UCD)的一般代谢标志。 UCD引起氮向氨基甲酸酯-磷酸合成酶2，天冬氨酸转氨甲酰酶和二氢乳清酶(Carbamate-phosphate synthase 2, aspartate transcarbamylase and dihydrowheyase，CAD)的方向活化，并促进嘧啶合成，改变肿瘤患者生物流体中含氮代谢物水平[23]。参与尿素循环的酶(CPS1)和参与核苷酸代谢的酶(CAD)具有高度同源性，通过高效的代谢底物交换，使中间产物分流到肿瘤的合成代谢途径，表现为增强嘧啶的合成，从而减少肿瘤细胞碳、氮的浪费[24]。Erez等[25]研究发现，在肿瘤组织ASS1活性降低时，肿瘤细胞可以通过活化CAD促进嘧啶合成，进行肿瘤细胞的增殖。与Ⅱ型瓜氨酸血症比较，由ASS1缺乏导致的Ⅰ型瓜氨酸血症患者血清嘧啶水平升高，且Ⅱ型瓜氨酸血症患者由天冬氨酸转运蛋白缺乏引起ASS1的底物利用率降低。猜测ASS1缺乏可增加肿瘤细胞质中天冬氨酸水平，上调其底物利用率，通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途径促进核糖体蛋白S6激酶1(S6K1)的磷酸化，激活CAD。存在致癌性KRAS突变和细胞肝激酶B1(LKB1)缺失的肿瘤细胞的侵袭性更强，而人KL细胞和肿瘤细胞氮代谢组学特征相同[26]。KL细胞可高表达尿素循环酶CPS1，在线粒体中催化氨和碳酸氢盐产生氨基甲酰磷酸，从而启动氮的代谢流程。抑制CPS1表达时可导致肿瘤微环境中氨的积累，降低肿瘤细胞嘧啶与嘌呤的比例，损害细胞周期S期进程，并引起DNA聚合酶停滞和DNA损伤，最终导致肿瘤细胞凋亡。

2.4 氨生成其他含氮物质 肿瘤细胞内过量的氨在尿素循环代谢的过程中，一部分氨可以用于生成多种含氮类物质，有助于肿瘤细胞的生长。如尿素循环中利用氨产生的内源性精氨酸，可以在ARG1的作用下生成鸟氨酸和尿素，同时也有部分精氨酸生成多胺、NO等含氮物质[27]。

多胺是肿瘤细胞生长和增殖所需的聚阳离子[28]。P53失活的肿瘤细胞多胺含量升高[22]。Simon等[29]研究发现，肾透明细胞癌组织中ARG2、ASS1等尿素循环关键酶的表达降低，肿瘤细胞可通过保存关键生物合成辅因子磷酸吡哆醛、避免有毒多胺积累两种途径促进细胞生长。由此看来，多胺在不同肿瘤中可能起着不同作用。

NO在肿瘤细胞的增殖中具有双重作用，低剂量NO可促进肿瘤细胞的增殖、血管生成和上皮向间充质转化，而高剂量NO对肿瘤细胞的效果相反[30]。Erbas等[31]研究发现，精氨酸还原酶抑制剂罗舒伐他汀可抑制乳腺癌细胞移植瘤的增殖，可能作用机制为罗舒伐他汀可减少精氨酸作为多胺前体的使用率，增加为NO前体的用途，从而起到了抗肿瘤的作用[32]。

在乏氧和线粒体功能受损的条件下，谷氨酰胺可为肿瘤细胞提供碳源，同时将多余碳和氮富集在二氢乳清酸(Dihydroorotate，DHOA)中，并将其分泌出细胞，避免细胞中氨的积累[33]。乳清酸(Orotate，OA)是DHOA的下游直接产物，乳腺癌、肝癌、肺癌和胃癌患者血清OA水平均明显高于正常人，表明DHOA/OA可能是肿瘤患者体内一种替代的排氨途径。尿素循环紊乱也可以导致OA尿症。OA是嘧啶生物合成途径的中间体，在嘧啶循环的许多先天性错误和许多其他涉及精氨酸代谢的疾病中，如OTC缺乏症患者和低精氨酸状态，均发现OA排泄增加[34,35]。

由于肿瘤细胞的存活和增殖需要谷氨酰胺，目前已有部分药物被研发用于抑制谷氨酰胺的分解代谢，主要通过干预分解代谢过程中酶的活性从而抑制肿瘤的生长及氨的产生，例如GLS抑制剂：化合物968、BPTES和CB-839等[36～38]。

综上所述，氨代谢在肿瘤的发生、发展中发挥重要作用。氨在肿瘤增殖的过程中可以被循环利用或以某种方式安全代谢并释放到微环境中。