胰腺癌与支链氨基酸代谢重编程的研究进展

刘 珂 ，刘颖斌

胰腺癌是一种高度恶性的消化系统肿瘤，胰腺癌细胞通过调整自身的代谢通路以适应营养有限、氧气缺乏的肿瘤微环境[1]。代谢重编程是恶性肿瘤的特征之一，肿瘤细胞通过调控相关基因的表达从肿瘤微环境中夺取必要的营养物质，以满足维持生物合成、促进增殖和侵袭以及平衡氧化还原状态等需求，因此代谢重编程是肿瘤诊断和治疗的重要靶点[2-3]。通过对胰腺癌代谢重编程机制的研究和探索，研究者发现代谢相关调控基因、代谢通路酶和代谢产物在胰腺癌发生和发展的各阶段均发挥关键作用[4-7]。另一方面，胰腺癌起病隐匿，缺乏有效的疾病筛查手段，并且缺乏有效的靶向药物，因此预后不佳[8-9]。如何靶向代谢重编程以改善胰腺癌的预后，是目前胰腺癌研究的热点之一。

氨基酸是构成蛋白质的基础单元，也是细胞生命活动的能量来源和代谢底物，是肿瘤发生和发展必不可少的营养物质[10]。支链氨基酸包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，属于哺乳动物必需氨基酸，由于人体无法合成而仅能从饮食中获取[11]。这3种支链氨基酸在人体内的新陈代谢共用同一条代谢通路，因此其在血液循环和组织细胞中含量的变化往往呈现相近的趋势[11-12]。支链氨基酸代谢异常会影响多种恶性肿瘤的进展，并且能够反映肿瘤患者新陈代谢的总体改变[12-13]。近年来，已有多项研究报道了胰腺癌支链氨基酸代谢发生特异性改变，提示支链氨基酸代谢可能具有评估胰腺癌疾病状态以及提供新的治疗靶点的潜力[14-19]。本文围绕支链氨基酸代谢异常影响胰腺癌发生和发展的作用、作为胰腺癌早期诊断指标的价值以及应用于胰腺癌靶向治疗的尝试，对胰腺癌支链氨基酸代谢领域的研究进行总结和阐释。

1 支链氨基酸代谢异常促进胰腺癌发生和发展的作用

支链氨基酸在组织细胞内具有重要的生物学功能，可以直接参与组织蛋白的构成，还可以通过支链氨基酸转氨酶（branched-chain amino acid aminotransferase，BCAT）代谢生成支链酮酸和谷氨酸，支链酮酸可进一步氧化分解，最终为三羧酸循环提供碳源以及为核苷酸合成提供氮源，也可以参与表观遗传的调控，还可以排出细胞被其他组织细胞摄取和利用[13]。正常胰腺组织的支链氨基酸代谢相当活跃[20]，然而在胰腺癌中则发生相反的变化，支链氨基酸摄取和利用减少，所有代谢酶在mRNA水平的表达下降，并且在最终发挥功能的蛋白水平，除BCAT2以外的其他支链氨基酸代谢酶的表达量也一致减少[14-15]。BCAT包含2个同工酶，即细胞基质中的BCAT1和线粒体中的BCAT2，介导支链氨基酸转移1个氨基至α-酮戊二酸生成支链酮酸和谷氨酸的可逆反应[21]。BCAT2在胰腺癌中的mRNA表达量低，但蛋白翻译水平较高，究其原因是KRAS突变通过介导SYK和TRIM21调节BCAT2的泛素化修饰，从而抑制BCAT2的泛素-蛋白酶体途径降解[14]。KRAS突变普遍存在于不同组织源性的恶性肿瘤中[22-23]，而大多数胰腺癌患者均携带KRAS突变[24]，由此提示KRAS介导的BCAT2-支链氨基酸代谢重编程普遍存在于胰腺癌中。

BCAT2-支链氨基酸代谢重编程尽管普遍存在于胰腺癌中，然而究竟是否影响胰腺癌的发生和发展，还是仅仅是KRAS突变的无意义的副产物，目前学界对这一问题尚存在争议。MAYERS等[15]通过建立小鼠皮下移植瘤和原位移植瘤模型，发现敲减BCAT基因对移植瘤的生长几乎没有影响。LI等[14]在小鼠原位胰腺癌模型中发现基因编辑敲除BCAT2基因后，可以显著抑制胰腺导管上皮内瘤变进展为胰腺癌。然而，这2项研究的争议在于BCAT2-支链氨基酸分解代谢是否促进了胰腺癌细胞的增殖或胰腺癌的发生和发展。笔者认为，这2项研究得到截然相反的结论是由于使用了不同的动物模型而造就了不同的肿瘤微环境，因此其结论并非相互矛盾。胰腺癌肿瘤微环境的营养供应有限，肿瘤细胞与基质细胞之间存在多种代谢交流和竞争机制[25]。近期有研究表明胰腺癌肿瘤微环境中的肿瘤成纤维细胞分泌了大量的支链酮酸以满足胰腺癌细胞的营养需求，并促进肿瘤细胞的增殖[16]。MAYERS等[15]建立的移植瘤模型的肿瘤微环境构成比较单一，敲减BCAT基因仅仅阻碍了支链酮酸向支链氨基酸的可逆反应，而肿瘤细胞或许还可以从循环中获取其他组织细胞分泌的支链酮酸，因此敲减BCAT基因可能并不阻碍肿瘤细胞对支链酮酸的进一步氧化分解，也因此并不影响支链氨基酸代谢重编程调控胰腺癌细胞增殖的作用。胰腺癌细胞可以从肿瘤微环境中获取支链酮酸以进一步进行代谢反应，而正常胰腺组织细胞对支链氨基酸的摄取和利用依赖于BCAT2的表达。LI等[14]的动物模型处于正常胰腺组织恶性转化、肿瘤微环境逐渐形成以及营养需求急剧增加的特殊阶段，此时敲除BCAT基因等同于彻底斩断了细胞的支链氨基酸来源，阻断了处于该特殊阶段的细胞的支链氨基酸代谢，从而阻止胰腺导管上皮内瘤变进展为胰腺癌。因此，笔者认为这2项研究均支持支链氨基酸代谢在胰腺癌的发生和发展中发挥重要作用，支链氨基酸代谢重编程是胰腺癌的显著特征之一。

2 支链氨基酸代谢异常对早期胰腺癌的诊断价值

胰腺癌发病隐匿、早期诊断困难，大多数胰腺癌患者确诊时已处于临床晚期，错过手术治疗的最佳时机[26]。尽管已有研究报道吸烟和胰腺癌家族史是胰腺癌常见的危险因素[27-28]，但是这些危险因素仅仅只能提供有限的诊断价值，而无助于胰腺癌的早期发现和早期治疗。因此，在胰腺癌的临床实践中，迫切需要找到有助于早期诊断的肿瘤分子标志物。代谢重编程是肿瘤疾病的生物学特征之一，也是判断肿瘤疾病状态的重要线索。胰腺癌的发生和发展也与人体基础代谢异常密切关联，如肥胖、糖耐量异常和恶病质等，均可导致胰腺癌发病风险升高或病情恶化[6,29-30]。如前文所述，支链氨基酸代谢酶在胰腺癌细胞内发生了显著变化，并且胰腺癌患者血液循环中支链氨基酸浓度出现显著升高[31-32]。循环支链氨基酸浓度升高的机制可能与组织蛋白分解增加以及基础代谢异常等有关[15,17,33]。来自美国的病例对照研究（包含454例胰腺癌患者）和日本的病例对照研究（包含170例胰腺癌患者）均显示，胰腺癌患者在确诊前数年就已出现循环支链氨基酸浓度的显著增加。这2项来自不同地域和不同人种的前瞻性研究均支持循环支链氨基酸浓度升高是胰腺癌诊断前事件[17-18]。另一方面，从正常的胰腺导管上皮细胞获得最初的基因突变至恶性单克隆形成至少需要10年的时间，再至出现远处转移还需要5年左右的时间[34]，而循环支链氨基酸浓度升高在临床确诊胰腺癌之前超过10年就已出现[17-18]，提示早期胰腺癌的发生和发展与循环支链氨基酸浓度升高在时间关系上存在密切相关性，这是循环支链氨基酸浓度升高作为胰腺癌早期诊断指标的重要依据。

3 靶向支链氨基酸代谢对胰腺癌治疗的尝试

目前对于胰腺癌靶向治疗的研究正陷入困境，即可靶向的促癌基因突变较有限，而抑癌基因突变频繁。抑癌基因的丢失也可能延伸至邻近基因，造成共同丢失，当丢失的“乘客”基因具有维持基本生命活动的重要功能，并且当该基因具有生物学功能重复的“姐妹”基因时，这一基因突变事件被称为“协同致死”，靶向该“乘客”基因的“姐妹”基因是肿瘤靶向治疗的新策略[35-36]。DEY等[37]报道近1/3的胰腺癌患者存在SMAD4基因丢失，SMAD4基因座邻近的ME2基因一并被删除，在“协同致死”框架下，靶向其“姐妹”基因ME3将出现BCAT2基因转录激活减弱，导致胰腺癌细胞对支链氨基酸的摄取和利用减弱。在胰腺癌特殊的支链氨基酸低代谢背景下，即分解代谢酶的表达普遍受抑、摄取游离支链氨基酸减少以及组织蛋白中支链氨基酸水平较低等[15]，靶向ME3基因将进一步抑制胰腺癌的支链氨基酸代谢，导致胰腺癌细胞的“协同致死”，从而为具有特定基因型的相当一部分胰腺癌患者提供了新的治疗策略。

胰腺癌药物治疗的另一个难点在于其复杂的肿瘤微环境。由于各种基质细胞和细胞外基质能够达到胰腺癌组织总体积的90%，形成肿瘤细胞抵抗药物的天然保护盾，因此要实现真正有效的药物治疗必须同时注重杀伤肿瘤细胞以及改造和重塑肿瘤微环境[38]。在胰腺癌肿瘤微环境中，肿瘤成纤维细胞与肿瘤细胞之间代谢往来密切，尤其是支链氨基酸的代谢产物交流，即肿瘤成纤维细胞摄取和分解细胞外基质中的蛋白质，上调BCAT1催化支链氨基酸转氨基生成支链酮酸，再分泌大量支链酮酸至细胞外基质，然后肿瘤细胞再摄取这些被分泌的支链酮酸，通过支链酮酸脱氢酶进一步氧化分解支链酮酸以维持生物合成和促进肿瘤细胞增殖等[16]。支链酮酸也可能参与调控肿瘤成纤维细胞的表观遗传，从而影响其分化和功能[39]。综上所述，对于肿瘤间质十分丰富的胰腺癌而言，联合靶向间质细胞的BCAT1和肿瘤细胞的支链酮酸脱氢酶是一种双管齐下的治疗方案，既能有效中断间质细胞对肿瘤细胞的营养支持，又能直接阻断肿瘤细胞的生物合成而导致其死亡，为胰腺癌的靶向治疗提供了新的途径。

BCAT2蛋白表达量在胰腺癌中显著升高，并且BCAT2在胰腺导管上皮内瘤变恶性转化过程中发挥重要作用。LI等[14]报道在原位胰腺癌小鼠模型中，BCAT2抑制剂可以显著阻止胰腺导管上皮内瘤变向胰腺癌进展，并且验证了该抑制剂的安全性。该团队对BCAT2蛋白开展进一步研究，发现BCAT2的第44位赖氨酸位点甲酰化修饰和第201位酪氨酸位点磷酸化修饰与泛素-蛋白酶体系统介导的BCAT2降解密切相关[14,19]。循环支链氨基酸水平可以作为胰腺癌早期诊断的依据，结合目前已有的BCAT2翻译后调控机制的相关研究，认为对这部分早期隐匿的胰腺癌开展靶向BCAT2的治疗或许能够取得良好的疗效[14,17-19]。

4 总结和展望

支链氨基酸代谢重编程是胰腺癌发生和发展的重要特征之一，循环支链氨基酸浓度升高作为胰腺癌的早期标志性事件或许有助于胰腺癌的早期发现和早期诊断，并且靶向支链氨基酸代谢也为胰腺癌治疗提供了新的方向。胰腺癌细胞与肿瘤微环境基质细胞通过支链氨基酸代谢相辅相成，但在具体的机制方面仍存在一些疑问有待解决，如支链氨基酸代谢流在肿瘤微环境各种细胞内的具体走向以及胰腺癌患者循环支链氨基酸水平较高与肿瘤微环境摄取和利用支链氨基酸之间存在怎样的相关性，都有待进一步研究。另一方面，循环支链氨基酸浓度升高的机制尚不清楚，周围组织蛋白分解与胰腺癌基础代谢异常这2项假说分别支持胰腺癌诊断前超过10年或2～5年出现循环支链氨基酸浓度升高[17-18]，因此如果要将循环支链氨基酸浓度升高作为胰腺癌早期诊断的标志物，深入探索循环支链氨基酸浓度升高的具体分子机制十分必要。最后，依据支链氨基酸代谢重编程为胰腺癌治疗提供了数种颇具潜力的治疗策略，目前亟待开展新的药物试验和临床研究，以及进一步开展支链氨基酸代谢重编程的临床转化研究，为改善胰腺癌患者的预后提供新的希望。