肿瘤氨基酸代谢研究进展

高红梅，杨仕仪

肿瘤细胞具有快速增殖的特点，需要生物大分子提供能量并完成生物合成，以实现不断增殖。逃避免疫监控、肿瘤细胞侵袭、肿瘤细胞的耐药性等生物学特性都与物质、能量代谢相关。新陈代谢是生命活动的重要组成部分，与细胞生化过程密切相关，提供了特定条件下基因与环境之间复杂相互作用的信息。基因型不完全等于表型，存在致癌性的基因突变不一定会产生肿瘤；因此，肿瘤细胞发生发展过程复杂，与基因突变、缺失或与正常细胞的不同代谢重塑或异常改变相关。虽然营养限制被认为是治疗肿瘤的潜在策略，但肿瘤细胞通过改写代谢途径，能够在营养限制的环境中存活。肿瘤的代谢研究破解了环境因素(包括饮食、运动等生活习惯)在肿瘤的发生与发展、治疗及预后的作用，这将对肿瘤的防治起到举足轻重的作用。

文献报道，肿瘤组织比周围健康组织更快地消耗葡萄糖，即使在有氧情况下，肿瘤组织仍然更倾向于将葡萄糖代谢为乳酸而不进入三羧酸循环，说明快速增长的肿瘤细胞主要能量来源为糖酵解[1]。确立了“代谢重编程”是癌症的首要特征之一，证实了氨基酸作为其他代谢的基础在肿瘤研究中的重要地位，成为代谢组学研究的热点。

氨基酸作为蛋白质合成底物，是细胞内部仅次于葡萄糖的重要能量和营养来源。丰富的氨基酸供应可使肿瘤维持其增殖动力。氨基酸还可以在能量生成、核苷合成和细胞氧化还原平衡的维持等方面发挥作用。由于癌细胞存在于缺乏营养的微环境中，在特定氨基酸营养不良的癌症中尤为明显。本文就近年肿瘤氨基酸代谢研究做简要综述。

1 谷氨酰胺和谷氨酸代谢

谷氨酰胺是人体血浆中含量最丰富的氨基酸，为嘌呤、嘧啶核苷酸的合成提供氮源，参与核苷酸生物合成。谷氨酰胺是谷胱甘肽(GSH)合成必不可少的原料，参与维持活性氧稳定。正常细胞通过谷氨酰胺合成酶(GLS)自身合成产生谷氨酰胺；但肿瘤细胞依靠自身合成的谷氨酰胺不能满足其快速增殖的需要，存在“谷氨酰胺依赖”现象[2]。通过食物获得谷氨酰胺进入细胞依赖于细胞膜上的溶质转运蛋白超家族介导的跨膜运输。溶质载体家族是人类中第二大膜蛋白家族，已被鉴定的人源SLC超家族成员有423个，人类基因命名委员会(HGNC)按序列同源性将其分为60多个家族(https://www.genenames.org/data/genegroup/#!/group/752)。其中SLC1A5、SLC7A5、SLC7A11、SLC6A14和SLC38A2等在肿瘤细胞中发挥重要作用[3]。

进入细胞内的谷氨酰胺在线粒体中GLS脱氨形成谷氨酸，谷氨酸经过谷氨酸脱氢酶(GLUD)形成α-酮戊二酸(α-KG)和NADH/NADPH，并进入TCA循环并且调控细胞内氧化还原稳态[4]。α-KG和草酰乙酸(OAA)等作为核苷酸、氨基酸、脂质的合成前体原料满足了肿瘤细胞快速生长、增殖的需求[5]。人体中有两种谷氨酰胺酶的亚型：肾型谷氨酰胺酶(GLS1)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。研究发现，在B细胞淋巴瘤和前列腺癌细胞中，高表达的c-Myc通过抑制miR-23a/b来上调GLS1的表达，增强谷氨酰胺代谢回补TCA，促进肿瘤细胞的增殖[6]。抑癌因子p53能诱导GLS2而不诱导GLS1的表达来调控谷氨酸代谢[7]。

2 天冬氨酸和天冬酰胺代谢

天冬氨酸作为血液中浓度最低的氨基酸之一，对细胞DNA合成、细胞供能至关重要。在氧气充足的条件下，细胞以OAA为底物，利用谷氨酸生成α-KG过程中产生的氨基, 在天冬氨酸转氨酶(GOT1)的作用下可以自身合成天冬氨酸。但在缺氧的肿瘤微环境中，天冬氨酸合成受阻。天冬氨酸具有较差的细胞通透性，进入细胞的效率非常低[8]。研究发现，抑制细胞内天冬氨酸合成，仅依靠胞外补充天冬氨酸，不能恢复肿瘤细胞的增殖。豚鼠体内含有绝大多数哺乳动物都没有的天冬酰胺酶(gpASNase 1)，将同位素标记的天冬酰胺注射到gpASNase 1基因小鼠血液中，发现小鼠体内的肿瘤细胞能够将天冬酰胺吸收转化成天冬氨酸，并且这些肿瘤细胞表现出较强增殖能力[9]。这表明在缺氧的肿瘤微环境条件下，天冬氨酸是肿瘤增殖的关键因素。

电子传递链是一系列电子载体按对电子亲和力逐渐升高的顺序组成的电子传递系统，所有组成成分都嵌合于线粒体内膜或叶绿体类囊体膜或其他生物膜中，并按顺序分段组成分离的复合物，复合体Ⅰ(NADH-Q还原酶)、复合体Ⅱ(琥珀酸-Q还原酶)、复合体Ⅲ(细胞色素还原酶)、复合体Ⅳ(细胞色素氧化酶)。研究表明，所有天冬氨酸是细胞系对ETC抑制剂敏感性的主要决定因素。即使在低氧条件下，通过增加胞内天冬氨酸为异种肿瘤移植中的癌细胞提供了竞争优势。对ETC最不敏感的细胞系 (包括A549、PANC-1等细胞系)可以通过天冬氨酸/谷氨酸转运体SLC1A3摄入天冬氨酸以维持其胞内天冬氨酸的水平。通过遗传学或药物调控SLC1A3活性，可以显著提高肿瘤细胞对ETC抑制剂的敏感性[10]。

天冬酰胺以天冬氨酸为底物，利用谷氨酰胺形成谷氨酸过程中转氨作用产生的氨基，在天冬酰胺合成酶(ASNS)的作用下，结合ATP形成。天冬酰胺酶可以把天冬酰胺水解为天冬氨酸和NH3，其降低天冬酰胺的作用证明了天冬酰胺在肿瘤生长中的关键作用。文献报道，采用饮食中缺乏天冬酰胺的小鼠血清中天冬酰胺水平是可能降低的，而这种饮食调节的降低足以减少乳腺癌小鼠模型肿瘤细胞的转移[11]。急性淋巴细胞白血病中，除正常细胞外，肿瘤细胞自身不能合成天冬酰胺，需要依靠外源性L-天冬酰胺才能生存，L-天冬酰胺酶的作用机制是快速消耗循环系统中的L-天冬酰胺，从而消耗肿瘤细胞合成蛋白质所必需的底物，快速抑制蛋白质合成，抑制了肿瘤细胞的生长又不影响正常细胞[12]。

3 丝氨酸和甘氨酸代谢

丝氨酸作为非必需氨基酸，参与核苷酸合成、氧化应激反应、三羧酸循环等代谢过程，在体内通过丝氨酸合成途径产生。首先，磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)将糖酵解的中间代谢产物3-磷酸甘油酸催化成丝氨酸的前体物质3-羟基丙酮酸。然后3-羟基丙酮酸在磷酸丝氨酸氨基转移酶(PSAT1)的催化下与谷氨酸发生转氨反应，生成磷酸丝氨酸和α-酮戊二酸，磷酸丝氨酸磷酸酶(PSPH)可去磷酰化，从而产生丝氨酸。PHGDH是丝氨酸合成的限速步骤。丝氨酸生成之后通过丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)在细胞质中(通过SHMT1)或在线粒体中(通过SHMT2)转化为甘氨酸，并产生5,10-亚甲基四氢叶酸，在甲基四氢叶酸脱氢酶(MTFHD)的作用下生成5,10-亚甲基四氢叶酸进入单碳库[7]。

在缺乏甘氨酸和丝氨酸或者单独缺乏丝氨酸情况下都会阻碍癌细胞增殖；而单独缺乏甘氨酸时并不影响细胞增殖，说明丝氨酸是甘氨酸合成的重要来源，外源甘氨酸不能代替丝氨酸来支持肿瘤细胞的增殖。在没有外源丝氨酸的情况下，甘氨酸不进入单碳循环，而是转化为丝氨酸；这个过程涉及逆转单碳代谢酶-丝氨酸羟甲基转移酶，消耗而不是产生一碳单元，阻碍了核苷酸的有效合成，降低了丝氨酸缺失细胞的增殖率，增加膳食丝氨酸或高PHGDH表达足以增加细胞内丝氨酸水平并支持更快的肿瘤生长[13-14]。甘氨酸可被线粒体甘氨酸裂解复合物分解，其中的关键成分甘氨酸脱羧酶(GLDC)对癌细胞干性维持有重要作用。癌症对GLDC的需求依赖于上游酶SHMT2的表达，在细胞中敲除SHMT会抑制GLDC，导致细胞内部甘氨酸大量累积。并且由于其转移到甘氨酸代谢的次要途径，产生氨基丙酮和甲基乙醛等有毒代谢物，破坏细胞稳态，可能对细胞有害[15]。

饮食中缺乏丝氨酸可能会促进葡萄糖和(或)甘氨酸合成丝氨酸，与正常组织相比，肿瘤表现出代谢改变。研究表明，在多种肿瘤中丝氨酸合成途径的多种合成酶的基因表达均发生不同程度地上调，如在黑色素瘤和三阴性乳腺癌丝氨酸合成途径中的关键限速酶PHGDH的基因拷贝数增加。PHGDH在乳腺癌中的过表达与丝氨酸生物合成及其下游途径中几种酶的表达有关，包括PSAT1、PSPH、SHMT2、MTHFD1。这些代谢酶在高转移的乳腺癌中高表达，保证在丝氨酸缺乏条件下仍能维持癌细胞的增殖能力[16]。在丝氨酸饥饿条件下，p53可以通过上调SSP中代谢酶的表达促进丝氨酸的合成，从而保证癌细胞的存活。但是在p53和丝氨酸都缺乏条件下，细胞的生长受到明显抑制[17]。另外，p53可抑制PHGDH的表达来调控丝氨酸生物合成途径。PHGDH的表达可被肿瘤抑制剂p53所抑制，PHGDH过表达显著抑制凋亡反应，而RNA介导的内源性PHGDH敲低在相同的处理下促进细胞凋亡[18]。

因此，丝氨酸缺失是一种很有前途的抗癌策略，有可能减缓肿瘤的发展，值得进一步研究。

4 精氨酸代谢

精氨酸是一种半必需氨基酸，首先瓜氨酸在体内精氨酸琥珀酸合成酶(ASS)的作用下形成精氨琥珀酸，再由精氨酸琥珀酸分解酶(ASL)形成精氨酸和琥珀酸(作为尿素循环的一部分)。ASS是精氨酸合成限速步骤，很多肿瘤细胞不含有ASS，故呈现出外源精氨酸依赖性，这也成为治疗癌症的重要靶点[19]。由于精氨酸琥珀酸合成酶1的沉默，使一些黑色素瘤、肝细胞癌和前列腺癌成为精氨酸营养缺陷型细胞[20]。癌细胞对精氨酸的依赖可以通过饮食剥夺精氨酸或用精氨酸脱氨酶(ADI)治疗来实现[21]。ADI消耗精氨酸已被证明在黑色素瘤和肝细胞癌的临床前模型中是有效的[22]。另一种通过降低全身精氨酸水平来抑制肿瘤进展的方法是通过肝细胞分泌精氨酸酶1(ARG1)，这发生在自噬被抑制的小鼠肝脏中[23]。精氨酸是一氧化氮合酶(NOS)的底物，在其作用下产生一氧化氮，进而影响细胞增殖及肿瘤微环境等系统水平。抑制NO的合成可阻碍血管形成[24]。NO在慢性炎症状态下具有致癌作用[25]，但饮食精氨酸剥夺是否能降低NO水平从而规避这一作用尚不清楚。如果NO在免疫细胞激活中对肿瘤免疫很重要，那么NO或其前体精氨酸也许就不是癌症治疗的理想靶点。

5 蛋氨酸代谢

蛋氨酸是体内重要的甲基供体，但必须先转变成它的活性形式S-腺苷蛋氨酸(SAM)才能供给甲基。因此，蛋氨酸作为SAM代谢的底物，对依赖于SAM的下游甲基化反应(包括调节基因表达的DNA甲基化等)非常重要[26]。蛋氨酸由同型半胱氨酸接受N5-CH3-FH4上的甲基，在转甲基酶作用下合成。体内同型半胱氨酸只能由蛋氨酸转变而来，而蛋氨酸是必需氨基酸。癌细胞生长需要高水平的蛋氨酸参与甲基化过程，许多癌细胞系都是蛋氨酸营养体。细胞对蛋氨酸形成依赖是因为细胞内高SAM消耗率，需要通过外界摄取蛋氨酸来维持SAM水平，稳定组蛋白的甲基化，从而维持细胞表型。研究表明，蛋氨酸缺乏的培养条件能显著下调细胞内组蛋白的甲基化水平，降低细胞的成瘤能力。在蛋氨酸缺乏的培养基中从头合成蛋氨酸不足以满足细胞对合成SAM的需求，但分别补加SAM和蛋氨酸，能够很好地恢复细胞表型[27]。mTORC1是一种主要的促增殖致癌信号通路的效应激酶，充足的SAM水平对于激活mTORC1也是必要的[28]。

Gao等[29]通过对健康中年人进行饮食干预，每位受试者接受3周蛋氨酸饮食限制(相当于各自正常饮食状态下的17%)。结果发现，蛋氨酸本身和氧化还原平衡标志物(谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸)在所有受试者的血清中都有不同程度的减少。表明在癌症患者中限制蛋氨酸可能抑制肿瘤的进展，类似于其在小鼠模型中的良好记录的抗致瘤作用。限制蛋氨酸和半胱氨酸后，内皮细胞分泌血管内皮生长因子(VEGF)可能支持肿瘤生长，当肿瘤过度表达VEGF并依赖其生长时，必须考虑到这一点[30-31]。饮食限制蛋氨酸可以延长啮齿动物的寿命，并能产生一些代谢方面的好处[32]。

6 半胱氨酸和胱氨酸代谢

半胱氨酸除了参与蛋白合成，还是细胞内GSH合成的限速前体物，从而影响了细胞氧化还原稳态。半胱氨酸本身是还原态，在体外不稳定，两个半胱氨酸极易被氧化形成含有二硫键的胱氨酸[33]。大部分癌细胞主要通过谷氨酸/胱氨酸转运体系统[由二硫键连接的异二聚体SLC7A11(xCT)和SLC3A2(4F2hc)组成]摄取细胞外的胱氨酸，在生理状态下摄取一分子胱氨酸入细胞内的同时释放一分子谷氨酸，两者耦联转运。胱氨酸在细胞内迅速被还原为半胱氨酸，一部分参与细胞内重要自由基清除剂谷胱甘肽的合成，另一部分则出细胞氧化成胱氨酸，重新参与系统循环[34]。

近几年，胱氨酸转运蛋白SLC7A11通过摄取胱氨酸促进谷胱甘肽合成进而抑制铁死亡而被熟知。铁死亡是依赖铁离子及活性氧诱导脂质过氧化导致的程序性细胞坏死，其在形态学、生物学及基因水平上均明显不同于凋亡、坏死、自噬等其他形式的程序性细胞坏死[35]。研究发现，在Kras/p53突变引起的小鼠肿瘤模型中条件敲除SLC7A11基因观察到小鼠的中位生存率几乎翻倍，可以诱导肿瘤选择性铁死亡，抑制胰腺导管腺癌(PDAC)的生长；透射电镜也显示恶性上皮细胞线粒体结构异常，包括嵴断裂和膜完整性受损；并进一步发现PDAC细胞利用半胱氨酸合成GSH和辅酶A，共同下调铁下垂。这些结果表明，胰腺导管腺癌对通过系统输入氧化半胱氨酸(胱氨酸)的重要依赖关系[36]。

在葡萄糖饥饿条件下，高SLC7A11表达反而促进细胞死亡，使得其依赖高浓度葡萄糖供给。由于胱氨酸溶解度低具有潜在毒性，迫使高SLC7A11表达的癌细胞将胱氨酸迅速还原为可溶性更高的半胱氨酸，从而消耗大量的NADPH，使这些细胞高度依赖于磷酸戊糖途径(PPP)。限制向高SLC7A11癌细胞的葡糖糖供应会导致细胞内胱氨酸和其他二硫化物的明显积累，氧化还原系统崩溃和细胞快速死亡。进一步研究表明，葡萄糖转运蛋白(GLUT)抑制剂选择性杀死高SLC7A11癌细胞并抑制其生长，从而揭示了SLC7A11相关的胱氨酸代谢与PPP之间的耦联关系[37]。

7 小结

代谢组学在肿瘤的发病机制、早期诊断、鉴别诊断、分期及预后判断方面均展现出巨大的发展潜力，将成为肿瘤研究的重要手段之一。肿瘤的发生发展是多种因素相互作用导致，从癌基因激活，相关蛋白表达，免疫抑制、免疫逃逸，肿瘤细胞的增殖、转移等都离不开氨基酸代谢的参与。氨基酸代谢已经成为癌症代谢研究的一个活跃领域，对某一特定氨基酸摄取和使用的追踪可能不能全面揭示该途径真正的功能输出，对癌症的氨基酸代谢研究已经开始强调这是一个微妙的网络。肿瘤抑制合成某些氨基酸所需基因的表达，产生一种需要与基质代谢共生的营养缺陷体；在肿瘤的发生发展过程中，肿瘤微环境也被高度依赖以提供额外的营养与信号分子来支持生存与增殖，由于含有类血浆精氨酸的浓度，所观察到的通量方向和大小更有可能代表在患者中观察到的情况，这些通量便更有可能转化为有效的试剂，最终改善患者的治疗。