氨基酸转运体在肿瘤代谢中的研究进展

王林琳， 孙振亮

1.上海理工大学健康科学与工程学院，上海200093；2.上海健康医学院附属第六人民医院南院中心实验室，上海201499

大量的研究表明，与正常细胞相比，肿瘤细胞的代谢发生了明显的变化[1-3]，并称为肿瘤细胞的代谢重编程，产生原因主要有以下两个方面：一是为了满足肿瘤细胞自身的增殖需要；二是为了补偿肿瘤细胞能量需求增加造成的氧化还原压力以避免氧化应激反应的发生[1]。在不同的癌症之间以及癌症发展的不同阶段，肿瘤细胞的新陈代谢存在明显差异。此外，肿瘤细胞还能够对环境、氧气及营养物质供应以及药物治疗产生适应性，增加了抗肿瘤药物研究的难度。但不同类型的癌症以及癌症发展的不同阶段，有些特征是相同的，如糖类、脂质、线粒体、氨基酸等的代谢过程，随着“Warburg”效应的提出，肿瘤氧化应激反应机制的研究以及对三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）、磷酸戊糖途径等代谢途径的深入研究，人们对肿瘤代谢特征有了更加深入的了解，目前已研发出基于这些途径的抗肿瘤药物。氨基酸代谢途径是抗肿瘤药物的重要靶点之一，在细胞的生长发育和增殖过程中，必需氨基酸与非必需氨基酸均发挥重要的作用[2]。氨基酸具有亲水性，因此，不能以自由扩散的形式通过哺乳动物的细胞膜，需要各种氨基酸转运体的协助。氨基酸转运体具有特异性，不同种类的氨基酸需要借助不同的氨基酸转运体才能跨越细胞膜进入细胞内，因此，在生物合成和能量代谢过程中均可能发现大量氨基酸转运体。

大部分的氨基酸转运体属于溶质载体（solute carrier，SLC），是典型的跨膜蛋白，含有通过亲水性细胞内和细胞外相互连接的多种疏水性跨膜α 螺旋，其主要负责细胞膜上的几种物质，包括氨基酸、核苷酸、糖、无机离子和药物的吸收和运输，因此，SLC 的成员是氨基酸转运体的主要组成部分。肿瘤细胞对于氨基酸的大量摄取主要是通过各种过表达的氨基酸转运体实现的。因此，通过靶向氨基酸转运体实现对肿瘤生长的抑制是一个有效的策略。

目前关于靶向氨基酸转运体的抗肿瘤研究主要针对于SLC 家族的成员，包括SLC1A5、SLC38A2、SLC6A14、SLC7A1、SLC7A2、SLC7A3、SLC7A5（LAT1）、LAT2（SLC7A8）、SLC7A11 等氨基酸转运体。目前的研究主要为探究氨基酸转运体对肿瘤代谢重编程的影响，并通过影响氨基酸转运体的活性进而达到抑制肿瘤生长的作用，或寻找新的药物联合策略，将靶向氨基酸转运体的调节剂与已有的临床一线抗肿瘤药物联合，靶向氨基酸转运体实现抗肿瘤作用具有广阔的发展前景，但目前对于各种氨基酸转运体在肿瘤重编程中的作用机制尚不明确，许多研究仍处于实验室阶段。

本文主要介绍几种在肿瘤代谢中发挥重要作用的氨基酸转运体以及靶向氨基酸转运体抗肿瘤治疗的研究进展及相关作用机制，以期为氨基酸转运体的研究提供理论依据。

1 与肿瘤代谢相关的氨基酸转运体

1.1 谷氨酰胺转运体

丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运蛋白2（alanine-serine-cysteine transporter 2，ASCT2）属于SLC1家族，其可借助脂蛋白特异性地将中性氨基酸从细胞外转运至细胞内，如丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和谷氨酰胺，此外，其还可诱导谷氨酰胺、天冬酰胺、丝氨酸、苏氨酸排出细胞外[4]。ASCT2 作为一种生命体必需的氨基酸转运体，可将Na+偶联的氨基酸底物导入细胞内，然后以1∶1 的化学计量比输出另一种Na+偶联的氨基酸底物[5]。

谷氨酰胺主要是通过ASCT2 进入癌细胞[6]。高速增殖细胞如炎症细胞和干细胞对谷氨酰胺需求量较大，因而在这些细胞中ASCT2 的表达水平高于正常细胞[7]。随着癌细胞对谷氨酸盐消耗的增加，促使细胞摄取更多的谷氨酰胺，谷氨酰胺可通过脱氨基分解为α-酮戊二酸，从而促进三羧酸循环，进而参与肿瘤细胞的能量代谢[8]，此外，谷氨酰胺还在人哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号传导以及一些癌基因的表达中发挥重要作用[9]，mTOR 信号通路通常在肿瘤中被激活，通过调节基因转录和蛋白质合成，进而调节细胞增殖和免疫细胞分化，且在肿瘤代谢中也发挥重要作用，其中mTORC1 主要调节细胞的生长和代谢[3]，谷氨酰胺的大量摄取主要依靠膜转运蛋白或谷氨酰胺代谢关键酶的过表达实现[10]。

ASCT2 已被证明在多种癌症中过表达，包括结肠癌、肝细胞癌、三阴性乳腺癌、子宫颈癌和前列腺癌等[11]。过表达的ASCT2帮助肿瘤细胞摄取更多的谷氨酰胺以满足自身需求，而肿瘤细胞的增殖又进一步促进了ASCT2 的表达。ASCT2 还与肿瘤细胞的自噬和凋亡、氧化应激反应、细胞有丝分裂以及癌基因的表达有关[12-15]。ASCT2 的运输机制较复杂，目前仍未明确。靶向ASCT2 的抗肿瘤药物是目前肿瘤药物研究的热点，虽然现在大部分药物仍处于实验室阶段，但相信未来必然会有更多有效的抗肿瘤药物应用于临床。

1.2 谷氨酰胺和其他中性氨基酸转运体

钠离子依赖的中性氨基酸转运蛋白2（sodium-dependent neutral amino acid transporter 2，SNAT2）是谷氨酰胺和其他中性氨基酸的转运体之一。在哺乳动物细胞中氨基酸缺乏会导致中性氨基酸运输系统的活性增强，即系统A 的活性增强，在编码系统A 活性的3 种基因产物中，SNAT2 具有调控作用。研究表明，从人肝癌细胞HepG2 中去除氨基酸后 1～2 h，SNAT2 mRNA 的合成增加[16]。净谷氨酰胺摄取不依赖于ASCT2，但需要SNAT1和SNAT2的表达，敲除ASCT2并不会使细胞的数目减少，但会引起细胞的氨基酸饥饿反应，细胞通过上调SNAT1 的表达使其在功能上取代 ASCT2，在 ASCT2（-/-）背景中沉默 GCN2 可减缓细胞生长[17]。

SNAT2 在乳腺癌MCF7 细胞中受到雌激素受体α 的调节，主要与缺氧条件下可诱导低氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）依赖的基因相关，体外缺氧诱导的SNAT2 过表达使细胞生长速度加快，在雌激素受体α受到抑制后，缺氧或谷氨酰胺水平较低时，体内SNAT2 上调引起对抗雌激素药剂的完全耐药，靶向SNAT2 药物的开发可能对治疗乳腺癌价值较高[18]。表明SNAT2与谷氨酰胺代谢相关，靶向SNAT2 药物的研究对肿瘤治疗具有积极意义。

1.3 氨基酸的集中转运体

溶质载体家庭6 成员14（solute carrier family 6 member 14，SLC6A14）属于氨基酸、神经递质和渗透物质转运体超家族，可以催化1 个底物分子与 2 个 Na+和 1 个 Cl-的共聚，可能有 12 个跨膜结构域，N-和C-端在细胞质中被定位[19]。SLC6A14是一种特异的中性氨基酸和阳离子氨基酸的转运蛋白，质膜转运蛋白SLC6A14 以Na+/Cl-依赖的方式转运所有中性和碱性氨基酸，并在多种癌症中上调[20]。然而，这种转运蛋白的上调并不在所有癌症中体现，如在雌激素受体阴性的乳腺癌中，该转运蛋白未上调[21]。

有研究者克隆了人源SLC6A14 的cDNA，并使其在HEK293 细胞中表达，发现SLC6A14 过表达与L-亮氨酸转运增加相关，受蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）激活剂的刺激[19]，SLC6A14 与PKC 之间可能存在一定的联系，该结果为研究SLC6A14在肿瘤代谢重编程中的作用机制提供了理论依据。氨基酸转运体SLC6A14 可以作为肿瘤治疗的直接药物靶点，且在肿瘤细胞选择性递送抗癌药物方面也具有较大的潜力。有研究者开发了天冬氨酸-聚氧乙烯硬脂酸酯共轭物（aspartic acid-polyoxyethylene stearate conjugate，APS）功能化的脂质体，将其与肝癌细胞株HepG2 中过表达的氨基酸转运体SLC6A14 相互作用，结果显示APS与氨基酸转运体偶联的靶向脂质体能够更有效地将抗肿瘤药物多西紫杉醇传递至肿瘤细胞中[22]，有效提高了药物的靶向性和利用率。此外，多种基于氨基酸的前药均可以作为底物被SLC6A14 识别，从而增加了抗肿瘤药物通过SLC6A14以氨基酸前药的形式选择性递送至肿瘤细胞的可能性。因此在SLC6A14 阳性肿瘤细胞的化疗过程中，可以考虑将SLC6A14 与化疗药物结合，以提高化疗的作用效果并降低药物的脱靶效应[22-24]。SLC6A14 是抗肿瘤药物的一个有效靶点，除了开发相关靶向抑制SLC6A14 抗肿瘤药物外，还可以作为药物联合治疗的新方案，并与一线抗肿瘤药物联合治疗，发挥增强疗效和提高药物靶向性的作用。

1.4 阳离子氨基酸转运体

溶质载体家族7 成员1（solute carrier family 7 member 1，SLC7A1）又称CAT-1，是大多数细胞中阳离子氨基酸的便利扩散剂和进入细胞内的主要途径[25]，在聚胺生物合成和器官间运输L-精氨酸发挥关键作用[26-27]。研究表明，SLC7A1 在前列腺癌中高表达且其表达水平与肿瘤分期有关[28]，此外，SLC7A1在结肠直肠癌和乳腺癌中可以促进肿瘤细胞的生长、增殖和转移[27]。

溶质载体家族7 成员2（solute carrier family 7 member 1，SLC7A2）又称 CAT-2，是必需氨基酸L-精氨酸的诱导型转运蛋白，其在多种癌症中均发挥重要的作用，与肿瘤的发生有关，如缺少SLC7A2 则会明显提高炎症相关的结肠肿瘤发生率[29]。此外，SLC7A2 在癌症的诊断、治疗以及预后中也具有关键作用，SLC7A2可作为卵巢癌的潜在生物标志物和治疗靶标以及乳腺癌的预后标志物[30-31]。

溶质载体家族7 成员2（solute carrier family 7 member 3，SLC7A2）又称CAT-3，由 X 染色体上的SLC7A3基因编码，CAT-3 是人类基因组中存在的3 种CAT 之一，在大脑中选择性表达，阳离子氨基酸转运蛋白介导L 型阳离子氨基酸如精氨酸、鸟氨酸和赖氨酸进入包括神经元在内的细胞[32]。p53 通过上调SLC7A3 的表达增加精氨酸的摄取，进而促进癌细胞对谷氨酰胺的剥夺[33]。SLC7A3表达情况还与一些癌症的耐药性有关，在具有耐药性的卵巢癌细胞系中发现SLC7A3基因表达水平下降[34]。

SLC7A1、SLC7A2、SLC7A3 在肿瘤的发生和发展过程中均具有一定的作用，随着其结构功能研究的深入，研究者通过寻求靶向这几种转运体的分子药物进而实现抗肿瘤的目的。

1.5 必需氨基酸转运体

L 型氨基酸转运蛋白1（L-type amino acid transporter 1，LAT1）可转运中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、蛋氨酸和组氨酸，研究发现LAT1 在人类癌症组织中高表达，且LAT1 上调可导致人类肿瘤细胞功能异常[35]。LAT1 在多种肿瘤中均高表达，包括横纹肌肉瘤（80%）、滑膜肉瘤（63%）、尤因肉瘤（60%）、上 皮 样 肉 瘤（100%）和 血 管 肉 瘤（100%）[36]。LAT1 是调节肿瘤血管内皮生成、肿瘤增殖以及调节血管内皮生长因子信号A的新型关键分子[37]。 研究表明，可能存在一个LAT1-EZH2 正反馈回路，氨基酸耗竭或LAT1 表达减少会导致EZH2 活性降低，shRNA 介导的LAT1 敲除导致肿瘤生长受到抑制[38]，表明LAT1可以作为癌症治疗的潜在靶标。LAT1 抑制剂JPH203 通过抑制mTOR 信号显著抑制间变性甲状腺癌的增殖，并阻止细胞周期从G0/G1期进入S期[39]。LAT2 是一种不依赖Na+的中性氨基酸转运蛋白，LAT2 可以调节谷氨酰胺依赖性mTOR 活化，从而促进糖酵解并降低吉西他滨的敏感性[40]，由此可见，LAT1 和LAT2 均是肿瘤治疗的潜在靶标。

1.6 胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白

胱氨酸/谷氨酸反向转运蛋白（系统Xc－）是氨基酸转运蛋白家族的成员，由轻链xCT 和重链4F2hc这2个亚基组成。xCT是溶质载体家族7成员11（solute carrier family 7 member 11，SLC7A11），属于胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白，可促进胱氨酸的摄取和谷胱甘肽的生物合成，从而防止氧化应激和肥大症的发生，xCT 是谷胱甘肽体内平衡和细胞存活的关键。由于癌症的发展伴随着代谢途径的改变，肿瘤一般对于抗氧化机制具有很强的依赖性[41]。研究证实，xCT 在多种肿瘤中高表达，并与肿瘤增殖、侵袭、转移、耐药性有关[42]。xCT抑制剂与自噬诱导的标准化疗药物替莫唑胺（temodal/temcad®，TMZ）联合使用可以增强药物对肿瘤组织的作用效果，表明xCT 抑制剂可以与其他一线化疗药物联合使用[43]。

2 靶向氨基酸转运体的抗肿瘤作用机制

2.1 影响肿瘤细胞的能量代谢

与正常细胞相比，肿瘤细胞的代谢过程发生了明显的变化，Hanahan等[44]研究认为即使在氧气存在的情况下，肿瘤细胞的代谢也发生了重编程，其能量代谢的主要方式为糖酵解，即有氧糖酵解是肿瘤细胞的主要代谢方式。但由于肿瘤细胞具有快速无限增殖的特点，因而肿瘤细胞的生长与扩增过程中需要大量的能量，与线粒体内葡萄糖的氧化磷酸化相比，糖酵解过程产生的ATP 无法满足肿瘤细胞的需要，因而许多旁路路径被激活，氨基酸在肿瘤细胞的能量代谢中发挥重要的作用，如谷氨酰胺可以通过脱氨基分解为α-酮戊二酸，从而促进三羧酸循环。肿瘤细胞对于氨基酸的摄取量显著提高，而氨基酸的摄取需要借助氨基酸转运体，靶向氨基酸转运体，抑制氨基酸转运体转运氨基酸，从而减弱肿瘤细胞的能量代谢，起到“饿死”肿瘤细胞的作用[45]。

2.2 影响肿瘤细胞的氧化应激反应进而诱导肿瘤细胞自噬和凋亡

研究表明，肿瘤细胞处于氧化应激的状态，与正常细胞相比，肿瘤内活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平较高，过高水平的ROS则会诱导细胞的自噬与凋亡[46]，放射治疗以及化疗药物均可通过促进ROS 过度累积的方式发挥杀伤肿瘤细胞的作用。肿瘤细胞通常激活抗氧化机制抑制氧化应激，从而表现出谷胱甘肽（glutathione，GSH）水平上调[46]。在肿瘤的各种抗氧化机制中，氨基酸转运体自身或其转运的氨基酸均发挥重要作用，靶向氨基酸转运体抗肿瘤药物的作用机制包括促进肿瘤细胞中ROS 的积累，从而诱导由氧化应激介导的肿瘤细胞自噬和凋亡。

研究表明，ASCT2与细胞自噬和凋亡有关，在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中靶向ASCT2，造成肿瘤细胞的生长抑制和凋亡，这一过程是由氧化应激介导的，且与Caspase9 和Caspase3 的激活有关[12]。ASCT2 可抑制谷氨酰胺成瘾的口腔鳞状细胞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）细胞的生长，靶向抑制ASCT2，降低细胞对谷氨酰胺摄取和细胞内GSH 水平，促使ROS 在细胞内积累并诱导OSCC 细胞凋亡[14]。在胃癌（gastric carcinoma，GC）中，ASCT2 对肿瘤细胞的转移具有重要作用，药物拓泊替康通过下调ASCT2 抑制谷氨酰胺的摄取，从而导致肿瘤细胞的氧化应激并通过线粒体途径诱导胃癌细胞凋亡[15]。此外，CD44v8-10 同工型与 xCT 相互作用，可以通过促进抗氧化剂谷胱甘肽的合成抑制活性氧的积累[47]，从而使肿瘤细胞逃避氧化应激诱导的细胞自噬与凋亡，尽管选择性地破环xCT 会促进肿瘤细胞的氧化应激反应，但xCT 的全身性抑制可能会损害机体的抗肿瘤免疫力，原因是xCT与抗原诱导的T 细胞增殖有关[41]。以上研究表明氨基酸转运体在肿瘤的氧化应激反应中有重要作用，一部分靶向氨基酸转运体的抗肿瘤药物的作用机制在于通过氧化应激的方式诱导肿瘤细胞的自噬与凋亡。

2.3 促进抗肿瘤免疫应答

正常生命体中也存在肿瘤细胞，但因机体中存在的免疫系统，能够识别和清除体内的异常细胞，其中T 细胞可以通过连接肿瘤细胞上的配体或者通过释放颗粒酶和穿孔素来杀死肿瘤细胞，因此不影响机体的生命活动。而肿瘤细胞恶性增殖的可能原因为某些基因发生了突变，从而使肿瘤细胞可以逃避各种免疫细胞的作用，如肿瘤细胞上可以被免疫细胞特异性识别的配体改变，从而导致肿瘤细胞无法被免疫细胞识别，或者促使某些免疫检查点的过表达，使T 细胞的作用受到抑制。肿瘤的免疫疗法也是目前抗肿瘤研究的一大热点，研究表明氨基酸转运体在免疫系统的免疫作用中也发挥重要的作用[44]。

T 细胞的活化与谷氨酰胺的快速摄取依赖于ASCT2，研究表明 ASCT2 可以调节 CD4+T 细胞簇的分化，炎症T 细胞反应也依赖于氨基酸转运体ASCT2 以及 mTORC1 激酶的激活，ASCT2 转导 T细胞受体（T cell receptor，TCR）信号然后诱导mTORC1 代谢激酶的激活[48]，促进 ASCT2 在抗肿瘤免疫系统中的表达，进而促进抗肿瘤免疫反应，达到抑制肿瘤生长的目的。此外研究发现体外培养的T 细胞的增殖依赖于xCT 的表达，尽管xCT对于体内T细胞增殖以及对肿瘤的原发和记忆免疫反应的作用较弱，但xCT 缺失与免疫治疗剂抗CTLA-4结合使用，可以显著增加抗肿瘤反应的作用强度和持久性[41]。以上表明，氨基酸转运体在肿瘤的免疫疗法中也发挥重要作用。同时，靶向氨基酸转运体抗肿瘤药物的作用机制并不仅局限于某一种，而是影响肿瘤生长代谢的多个方面，通过各种机制的共同作用，从而达到抗肿瘤的目的。

3 展望

氨基酸转运体作为肿瘤药物靶点的研究是肿瘤药物开发的重点，越来越多的科研工作者均展开了相关的研究，虽然许多抑制剂仍处于实验室阶段但对肿瘤细胞中的氨基酸代谢重编程以及各种氨基酸转运体的研究越来越深入。

各种氨基酸转运体之间既相互独立又相互作用，针对某一种氨基酸转运体的研究不能忽视其他因素包括其他氨基酸转运体的影响，靶向一种氨基酸转运体可能会导致其他氨基酸转运体的抑制或过表达，因而在抗肿瘤研究中通常需要多方面综合考虑。研究表明，基于一种药物靶向一种转运体的癌症阻断策略的简单观点是不正确的，肿瘤的可塑性允许癌细胞通过使用其他通常不表达的蛋白克服膜转运蛋白的沉默[49]。

许多抑制剂可以与临床一线化疗药物进行联合使用，从而达到增强治疗效果的作用。因此寻找合适的药物联合使用策略可作为靶向氨基酸转运体的抗肿瘤药物研究的重点，以达到作用更持久、靶向性更强、不良反应更低的抗肿瘤作用。由于许多氨基酸转运体在肿瘤细胞中的作用机制尚不明确，因此，还需对相关作用机制进行研究，为未来相关抗肿瘤药物的研究提供理论依据。此外，免疫疗法是近年来抗肿瘤研究的热点，通过分析氨基酸转运体与抗肿瘤免疫间的联系，指导寻找新的免疫疗法也是未来重点研究方向。