酰基辅酶A 合成酶中链家族在肿瘤中的作用及机制研究进展

顾洪鹏 于泽 马海杰 董金良 张英杰 张国强

作者单位：316021 舟山医院普外科（顾洪鹏、董金良、张英杰、张国强），细胞分子实验室（于泽、马海杰）

能量代谢重新编程被认为是癌症的一项新的基本特征[1]。在癌症发展的过程中，葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等多种物质出现代谢失调，进而又促进了癌症的发展[2]。其中，脂肪酸代谢失调在癌症中的作用受到了越来越多的关注[3-6]。在食管癌、乳腺癌和前列腺癌等多种癌症中发现脂肪酸合成的相关基因表达上调[7-10]。脂肪酸可作为原料合成TG 或磷脂，后者被证明参与癌细胞的活动[11-15]。脂肪酸还可以进行β-氧化为癌细胞供能[16]，促进肿瘤发展和增强肿瘤抗凋亡能力[17-18]。

脂肪酸活化为脂肪酸代谢的第一步，脂肪酸与辅酶A（coenzyme A，CoA）连接生成酰基辅酶A 才能被利用，该过程由酰基辅酶A 合成酶（acyl-CoA synthetases，ACSs）催化[19]。而目前关于脂肪酸活化及ACSs 在癌症中的作用并没有得到深入的探究。目前人类基因组已经发现的ACSs 共26 种，基于底物碳链的长度，ACSs同工酶可分为6 个亚家族，包括短链ACSs、中链ACSs、长链ACSs、超长链ACSs、bubblegum ACSs（ACSBG）和一组非特征化ACSs。其中，ACSs 中链家族（acyl-CoA synthetase medium-chain family，ACSMs）是一类可以将C4～C12脂肪酸活化成脂肪酰基辅酶A 酯的酶。在哺乳动物中，ACSMs 亚家族包含7 个成员，分别是ACSM1、ACSM2A、ACSM2B、ACSM3、ACSM4、ACSM5 和ACSM6[20-21]。本文就ACSMs 在多种肿瘤中的作用和机制作一综述。

1 脂肪酸的功能及活化

1.1 脂肪酸的功能 脂肪酸在生物体中发挥多种作用。首先，脂肪酸可以作为原料合成结构脂质，如磷脂、缩醛磷脂和鞘磷脂，它们是细胞膜的主要成分。其次，脂肪酸也可以作为原料合成能量储存脂质TG和胆固醇酯。此外，脂肪酸还能进行β-氧化为细胞供能[22]。最后，脂肪酸的衍生物还能转化为许多细胞活动的信号分子发挥重要作用，例如二酰基甘油[23]。

1.2 脂肪酸活化 脂肪酸代谢的第一步是脂肪酸活化，脂肪酸活化反应分为两个步骤[24-25]：第一步是ATP依赖的底物腺苷化，同时释放焦磷酸盐（PPi）；第二步是CoA 取代腺苷酸基团，并与底物形成硫酯键成为酰基辅酶A（化学式：脂肪酰基-S-CoA），而腺苷酸基团作为单磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）释放。步骤Ⅰ：脂肪酸+ATP→脂肪酰基-AMP+PPi；步骤Ⅱ：脂肪酰基-AMP+CoA→脂肪酰基-S-CoA + AMP；总反应：脂肪酸+ATP+CoA→脂肪酰基-S-CoA+AMP+PPi。

2 ACSM1（BUCS1、MACS1、HMX-B）

ACSM1 基因位于染色体16p12.2 位置上[20]。ACSM1 最早从人肝脏线粒体分离出来[26]，后续研究发现ACSM1 在睾丸中的表达水平最高，其次是卵巢，然后是胰腺，而肝脏中的表达水平非常低[27]。ACSM1 主要分布在线粒体基质中，具有中链脂肪酸：CoA 连接酶活性，对4～16 个碳原子的脂肪酸具有广泛的底物特异性。ACSM1 催化产生的酰基辅酶A 主要用于β-氧化以在线粒体基质中产生ATP 和CO2[28]。同时ACSM1 对苯甲酸盐等含羧基的外源性物质也具有相当大的活性，因此也被称为异生羧酸：CoA 连接酶或XM 连接酶[26]。ACSM1 对己酸盐活性最高，其次为辛酸盐和苯甲酸盐，而对水杨酸和月桂酸表现出较低的活性，因此主要表现中链脂肪酸活化酶活性[26]。此外，ACSM1还能激活硫辛酸，在利用源自补救途径的硫辛酸的过程中发挥不可或缺的作用[29]。

2.1 ACSM1 与乳腺癌的关系 Celis 等[30-31]在关于侵袭性乳腺顶泌腺癌特异性标志物的研究中指出，ACSM1或和15-前列腺素脱氢酶组合定义侵袭性顶泌癌，作为乳腺癌的一种独特的、异质的分子亚型。Paredes等[29]发现哺乳动物中ACSM1 可通过酪蛋白水解肽酶-蛋白酶复合物介导的线粒体降解途径降解，此过程受到聚合酶δ 相互作用蛋白2（polymerase-δ interacting protein 2，Poldip2）的调控。进一步研究发现与缺氧细胞一样，在三阴性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC）中也观测到Poldip2 表达下降所致的ACSM1 降解，而ACSM1 的降解会损害脯氨酰-4-羟化酶和α-酮戊二酸脱氢酶复合物的脂酰化，限制线粒体呼吸，从而诱导缺氧诱导因子-1α 稳定表达，导致癌细胞对缺氧的适应性代谢重编程，证明了Poldip2/ACSM1 轴是缺氧和癌细胞代谢适应过程中的关键[29]。

2.2 ACSM1 与前列腺癌的关系 多项研究表明，ACSM1 在前列腺癌中表达上调，同时在转移性前列腺癌中增加更为显著[32-34]。泛癌分析显示，ACSM1 在前列腺癌中表达水平最高，作为生物标志物有特别高的灵敏度和特异度[32-34]。Shrestha 等[33]发现雄激素可与ACSM1 的近端顺式作用元件直接结合调节ACSM1 在前列腺癌中的表达。体外研究表明，ACSM1 基因的敲减导致前列腺癌细胞生长停滞，ATP 耗竭，多不饱和脂肪酸累积；代谢组学显示细胞通过糖酵解来适应ACSM1的丢失。此外，ACSM1 基因可增强前列腺癌细胞对铁死亡的抵抗能力并促进细胞远处转移[33-34]。Guo 等[32]研究发现，ACSM1 在前列腺癌中的致癌作用主要通过代谢途径和细胞外基质-受体相互作用信号通路，但与微环境中的免疫信号通路无关。并且认为ACSM1可能是一种新的癌基因，可作为前列腺癌筛查、预后预测的生物标志物或治疗靶点[32]。

3 ACSM2A（MACS2）和ACSM2B（HXM-A）

ACSM2 基因存在ACSM2A 和ACSM2B 两个不同的位点。ACSM2A 和ACSM2B 基因的编码序列有98.8%相同，它们的氨基酸序列有97.6%相同，均编码577 个氨基酸蛋白质[20]。ACSM2A 和ACSM2B 两个基因在遗传上都高度保守[27,35]，两者蛋白亚细胞定位于线粒体[36]。尽管ACSM2A 的生物学功能尚未在任何物种中得到表征[20]，但ACSM2A 作为一系列底物/产物/辅因子复合物的晶体结构已被阐明[37]。ACSM2B 最初是从人肝线粒体中纯化的，能激活外源羧酸和中链脂肪酸。ACSM2B 对苯甲酸盐活性最高，其次是中链脂肪酸，同时其对水杨酸和月桂酸也有较低的活性，主要表现外源性羧酸活化酶活性[26,38]。ACSM2B 对水杨酸盐的底物特异性非常低，这可能导致阿司匹林不耐受[21]。ACSM2B 的表达可被外源性羧酸（如水杨酸盐）诱导，尽管所涉及的机制尚不清楚[39]。

ACSM2A 和ACSM2B 与癌症的关系。目前关于ACSM2A 和ACSM2B 在癌症中的研究很少。Boomgaarden 等[36]发现人类肝脏组织中所有ACSMs 基因表达水平较肝癌细胞系高3～400 倍，其中ACSM2B 是人类肝脏组织中ACSMs 基因家族中最丰富的转录本。该观点与Hashizume 等[40]的研究结果一致。这种细胞系和人类肝脏之间表达水平的差异可归因于肝细胞核因子1、肝细胞核因子3、CCAAT 增强子结合蛋白α、过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisome proliferator activated receptor，PPAR）δ 和维甲酸X 受体α 等转录因子表达的差异[41-43]。但该结论受到了后来学者的质疑，Van Der Sluis 等[21]指出Boomgaarden 等所报道的研究中存在引物/探针设计缺陷，qPCR的过程中可能污染了基因组DNA，因此不能说明ACSM2B 基因是人类肝脏中的主要转录本，并在后续研究中指出ACSM2A 是人类肝脏中的主要转录物，其次是ACSM2B和ACSM5[27]。

4 ACSM3（SAH/SA）

ACSM3在卵巢中的表达水平最高，其次是肝脏、肾脏、睾丸和胰腺[27]。ACSM3 在细胞中定位于线粒体，具有中链脂肪酸：CoA 连接酶活性[44]。异丁酸是C2～C6脂肪酸中ACSM3最优选的脂肪酸，被ACSM3活化的异丁酸主要用于氧化并在线粒体基质中产生ATP和CO2[28]。

ACSM3 的表达可被多种因素调控。丁酸盐可以增加体外培养的脂肪细胞中的ACSM3 的表达[45]。ACSM3 在铬累积的小鼠肾脏组织和高脂饮食小鼠内脏脂肪组织中均下调[46-47]，而氮氧化物Tempol 可使高脂肪饮食小鼠脂肪组织中的ACSM3 上调[48]。芦丁显著增加了db/db 小鼠棕色脂肪组织和白色脂肪组织中ACSM3 mRNA 表达，这有利于诱导脂肪细胞产热[49]。ACSM3 在产后早期奶牛的肝脏中表达持续上调，以此推测ACSM3 可能通过参与产后早期的负能量平衡来满足女性的泌乳需求[50]。oar-miR-655-3p 诱导的ACSM3表达下调导致绵羊肌肉发育异常[51]。褪黑素治疗顺铂诱导的急性肾损伤小鼠过程中，通过上调PPARα 的表达增加了脂肪酸氧化通路相关基因ACSM3 表达[52]。

4.1 ACSM3 与肝癌的关系 ACSM3 在肝癌中表达下调，且随着肝癌进展表达逐步下调，ACSM3 低表达提示肝癌患者预后不良[53-54]。同时肝癌患者ACSM3 表达水平降低与高甲胎蛋白水平、高丙氨酸氨基转移酶水平、相对小的年龄、较多的肿瘤结节和较大肿瘤体积等因素有关[54]。在转录水平，ACSM3 在肝癌中受到转录因子肝细胞核因子4α 的正调控及PPARγ 的负调控，同时上游转化生长因子-β/Wnt 和蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）/MYC 通路激活会导致ACSM3 的表达下调[54]。ACSM3 表达降低还表明着肝癌脂肪酸氧化的失调[54]。ACSM3 可能通过抑制WNK1-Akt 信号传导来抑制肝癌细胞的转移（迁移和侵袭），但不影响肝癌细胞的增殖[55]。最新研究发现，ACSM3 是与肝癌免疫浸润相关的潜在生物标志物，可用于早期检测肝癌和评估免疫细胞浸润[56]。总之，ACSM3 是肝癌的一种新的预后标志物，也是肝癌的潜在治疗靶点。

4.2 ACSM3 与恶性黑色素瘤的关系 ACSM3 表达在恶性黑色素瘤中下调，并且低ACSM3 表达与恶性黑色素瘤的不良预后有关[57-58]。Zhu等[57]发现ACSM3与恶性黑色素瘤的免疫排斥相关，ACSM3 过表达可以抑制恶性黑色素瘤的增殖、集落形成、迁移和侵袭，促进其凋亡，并且可以和BRAF 抑制剂PLX-4720 协同抑制作用恶性黑色素瘤的生长。Zhao 等[58]的研究进一步阐明了ACSM3在恶性黑色素瘤中的调控机制，他们发现Kruppel 样因子10（Kruppel-like factor 10，KLF10）通过与ACSM3 启动子结合促进恶性黑色素瘤中ACSM3 的转录，同时KLF10也可以通过磷脂酰肌醇-3-激酶/Akt 信号通路上调ACSM3 从而抑制黑色素瘤的恶性进展[58]。

4.3 ACSM3 与卵巢癌的关系 卵巢癌中ACSM3 的表达下调，ACSM3 低表达的患者预后较差[59]。ACSM3 的过表达通过抑制整合素β1/Akt 信号轴从而抑制卵巢癌的恶性表型[60]。ACSM3 影响卵巢癌细胞代谢，导致AMP/ATP 比例增加和AMP 激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）活化，通过促进AMPK 的活性来抑制高级别浆液性卵巢癌的发病[61]。TP53 失活与卵巢癌细胞中的紫杉烷耐药性有关，依赖于TP53 的基因表达模式，如ACSM3 过表达可以作为卵巢癌紫杉烷耐药的潜在预测生物标志物[62]。

4.4 ACSM3 与前列腺癌的关系 ACSM3 在前列腺癌中上调，并且在前列腺癌中的表达高于其他癌症类型[33]。雄激素受体（androgen receptor，AR）是前列腺癌脂质代谢的主要调节者，AR 与ACSM3 近端顺式调节元件直接结合，调节ACSM3 的表达[33]。ACSM3 在前列腺癌的脂肪酸氧化供能中发挥关键作用，而ACSM3 的丢失会导致前列腺癌多不饱和脂肪酸的堆积以及糖酵解的增强[33]。此外，ACSM3 的过表达可增加前列腺癌对铁死亡的抵抗[33]。

5 ACSM4

ACSM4 位于12 号染色体上，编码580 个氨基酸的蛋白质，在睾丸中低水平表达[20,27]。Oka 等[63]通过实验验证了大鼠ACSM4 亚细胞定位于线粒体上，具有中链脂肪酸：CoA 连接酶活性，其底物偏好显示为C6～C12的脂肪酸长度。大鼠中ACSM 家族中仅ACSM4 是嗅觉特异性的，以区域特异性方式在嗅觉上皮表达，特别是背内侧区域，而其他ACSMs 家族基因主要在肝脏和肾脏中表达；这可能表明ACSM4 在大鼠嗅觉系统中具有独特的功能[63]。ACSM4 表达与TNBC 预后不良有关，也可与快速/ RINGO 细胞周期调节剂家族成员C（speedy/RINGO cell cycle regulator family me-mber C，SPDYC）一起联合作为TNBC 预后不良的基因特征[64]。

6 ACSM5（MACS3）

ACSM5 基因位于人染色体16p12.3 位置上，编码含579 个氨基酸的蛋白质，主要表达于人类肾脏和肝脏[20,65]。直到现在，ACSM5 的酶学功能尚未得到表征。

ACSM5 在肺腺癌高危患者中低表达，被确定为肺腺癌的8 个基因特征之一，可以准确预测肺腺癌患者预后，同时也与肺腺癌免疫浸润有关，表明ACSM5 可能在肺癌进展中发挥作用[66]。ACSM5 在乳头状甲状腺癌（papillary thyroid carcinoma，PTC）中表达下调，ACSM5 表达低的患者预后不良，因此ACSM5 可作为PTC患者的潜在预后标志物。ACSM5 在PTC 患者中的表达水平受m6A 修饰的调节，甲基转移酶3 可能通过增加ACSM5 的甲基化水平来抑制甲状腺癌的进展[67]。ACSM5 在乳腺癌中低表达，其表达水平与患者预后不良有关，可作为疾病预后和诊断的潜在标志物。而且乳腺癌中ACSM5 和LINC00265 表达呈正相关，表明它们之间可能存在调节机制[68]。ACSM5 与前列腺癌的预后相关，可作为前列腺癌的预后标志物[69]。

7 ACSM6

与ACSM 家族其他成员不同，ACSM6 位于10 号染色体的10q23.33 位置上，仅在胰腺中极低水平表达[21,27,70]。ACSM6 催化脂肪酸与CoA 的结合以进行β-氧化，作用于肉碱酯化的上游，并介导线粒体脂肪酸的导入[71]。ACSM6 在人类中发现并在大脑中表达，但该家族成员在啮齿动物中不存在，这表明它可能为认知增强的生物创造进一步的优势[72]。

迄今为止，关于ACSM6 蛋白质功能的研究很少，没有发表与人类疾病明显相关的研究。

8 讨论

对于ACSMs 家族早期的研究大多聚焦于其生化及酶学的表征以及其与非肿瘤性疾病的关联。除了ACSM2A[20]和ACSM5[20]的酶学功能尚未得到表征，ACSMs 家族成员普遍具有中链脂肪酸：CoA 连接酶活性[26,28,44,63,71]。其中ACSM1 和ACSM2B 还具有明显的异生羧酸（外源羧酸）：CoA 连接酶活性，主要的底物为苯甲酸盐、水杨酸盐和月桂酸盐等[26]。

近年来，越来越多的研究关注ACSMs 家族在癌症发生、发展中的作用。本文总结并归纳ACSMs 家族各成员在不同肿瘤中发挥的作用和机制。ACSM1 在乳腺癌和前列腺癌中表达上调，发挥癌基因的作用。ACSM2A 和ACSM2B 在癌症中的研究很少，目前仅了解到其在正常人肝脏中的表达水平较肝癌细胞系高。ACSM3 在肿瘤中可以发挥促癌或抑癌的作用，是作为肿瘤抑制因子还是癌基因，这取决于具体的癌症类型和组织环境。ACSM4 表达与TNBC 预后不良明显相关，可与SPDYC 一起联合作为TNBC 预后不良的基因特征。ACSM5 在肺腺癌、PTC 及乳腺癌中低表达，可作为上述疾病预后和诊断的潜在标志物。

总结目前ACSMs 家族在癌症中的研究结论，不难看出ACSMs家族在多种癌症发生、发展中的重要作用，这也从侧面说明了脂代谢相关基因也参与了癌症的发病过程。但目前关于ACSMs家族在癌症中的研究仍不够多，少数成员并没有确定其是否在癌症中发挥作用，而已明确与癌症相关的成员大多数仅仅停留在对于表达水平及预后相关的分析。针对其在不同肿瘤中所展现的作用不同，应进一步细化分析，研究其不同的代谢通路，作用机制或其他的影响因素，以便找到相应的代谢靶点，达到肿瘤诊断、治疗、改善预后的目的。