一砖一瓦：新陈代谢和肿瘤细胞生长

总结

介绍

奥托·沃伯格（Otto Warburg）证明肿瘤细胞快速利用葡萄糖并将其中大部分转化为乳酸，这仍是肿瘤代谢中最基本、最持久的观察结果[1,2]. 他的工作开创了肿瘤代谢研究的新纪元，重点关注糖酵解和细胞生物能量学之间的关系，几代肿瘤生物学家对他的工作进行了重新审视和扩展。目前公认，临床上利用的高葡萄糖代谢率¹⁸FDG-PET扫描是快速分裂细胞的代谢标志，与转化密切相关，在细胞增殖过程中产生的ATP中占很大比例[三-5,6•,7]. 对Warburg效应普遍性的认识激发了更广泛的概念，即肿瘤发生需要“代谢转化”。过去几年的研究加强了这一观点，揭示了不同肿瘤类型之间代谢活动的保守性，并证明了致癌突变可以通过将营养摄入提高到通常超过细胞生长和增殖所需的水平来促进代谢自主性[8].

有氧糖酵解只是代谢转化的一个组成部分。为了进行复制分裂，细胞必须复制其基因组、蛋白质和脂质，并将这些成分组装成子细胞；总之，它必须成为大分子生物合成的工厂。这些活动要求细胞吸收葡萄糖和谷氨酰胺等细胞外营养物质，并将其分配到代谢途径中，将其转化为生物合成前体(图1). 肿瘤细胞可以通过改变决定代谢流量率的酶的表达来实现这种表型，包括营养物质转运蛋白和酶[8-10]. 目前对肿瘤代谢的研究揭示了代谢控制的新机制，确定了哪些酶亚型促进肿瘤代谢表型，并提出了癌症治疗的新靶点。

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图1

肿瘤细胞从葡萄糖和谷氨酰胺代谢中获得生物合成前体

葡萄糖和谷氨酰胺是两种最丰富的细胞外营养素，为增殖的肿瘤细胞中三大类大分子（核酸、脂质和蛋白质）的合成贡献碳。嘌呤和嘧啶的生物合成利用糖酵解中间体转化为戊糖磷酸途径的氧化和非氧化臂产生的5-磷酸核糖（R5P），以及来自葡萄糖和谷氨酰胺的非必需氨基酸。用于生产细胞脂质的脂肪酸合成需要乙酰辅酶A（Ac-CoA），其中大部分由葡萄糖生成，并通过柠檬酸盐从线粒体转移到细胞质。蛋白质合成需要氨基酸、tRNA和核糖体（蛋白质和rRNA）。葡萄糖和谷氨酰胺都用于生成这些分子。除了作为碳源的作用外，谷氨酰胺还为核苷酸和氨基酸合成提供氮。缩写：P，磷酸盐；GA3P，3-磷酸甘油醛；3-PG，3-磷酸甘油酯；焦磷酸磷酸核糖磷；Mal-CoA、丙二酰CoA。

肿瘤细胞新陈代谢的持续挑战是了解单个途径如何结合到细胞生长的全球代谢表型中。在这里，我们讨论了肿瘤细胞增殖所需的两种生物合成活性：核苷酸生物合成所需的核糖-5-磷酸的产生和脂质生物合成所需要的脂肪酸的产生。核苷酸和脂质生物合成具有三个重要特征。首先，两者都使用葡萄糖作为碳源。其次，两者都消耗TCA循环中间产物，因此需要一种机制来补充循环。第三，两者都需要NADPH形式的还原力。在这篇综述中，我们讨论了增殖肿瘤细胞如何实现高核苷酸和脂质合成速率的新概念，并提出了一个模型，其中谷氨酰胺代谢满足代谢转化的关键方面，允许细胞使用葡萄糖碳构建核酸和脂质。

肿瘤细胞如何将糖酵解碳转移到5-磷酸核糖合成？

为了生成核糖5-磷酸（R5P）用于核苷酸生物合成，细胞将糖酵解产生的碳转移到戊糖磷酸途径的氧化或非氧化臂。癌基因和肿瘤抑制物影响这两种途径。p53靶点T型第53页-我诱导的克糖酵解和一爆裂第页调节器(TIGAR公司)通过降低磷酸果糖激酶-1激活剂果糖-2,6-二磷酸的水平，增加氧化途径的底物传递，抑制糖酵解[11••] (图2A). 增强的p53依赖性TIGAR公司基因毒性应激期间的表达可增加NADPH和R5P的生成，以修复DNA损伤[12]. p53还抑制磷酸甘油酸变位酶的表达，增加碳向R5P的转移[13]. 据预测，缺乏p53的肿瘤细胞会失去对磷酸戊糖途径的这些影响，导致糖酵解通量相对增加。由于p53调节的表达受损，产生的丙酮酸优先转化为乳酸盐SCO2公司是细胞色素c氧化酶的组装因子，是丙酮酸最佳氧化所必需的[14••].

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图2

氧化和非氧化磷酸戊糖流量控制模型

A、，DNA损伤激活p53通过对TIGAR和PGM的影响增强磷酸戊糖氧化通量。因此，细胞产生NADPH和R5P，用于核苷酸合成和DNA修复。B、，肿瘤和肿瘤细胞系，可能通过致癌突变的影响，通常表达PK-M2型和TKTL1号机组二聚PK-M2酶具有亚最高活性，允许糖酵解中间产物积累，促进TKTL1催化的非氧化磷酸戊糖通量并抑制氧化通量。因此，在R5P的量和由磷酸戊糖总活性产生的NADPH之间存在不匹配。缩写：Glc，葡萄糖；G6P，6-磷酸葡萄糖；F6P，6-磷酸果糖；F1,6biP，果糖1,6-二磷酸；F2,6biP，果糖2,6-二磷酸；磷酸二羟基丙酮；GA3P，3-磷酸甘油醛；磷酸烯醇式丙酮酸；R5P，核糖5-磷酸；葡萄糖6-磷酸脱氢酶；PFK1，磷酸果糖激酶-1；PGM，磷酸葡萄糖变位酶；TIGAR、TP53诱导的糖酵解和凋亡调节剂；PK-M2，丙酮酸激酶M2；TKTL1，转酮酶样1。

那么，怎么做呢第53页^-/-肿瘤细胞实现了R5P的高合成率？最近的数据表明，末端糖酵解酶丙酮酸激酶（PK）影响这一过程[15] (图2B). 人类含有两个PK基因(PKLR公司和PKM2（平方公里）)以及四种PK同工酶（L、R、M1和M2）。PK-L和PK-R由备选方案表示PKLR公司糖异生组织和红细胞中的启动子。PK-M1和-M2通过交替拼接进行编码PKM2（平方公里）抄本。PK-M1局限于肌肉和大脑，而PK-M2存在于增殖细胞中，包括各种组织学类型的肿瘤细胞[16,17] (图2B). PK-M2对糖酵解的影响取决于它是作为一种高活性的四聚体存在，有利于丙酮酸和ATP的形成，还是作为一种活性较低的二聚体，在肿瘤细胞中占主导地位。面对快速糖酵解，二聚体PK-M2对丙酮酸形成的损害导致上游中间产物积累，增加了非氧化戊糖磷酸途径的底物可用性。1,6-二磷酸果糖的积累抑制了G6PD，进一步增强了非氧化通量。因此，肿瘤PK-M2的表达预测了非氧化途径对R5P合成的实质性贡献，这在一些研究中得到了证实[18,19••,20].

另外两个问题强调了肿瘤细胞中非氧化途径的重要性。首先，几项研究表明，G6PD缺乏症是一种影响数亿男性的X连锁疾病，尽管许多人的酶活性降低了90%，但它并不能降低癌症风险[21,22]. 其次，转酮酶活性与肿瘤生长速度高度相关，而转酮酶亚型TKTL1在结肠癌、泌尿上皮癌和卵巢癌中的表达与侵袭性和不良患者预后相关[23,24••,25••]. 因此，PK-M2和TKTL1在肿瘤中的广泛表达以及非氧化途径对总核苷酸生物合成的巨大贡献表明，在这种状态下，细胞对R5P的需求超过了对葡萄糖衍生NADPH的需求[26]. 这强烈暗示参与这种形式代谢的肿瘤细胞具有G6PD依赖性NADPH供应。

肿瘤细胞如何合成脂肪酸和脂质？

自从首次证明肿瘤可以从葡萄糖合成脂肪酸以来，已经有50多年的历史了(图3)，随后的研究证明，中断脂肪酸合成可以作为一种化疗策略[27]. 肿瘤细胞利用脂肪酸修饰膜靶蛋白并进行整体膜合成，因此脂肪酸合成影响细胞信号传导和生长。后者可能对肿瘤发生至关重要，因为肿瘤脂质中的大多数酰基似乎是由从头开始从细胞外环境合成而非输入脂肪酸[28,29]. 肿瘤细胞表达高水平的脂肪生成酶ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）、乙酰辅酶a羧化酶（ACC）和脂肪酸合成酶（FAS），这与强劲的脂质合成需求一致。所有这些都被禁止了在体外和/或体内导致细胞增殖减少、细胞活性丧失或肿瘤缩小[30-34]. 除了在脂肪酸合成中的作用外，ACL还通过阻止柠檬酸的细胞质积累来增强Warburg效应，否则会抑制糖酵解。

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图3

谷氨酰胺代谢使肿瘤细胞在增殖过程中维持TCA循环活性并产生NADPH

葡萄糖为细胞提供脂肪酸合成的Ac-CoA来源（蓝色箭头），脂肪酸合成在肿瘤中增强是因为脂肪生成酶ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）、乙酰-CoA羧化酶-1（ACC）和脂肪酸合成酶（FAS）的肿瘤驱动表达。然而，柠檬酸盐的持续出口给TCA循环带来了赤字，为了脂肪酸的合成和细胞的生长，必须用回补流量来代替。谷氨酰胺的代谢（红色箭头）为持续的柠檬酸盐合成提供了线粒体草酰乙酸池。在细胞质中的ACL对柠檬酸进行裂解后，草酰乙酸可以转化为苹果酸，并最终通过快速糖酵解产生的低NAD+/NADH比率而乳酸化。如果线粒体苹果酸被输送到细胞质并被苹果酸酶（ME）脱羧，谷氨酰胺也可能转化为乳酸。该途径似乎是肿瘤细胞中NADPH脂肪酸合成和其他活性的主要来源。缩写：Ac-CoA，乙酰-CoA；Mal-CoA、丙二酰CoA；苹果酸脱氢酶；乳酸脱氢酶-A；谷氨酰胺酶；SREBP-1，固醇反应元件结合蛋白-1。

肿瘤通过致癌突变的多重效应实现快速脂肪酸合成，尤其是那些涉及磷脂酰肌醇3′激酶（PI3K）/Akt/mTOR途径的突变(图3). 通过突变激活PI3K或消除负调控因子，如PTEN公司构成人类癌症中一种常见的突变类型[35,36]. PI3K/Akt/mTOR系统通过增加甾醇反应元件结合蛋白-1（SREBP-1）的核定位来刺激脂肪生成基因的表达，SREBP-1是一种转录因子，其靶点包括ACL、ACC和FAS[37,38]. mTOR增加葡萄糖转运蛋白的表面表达，使细胞能够促进主要脂肪前体的输入[39,40]. 此外，PI3K/Akt抑制β-氧化，减少同时发生的脂肪酸合成/降解，并在增殖过程中最大限度地增加脂质合成[41,42•].

然而，这些作用不足以维持脂肪生成，因为脂肪酸合成需要两条支持途径：回补和NADPH生成。线粒体柠檬酸盐的输出必须通过草酰乙酸（OAA）分子的替换来补偿（回补），否则柠檬酸盐合成无法继续，细胞无法在生物合成途径中使用TCA循环中间产物。这一重要特性意味着回补在细胞生长和肿瘤发生中具有重要作用。相反，有氧糖酵解并不总是反映细胞生长，因为缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的常压稳定等条件刺激有氧糖水解，同时抑制生物合成途径[43•]. 肿瘤提供回补的机制尚不清楚。最简单的方法是使用线粒体酶丙酮酸羧化酶（PC）从丙酮酸盐生成OAA。然而，PC在乳腺癌细胞中被抑制[19••]，肝癌[44,45]和胶质瘤[46]. 另一个吸引人的选择是通过谷氨酰胺代谢，如下所述。

生产饱和的16碳脂肪酸棕榈酸酯需要14个NADPH分子(图3). NADPH的两个来源可能参与这一过程：G6PD和细胞质苹果酸酶（由基因编码ME1公司). 虽然这两种酶在肿瘤中的相对重要性尚未得到广泛研究，但最近的报告表明苹果酸酶的通量至少可以与G6PD通量一样高[19••,47••].ME1公司是SREBP-1的靶点，因此SREBP-2活性增强的肿瘤可能会增加ME1公司表达式[48].

谷氨酰胺代谢如何支持肿瘤细胞的生物合成活动？

谷氨酰胺代谢可使细胞满足生长的回补和NADPH需求。自20世纪50年代以来，肿瘤明显消耗大量谷氨酰胺。蛋白质合成不能解释消耗速度，因为它超过了必需氨基酸需求的10倍[49]. 后来的研究表明，谷氨酰胺快速但部分氧化，并分泌谷氨酰胺衍生碳作为乳酸(图3)建立谷氨酰胺作为肿瘤细胞的能量来源[50]. ‘谷氨酰胺分解，即谷氨酰胺转化为乳酸的代谢，被认为是肿瘤细胞代谢的标志[15].

谷氨酰胺水解的近端反应发生在线粒体中。第一步由磷酸依赖性谷氨酰胺酶催化，谷氨酰胺酶脱酰胺生成谷氨酸和氨。谷氨酰胺和谷氨酸的相互转化通常是双向的，谷氨酰胺合成酶催化谷氨酰胺的形成。然而，在肿瘤中，谷氨酰胺酶的过度表达和/或谷氨酰胺合成酶的抑制有利于（朝向谷氨酸的）正向反应[51-54]. 因此脱酰胺是肿瘤细胞谷氨酰胺代谢的控制点。在异种移植物中，谷氨酰胺酶的表达与最大生长速率在时间上相关，而谷氨酰胺酶活性的抑制限制了肿瘤的生长[55-57].

目前对肿瘤细胞如何调节谷氨酰胺酶表达知之甚少。哺乳动物有两种主要的谷氨酰胺酶活性，K型（低K_米谷氨酰胺，受谷氨酸抑制）和L型（高钾_米，谷氨酸盐抗性）。人类K型酶由GLS公司基因，由于选择性的多聚腺苷酸化和剪接而产生几种信使核糖核酸[58,59]，L型酶由GLS2级一般来说，肿瘤细胞具有K型活性，尽管大多数细胞系表达这两种基因的转录物[52]. 这表明肿瘤可以通过相对水平的谷氨酰胺酶来调节谷氨酰胺酶动力学GLS公司和GLS2级基因产物，使其能够优化谷氨酰胺酶活性，尽管谷氨酰胺和谷氨酸浓度存在局部波动。

在一些细胞中，谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸（α-KG）是OAA的主要来源。在研究大鼠胶质瘤细胞时，发现了一个基于谷氨酰胺的大回补流量¹³将未标记的谷氨酰胺添加到含有¹³TCA循环中间产物中的C-葡萄糖抑制标记[60]. 最近，从成纤维细胞中去除谷氨酰胺可以减少TCA循环中间产物的细胞池[61]. 最后，在培养的人胶质母细胞瘤细胞中的核磁共振波谱¹³C-标记的谷氨酰胺最终表明谷氨酰胺为TCA循环贡献了大量的补体碳[47••]. 这些细胞中强健的葡萄糖和谷氨酰胺代谢共存，导致柠檬酸盐分子产生，其中包含两个葡萄糖衍生碳（来自乙酰辅酶A）和四个谷氨酰胺衍生碳（来源于OAA）。进一步利用柠檬酸盐可以将葡萄糖衍生的碳转化为脂肪酸。因此，一些肿瘤细胞利用TCA循环中间产物进行生长时，需要谷氨酰胺为基础的补体(图3).

谷氨酰胺衍生苹果酸向细胞质的输出会使TCA循环短路，但会将底物传递给苹果酶以生成NADPH。证据表明，这可能是肿瘤细胞中NADPH的主要来源。在人类胶质母细胞瘤细胞中，谷氨酰胺水解预计会产生足够的NADPH用于脂肪酸合成；剩余部分可能用于核苷酸生物合成和谷胱甘肽库的维持[47••]. 即使这些细胞使用谷氨酰胺作为回补碳的主要来源，情况也是如此。总的来说，超过一半的谷氨酰胺衍生碳以乳酸和丙氨酸的形式分泌。

在其他增殖细胞中观察到，每摩尔谷氨酰胺的乳酸和丙氨酸分泌率很高，类似于Warburg效应的明显“浪费”[7,50]. 与细胞主要将谷氨酰胺用作氮源的普遍看法相反，癌细胞中的谷氨酰胺代谢导致细胞内过量氮，必须以丙氨酸或氨的形式分泌。谷氨酰胺酶将谷氨酰胺的氨基作为氨去除。令人惊讶的是，在胶质母细胞瘤细胞中，大多数谷氨酰胺氨基也在α-KG生成反应中丢失（谷氨酸脱氢酶和丙氨酸氨基转移酶）[47••]. 因此，利用谷氨酰胺作为补体前体和NADPH的来源会导致大量谷氨酰胺衍生碳和氮的分泌。一些分泌的分子（乳酸、丙氨酸）随后可能被用作肝糖异生的前体，最终为肿瘤代谢提供更多燃料。乍一看，这些似乎是代谢效率低下的症状，但它们实际上可能反映了一种逻辑和专门形式的新陈代谢，从而促进细胞生长和增殖。

结论

生物合成能力增强是肿瘤细胞代谢转化的一个关键特征。这里讨论的活动（核苷酸和脂肪酸的合成、葡萄糖和谷氨酰胺的消耗）在肿瘤和肿瘤细胞系中普遍存在。这些活动，特别是谷氨酰胺作为还原力和回补的来源，似乎是细胞生长和增殖的一般特征。关于肿瘤细胞中这些活动是如何调节的，包括它们是否随细胞周期的不同阶段而波动，仍存在许多问题。重要的是要确定单个癌基因是否可以调节代谢转化的所有方面，或者多个致癌突变是否对肿瘤细胞代谢产生协同作用。

致谢

脚注

参考文献和推荐阅读