分子决定因素从头开始肿瘤细胞的核苷酸生物合成

总结

介绍

癌症是一种代谢紊乱复杂的疾病。与主要依赖氧化磷酸化生成ATP的正常细胞不同，肿瘤细胞优先依赖糖酵解来满足能量需求，即使有氧气可用[1]. 有氧糖酵解现象，也称为Warburg效应，是许多类型癌症的共同特征，也是氟脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FdG PET）在临床上广泛应用于鉴别原发性和转移性肿瘤的基础[2]. 伴随着从线粒体呼吸到有氧糖酵解的代谢转换，肿瘤细胞会分泌大量乳酸，从而导致酸介导的基质降解、侵袭和转移[三]. 葡萄糖的高代谢率已被证明导致线粒体代谢的重新编程，以支持葡萄糖依赖性磷脂的合成，并刺激TOR的活性以重定向氨基酸代谢，刺激tRNA充电和增加蛋白质合成[4,5].

人们也越来越认识到，转化细胞消耗大量谷氨酰胺，谷氨酰胺也可用于支持合成代谢合成[6,7]. 谷氨酰胺代谢为细胞提供NADPH和碳源，用于生产非必需氨基酸和脂质[6]. 令人惊讶的是，最近的证据表明PI3K/Akt和Myc通路的致癌激活可以通过影响葡萄糖和谷氨酰胺的摄取和分解代谢直接影响细胞代谢(图1) [7-9]. PI3K/Akt通路的激活诱导肿瘤细胞摄取过多的葡萄糖，并依赖高速度的有氧糖酵解来持续生长和存活[8,10]. 在这些葡萄糖成瘾的癌细胞中，高糖酵解率支持葡萄糖依赖性脂质合成和非必需氨基酸的产生[11,12]. Myc的过度表达诱导转化细胞摄取超过其生物能量需求的谷氨酰胺，并增加谷氨酰胺酶的通量[7,9]. 尽管存在葡萄糖，但转化的Myc细胞仍依赖谷氨酰胺胸膜炎来维持正常的TCA循环功能，并对谷氨酰胺上瘾[9].

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图1

糖酵解、谷氨酰胺解和从头开始肿瘤细胞中的核苷酸生物合成。PI3K/Akt和Myc通路的致癌激活促进葡萄糖和谷氨酰胺的摄取和分解代谢。肿瘤细胞获得前体（粉红色矩形），包括5-磷酸核糖、甘氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸和NADPH从头开始葡萄糖和谷氨酰胺代谢的生物合成。通过PI3K/Akt途径增加葡萄糖摄取和PFK-1活性，通过对-Tyr信号途径使PK-M2失活，以及HIF-1诱导的TKT活化，使糖酵解中间体进入非氧化PPP，用于肿瘤细胞中核糖5-磷酸的生成。阴影线表明PPP的氧化臂不是肿瘤细胞产生核糖5-磷酸或NADPH的主要途径。如果线粒体苹果酸被输送到细胞质并通过苹果酸酶（ME）脱羧生成丙酮酸，谷氨酰胺就会转化为乳酸。谷氨酰胺裂解途径和胞质异柠檬酸脱氢酶（ICD）催化的反应可能是NADPH的主要来源从头开始肿瘤细胞中的核苷酸生物合成[9,52,53]. 除了为肿瘤细胞提供NADPH外，Myc还直接调控嘌呤和嘧啶生物合成途径中编码关键酶的几个基因。缩写：P，磷酸盐；G6P，6-磷酸葡萄糖；F6P，6-磷酸果糖；F1,6BP，果糖1,6-二磷酸；GA3P，3-磷酸甘油醛；磷酸二羟基丙酮；3-PG，3-磷酸甘油酯；磷酸烯醇丙酮酸；草酰乙酸；葡萄糖6-磷酸脱氢酶；PFK-1，磷酸果糖激酶-1；转酮酶；PK-M2，丙酮酸激酶M2；乳酸脱氢酶A；ME，苹果酸酶；异柠檬酸脱氢酶。

为了分裂和产生两个子细胞，肿瘤细胞还必须利用来自糖酵解和TCA循环中间产物的生物合成前体进行核苷酸生物合成。例如，从糖酵解通量转移到磷酸戊糖途径的碳被用于为从头开始核苷酸生物合成(图1) [4]. 细胞的最大增殖能力受到其核苷酸库的丰富程度以及核苷酸合成途径中不同速率限制酶的水平和活性的限制。与正常细胞相比，肿瘤细胞的核苷酸代谢发生了改变，表现为核苷酸库的规模较大，核苷酸合成代谢途径的活性较高，而核苷酸分解代谢途径的活动较低[13]. 鉴定转化细胞实现更高水平核苷酸生物合成的机制可能为人类恶性肿瘤的选择性治疗设计提供可能性。

许多肿瘤细胞通过戊糖磷酸途径的非氧化臂生成5-磷酸核糖从头开始核苷酸生物合成

核糖5-磷酸是核酸的糖成分，可通过戊糖磷酸途径（PPP）的氧化分支从葡萄糖-6-磷酸合成，也可通过PPP的非氧化分支从果糖-6-磷酸和甘油醛-3-磷酸合成(图1). PPP的氧化分支由葡萄糖6-磷酸脱氢酶（G6PD）和6-磷酸-葡萄糖酸脱氢酶催化，而PPP的非氧化分支由转酮酶（TKT）和转醛酶催化。氧化PPP还生成NADPH，NADPH在细胞还原生物合成反应中充当氢供体，并将谷胱甘肽转化为还原形式，以促进活性氧物种（ROS）的清除[14].

与非转化细胞相比，非转化细胞通过PPP的氧化臂产生大部分核糖5-磷酸，用于核苷酸生物合成，PPP的非氧化分支被认为是肿瘤细胞中核糖5-磷酸酯合成的主要来源[15-18]. 在肿瘤细胞中观察到TKT和转醛酶活性增加[19,20]. 在TKT基因家族的三个成员（TKT、TKTL1和TKTL2）中，据报道，TKTL 1在转移性肿瘤中过度表达，并且TKTL1mRNA的特异性抑制能够抑制几种类型癌症细胞的细胞增殖[18,20-22].

PPP非氧化分支中的所有反应都是可逆的，这意味着代谢底物和产物的相对水平决定了PPP的非氧化反应的方向(图1) [23]. 因此，为了通过非氧化分支将糖酵解代谢产物导入PPP，肿瘤细胞需要保持高水平的6-磷酸果糖和/或3-磷酸甘油醛。F1,6BP是磷酸果糖激酶-1（PFK-1）反应的产物，是糖酵解过程中最重要的控制点。大多数肿瘤产生高水平的1,6-二磷酸果糖（F1,6BP），通过醛缩酶分解为3-磷酸甘油醛[24]. 癌细胞系和原发肿瘤组织中PFK-1活性显著增加[25,26]. 包括Myc和Ras在内的几种癌蛋白已被证明能在永生化细胞中激活PFK-1[27-29].

除了糖酵解中的另一种限速酶PFK-1外，丙酮酸激酶M2（PK-M2）也有助于将糖酵解的碳流引导到PPP中，用于生物合成途径。在丙酮酸激酶的四种同工酶（L型、R型、M1型和M2型）中，PK-M2在肿瘤细胞等具有高增殖能力的细胞和组织中占主导地位[24]. M1和M2亚型由同一基因编码，由于选择性剪接，仅在56氨基酸区域存在差异。这些氨基酸差异解释了F1,6BP对PK-M2的特异变构激活，而不是PK-M1[30]. 生长因子依赖性磷酸酪氨酸信号通过释放F1,6BP来抑制PK-M2活性，从而将糖酵解中间体导向生物合成途径(图1) [31,32]. 为了保持高增殖率，PK-M2的这种酪氨酸激酶依赖性调节可以上调非氧化PPP途径的活性，并确保为核苷酸生物合成提供充足的糖酵解代谢物。

除了5-磷酸核糖外，由糖酵解中间体3-磷酸甘油酯合成的丝氨酸被转化为甘氨酸，甘氨酸是嘌呤生物合成的重要前体(图1). 丝氨酸转化为甘氨酸的结果是，它也是核苷酸生物合成所需的叶酸键单碳单位的供体[33]. 据报道，丝氨酸和甘氨酸生物合成途径的活性在几种肿瘤类型中显著上调[34].

HIF-1α通过非氧化臂增加进入PPP的碳通量

肿瘤细胞代谢的另一个关键调节因子是低氧诱导因子1（HIF-1）。肿瘤细胞通过多种途径选择HIF-1活性增加，包括HIF-1α转录、翻译或蛋白质稳定增加。因此，人们经常发现HIF-1α在人类癌症中高度表达，HIF-1β的稳定作用可诱导一组参与糖代谢的基因的表达[35,36]. HIF-1介导的转录调控的一个重要适应是诱导厌氧糖酵解以及抑制线粒体丙酮酸分解代谢和耗氧量[37-41]. HIF-1刺激糖酵解癌细胞后，通过PPP的氧化臂，葡萄糖流量降低[42-44].

我们的实验室最近报道，HIF-1α的非缺氧诱导调节生长因子刺激的葡萄糖代谢，并通过分泌过量的糖酵解丙酮酸作为乳酸，使细胞避免产生有害水平的线粒体ROS。这种依赖HIF-1α的葡萄糖代谢重编程促进细胞存活[41]. HIF-1α抑制ROS生成的一种机制是通过TCA循环降低葡萄糖流量[39]. 除了刺激厌氧糖酵解外，HIF-1α还诱导TKT和PK-M2的表达。这些效应似乎通过直接增加通过PPP的非氧化臂的葡萄糖流量来补偿氧化PPP的抑制，以维持5-磷酸核糖的合成（Zhao和Thompson，未发表的数据）。

最近的研究表明，HIF-1还激活糖酵解调节双功能酶6-磷酸-2-激酶/果糖2，6-二磷酸酶（PFKFB）[37,38]. 在PFKFB的四个成员中，PFKFB3是维持焦磷酸磷酸核糖基（PRPP）和德诺沃肿瘤细胞中的核酸合成，因为PFKFB3的激活调节F2,6BP的细胞水平，后者是糖酵解速率酶PFK-1的变构激活剂，通过非氧化分支引导碳从糖酵分解流向PPP[45]. 这些发现表明，非氧化PPP抑制剂可能选择性地抑制肿瘤中的核苷酸生物合成，从而表现出结构性HIF-1α激活。

Myc在调节肿瘤细胞核苷酸代谢中的作用

癌蛋白Myc参与调节多种生长相关过程[46-49]. 基因表达分析最近将Myc与嘌呤和嘧啶合成以及直接谷氨酰胺摄取和分解代谢的酶联系起来[9,50,51]. 一些编码核苷酸生物合成关键酶的基因，包括胸苷酸合成酶（TS）、肌苷一磷酸脱氢酶1和2（IMPDH1和2）和磷酸核糖焦磷酸合成酶2（PRPS2），已被证明是Myc的直接靶点[50,51]. 此外，真菌诱导的谷氨酰胺分解代谢还为细胞提供大量天冬氨酸和胺基，以支持核苷酸生物合成[9]. Myc缺失导致细胞dNTP水平降低。TS、IMPDH2和PRPS2的异位表达部分缓解了肿瘤细胞中Myc缺失引起的增殖缺陷[51].

此外，Myc诱导的谷氨酰胺分解可以为细胞提供一种强有力的方法来产生所需的NAPDH从头开始核苷酸生物合成[9]. 这对依赖PPP非氧化臂生产核糖5-磷酸的肿瘤细胞尤为重要。在这些细胞中，G6PD的活性受到抑制，氧化PPP不能用于产生NADPH来支持大分子生物合成。因此，Myc通过谷氨酰胺代谢刺激NADPH生成的能力为肿瘤细胞提供了产生NADPH的补偿机制，以支持细胞增殖。

结论

转化的细胞被代谢重新编程，以支持细胞生长和增殖。众所周知，肿瘤细胞依赖于从头开始核苷酸合成支持增加RNA生产和DNA复制。此外，在许多癌症中观察到核苷酸生物合成增加。在这篇小综述中，我们回顾了葡萄糖和谷氨酰胺直接进入从头开始核苷酸合成分别依赖于PI3K和Myc的致癌激活。然而令人惊讶的是从头开始癌细胞中的核苷酸合成似乎与静止细胞所使用的核苷酸合成不同。癌细胞葡萄糖和谷氨酰胺代谢的中间步骤受到细胞质酪氨酸激酶激活和HIF-1依赖性转录的影响。这些致癌基因对葡萄糖和谷氨酰胺的摄取和代谢的影响是直接的，并导致有氧糖酵解和谷氨酰胺水解的重新编程。这篇综述强调了这种合成代谢转化如何导致葡萄糖和谷氨酰胺代谢物重新定向为从头开始核苷酸生物合成。肿瘤细胞对转酮酶和转醛醇酶产生核糖的优先依赖性，PK-M2控制糖酵解中间产物的水平，苹果酸酶和异柠檬酸脱氢酶产生NADPH[52,53]，表明这些酶中的每一种都可能是基于肿瘤表型的癌症治疗的潜在靶点。一些实验室正在调查这种可能性。

致谢

带注释的参照

*特别感兴趣的

**未偿付利息

*参考6（DeBerardinis等人）：使用¹³为了研究胶质母细胞瘤细胞的代谢，作者证明，谷氨酰胺的高摄取率和分解代谢为转化细胞提供了生物合成过程的前体和NAPDH。

**参考9（Wise等人）：作者报道，Myc激活了一个转录程序，该程序可促进肿瘤细胞中谷氨酰胺的摄取和分解代谢，与PI3K/Akt途径无关。这种依赖于Myc的谷氨酰胺分解导致线粒体代谢的重新编程和谷氨酰胺成瘾，以维持细胞生存能力。

**参考文献16（Boros等人）本文报道A-459肺上皮癌细胞通过戊糖磷酸途径的非氧化臂生成5-磷酸核糖从头开始核苷酸生物合成。转化生长因子β2（TGFβ2）促进了该途径的活性。

*参考32（Christofk等人）：作者提供了证据表明，磷酸酪氨酸信号与PKM2结合，但与PKM1不结合，并释放F1,6BP，使糖酵解中间体进入生物合成途径。

*参考41（Lum等人）作者报道，HIF-1α通过重新编程葡萄糖代谢抑制细胞增殖并提高细胞活力。文章还指出，HIF-1α的诱导可使细胞将丙酮酸转化为乳酸，以避免线粒体产生高水平的ROS。

*参考45（Chesney等人）：文章报道PFKFB3对维持细胞PRPP水平至关重要从头开始核苷酸生物合成。

*参考文献50（Liu等人）：使用染色质免疫沉淀（ChIP）和双端ditag测序分析（ChIP-PET），作者确定了许多编码核苷酸生物合成途径中关键酶的基因作为Myc的直接靶标。

*参考51（Mannava等人）作者证明，Myc可直接激活人类转移性黑色素瘤细胞系中的胸腺嘧啶核苷酸合成酶（TS）、肌苷一磷酸脱氢酶2（IMPDH2）和磷酸核糖焦磷酸合成酶2（PRPS2）。通过调节这些编码关键酶的基因从头开始核苷酸生物合成，Myc维持细胞dNTP水平并促进细胞增殖。

*参考52（Parsons等人）作者确定异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）是多形性胶质母细胞瘤中最常见的突变基因之一。IDH1定位于细胞质和过氧化物酶体中，催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸，从而产生NADPH。这种反应可能是NADPH的重要细胞溶质来源。

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