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致癌物。作者手稿;PMC 2010年1月22日提供。
以最终编辑形式发布为:
2009年11月2日在线发布。 数字对象标识:10.1038/2009年1月358日
预防性维修识别码:PMC2809806型
NIHMSID公司:美国国家卫生研究院150278
PMID:19881548

问:谷氨酰胺在新陈代谢、细胞生物学和癌症中的多种功能

拉尔夫·德贝拉迪尼斯医学博士、博士。1中,2子陵城,博士。1

摘要

几十年来的研究试图描述肿瘤细胞代谢的特征,希望利用肿瘤特异性活动来治疗癌症。起源于Warburg对肿瘤细胞中有氧糖酵解的精辟观察,大部分注意力集中在葡萄糖代谢上。然而,自20世纪50年代以来,癌症生物学家也认识到谷氨酰胺(Q)作为肿瘤营养素的重要性。谷氨酰胺基本上参与了肿瘤细胞增殖的每一个核心代谢任务:它参与生物能量学,支持细胞抵抗氧化应激,并在大分子的生产中补充葡萄糖代谢。最近的研究结果进一步提高了人们对谷氨酰胺代谢的兴趣-myc公司控制谷氨酰胺的摄取和降解,谷氨酰胺本身对促进肿瘤生长的许多信号通路产生影响。这些观察结果激发了人们重新努力,以了解肿瘤中谷氨酰胺代谢的调节,并制定策略以靶向癌症中的谷氨酰胺代谢。在这里,我们回顾了谷氨酰胺在癌症中的多种作用,包括直接支持肿瘤生长和调节肿瘤进展特征的全身代谢的某些复杂作用。

关键词:谷氨酰胺、代谢、癌症、Warburg效应、恶病质

介绍

肿瘤是代谢实体。它们从血液中吸取营养,通过生化途径消耗营养,并分泌废物,这些废物随后成为身体其他部位新陈代谢的底物。自从20世纪20年代Warburg的实验证明小鼠腹水肿瘤细胞在有氧的情况下能够出乎意料的高葡萄糖消耗率和高乳酸分泌率以来,肿瘤的新陈代谢一直吸引着癌症生物学家(Warburge效应)。由于这种行为与他在比较中使用的分化组织截然不同,这些早期观察激发了人们的希望,即可以利用肿瘤的代谢特性造福癌症患者(沃堡,1925年;沃堡,1956年). 就肿瘤成像而言,事实证明这是真的:18FDG-PET和1人类癌症中的H磁共振波谱准确地取决于这些模式检测葡萄糖摄取和乳酸生成的能力。Warburg效应是癌症治疗中的致命弱点,这进一步激发了人们对它的兴趣,因为有证据表明,葡萄糖代谢增强是导致人类癌症的许多突变的常见结果,因此可能是肿瘤生长的关键过程(埃尔斯特罗姆等。, 2004;传单等。1987年;Kroemer和Pouyssegur,2008年;马托瓦等。, 2006;奥斯萨斯等。, 2000;垫片等。, 1997).

然而,就癌症治疗策略的制定而言,迄今为止,肿瘤新陈代谢已被证明更像是圣杯,而非致命弱点。部分困难在于新陈代谢系统的灵活性和肿瘤可以获得的各种营养素。因此,任何肿瘤代谢的完整图像都必须同时考虑多种营养物质的作用。在可用于肿瘤的其他营养素中,最主要的是谷氨酰胺,它是血浆中最丰富的氨基酸,也是器官间氮的主要载体。谷氨酰胺在肿瘤细胞代谢中的作用一直受到人们的关注,目前谷氨酰胺仅次于葡萄糖,而肿瘤细胞代谢可追溯到50多年前(鹰,1955年;Kvamme和Svenneby,1960年). 在培养中,肿瘤细胞是谷氨酰胺的忠实消费者,其代谢速度远远超过任何其他氨基酸(鹰,1955年). 将肿瘤植入大鼠的血管蒂上,以便精确测量血液中氨基酸的提取率,也是如此(Sauer和Dauchy,1983年;索尔等。, 1982). 这些观察结果导致了这样一种观点,即谷氨酰胺代谢与Warburg效应共存,是增殖肿瘤细胞一般代谢表型的主要组成部分(科瓦切维奇和麦吉文,1983年).

谷氨酰胺在肿瘤细胞代谢中的重要性来源于它与葡萄糖的共同特征。这两种营养素都有助于满足肿瘤细胞增殖的两个重要需求:生物能量学(ATP生成)和为大分子合成提供中间体(德贝拉迪尼斯等。2008年b). 以前曾有很多关于谷氨酰胺在癌症中的应用的精彩讨论(麦地那等。, 1992;苏巴,1993年). 然而,令人惊讶的是,直到最近才有报道称,致癌基因影响谷氨酰胺代谢,就像它们影响葡萄糖一样,并且肿瘤遗传学可以决定细胞对谷氨酰胺的依赖性以维持生存。此外,其他研究已经揭示了谷氨酰胺及其副产物在细胞信号传递中的各种意外作用,将谷氨酰胺代谢与细胞生存和生长联系起来,其作用超出了其在中间代谢中的作用。在这里,我们回顾了谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢和非代谢功能,葡萄糖和谷氨酰胺代谢在肿瘤生长中的整合,以及可能影响癌症患者发病率和死亡率的全身谷氨酰胺代谢方面。

谷氨酰胺在中间代谢中的作用:功能和后果

谷氨酰胺传统上被视为一种非必需氨基酸,其主要功能是在肌肉中储存氮并在器官之间运输氮。虽然谷氨酰胺在肌肉蛋白质中只占氨基酸的4%,但它在血浆中占游离氨基酸库的20%以上,在肌肉中占40%以上(伯格斯特罗姆等。, 1974;库恩等。, 1999). 哺乳动物可以在大多数组织中合成谷氨酰胺,但在快速生长或疾病期间,细胞对谷氨酰胺的需求超过其供应,谷氨酰胺成为必需氨基酸(因此被指定为“有条件的”必需氨基酸)。增殖细胞对谷氨酰胺表现出强烈的食欲,这反映了谷氨酰胺作为营养素和其他过程的调节剂具有难以置信的多功能性(图1).

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谷氨酰胺通过代谢和非代谢机制支持细胞生存、生长和增殖

谷氨酰胺(Gln)通过表面转运体(如SLC1A5)输入后,要么与必需氨基酸(EAA)的输入交换出口,要么以各种途径消费,共同支持细胞生存、生长和增殖所需的基本代谢功能。在癌细胞中,线粒体谷氨酰胺酶(GLS)似乎占谷氨酰胺净消耗量的最大比例。这种酶产生NH4+,可能通过运营商介导的机制进行出口。缩写:mTORC1,雷帕霉素复合物1的哺乳动物靶点;谷氨酸;NEAA,非必需氨基酸;半胱氨酸;半胱氨酸,胱氨酸;谷胱甘肽;mGluR,代谢型谷氨酸受体;细胞外信号调节蛋白激酶;磷脂酰肌醇3'-激酶;α-KG,α-酮戊二酸;苹果酸;草酰乙酸;Ac-CoA,乙酰-CoA;Cit,柠檬酸盐;丙酮酸;乳酸,乳酸;TCA,三羧酸;谷氨酰胺酶;ME,苹果酸酶。

谷氨酰胺的代谢命运大致可分为利用谷氨酰胺产生γ-氮的反应(核苷酸合成和己糖合成)和利用α-氮或碳骨架的反应。第二类反应使用谷氨酸,而不是谷氨酰胺作为底物。虽然肿瘤细胞往往有大量的细胞内谷氨酸池,但维持这些谷氨酸池取决于将谷氨酰胺转化为谷氨酸的能力,因为谷氨酰胺是一种丰富的细胞外营养素,而谷氨酸不是。这一过程主要是由于磷酸依赖性谷氨酰胺酶(GLS)的活性,GLS是一种在肿瘤和肿瘤细胞系中高度表达的线粒体酶。经典实验表明谷氨酰胺酶活性与肿瘤生长率相关体内(诺克斯等。, 1969;林德霍洛维茨等。, 1969)限制谷氨酰胺酶活性的实验模型导致肿瘤细胞和异种移植物的生长速度降低(等。, 2009;洛博等。, 2000). 因此,虽然并非所有谷氨酰胺的代谢命运都需要谷氨酰胺酶活性,但这种酶对生长中肿瘤的代谢表型至关重要。

以下是基于谷氨酰胺的中间代谢的主要方面及其与肿瘤细胞生长的相关性。总结如下图1.

1.核苷酸生物合成

谷氨酰胺是从头开始嘌呤和嘧啶的合成,因此对细胞增殖过程中核苷酸的净生成至关重要。两个谷氨酰胺分子的γ(氨基)氮被添加到生长的嘌呤环中,第三个用于将一磷酸黄嘌呤转化为一磷酸鸟苷。其他氮素由甘氨酸和天冬氨酸提供,但其中许多最初也来自谷氨酰胺(α-氮)。嘧啶环含有一个来自谷氨酰胺氨基的氮和一个来自天冬氨酸的氮,另外一个氨基氮被添加到尿苷三磷酸盐中形成胞苷三磷酸盐。谷氨酰胺氮在核苷酸生物合成中的重要性可能解释了为什么一些转化细胞在低谷氨酰胺条件下通过S期出现延迟转运(加利奥等。, 2009). 然而,在增殖细胞中,谷氨酰胺的利用率超过了核酸合成的一个数量级以上,因此向核苷酸提供的氮仅占谷氨酰胺总消耗量的一小部分(阿尔达维等。, 1989).

2.己糖胺生物合成和糖基化反应

己糖胺形成的速率限制步骤由谷氨酰胺催化:果糖-6-磷酸氨基转移酶(GFAT),它将谷氨酰胺的氨基转移到果糖-6-phosphate,形成葡萄糖-6-磷酸,这是N-连接和O-连接糖基化反应的前体。这些反应对于修饰蛋白质和脂质以参与信号转导、贩运/分泌和其他过程是必要的。因此,预测葡萄糖胺-6-磷酸生成受损会降低细胞生长并干扰细胞信号传导。令人惊讶的是,GFAT活性可以通过表达反义而被抑制GLS公司减少乳腺癌细胞中谷氨酰胺酶活性的cDNA。这导致O-连接的糖基化途径受到干扰,改变转录因子Sp-1的糖基性状态并增加其转录活性(多纳迪奥等。, 2008). 谷氨酰胺酶活性丧失影响糖基化的机制尚不清楚,但研究结果表明,GFAT和糖基化机制的其他成分可能对谷氨酰胺酶决定的细胞内谷氨酰胺可用性作出反应。

3.非必需氨基酸

由于谷氨酰胺酶的高表达,肿瘤细胞准备从谷氨酰胺中快速产生谷氨酸,并且相当大一部分谷氨酸库携带谷氨酰胺的α(氨基)氮。然后,通过转氨酶的活性,特别是丙氨酸转氨酶和天冬氨酸转氨酶,将氮分散到各种非必需氨基酸(NEAA)池中。这些酶分别催化谷氨酸和丙氨酸或天冬氨酸之间氨基的可逆转移。丙氨酸用于蛋白质合成,但也由肿瘤细胞大量分泌,携带一些糖酵解产生的多余碳。相反,天冬氨酸留在细胞内,有助于蛋白质和核苷酸的合成,并通过苹果酸-天冬氨酰穿梭物进行电子传递反应。在这种穿梭中,天冬氨酸退出线粒体,并通过天冬氨酰转氨酶转化为草酰乙酸(OAA)。然后利用糖酵解过程中产生的NADH提供的电子将OAA还原为苹果酸。然后苹果酸进入线粒体并将电子提供给电子传输链的复合物I。因此,穿梭器促进线粒体(通过氧化磷酸化)和细胞质(通过重新提供NAD+进行糖酵解)中持续的ATP生成。

4.谷胱甘肽(GSH)

GSH的浓度约为5 mM,是主要的含硫醇的内源性抗氧化剂,可作为氧化应激的氧化还原缓冲液。在肿瘤中,维持谷胱甘肽的供应对细胞生存至关重要,因为它可以使细胞抵抗与快速代谢、DNA损伤剂、炎症和其他来源相关的氧化应激(埃斯特雷拉等。, 2006). 谷胱甘肽是谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸的三肽,其形成高度依赖于谷氨酰胺。谷氨酰胺代谢不仅产生谷氨酸,而且谷氨酸池也是细胞获得半胱氨酸所必需的,半胱氨酸是谷胱甘肽产生的限制试剂。这是由于Xc(c)负极反转运蛋白,输出谷氨酸和输入胱氨酸,如图所示图1胱氨酸随后可以在细胞内转化为半胱氨酸,用于谷胱甘肽的合成。因为X的关键作用c(c)负极作为维持谷胱甘肽水平的反转运蛋白,它被认为是癌症治疗的靶点(Lo(低)等。, 2008).

5.呼吸基质

线粒体中谷氨酰胺碳骨架的氧化是谷氨酰胺的主要代谢途径,也是包括淋巴细胞、肠细胞、成纤维细胞和一些癌细胞系在内的增殖细胞的主要能量来源(德贝拉迪尼斯等。2008年b;米勒,1999;赖策等。, 1979). 这需要将谷氨酰胺转化为α-酮戊二酸,通常是通过谷氨酰胺酶活性,然后通过转氨酶或谷氨酸脱氢酶将谷氨酸转化为α-酮戊二酸酯。然而,其他过程,如将谷氨酰胺的氨基氮捐赠给核苷酸或己糖胺,也可能贡献一部分谷氨酸库。总的来说,这种贡献很小,但在以核苷酸生物合成或其他活性短暂增加为特征的细胞周期阶段,这种贡献可能会更加突出。因此,在许多生物合成途径中表现出高流动性的增殖细胞能够很好地利用谷氨酰胺的碳骨架作为呼吸基质。谷氨酰胺碳的完全氧化包括以苹果酸的形式退出TCA循环,转化为丙酮酸,然后转化为乙酰辅酶A,最后重新进入循环(图1). 然而,值得注意的是,对肿瘤细胞谷氨酰胺代谢的仔细研究表明,谷氨酰胺的氮和碳都不是用来完成的体外相反,胶质母细胞瘤细胞增殖时(如氨、丙氨酸和谷氨酸)会分泌大量谷氨酰胺的两种氮素,其中至少一半的碳以乳酸的形式分泌(德贝拉迪尼斯等。, 2007). 这种形式的谷氨酰胺快速利用和谷氨酰胺副产物的分泌,类似于Warburg效应的明显低效,被认为是肿瘤细胞代谢的另一个标志(玛祖卡舞等。, 2005).

6.减少等价物

将谷氨酰胺转化为丙酮酸的好处之一是NADP的减少+苹果酸酶转化为NADPH(图1). NADPH是脂质合成、核苷酸代谢和维持GSH还原状态中还原步骤所需的电子供体。因此,增殖细胞必须产生大量的NADPH。尽管细胞中含有大量NADPH的潜在来源,但据估计,胶质母细胞瘤细胞中的苹果酸酶通量足以提供脂质合成所需的所有还原力(德贝拉迪尼斯等。, 2007).

7.氨化

谷氨酰胺酶活性产生游离氨,这是一种潜在的有毒代谢物。在胶质母细胞瘤细胞中,氨分泌到细胞外空间的速率约为培养基中谷氨酰胺消失速率的75%(我们未发表的观察结果),这与谷氨酰胺酶在线粒体中代谢的高比例谷氨酰胺一致。如果没有快速处理氨的机制,细胞内的氨浓度将在几个小时内达到数百mmols/L。目前尚不清楚肿瘤细胞在谷氨酰胺快速分解代谢过程中是如何处理氨的。传统观点认为气体形式(NH)的被动扩散)在脂质双层中,氨的运输基本上都是通过脂质双层进行的。这种简单的模型不再适用于一些对氨运输有高需求的组织。在肾脏中,氨代谢是酸碱平衡的关键介质,许多蛋白质转运蛋白以NH的形式运输氨和/或NH4+这些系统包括离子通道、水通道蛋白和Rh糖蛋白(Weiner和Hamm,2007年)其中一些在肿瘤中过度表达。虽然肿瘤细胞分泌氨的确切机制尚未确定,但该过程具有治疗潜力。阻断氨的分泌可能会抑制谷氨酰胺的净消耗,或导致氨在细胞内的有毒积累,这两者都可能损害细胞的生存和生长。

谷氨酰胺在细胞信号转导和基因表达中的作用

除了在中间代谢中的作用外,谷氨酰胺还发挥其他作用,支持细胞生存和生长。细胞已经发展出谷氨酰胺依赖机制来控制生长,包括信号转导途径的调节,这反映了谷氨酰胺对合成代谢的重要性。最近的一项研究表明,必需氨基酸对哺乳动物雷帕霉素(mTOR)通路靶点的众所周知的刺激作用需要谷氨酰胺(尼克林等。, 2009). 在该研究中,刺激HeLa细胞中的mTOR Complex-1(mTORC1)需要谷氨酰胺的双向转运:细胞通过Na导入谷氨酰胺+-依赖性转运体SLC1A5,然后通过Na将其输出+-独立运输机SLC7A5(图1). 后一步伴随着必需氨基酸的输入和随后mTORC1的激活,刺激细胞生长,同时抑制自噬。促进必需氨基酸吸收的是谷氨酰胺本身的连续进出口,而不是谷氨酰胺代谢的副产物,因为在缺乏谷氨酰胺的情况下,添加谷氨酸或α-酮戊二酸不能挽救mTORC1的活化。因此,这种控制机制依赖于谷氨酰胺丰度超过细胞代谢需要,这表明谷氨酰胺过量是促进细胞生长和抑制分解代谢的信号。

其他数据已确定谷氨酰胺在细胞外信号调节蛋白激酶(ERK)信号通路中的作用。这在肠上皮细胞中表现得最为明显,肠上皮细胞消耗谷氨酰胺作为其主要生物能量底物,并需要谷氨酰胺来促进增殖和存活。谷氨酰胺的添加足以在几分钟内刺激猪肠上皮细胞中的ERK信号传导,并增强H-胸腺嘧啶掺入(罗兹等。, 1997). 在大鼠肠上皮细胞中,谷氨酰胺在防止凋亡方面与血清相当,并且它刺激ERK信号的持续激活(拉尔森等。, 2007). 在这些细胞中,ERK通路的抑制剂消除了补充谷氨酰胺的保护作用。从这些研究中,尚不清楚是否需要单独输入谷氨酰胺才能发挥作用,或者细胞是否需要代谢谷氨酰胺来激活ERK信号。

如果谷氨酸由肿瘤细胞分泌,它也会影响信号传导和肿瘤生长。在中枢神经系统中,胶质瘤细胞分泌谷氨酸的速率与这些细胞诱导区域神经细胞死亡和在大鼠纹状体中形成肿瘤的能力相关。这两种效应都是由于谷氨酸通过离子型受体传递信号,因为它们被NMDA受体拮抗剂阻断(高野等。, 2001). 谷氨酸通过对代谢型谷氨酸受体(mGluRs)的作用也具有非离子性信号传导特性(图1). 这些G蛋白偶联受体在神经元和非神经元组织中广泛表达,这意味着它们在突触发生中具有传统功能以外的信号传递功能(尼可利提等。2007年;Skerry和Genever,2001年). mGluR亚型的激活可刺激ERK和磷脂酰肌醇3'-激酶(PI3K)信号传导,支持细胞生存、生长和增殖。这可能转化为谷氨酸信号在癌症中的作用。mGluR1亚型在人类黑色素瘤细胞中表达,但在黑色素细胞或良性痣中不表达,并且在小鼠黑色素细胞中过度表达mGluR1导致过度增殖和偶尔转化为黑色素瘤(波洛克等。, 2003). 在黑素细胞中表达强力霉素可抑制mGluR1的小鼠中,服用强力霉素可能会损害现有黑色素瘤的生长,这与肿瘤中活化ERK的减少有关(Ohtani公司等。, 2008). 人脑胶质母细胞瘤也表达mGluRs,以及一种针对mGluR2和3的小分子抑制剂,使胶质瘤细胞系中的ERK和PI3K信号失活,抑制细胞增殖,并抑制脑和皮下组织中肿瘤的生长(海带等。, 2005). 因此,这些受体可能是癌症治疗中有用的靶点。脑肿瘤可以获得足够的细胞外谷氨酸,通过这些受体发出信号,而不需要肿瘤本身分泌谷氨酸。然而,血浆中的谷氨酸浓度很低(~50μM)。对于中枢神经系统以外的黑色素瘤和其他肿瘤,mGluR信号可能需要肿瘤分泌谷氨酰胺代谢产生的谷氨酸。这可能导致自分泌或旁分泌对细胞生长的影响。

与谷氨酰胺对细胞信号传导的影响一致,许多报告表明它也影响基因表达(黄铜-拉格内尔等。, 2009). 在细胞系中,添加谷氨酰胺会增加促增殖因子c的表达-六月和c-myc公司几分钟内(坎迪尔语等。, 1995;罗兹等。, 1997)并通过对CHOP、GADD45、Fas和ATF5等生长抑制和促凋亡因子的负面影响促进细胞存活(Abcouwer公司等。, 1999;等。, 1999;绵谷等。, 2007;Yeo(Yeo)等。, 2006). 在Ehrich腹水肿瘤细胞中,谷氨酰胺酶敲除导致Sp1的磷酸化、DNA结合和转录活性增强(塞古拉等。, 2005). 在HepG2肝癌细胞中,谷氨酰胺是诱导锰超氧化物歧化酶(MnSOD)表达所必需的,这种表达伴随着必需氨基酸的消耗(艾肯牌手表等。, 2008). 谷氨酰胺参与MnSOD表达被抑制TCA循环、ERK1/2或mTOR所阻断,这表明线粒体谷氨酰胺代谢和信号转导之间的整合促进了这种效应。

大量证据表明谷氨酰胺也能调节免疫反应,尽管目前尚不清楚这些变化是如何实现的。可以想象,谷氨酰胺可以通过氧化还原平衡、生物能量学、氮平衡或其他功能发挥作用(埃利亚森等。, 2006;罗斯,2007). 在大鼠腹部辐射诱导的氧化应激期间,用谷氨酰胺对动物进行预处理可显著降低组织炎症和NF-κB的表达,表明在这种情况下,谷氨酰胺用于缓冲氧化还原能力(埃尔比勒等。, 2005). NF-κB似乎是将谷氨酰胺可用性与应激反应联系在一起的关键介质,因为其他报告也证明了谷氨酰胺丰度与NFκB介导的基因表达呈负相关(波布罗夫尼科娃-马戎等。, 2004;休伯特·伯伦等。, 2006). 谷氨酰胺作为免疫调节剂在癌症中的作用尚未在分子水平上进行探讨,但这是一个值得进一步研究的领域。如果肿瘤对谷氨酰胺的大量摄入降低了其对邻近细胞的利用率,这可能会调节基质中局部NF-κB信号传导和炎症介质的表达。

谷氨酰胺和葡萄糖代谢在肿瘤细胞生长中的整合

由于肿瘤细胞同时暴露于多种营养物质中,要全面了解肿瘤代谢,就需要了解细胞如何将这些途径整合到一个重要的代谢表型中。因此,关于谷氨酰胺的讨论不能忽视伴随细胞增殖的快速葡萄糖利用。事实上,葡萄糖和谷氨酰胺的消耗率远远超过了细胞对其他营养素的利用率。据推测,这种新陈代谢既支持生物能量学,也支持前体物质库的生成,同时保留其他富含能量的底物,如脂肪酸和必需氨基酸,以便直接并入大分子中(德贝拉迪尼斯等。, 2006).

Warburg的工作和此后的许多研究都集中在葡萄糖产生乳酸、葡萄糖氧化的低相对速率以及糖酵解对肿瘤细胞整体能量学的高表观贡献上。这导致了人们普遍认为肿瘤不参与或不能参与氧化代谢,有氧糖酵解(即在有充足氧气的情况下将葡萄糖转化为乳酸)是一种必要条件肿瘤代谢表型。应该就这些假设提出几点看法。首先,葡萄糖向乳酸的代谢不仅限于肿瘤细胞,而且是细胞快速增殖的一个共同特征(品牌,1985年;等。, 1976). 已经综述了这种形式的代谢对增殖细胞的潜在优势(德贝拉迪尼斯等。2008年a). 第二,虽然许多肿瘤细胞株确实表现出较高的糖酵解率,但糖酵化对细胞总ATP含量的贡献差异很大,从Warburg发现的50%以上到其他细胞中的5%以下(Zu和Guppy,2004年). 因此,肿瘤细胞中的氧化磷酸化并非普遍受损。第三,线粒体代谢直接促进细胞生长,因为TCA循环中产生了许多大分子前体(德贝拉迪尼斯等。2008年b). 即使糖酵解速率足够高,足以支持细胞对ATP合成的大部分需求,生长也需要细胞产生脂质、蛋白质和核酸,而这些分子的构建块来自TCA循环。因此,Warburg发现的有氧糖酵解只是肿瘤细胞合成代谢难题的一部分。

我们对谷氨酰胺代谢的日益深入的了解有望有助于填补这一局面,因为同时摄入葡萄糖和谷氨酰胺具有明显的理论优势(图2). 这两种营养素的同时代谢将通过将谷氨酰胺衍生的α-KG传递到TCA循环进行氧化,支持细胞中显示Warburg效应的生物能量学。此外,α-KG的进入抵消了生物合成途径中使用的中间产物的出口。细胞生长期间补充TCA循环中间产物的过程(回补)是生物量生产的关键,在静止细胞中活性要低得多。例如,在快速增殖的培养胶质母细胞瘤细胞中,大多数乙酰辅酶A池来自葡萄糖,而基本上所有补体碳(即草酰乙酸)都来自谷氨酰胺(德贝拉迪尼斯等。, 2007). 这导致柠檬酸分子中含有来自葡萄糖和谷氨酰胺的碳(图2). 柠檬酸盐离开TCA循环后,两个葡萄糖衍生碳以乙酰辅酶A的形式释放出来,用于脂质合成。蛋白质和核酸的合成还需要来自葡萄糖和谷氨酰胺代谢的前体分子。因此,在细胞增殖过程中,葡萄糖和谷氨酰胺是两种主要的营养素输入,主要输出是生物量(核酸、蛋白质和脂质)以及这种代谢产生的副产物:乳酸、丙氨酸和氨(图2).

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生长肿瘤中葡萄糖和谷氨酰胺代谢的协同作用

肿瘤所消耗的主要营养素是谷氨酰胺和葡萄糖,它们为核酸、蛋白质和脂类提供前体,而这三类大分子是产生子细胞所必需的。谷氨酰胺(蓝色箭头)和葡萄糖(红色箭头)的代谢是互补的,集中在柠檬酸盐(紫色箭头)的产生上。谷氨酰胺代谢产生草酰乙酸(OAA)和NADPH,这两种物质都需要将葡萄糖碳转化为大分子。谷氨酰胺代谢还补充丙酮酸库,丙酮酸池主要由葡萄糖形成。由于乳酸、丙氨酸和NH这两种营养素的快速代谢4+由肿瘤分泌。缩写:GLS,谷氨酰胺酶;谷氨酸;α-KG,α-酮戊二酸;琥珀酸;富马酸;苹果酸;丙酮酸;乳酸;TCA,三羧酸。

肿瘤抑制因子和致癌基因的突变使细胞能够绕过这两种营养素的正常、生长因子依赖性处理,这一事实强调了葡萄糖和谷氨酰胺代谢对肿瘤细胞生物学的重要性。这已被广泛研究用于葡萄糖代谢。早在20世纪80年代,就证明Ras或Myc的过度表达足以驱动成纤维细胞的葡萄糖摄取(传单等。, 1987). 随后,许多其他肿瘤抑制因子和致癌基因的突变被认为是肿瘤细胞中Warburg效应的驱动因素(综述于DeBerardinis,2008年). 虽然人们对谷氨酰胺代谢的调节知之甚少,但最近有几份报告表明c-Myc是主要的参与者。c-Myc活性的增强足以驱动谷氨酰胺代谢,并在低谷氨酰胺条件下损害细胞存活(明智等。2008年;尤尼娃等。, 2007). c-Myc通过刺激表面转运体的表达部分调节谷氨酰胺代谢(明智等。, 2008). 有趣的是,c-Myc还通过影响microRNAs miR23a和miR23b间接调节谷氨酰胺酶的蛋白表达。通常,这些微RNA与GLS公司3'-UTR并阻止消息翻译。然而,c-Myc抑制miR-23a/b的表达,从而增强c-Myc活性,去重表达谷氨酰胺酶翻译,促进线粒体中谷氨酰胺氧化(等。, 2009).

解释肿瘤细胞对谷氨酰胺和葡萄糖的利用增强的最简单机制是,这两种营养物质的代谢是相互调节的。然而,最近的研究表明,它们可以由同一细胞内的独立信号通路调节。在具有基因组c的胶质母细胞瘤细胞系中-myc公司Akt信号的扩增和抑制导致糖酵解减少,但对谷氨酰胺代谢没有影响,只有当c-Myc被抑制到正常水平时,谷氨酰胺代谢才会受到抑制(明智等。, 2008). 这增加了肿瘤细胞中观察到的复杂代谢表型可能是多种不同信号输入的结果,可能是通过多种突变。这一观点与人类成纤维细胞的连续转导导致细胞代谢谱的逐步改变以及对维持ATP供应的特定途径的依赖性的观察一致(拉马纳坦等。, 2005).

肿瘤通常表现出氧可用性的区域异质性,这可能会显著影响独立于肿瘤遗传学的中间代谢。低氧细胞中转录因子低氧诱导因子-1α(HIF-1α)的稳定增强了葡萄糖转运蛋白、糖酵解酶和丙酮酸脱氢酶复合物抑制激酶的表达,所有这些都有助于增加葡萄糖产生乳酸(基姆等。,2006年;帕潘德里欧等。, 2006;塞门扎,2003年). 目前对缺氧对谷氨酰胺代谢的影响知之甚少。据推测,为了生存,细胞至少需要维持谷氨酰胺代谢的某些近端步骤,以满足氨基酸和核苷酸合成的稳态要求。一项研究表明,低氧可以刺激神经母细胞瘤细胞中谷氨酰胺的输入,尽管下游代谢未被检测到(Soh公司等。, 2007). 另一方面,大鼠嗜铬细胞瘤细胞在缺氧条件下内源性谷氨酰胺合成速率增加,这可能反映了谷氨酰胺的需求超过了转运能力(小林和米尔霍恩,2001年). 需要进一步研究确定低氧如何影响谷氨酰胺代谢,以及谷氨酰胺是否影响低氧应激期间的细胞存活。

葡萄糖和谷氨酰胺代谢在氧化还原内稳态中也具有重叠功能,因为两者都可以产生NADPH,而谷氨酰胺具有支持GSH生物合成的额外作用。这是细胞增殖过程中的一个重要考虑因素,因为NADPH是生物合成反应所必需的,并且在快速营养代谢过程中不可避免地会产生一些活性氧。谷氨酰胺戒断导致成纤维细胞中GSH库减少,c-Myc活性增强,并导致杂交瘤细胞的氧化损伤(盖林等。, 2006;尤涅瓦等。, 2007). 然而,在这两种情况下,氧化还原应激都不足以解释细胞活力的丧失。另一方面,在P-493 B淋巴瘤细胞和PC3前列腺癌细胞中,由于谷氨酰胺缺乏或GLS敲除而引起的细胞增殖和生存能力的丧失可以用抗氧化剂部分逆转。因此,虽然谷氨酰胺代谢受损限制了谷胱甘肽的可用性,但这种影响并不总是导致谷氨酰胺依赖细胞死亡。肿瘤细胞在使用葡萄糖和谷氨酰胺维持氧化还原平衡方面可能存在差异,利用这些差异可能在治疗上有用,特别是在诱导氧化应激的治疗中。

肿瘤生长和全身代谢:肿瘤是摇狗的尾巴吗?

肿瘤对葡萄糖和谷氨酰胺的积极代谢回避了癌症如何影响身体其他部位代谢的问题。有两个问题与本次讨论特别相关。首先,肿瘤如何获得生长所需的营养?第二,肿瘤细胞分泌的废物的命运是什么?这两个问题都与癌症或其他慢性健康问题患者的营养下降现象有关。恶病质,即肌肉和脂肪组织肿块的进行性丢失,是癌症的一个众所周知的临床重要方面,影响到一半以上的患者。它包括肌肉和肝脏代谢的复杂变化,最终导致体重减轻。食欲和味觉的改变可能伴随恶病质,化疗可能会加重,但这些不足以解释表型。体重减轻通常早于癌症的诊断和治疗,热量摄入正常化通常不会逆转瘦体重的减少。这些观察表明,全身代谢的根本变化,包括能量消耗的增加,是问题的根源。恶病质是三分之一或更多癌症患者死亡的主要原因,这一发现强调了恶病质的临床重要性(NCI网站,2009年). 恶病质表型的许多方面都受到肿瘤的刺激(直接或间接),有证据表明,肿瘤得益于肝脏和肌肉代谢的改变。这里讨论了恶病质的两个方面:Cori循环和肌肉蛋白水解,每一个都与生长肿瘤的代谢有关(图3).

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恶病质癌症患者的拟议器官间代谢周期

总结如下图2肿瘤的生长涉及葡萄糖和谷氨酰胺的消耗以及乳酸、丙氨酸和氨的分泌。一些乳酸可被肿瘤的氧合良好区域吸收,用作呼吸燃料。其他乳酸和丙氨酸被输送到肝脏并用于生产葡萄糖,然后葡萄糖可以返回肿瘤(Cori循环)。同时,氨可以通过尿素循环进行处理,也可以输送到肌肉中,以并入蛋白质分解代谢和葡萄糖代谢过程中产生的新谷氨酰胺分子。Cori循环和假定的谷氨酰胺-氨循环都会向肿瘤输送能量,但会消耗其他相关器官的能量,从而导致全身能量消耗增加,这是癌症恶病质的典型表现。谷氨酸;α-KG,α-酮戊二酸;氨基酸;GLUL,谷氨酸-氨连接酶(即谷氨酰胺合成酶)。

在Cori循环中,肌肉和大脑等葡萄糖消耗组织释放的乳酸和丙氨酸返回肝脏,用作糖异生的前体。早在20世纪50年代,Hiatt就证明了肿瘤小鼠肝脏产生的高比例葡萄糖是由肿瘤释放的3碳单位生成的,这表明肿瘤和肝脏之间存在Cori-like循环(Hiatt,1957年). 在人类身上进行的类似实验也证明了不同类型癌症患者的科里循环代谢率更高(霍罗伊德等。, 1984; Reichard GA,1963年)。因此,Cori循环将是一种最小化Warburg效应明显能量低效的方法,因为“浪费”的3碳单位最终可能以葡萄糖的形式返回肿瘤。然而,虽然循环在肿瘤中产生能量(每使用一种葡萄糖两个ATP当量),但这超过了肝脏的能量消耗(每形成一种葡萄糖6-12 ATP当量)。因此,Cori循环给全身新陈代谢带来了能量负担。通过该途径增加的流量被认为是恶病质癌症患者能量耗散的驱动因素之一(蒂斯代尔,2009年). 肿瘤内缺氧细胞分泌乳酸也会对代谢产生局部影响。如果这种乳酸能到达肿瘤内更好的氧合细胞,它就可以被摄取并用作线粒体中的呼吸燃料。Sonveaux等人确定,细胞表面单羧酸转运体MCT1是异种移植物中这种代谢共生的促成因素。MCT1允许正常氧细胞摄取乳酸,可能是为了肿瘤的缺氧区域保留葡萄糖。抑制MCT1可显著降低肿瘤生长并提高放射治疗的效果(Sonveaux公司等。, 2008).

癌症还会导致宿主体内的负氮平衡,其特征是肌肉中蛋白质和氨基酸的损失,最终导致肌肉质量的损失。这一观察甚至比Warburg的工作早了几十年,并被认为是Müller的功劳(Parry-Billings公司等。, 1991)他将癌症患者的宿主反应与长期发热患者的宿主响应进行了比较。虽然促进肌肉分解代谢的刺激因子尚未完全阐明,但许多研究表明炎症介质,如转化生长因子-β(TGF-β)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和各种细胞因子,符合Müller的假设(提斯代尔,2005年). 显然,谷氨酰胺代谢与恶病质有关,因为人体90%以上的谷氨酰胺储存在肌肉中,谷氨酰胺是分解代谢应激期间肌肉输出的主要氨基酸。Newsholme认为,淋巴细胞或肿瘤细胞等快速增殖的细胞对谷氨酰胺的需求可能是恶病质的触发因素(纽斯霍姆等。1985年). 支持这一假设的证据包括,在啮齿动物体内植入肿瘤组织会迅速触发肌肉谷氨酰胺输出量的增加和肌肉谷氨酰胺储存量的下降(等。, 1993;Parry-Billings公司等。, 1991). 随着人类肿瘤负担的延长,也出现了类似的变化(苏巴,1993年).

恶病质期间肌肉氮损失的过程包括氨基酸氮首先转移到谷氨酸,然后转移到谷氨酰胺,谷氨酰胺被分泌到血液中(图3). 谷氨酰胺合成酶(也称为谷氨酸氨连接酶,GLUL公司). 肿瘤负担与GLUL公司哺乳动物和鸟类肌肉中的mRNA和活性,表明该酶是恶病质的进化保守介质(等。, 1993;松野和佐藤,1986年;奎萨达等。, 1988). 谷氨酰胺的合成消耗能量,因此会增加肌肉中的能量消耗。它还需要氨。有趣的是,心肌细胞可以吸收和代谢氨,这是人体运动期间清除氨的机制之一(邦斯波等。, 1996). 恶病质中谷氨酰胺分泌过程中肌肉氨的来源尚不清楚,但可能来自机体间氨处理的改变。这可能与慢性肝病伴随的变化类似,肌肉吸收过量的氨并利用其产生谷氨酰胺作为解毒策略(奥尔德·达明克等。, 2009). 因此,肿瘤由于大量消耗谷氨酰胺而分泌的一些氨可能被输送到肌肉,从细胞内谷氨酸池中重新生成谷氨酰胺(图3). 虽然是推测性的,但这种系统将类似于肿瘤-肝Cori循环中的葡萄糖处理。

对于患有恶病质的癌症患者是否会从补充谷氨酰胺中受益的问题,引发了大量的兴趣和争论。理论上的担忧是,增加谷氨酰胺的可用性可能会刺激肿瘤生长,但尚不清楚灌注良好的肿瘤是否经历过谷氨酰胺缺乏体内一项对肉瘤大鼠的研究发现,当动物的饮食中添加谷氨酰胺时,肿瘤生长没有增强(克林伯格等。, 1990). 已经进行了大量临床人体试验,以评估谷氨酰胺单独或与其他饮食制剂联合用于改善肌肉质量或限制化疗毒性的效用,但对于谷氨酰胺是否普遍有益,仍没有达成共识。

原则上,也可以尝试在肌肉释放谷氨酰胺的水平上进行干预。很容易推测,如果肌肉输出是肿瘤谷氨酰胺的主要来源,那么抑制肌肉中的蛋白水解或谷氨酰胺合成可能会通过减少必需营养素的供应来抑制肿瘤生长。的转录GLUL公司mRNA似乎是这一过程中的关键调控水平。在各种细胞系中,GLUL公司糖皮质激素刺激表达,糖皮质激素也与癌症恶病质的发展有关(高尼茨等。, 2002;Wang和Watford,2007年). 也许瞄准肌肉中的这个系统可能会有一些好处。

结论和更多问题

过去十年来,许多具有里程碑意义的报告巩固了癌基因与肿瘤中葡萄糖代谢之间的密切联系,并证明转化细胞对Warburg效应的依赖可以通过实验来抑制肿瘤生长。下一波对肿瘤代谢的兴趣可能会将更多的注意力集中在细胞谷氨酰胺的处理上,应该重新评估肿瘤对谷氨酰胺的胃口是否可以用来对抗肿瘤的问题。谷氨酰胺对中间代谢、细胞信号转导、基因表达和恶病质的不同贡献有助于尝试制定合理的策略来限制肿瘤中谷氨酰胺的摄取,并对肿瘤中的谷氨酰胺代谢进行成像。据推测,这种操作对含有增强c-Myc活性的肿瘤尤其有用。

还有一些基本的生物学问题值得进一步研究。例如,细胞如何将谷氨酰胺适当地分配到使用谷氨酰胺的众多途径中?是否有机制将谷氨酰胺引导到最需要它的酶和细胞区室,这些系统是否对改变谷氨酰胺使用细胞模式的应激反应?观察到一些细胞需要谷氨酰胺输出来激活mTOR信号,这就引出了一个问题,即当谷氨酰胺充足到允许其分泌时,这些细胞如何感知。确定与谷氨酰胺丰度/缺乏相关的信号如何传递到细胞核以影响基因表达也很有趣。对这些问题的更深入理解应该有助于解释为什么谷氨酰胺在细胞生物学的许多方面无处不在,并应该支持未来在癌症和其他疾病中操纵谷氨酰胺代谢的努力。

致谢

作者感谢罗兰·诺布劳赫(Roland Knoblauch)和安德鲁·马伦(Andrew Mullen)批判性地阅读了手稿。RJD得到了NIH(DK072565)和美国癌症协会(ACS-IRG-02-196)的资助。

支持:NIDDK(DK072565)和美国癌症协会(ACS-IRG-02-196)

脚注

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

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