癌细胞在支持细胞质量积累、核酸生物合成和有丝分裂的代谢途径中表现出显著变化。在有氧条件下，大多数非转化细胞将葡萄糖代谢为丙酮酸，丙酮酸随后被氧化为CO2在线粒体中，每个葡萄糖分子产生约36个ATP分子。相反，许多癌细胞几乎完全依赖糖酵解，每个葡萄糖分子只产生两个ATP分子，并通过将这种代谢物还原为乳酸，将丙酮酸衍生碳从线粒体中转移出去。癌细胞的线粒体代谢也经历了广泛的重编程，表现为通过三羧酸（TCA）循环从ATP生成转向生物合成前体分子。由于糖酵解剥夺了线粒体中的葡萄糖衍生碳，谷氨酰胺在很大程度上取代了快速增殖细胞中的葡萄糖，作为替代碳源，用于生产由TCA循环提供燃料的生物合成积木。
谷氨酰胺分解是一种线粒体途径，涉及谷氨酰胺酶对谷氨酰胺的初始脱氨基作用，产生谷氨酸（Glu）和氨。然后通过第二脱氨基步骤将谷氨酸转化为TCA循环中间产物α-酮戊二酸（α-KG）。Glu转化为α-KG是由Glu脱氢酶（产生第二个氨分子）或几种转氨酶之一催化的，这些转氨酶将α-酮酸转化为相应的氨基酸。谷胱甘肽水解还支持生成谷胱甘苷和NADPH等分子，这些分子可保护细胞免受氧化应激。我们的研究揭示了Gln代谢的另一个方面，可能有助于癌症的发展和进展。我们发现谷氨酰胺分解与产生一种可扩散的自噬刺激物之间存在一种意料之外的联系，这种刺激物可能会使营养充足的肿瘤细胞保护附近的肿瘤细胞免受代谢应激诱导的死亡。
这项研究以相对可预测的观察结果开始，即增殖的癌细胞在培养基中保持数天而不改变培养基时，其自噬通量显著增加。从这些扩展培养物中获得的细胞调节培养基（CCM）在添加到新培养细胞的二次培养物中时，会触发自噬通量的更快增加。对这些结果的明显解释是，CCM在延长的原代培养过程中营养物质耗尽，自噬的增加只是反映了暴露于CCM的细胞中的饥饿反应。然而，令人惊讶的是，用葡萄糖、氨基酸和其他培养基成分补充CCM未能逆转在次级细胞培养物中观察到的促自噬活性。
在随后的研究中，我们探讨了CCM中促进自噬的活性与自噬途径的反作用刺激物的释放有关的可能性。生化分析表明，该因子分子量很低，性质为阳离子，在水溶液中易挥发。我们通过蒸馏纯化了自噬诱导因子，并最终将其鉴定为氨，在CCM中发现氨的摩尔浓度较低（2-4 mM）。用同等浓度的氨直接处理充满营养的细胞会触发与CCM观察到的相同的自噬反应。然而，用浓度为20 mM的氨（通常用于抑制溶酶体活性）处理细胞会减少自噬流量。这些发现的生物学相关性得到了以下观察结果的支持：生长在免疫缺陷小鼠体内的人类肿瘤异种移植物间质液中的氨浓度与CCM中发现的氨浓度相同。
如上所述，谷氨酰胺解是一种氨产生途径，它为癌细胞和正常细胞（如T淋巴细胞）的生物合成反应提供燃料，这些细胞经历了爆炸性的快速增殖。我们发现无谷氨酰胺培养基不能支持自噬促进CCM的产生。将培养在含有谷氨酰胺的完整培养基中的细胞暴露于α-KG（谷氨酰胺水解的产物）会减少CCM中的氨生成和自噬刺激活性的产生。总之，这些结果表明，谷氨酰胺是这些细胞中氨的最重要来源，CCM中的促自噬活性主要归因于谷氨酰胺水解。值得注意的是，从谷氨酰胺中持续产生的氨维持了培养的癌细胞自噬的稳定水平。
我们现在认为Gln在癌细胞代谢中扮演着两个看似矛盾的角色。一方面，Gln是支持大分子生物合成和抗氧化分子的构建块的重要供应商，反过来，也支持细胞质量积累和增殖。另一方面，Gln是氨的可运输仓库，氨是一种生物活性代谢物，通过自噬刺激细胞分解代谢。我们可以通过提出癌细胞生长和增殖发生在有压力的微环境中（细胞毒化疗也可以诱导应激），以及自噬通过消除受损和潜在有毒的大分子和细胞器来提高应激抵抗力，从而为这些发现提供理据。这一假设的间接支持来自实验，实验表明，使用死亡受体配体肿瘤坏死因子-α治疗的癌细胞受到Gln的保护，部分原因是谷氨酰胺水解过程中产生的氨刺激自噬。
这项研究提出了几个需要进一步调查的重要问题。氨诱导自噬的机制尚不清楚，尽管我们的结果表明，氨通过一条不涉及哺乳动物细胞自噬调节器mTOR复合物1（mTORC1）的途径刺激自噬流量。此外，观察到肿瘤组织衍生的间质液中含有氨的自噬刺激浓度，表明氨可能在这些组织中传递促自噬信号。我们设想，位于氧合良好、营养充足的微域中的肿瘤细胞会贪婪地代谢谷氨酰胺，并释放氨，从而在肿瘤的无血管、营养应激区域激发自噬增加(). 因此，Gln不仅允许代谢活跃的肿瘤细胞生长和繁殖，还允许这些细胞产生一种因子（氨），以支持其不幸的邻居应对严重的代谢压力。有趣的是，氨作为反作用信使的概念在芽殖酵母和黏菌盘基网柄菌中有明确的先例。很明显，谷氨酰胺在肿瘤和正常细胞生物学中发挥着越来越广泛的作用，这无疑将引发深入的研究，以选择性地控制癌症和其他疾病中的谷氨酰胺代谢。
谷氨酰胺衍生氨刺激自噬。Gln在线粒体中代谢为Glu（通过谷氨酰胺酶）和α-KG（通过转氨酶或谷氨酸脱氢酶）。谷氨酰胺酶和谷氨酸脱氢酶催化反应释放氨，氨扩散到局部微环境中，以自分泌方式刺激自噬（蓝色箭头）。氨也扩散到其他肿瘤区域，以旁分泌方式诱导自噬，可能维持这些区域代谢应激细胞的存活（棕色箭头）。
