利用Ras-driven癌症的不良饮食习惯

摘要

众所周知，区分正常组织和细胞与肿瘤的癌症标志是代谢改变。肿瘤特异性代谢重编程是癌基因激活和抑癌基因失活的结果，其中一个子集本身就是代谢酶。癌症中代谢改变的功能重要性源于肿瘤细胞产生细胞生长和新细胞生成所需能量和构建块的需求(Vander Heiden等人，2009年;当2012). 要做到这一点，他们还必须保持氧化还原平衡，改变基因表达以维持肿瘤生长，并承受压力。最近的发现揭示了肿瘤细胞是如何做到这一点的，这激发了人们对靶向癌症代谢途径的兴趣，通过使其缺乏生长和生存所需的物质来改善治疗效果。

肿瘤的持续生长需要营养物质获取机制的上调、营养物质利用向生物合成途径的重新定向以及对代谢应激的适应。事实上，肿瘤细胞的营养需求高于大多数正常细胞，这是因为生长和增殖对营养的需求。众所周知，癌症通常会上调葡萄糖摄取以促进有氧糖酵解，并需要谷氨酰胺来促进中心碳代谢，但这只是我们对肿瘤代谢改变及其在支持肿瘤生长中的功能作用的认识的开始。了解代谢的细节和功能对于确定如何干预肿瘤代谢以阻止肿瘤发生非常重要。

通过抑制血管生成来切断肿瘤细胞的血液供应，从而使其挨饿的概念，目前已在临床上用于治疗一些癌症，这是剥夺肿瘤细胞所需的早期通用方法。为了有效实施靶向代谢的概念，我们显然需要更全面地了解“肿瘤燃料”是什么，从哪里来，如何获得，以及如何和在哪里使用。确定这些过程是如何被不同的致癌事件改变的，它们是否与正常细胞中的不同，以及它们是否可以有效地靶向以改进癌症治疗也很重要。

直接靶向的最有问题的致癌事件是Ras癌基因激活的事件，Ras癌的存在是常见的，并且与大多数致命癌症的不良预后相关。Ras癌基因家族成员的激活上调了由PI3激酶/mTOR和MAP激酶等控制的促生长途径，同时它们同时关闭了抑制细胞生长的刹车。最近的进展揭示了削弱Ras关键代谢效应器功能的激动人心的新机会。

饥饿的肿瘤细胞

细胞生长和增殖大大增加了代谢需求，这有助于提高肿瘤细胞的营养需求(拉比诺维茨与怀特2010). 为了满足细胞生长带来的这一高需求，肿瘤细胞通过血管生成招募血管，以增加向肿瘤微环境输送生长因子、营养素和氧气的量。肿瘤血管系统常常异常，肿瘤生长可能超过血管化；因此，肿瘤通常具有缺氧区域，缺氧区域缺乏氧气、生长因子和营养(Carmeliet和Jain 2011). 因此，肿瘤细胞激活了使其适应、耐受和生长的过程，尽管存在这些情况。这些代谢变化包括低氧诱导转录因子（HIF）的诱导和葡萄糖摄取、糖酵解、谷氨酰胺依赖和自噬的上调(DeBerardinis等人，2007年;Yueva等人，2007年;Semenza 2012年;白色2012).

自噬饥饿反应(Kuma等人，2004年;Mizushima等人，2004年)在缺氧肿瘤区域诱导，这是肿瘤细胞生存所必需的(Degenhardt等人，2006年). 自噬在许多Ras-driven癌症中也被诱导，并且对其生存至关重要(Guo等人，2011年;Lock等人，2011年;Yang等人，2011年). 这表明环境和Ras等癌基因的激活都会产生代谢应激。因此，一些肿瘤已经解除了生长控制，但仍生活在营养物质的可用性极限下，以维持这种生长。

Ras的甜食

葡萄糖是癌症的关键燃料。致癌Ras促进葡萄糖摄取(Flier等人，1987年;Ying等人，2012年)以及它在糖酵解中的利用，最终将葡萄糖转化为丙酮酸(Racker等人，1985年;Yun等人2009). 这发生在有氧的情况下，是Warburg效应的一个例子，长期以来，它是许多肿瘤的显著特征(Warburg 1956年). 现在越来越清楚的是，这通过促进糖酵解中间产物转向生物合成途径，在肿瘤发生中起到因果作用(Vander Heiden等人，2009年;党2012). 例如，通过磷酸戊糖途径（PPP）分流葡萄糖碳，以增加核酸生物合成所需的核糖生产和抗氧化防御所需的NADPH生产(图1). 糖酵解还可生成甘油用于脂质合成，并可促进己糖胺生物合成以实现蛋白质糖基化和营养吸收，以及丝氨酸生物合成以产生α-酮戊二酸和三羧酸（TCA）循环缺失(Wellen等人，2010年;Possemato等人，2011年;党2012). 随着葡萄糖摄取和糖酵解活性的增加，通过抑制丙酮酸激酶M2，最终可以减缓通量，以供应生物合成途径(Christofk等人，2008年a,b条). 这表明，干扰葡萄糖摄取、糖酵解和相关生物合成途径是一种潜在的途径，可损害Ras-driven和其他癌症的生长和生存。

在单独的窗口中打开

图1。

加油Ras。Ras-driven癌细胞改变葡萄糖和谷氨酰胺代谢，激活清除和自我吞噬，以提供代谢途径。红色表示Ras调制或需要的进程。（HBS）己糖胺生物合成途径；（ME1）苹果酸酶1；（MDH1）苹果酸脱氢酶；（GOT1）天冬氨酸/谷氨酸-草酰乙酸转氨酶1；草酰乙酸；（GLS1）谷氨酰胺酶；（GLU）谷氨酸；（SBS）丝氨酸生物合成；（ROS）活性氧物种；（NABS）核酸生物合成；（FAO）脂肪酸氧化。

为了确定葡萄糖代谢的哪些方面对Ras-driven癌症最为重要，对致癌的诱导小鼠模型进行检查喀斯特^G12D系列胰腺导管腺癌（PDAC）显露出来。癌基因Ras表达诱导的PDAC在Ras表达消失后表现出显著的退化(Ying等人，2012年). 对Ras灭绝引起的变化的研究表明，Ras促进了代谢基因的表达，包括甾醇生物合成、嘧啶代谢、O-聚糖生物合成和聚糖结构生物合成途径中的代谢基因(Ying等人2012). 在Ras灭绝后对代谢物池大小的评估和示踪剂研究表明，Ras还促进葡萄糖摄取、糖酵解通量，并将中间产物导入PPP和己糖胺生物合成。葡萄糖碳通过PPP的非氧化臂和核糖生物发生的流量尤其重要，因为在这一途径中敲低酶的表达抑制了肿瘤的生长(图1;Ying等人，2012年). 这些Ras-driven癌症可能依赖PPP的非氧化臂来产生核酸生物合成和细胞生长所必需的前体。这些最近的发现表明，Ras可以通过改变基因表达来促进葡萄糖代谢(Yun等人，2009年;Ying等人，2012年); 虽然这只是我们对这个过程理解的开始，但转录变化不太可能是唯一的调控机制。酶活性的调节、代谢变化的定量评估以及组织特异性和Ras癌基因特异性差异仍有待解决。

谷氨酰胺成瘾

与大多数正常细胞相比，癌症吸收葡萄糖碳，最终产生的大部分丙酮酸转化为乳酸，乳酸被排出体外。这将再生NAD⁺并改变肿瘤微环境，其后果尚不清楚。肿瘤中丙酮酸盐转化为乳酸盐的增加也可能限制丙酮酸盐转化为乙酰辅酶A以驱动TCA循环的可用性。TCA循环中间产物可能需要由葡萄糖以外的底物补充（回补）。TCA循环对于生成ATP以实现能量平衡、柠檬酸盐用于脂质合成、氨基酸和NADH用于蛋白质合成和代谢非常重要。谷氨酰胺是TCA循环的主要回补底物，也为核苷酸、非必需氨基酸和己糖的生物合成提供氮(怀斯等人，2011年). Ras和Myc转化细胞对谷氨酰胺的生长和生存依赖性增加(Wu等人，1978年;Gaglio等人，2009年;Gao等人，2009年)这引起了人们对确定谷氨酰胺在癌细胞代谢中的作用以及如何获得谷氨酰胺的兴趣。事实上，Ras灭绝期间的示踪剂研究表明，当Ras被激活时，谷氨酰胺是TCA循环的主要碳源(Ying等人，2012年).

谷氨酰胺通过谷氨酰胺酶转化为谷氨酸，然后通过谷氨酸脱氢酶转化为α-酮戊二酸后，从异柠檬酸进入TCA循环下游(图1). 然后，通过将α-酮戊二酸转化为琥珀酸、富马酸、苹果酸，然后再转化为草酰乙酸，以提供ATP和前体物质，可以在正向完成TCA循环。在缺氧的情况下，谷氨酰胺生成的α-酮戊二酸在TCA循环中可以通过还原羧基化反应生成柠檬酸盐，从而反向进行。这种柠檬酸盐可以在缺氧的情况下作为脂质合成的底物(怀斯等人，2011年;Metallo等人，2012年;Mullen等人，2012年). 这表明，通过阻断谷氨酰胺酶来抑制谷氨酰胺代谢，将损害Ras和其他谷氨酰胺依赖性癌症的生长。为了支持这一点，干扰谷氨酰胺代谢会损害Ras-driven癌症的生长，从而确定代谢的脆弱性(Son等人，2013年). 然而，这并不是谷氨酰胺在这些癌症中的唯一基本用途。

与正常细胞相比，胰腺癌中90%以上的细胞在喀斯特，谷氨酰胺转化为谷氨酸，并被TCA循环氧化为草酰乙酸，草酰乙酸通过谷氨酸-草酰乙酸转氨酶转化为天冬氨酸。证据表明，天冬氨酸通过谷氨酸-草酰乙酸转氨酶转化为草酰乙酸，然后转化为苹果酸和丙酮酸，据称产生NADPH(图1;Son等人2013). 谷氨酰胺也可以在线粒体中氧化为苹果酸，并被运输到细胞质，在细胞质中，谷氨酰胺被苹果酸酶转化为丙酮酸，生成NADPH(图1). NADPH的产生对于还原性谷胱甘肽的产生是必要的，它可以维持氧化还原平衡(Son等人，2013年). 事实上，通过阻断天冬氨酸转氨酶或下游酶来抑制谷氨酰胺代谢，可以使胰腺癌细胞对氧化应激敏感并抑制肿瘤生长，这表明了该途径的功能重要性(图1;Son等人，2013年). 因此，这些癌细胞更多地依赖谷氨酰胺而非葡萄糖和PPP的氧化臂来缓解有毒活性氧（ROS）。重要的是要确定这是否是胰腺癌的独特特征，或者其他Ras-driven癌症是否也依赖于此途径。此外，与正常细胞相比，Ras和其他癌症，如Myc驱动的癌症，更依赖谷氨酰胺和葡萄糖代谢，下一个问题是：它们来自哪里？

清除蛋白质和脂质

Ras-driven癌症可以通过增加其输送和吸收来获得所需的营养。例如，Ras及其效应途径通过上调转运体的表达，促进血管生成，增加肿瘤血液供应和可溶性葡萄糖和谷氨酰胺的摄取。最近，很明显，Ras驱动的癌症通过大细胞吞噬和自噬激活液相内吞营养吸收，获得了额外的手段来满足其营养需求(图1).

Ras刺激大胞饮作用，在这种作用下，细胞表面改变的膜动力学促进了水性细胞外环境的吞噬，这种环境被称为大胞饮小泡的小泡捕获(Bar-Sagi和Feramisco 1986年;Walsh和Bar-Sagi 2001;Porat-Shliom等人，2008年). 大松果体随后进入溶酶体室，在那里被降解(Commisso等人，2013年). 大松果体的一个关键物质是血清白蛋白，它在肿瘤微环境中含量丰富。具有激活Ras突变的胰腺癌上调大胞饮作用，该作用用于吸收白蛋白以提供氨基酸供应(Commisso等人，2013年). 大胞饮作用产生的这种“吃白蛋白”为多种代谢途径提供氨基酸，尤其是谷氨酰胺，包括TCA循环回补和大分子合成(图1). 血清白蛋白的分解代谢足以支持胰腺癌细胞系在体外的存活，与正常组织相比，人类胰腺肿瘤中谷氨酰胺的消耗量最大(Commisso等人，2013年). 因此，就像垃圾堆中的老鼠一样，Ras-driven癌细胞能够通过从其微环境中清除和分解蛋白质以充分维持生长和生存，从而适应其营养需求。这表明以大胞饮过程或其提供的下游代谢途径为靶点可能是治疗胰腺癌的一种新方法。确定清除“食物”的范围和多功能性，以及使用被清除物质的最关键的过程，将是很有意义的。

示踪剂研究的观察结果表明，血清蛋白不是唯一的清除物质，与非正常细胞不同，Ras转化的癌细胞从现有的C24脂肪酸骨架而不是从头合成中合成长链脂肪酸(Kamphorst等人，2011年). C24骨架的来源是发现Ras转化细胞通过以溶血磷脂的形式清除环境中的脂肪酸，从而绕过从头开始的脂肪生成。溶血磷脂是一种含有单一脂肪酸尾巴的丰富血脂(图1;Kamphorst等人，2013年). 如果你能吃，为什么要做？这样做，克服了细胞溶质乙酰辅酶A生成的潜在限制，并保护了细胞资源。

正常情况下，葡萄糖产生丙酮酸，丙酮酸转化为线粒体乙酰辅酶A，然后柠檬酸盐输出到细胞质，在细胞质中通过ATP-柠檬酸裂解酶转化为乙酰辅酶B，以合成脂肪酸。由于Ras能极大地刺激糖酵解，同时也能转移侧通路和丙酮酸转化为乳酸，这可能会限制乙酰辅酶A和脂肪酸的合成，而这对新癌细胞膜的生成至关重要。脂质清除而非合成也可以保护细胞资源，并通过硬脂醇辅酶a去饱和酶1（SCD1）克服关键的氧依赖性去饱和步骤，使脂质能够在缺氧中合成(Kamphorst等人，2013年). Ras转化从而产生对SCD1抑制剂的耐药性，这表明阻断脂质清除或延长可能是靶向Ras驱动的癌症的新的治疗机会。

自噬自噬

Ras-driven癌细胞通过自噬激活并依赖细胞自噬，自噬可以被视为一种从内部清除的形式(白色2012). 在正常细胞中，自噬被饥饿和应激激活，在那里它捕获受损或多余的细胞内蛋白质和泡囊中的整个细胞器，然后与溶酶体融合，在那里货物被降解(图1;2011年水岛和小松). 溶酶体中产生的自噬分解产物被释放到细胞质中，用于代谢和生物合成途径(图1;拉比诺维茨与怀特2010). 自噬引起的细胞内再循环上调，对饥饿期间细胞和小鼠的生存至关重要(Kuma等人，2004年;Mizushima等人，2004年). 在饥饿的细胞中，细胞内成分通过自噬和再循环的大量降解在营养物质供应中断期间保持体内平衡。人们可以将蛋白质组和细胞器视为生物合成（蛋白质、糖和脂质）和代谢中间产物的一种可耗尽的细胞内储存，以维持在需要时通过自噬实现的能量稳态。

在正常细胞和组织中，通过低水平的基础自噬对受损细胞器进行选择性修剪，可防止其毒性积聚，并构成质量控制机制(水岛和小松2011). 例如，缺陷线粒体的选择性降解保留了功能池，同时减少了破坏性ROS的产生。自噬对于剔除未折叠的蛋白质和防止有毒的、含p62的蛋白质聚集体的积累同样重要(小松等人，2007年,2010;Mathew等人，2009年). 因此，通过回收垃圾，细胞可以保存资源，平衡新陈代谢，并抑制损伤。

Ras转化诱导自噬，自噬是增殖、饥饿生存和肿瘤生长所必需的(Guo等人，2011年;Lock等人，2011年;Yang等人，2011年). 基本自噬基因的敲除或敲除会导致肿瘤细胞积聚呼吸缺陷线粒体，并显示出生长和代谢缺陷，以及对能量和代谢危机引起的饥饿的敏感性。自噬的需求似乎源于对线粒体功能池和代谢底物来源的需要，以支持代谢途径。自发小鼠模型中一个重要自噬基因的敲除喀斯特^G12D系列-驱动型非小细胞肺癌（NSCLC）会导致缺陷线粒体的积聚，抑制肿瘤生长，并使癌的进展转向良性嗜酸细胞瘤(Guo等人，2013年). 瘤细胞瘤是一种良性肿瘤，其特征是线粒体缺陷的积聚(Gasparre等人，2011年). 这表明，Ras-driven癌症需要线粒体功能的自噬以及向更具侵袭性疾病的进展。自发小鼠模型中一个重要自噬基因的缺失布拉夫^V600E型-驱动性肺肿瘤发生同样损害肿瘤生长并产生嗜酸细胞瘤，将自噬的需求扩展到Ras以外(Strohecker等人，2013年).

自噬为代谢途径提供的关键底物仍有待研究。两者都存在自噬缺陷喀斯特^第12天-和布拉夫^V600E型-受驱动的肿瘤细胞增强了对谷氨酰胺的依赖性，这表明蛋白质通过自噬降解为代谢途径提供氨基酸及其衍生物，其中谷氨酰胺尤为关键(Guo等人，2013年;Strohecker等人，2013年). 丝氨酸和甘氨酸等其他氨基酸在Ras-driven癌症代谢中的作用尚待研究。

在非小细胞肺癌Ras激活和p53缺乏的情况下，自噬也需要维持线粒体功能以实现脂肪酸氧化（FAO）和脂质稳态(Guo等人，2013年). p53缺失促进糖酵解和脂质储存，同时抑制FAO(Cheung和Vousden，2010年;Goldstein and Rotter 2012年). 自噬保护的线粒体功能对于保持FAO至关重要，如果没有FAO，肿瘤细胞就无法代谢，从而积累脂质，并且对FAO的进一步抑制极为敏感(Guo等人，2013年). 因此，在Ras驱动的癌症中抑制自噬可以切断重要的谷氨酰胺燃料供应，阻断关键的脂肪酸燃料消耗，并损害肿瘤生长。目前正在对各种癌症进行临床试验，通过抑制溶酶体功能和羟基氯喹对自噬货物的降解来测试这一概念(阿马拉瓦迪等人，2011年;白色2012).

利用代谢改变进行治疗

癌症糖酵解和谷氨酰胺解途径中抑制酶的概念已经并将继续被研究(Vander Heiden等人，2009年;党2012). 使用优雅的癌症模型深入研究细节，揭示了新的潜在代谢酶在Ras-driven癌症中的作用。这些酶包括用于核酸生物合成的核糖生产酶和用于抗氧化防御的谷氨酰胺衍生NADPH生产酶(图1). 最近的证据还表明，Ras通过促进蛋白质和脂质的清除和自噬，深刻地改变了营养物质的获取。通过这样做，这为细胞内和肿瘤微环境提供了生长、代谢稳定性和耐受压力所必需的额外营养来源。因此，抑制清除和自噬也代表了一种新的方法，可以降低Ras驱动癌症的生长和生存。

这些新发现提出了更多问题。阻断核苷酸生物合成是否具有足够的选择性和活性？损害NADPH的生成是否需要结合促进氧化损伤才能有效？肿瘤细胞“饮食”的完整程度如何？被清除和自噬的物质用于哪些基本过程？清除的血清蛋白是如何到达溶酶体的？脂质是如何循环利用的？大胞饮症的完整机制是什么？清除的脂质是如何进入细胞的？什么是基本的自噬货物？自噬提供的关键细胞内底物是什么？清除或自噬的抑制对癌症的治疗有效吗？其他癌症依赖于清除或自噬吗？Ras转化细胞的潜在代谢可塑性是什么？具体地说，当一个人阻止葡萄糖代谢时，大胞饮作用是否可能变得越来越重要？目前还没有定量评估各种代谢途径对Ras介导的代谢改变的贡献。例如，在特定条件下，葡萄糖、谷氨酰胺和大胞饮作用对Ras转化细胞的整体生物能量需求有多少贡献？在肿瘤微环境的不同条件下，这种变化会如何？

知道清除和自噬是Ras-driven癌症的重要功能，确定它们支持的代谢功能将非常重要。清除的血清蛋白提供谷氨酰胺用于补血，也可能提供活性氧解毒。清除血脂可能会减少脂质合成所需的NADPH需求，使其更适用于抗氧化防御。自噬也可能通过提供谷氨酰胺和消除有缺陷的线粒体来促进活性氧脱毒，从而减少对NADPH和活性氧脱毒剂的需求。减少活性氧可以促进生存，但呼吸产生的活性氧也可以触发肿瘤诱导的衰老，这是肿瘤发生的障碍(Kaplon等人，2013年). 将自噬抑制剂和谷氨酰胺代谢抑制剂与增加氧化应激的药物结合可能有用。

这些对Ras驱动的癌症代谢的最新见解揭示了新的代谢脆弱性和潜在的癌症新治疗模式。靶向大胞吞或自噬有可能使Ras-driven癌症挨饿，而这两个过程都可能通过抑制血管生成而增强。既然清除血清白蛋白或脂质在功能上很重要，它能被用来传递有毒的有效载荷吗？这可能与纳米粒子白蛋白结合（nab）-紫杉醇（Abraxane）的情况如出一辙，与单独使用吉西他滨相比，与吉西他宾联合使用可提高胰腺癌患者的总体中位生存率(Von Hoff等人，2011年,2013). 重要的是要确定哪些肿瘤清除细胞外蛋白，血清白蛋白是否是谷氨酰胺的唯一来源，以及哪些代谢途径最需要谷氨酰胺。需要探索阻断Ras-driven癌症中的大胞饮作用。在改变的清除和自噬环境中，针对脂质代谢所必需的酶可能是值得的。自噬是Ras-driven癌症的一种生存机制，因此抑制自噬体的发生或货物降解正在研究中。鉴定自噬提供的底物及其支持的确切代谢机制也可能很有价值。自噬可能是对代谢途径抑制的一种抵抗机制，尽管这仍有待正式测试。与正常细胞相比，抑制癌症中的清除或自噬是否具有影响癌症的选择性和稳健性，是否存在组织和癌基因及抑癌基因特异性，以及是否存在耐药机制尚待确定。

致谢

脚注

工具书类