脯氨酸代谢与癌症：与谷氨酰胺和胶原蛋白的新联系

摘要

简介

肿瘤中的代谢在快速增殖的细胞物流、氧化还原内环境的维持以及表观遗传学和重编程中起着关键作用[1,2]. 代谢研究集中于核心途径，即氧化糖酵解[三]. 介导这些途径的酶被致癌基因和功能失调或无功能的抑制基因重新编程[4]. 最近，人们开始关注非必需氨基酸及其对表观遗传学的参数调节[5^▪]. 本章将简要回顾一些强调脯氨酸及其与营养关系的调节机制。 

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饮食和营养

传统上，营养意味着饮食摄入。然而，最近在细胞、组织和生物体层面的研究引入了营养超越饮食的新范式。例如，在细胞水平上，前存活自噬是基于细胞成分为自身或兄弟细胞的生存而相互吞噬的机制[6,7]. 细胞微环境中能量或前体底物的储存可用于应激营养[8–10]. 一个令人惊讶的发现是，从仓库中动员出来的底物可能有一条新陈代谢路线，这条路线与循环输送的物质不同[11]. 本章的目标是介绍癌症营养的新范式。

氨基酸：必需和非必需

必需氨基酸和非必需氨基酸的概念基于经典饮食营养。但这是非必需氨基酸的代谢，尤其是它们的生物合成，而不是氨基酸的内源性供应就其本身而言这在进化上是保守的。非必需氨基酸的代谢途径执行许多必要的任务，包括氧化还原调节、甲基供体的生成、核苷酸合成的氮转移和细胞间穿梭机制[1,5^▪]. 在这方面，脯氨酸发挥着特殊的作用。它是唯一的蛋白质生成次级“亚氨基酸”，其降解代谢的初始步骤不同于其他氨基酸。因此，它具有使其发挥监管作用的特殊功能。然而，一旦氧化成吡咯烷-5-羧酸盐（P5C）或其互变异构体谷氨酸-γ-半醛，脯氨酸可以与许多其他底物相互转化，是三羧酸循环和尿素循环之间碳交换的来源[8]. 此外，脯氨酸可以储存在胶原蛋白中，胶原蛋白是人体内重量最丰富的蛋白质。由于胶原蛋白中近25%的残基以脯氨酸的形式结合，胶原蛋白既可以是脯氨酸的排泄物，也可以是脯氨酸的储存库[9].

谷氨酰胺的功能

在非必需氨基酸中，谷氨酰胺在新陈代谢中尤为重要。它是合成嘌呤和嘧啶不可缺少的亚胺基来源。在生理环境中，谷氨酰胺在肌肉中合成，并作为燃料转移到胃肠道和中枢器官进行代谢处理（图。​（图11)[12]. 瓜氨酸和脯氨酸是两种主要的氨基酸产物。在组织培养中，谷氨酰胺的超生理浓度与糖尿病患者的葡萄糖水平（450 mg/dl）以最大限度地增殖，尤其是肿瘤细胞。因此，培养的肿瘤细胞对谷氨酰胺和葡萄糖“上瘾”也就不足为奇了。癌细胞的失调包括谷氨酰胺转运体的增加和谷氨酰胺酶活性的增加[13]. 此外，谷氨酰胺合成酶被致癌基因下调，例如细胞性骨髓细胞瘤病致癌基因(c-MYC公司) [14]. 因此，谷氨酰胺酶的高水平和谷氨酰胺合成酶的低水平使得谷氨酰胺的外源性来源至关重要。

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图1

一个拟议的包括谷氨酰胺、脯氨酸和胶原蛋白的代谢模型。所描绘的肿瘤细胞也适用于非恶性增殖细胞。谷氨酰胺的来源显示在左上角，脯氨酸的来源显示在右上角。这些不一定是针对细胞或其他解剖部位的。GSA和P5C是互变异构体。它们之间的相互转换是自发的。总的来说，建议的途径是，从充足的蛋白质摄入合成的谷氨酰胺用于能量和嘌呤和嘧啶的脱氮合成。脯氨酸是一种重要的氨基酸产品，用于信号传递以及ATP的替代来源。在营养充足期间，脯氨酸储存在胶原蛋白中，胶原蛋白是ECM的主要成分。在营养紧张的情况下，脯氨酸的储存可以被动员起来。ECM、细胞外基质；谷氨酸-γ-半醛；P5C，吡咯烷-5-羧酸盐；ORN，鸟氨酸；PA，多胺；PPP，戊糖磷酸途径。黑色圆圈表示特定的酶，编号如下：1、脯氨酸脱氢酶即脯氨酸氧化酶；2、P5C合成酶；3、P5C还原酶1和2；4，P5C还原酶L；谷氨酰胺酶。

脯氨酸代谢的调节功能

谷氨酰胺、谷氨酸和脯氨酸之间的相互关系已经得到了很好的认识，尽管它们可能具有不同的功能。谷氨酰胺合成的第一步是ATP活化谷氨酸的γ-碳，形成γ-谷氨酰磷酸。这也是P5C合酶催化的第一步，P5C合成酶是谷氨酸合成脯氨酸的第一种酶[12]. 最近的研究强调了脯氨酸是谷氨酰胺在内脏循环中的重要产物这一经典研究¹³C、，¹⁵N-标记谷氨酰胺[14]. 原癌基因c-MYC公司在多种人类肿瘤中高水平表达，显著上调谷氨酰胺合成脯氨酸的酶[14]. 与谷氨酰胺不同，脯氨酸的游离氨基酸库相对较低。相反，与蛋白质结合的脯氨酸在体内构成了一个主要的氨基酸库[8]. 胶原蛋白可以作为脯氨酸的受控来源或转储。这个储存库也是脯氨酸转化的氨基酸的来源。最近的研究表明，在处于静止状态的细胞中，核心代谢变化不大，但静止期间形成的产物可能以细胞外基质（ECM）的形式沉积，即胶原蛋白[10]. 因此，当细胞没有增殖时，它们将代谢底物储存在ECM中。

脯氨酸降解

脯氨酸的代谢仅通过脯氨酸脱氢酶即脯氨酸氧化酶（PRODH/POX）进行（图。​（图1）。1)。由于脯氨酸的α-氮被锁定在吡咯烷环内，脯氨酸不能作为一般氨基酸酶（即转氨酶、脱羧酶和消旋酶）的底物。相反，脯氨酸降解的第一步是由一种特殊酶催化的，这种酶不仅打开脯氨酸环，而且位于与电子传递链蛋白质相关的战略位置[8]. 随着脯氨酸氧化而形成的活性氧物种（ROS）与许多下游事件有关。其他人认为，通过复合物III生成ROS是线粒体ROS的来源，因为ROS被释放到膜间空间[15]. ROS可以从这个位点转移出线粒体，以调节各种靶标。由于PRODH/POX与活性氧的产生有着特殊的联系，因此它受到基因和催化水平的密切调控就不足为奇了[8].

癌症中的脯氨酸脱氢酶/脯氨酸氧化酶

脯氨酸代谢的调节功能大约在30年前被提出，但脯氨酸降解在癌症中的关键作用是由抑癌基因P53快速而有力地增加PRODH/POX的转录。最近的几次审查[8,9,16,17^▪]描述了PRODH/POX的调节、线粒体ROS的生成以及该调节ROS的细胞靶点。虽然PRODH/POX被确定为对P53的早期和稳健反应之一，但发现PRODH/PO_X内含子P53识别位点的作用比PRODH/P_X启动子更为重要，从而更充分地阐明了这种作用的机制[18^▪]. 此外，人特异性内源性逆转录病毒可能通过甲基化依赖和独立机制控制PRODH/POX的表达[19^▪▪]. 配体依赖性转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPAR-γ）激活PRODH/POX表达，并通过电泳迁移率变化分析和染色质免疫沉淀证实。随着营养和缺氧应激，PRODH/POX mRNA和酶蛋白的增加导致自噬而非凋亡[20]. 其机制依赖于AMP活化蛋白激酶（AMPK）的激活而非P53。AMPK的转录机制尚未显示，尽管可能是通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化子1实现的。通过P53或PPARγ诱导，终点似乎是通过激活或抑制一些基因来阻断细胞周期和启动凋亡[21]. 缺氧刺激AMPK激活导致自噬[20]. P53与PRODH/POX的偶联以及脯氨酸依赖性ROS的产生构成了与代谢表观遗传学的潜在联系。受PRODH/POX调控的特定基因包括细胞周期检查点的酶（细胞分裂周期25c、双核蛋白、生长停滞和DNA损伤家族成员）[21]，自噬介质（LC3-I转化为LC3-II，Beclin 1诱导）[20]. 此外，一些基因产物被下调，例如环氧合酶2[22]. 最近对这些对癌症影响的细节进行了综述[23,24]这里只简单介绍一下。

脯氨酸合成

脯氨酸合成途径中P5C是由P5C合成酶从谷氨酸产生的中间体，或由鸟氨酸氨基转移酶（OAT）从鸟氨酸产生的中间体（图。​（图1）。1)。P5C可以通过P5C还原酶（PYCR）转化为脯氨酸[8]. 已知PYCR的三种同工酶，并对其定位和功能进行了表征[25]. PYCR1和2定位于线粒体。PYCR2似乎位于线粒体基质中，PYCRl可能位于线粒体表面。通过暴露于磷酸盐缓冲液，它很容易与线粒体分离。PYCR1/2均倾向于将还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作为辅因子。另一方面，PYCRL定位于胞质溶胶，并倾向于还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）作为辅助因子[25]. 对PYCR1的结晶研究表明，催化活性是PYCR1-dimers的特性，但其生理结构是形成环状（donut-like结构）的十聚体，这在具有膜结合或伴侣功能的蛋白质中常见。这种结构如何与PYCR的功能相关尚待阐明，但很容易推测它可能介导氧化还原通道或跨膜穿梭。De Ingenis公司等. [25]提出OAT产生的P5C被导入PYCRL，PYCRL利用NADPH作为辅因子。因此，精氨酸酶、OAT和PYCRL依次催化从精氨酸到脯氨酸的途径将产生NADP⁺[25]. 本NADP⁺可被戊糖分流术的氧化臂用于产生核苷酸合成的PP-ribose-P。生物合成途径受原癌基因调控，即，c-MYC公司增加P5C合成酶、PYCR1/2/L和OAT的水平，降低分解代谢酶、PRODH/POX和P5C脱氢酶的水平，该酶将P5C转化为谷氨酸。

代谢和发育模型中的调节功能

上述模型专注于癌症中的应激信号传导，即由P53、PPARγ、AMPK、c-MYC、缺氧和营养缺乏激活或与之相关的应激信号传导。癌症患者的代谢组学研究表明脯氨酸代谢紊乱。最近，发现了该模型的一些有趣应用。在秀丽隐杆线虫缺乏胰岛素类似物的信号转导，并通过对胰岛素/胰岛素生长因子（I/IGF）受体敲除小鼠的小鼠胚胎成纤维细胞Zarse的研究证实等。[26]表明功能失调I/IGF信号的长期生存效应需要PRODH/POX的功能连锁。他们表明，由PRODH/POX介导的重编程涉及到随后提供抗氧化保护和延长寿命的基因。在另一个实验室涉及脂肪组织的代谢系统中，衰老会导致血流量减少和营养不良[27^▪▪]. 脂肪甘油三酯脂肪酶的诱导可提供补充营养并防止细胞凋亡。必要的环节是通过AMPK诱导PRODH/POX，并通过PRODH/PO_X衍生的ROS通过叉头盒蛋白O1（FOXO1）的核移位诱导脂肪甘油三酯脂肪酶[27^▪▪]. 这种连锁的特异性表现为不能通过抑制NADPH氧化酶或一氧化氮合酶来阻断信号传导[27^▪▪]. 第三种模型涉及胚胎干细胞（ESCs）发育中的重编程。华盛顿报道了第一次观察结果等。[28]在墨尔本的J.Rathjen实验室，这得到了Casalino的证实等。[29]在那不勒斯。这两个实验室都表明，向Dulbecco的最低基本培养基中添加脯氨酸（通常无脯氨酸）可以使ESC保持其多能性或稳定转化到早期阶段。后续研究[30^▪▪]来自那不勒斯组的研究表明，脯氨酸的添加诱导了ESC向间质样状态的转化，并诱导了涉及H3K9和H3K36的全局组蛋白甲基化。最近的研究表明，帕金森病中的调节蛋白、帕金森蛋白7（PARK7）和头颈部、食道和胰腺肿瘤中的口腔癌过度表达1（ORAOV1）与P5C还原酶特异性结合，这表明它们的作用是由于脯氨酸代谢轴的调节[31^▪,32^▪▪]. 这些是有趣的发现，不仅证实了脯氨酸轴在代谢表观遗传学中的作用，而且转录因子的激活可能通过PRODH/POX生成的ROS发生。

胶原蛋白和脯氨酸代谢

基质对肿瘤发展的影响是众所周知的。然而，在对肿瘤代谢及其影响进行严格的重新检查之前，就提出了这些机制。尽管如此，还是强调了ECM的动态性质和胶原蛋白所起的主要作用。胶原蛋白I占所有胶原蛋白的80-90%，是人体中含量最丰富的蛋白质，接近25%。因此，ECM中的胶原蛋白是脯氨酸的微环境贮存器（图。​（图1），1)类似于葡萄糖中的糖原和脂肪组织中的脂肪酸。此外，各种肿瘤具有与胶原蛋白相关的特殊特征。例如，众所周知，乳腺癌会产生大量的胶原蛋白，其中包裹着肿瘤细胞。释放到腹腔的卵巢癌细胞被胶原蛋白包裹，这是保护这些细胞免受化疗影响的一个特征[33]. ECM微环境中产生的黑色素瘤也会产生大量胶原蛋白[34]. 多种肿瘤类型的优先骨转移表明，微环境中的某些东西有利于肿瘤生长。

胶原的调节降解

ECM中的胶原蛋白是动态的，并在各种影响的控制下发挥调节作用。将胶原蛋白裂解为隐秘肽，释放结合的预制细胞因子，打破物理限制，与肿瘤细胞的物理调节相互作用，所有这些都是以前提出的发挥调节作用的。然而，脯氨酸作为一种独特的代谢底物的释放以及这种代谢的调节功能尚未被视为胶原蛋白代谢的功能。胶原蛋白降解释放的脯氨酸可以是能量来源，是其他氨基酸的前体，也是氧化还原信号的调节来源。在伤口愈合过程中的重塑过程中，胶原蛋白被降解。同样，金属蛋白酶的诱导与血液供应减少、缺氧以及伴随的营养剥夺有关。使用二次谐波显微镜的研究表明，肿瘤异种移植物中缺氧区域的胶原蛋白含量降低[35]. 金属蛋白酶也被用作恶性转化的标记物，特别是基质金属蛋白酶9[36]. 最近的研究表明，肿瘤内皮标志物8（TEM8）是一种在肿瘤中表达但在正常内皮细胞中不表达的基因产物，参与了胶原蛋白的转换[37]. 在TEM8基因敲除小鼠中，各种组织中的胶原蛋白显著增加。在缺乏氨基酸的细胞中，TEM8的表达显著增加。因此，当细胞氨基酸缺乏时，TEM8可能是一种挖掘胶原蛋白库的机制[38].

胶原合成的代谢功能

胶原蛋白的形成和降解在代谢调节中可能很重要。还原电位从NADH或NADPH转移到P5C以形成脯氨酸提供了氧化还原稳态的机制。在组织培养中，细胞通过氧化糖酵解代谢葡萄糖，乳酸被释放到培养基中以再生NAD⁺作为甘油醛脱氢酶的辅因子。在较小程度上，组织培养细胞产生并释放游离脯氨酸。同样，在代谢减少潜力过大的情况下，如摄入乙醇，胶原蛋白合成也会上调。脯氨酸与胶原蛋白的结合将其从代谢池中清除。因此，通过将胶原蛋白用作减少脯氨酸当量的“垃圾”，肿瘤可以优化代谢和生长条件。

脯氨酸和谷氨酰胺的营养比较

非必需氨基酸脯氨酸和谷氨酰胺在代谢上密切相关，但它们具有不同的生理功能。谷氨酰胺是人体内最丰富的游离氨基酸。在吸收后状态下，它在肌肉中由饮食蛋白质降解产生的氨基酸合成。内源性脯氨酸主要由谷氨酰胺合成，在细胞信号传递中起重要作用。在正常的代谢调节下，脯氨酸被并入胶原蛋白中，胶原蛋白是体内最丰富的蛋白质。这种脯氨酸库是代谢应激条件下氨基酸和能量的来源。

结论

对脯氨酸调节轴的研究最初强调了细胞凋亡和自噬的机制。PRODH/POX与线粒体电子传递链的连接促进了ATP的形成和ROS的生成。脯氨酸生物合成酶的上调c-MYC公司增加脯氨酸来影响这种调节功能以及蛋白质合成的底物。调节轴也适用于许多其他代谢系统，包括功能失调胰岛素/IGF信号传导的生存效应、代谢应激诱导脂肪甘油三酯脂肪酶、，帕金森病患者干细胞特性和PARK 7功能的调节，以及头/颈部、食道和胰腺侵袭性肿瘤患者ORAOV1功能的调节。本文综述的最新研究表明，谷氨酰胺对肿瘤细胞的重要性至少部分归因于其对脯氨酸的转化和脯氨酸调节轴的激活。谷氨酰胺是蛋白质代谢的转运载体。另一方面，脯氨酸不仅是一种调节底物，而且这些调节功能也可以来源于胶原蛋白，胶原蛋白是细胞外基质中脯氨酸的贮存器和/或倾卸物。

致谢

这项工作得到了NIH、国家癌症研究所、癌症研究中心的院内研究计划的支持。该项目的部分资金来自美国国立卫生研究院国家癌症研究所，合同编号为HHSN27612080001。

参考和建议阅读

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参考文献