癌细胞碳源代谢及其调控

摘要

I.简介

正常的细胞生理学需要充足的还原碳源来生成ATP、构建模块和降低功率。肿瘤细胞的快速增殖增加了这些基本需求，这反过来要求加速碳源的利用。然而，实体瘤经常超出血液供应，导致碳源、氮源和分子氧不足。一种众所周知的适应性策略是血管生成，肿瘤相关血管生成的异质性导致血流分布不均，从而导致实体肿瘤中的缺血性病变。因此，细胞水平的营养不足代谢适应对肿瘤的进展和侵袭至关重要。肿瘤细胞代谢的两个显著特征是Warburg效应和谷氨酰胺分解，这两个特征分别说明了肿瘤细胞对葡萄糖和谷氨酰胺的依赖性。

与反映葡萄糖厌氧发酵的巴斯德效应不同，沃伯格效应被定义为即使在有足够氧气的情况下，肿瘤细胞的葡萄糖消耗和乳酸分泌也会增加。¹根据实验数据，Warburg提出癌细胞中的葡萄糖利用从氧化磷酸化转变为糖酵解。¹Warburg效应成功地引起了癌症生物学家对癌细胞中葡萄糖代谢的关注。随着成像技术的应用，在各种癌症细胞系中观察到葡萄糖摄取增加¹⁸氟脱氧葡萄糖（FdG）正电子发射断层扫描（PET），Warburg效应已被公认为多种癌症的普遍代谢特征。^2,三

自20世纪50年代以来，谷氨酰胺被认为是培养细胞的重要营养素。在各种类型的肿瘤中都观察到谷氨酰胺分解增强。一般认为，通过谷氨酰胺水解，谷氨酰胺提供了另一种还原碳源，促进大分子的生物合成、能量生产和氧化还原维持。^4–8

在这里，我们回顾了癌细胞中的碳源代谢，重点是最近的文献，这些文献提高了我们对不同类型碳源如何满足癌细胞生存、生长和增殖的需求的理解。我们总结了致癌途径如何通过重新编程基因转录或改变代谢酶的活性来调节碳源利用，并讨论了癌细胞如何感知和响应葡萄糖可用性的变化。

二、。碳源类型和生理作用

人类细胞利用三种有机分子作为碳源：碳水化合物、氨基酸和脂类。细胞增殖决定了细胞成分中ATP和有机分子的生成，以及碳源中NADPH形式的还原能力。尽管细胞对碳源的利用体内这是一个相当复杂的问题，细胞培养模型的建立简化了支持细胞生存和增殖的营养需求分析。脂肪酸可直接用于磷脂的生物合成或乙酰辅酶A的生产，乙酰辅酶A可用于ATP的生产或生物合成。人们普遍认为，在细胞增殖过程中，所有细胞都可以合成脂肪酸以满足生物膜生物合成的需要，而乙酰辅酶A可以从碳水化合物和氨基酸中获得。因此，毫不奇怪，细胞培养基中不需要脂肪酸。在优化的细胞培养基中，除了必需的营养素外，还添加了大量的葡萄糖和谷氨酰胺。值得注意的是，虽然通常添加动物血清以满足生长激素的需要，但它们也包含葡萄糖、谷氨酰胺、脂肪酸和其他营养素。当透析血清用于研究时，已经表明大多数细胞类型都绝对需要葡萄糖和谷氨酰胺，⁹这表明每种药物在支持细胞增殖方面都起着不可或缺的作用。因此，葡萄糖和谷氨酰胺是生物体水平上的两种非必需营养素，对大多数培养的细胞来说都是必不可少的体外.

快速回顾不同类型碳源的生化和代谢特征可能有助于我们了解它们的重要性及其在癌细胞代谢中的独特作用(图1). 为了便于讨论，我们列出了与葡萄糖和谷氨酰胺作为碳源的利用有关的主要酶（包括转运体）表1进入细胞后，大多数葡萄糖被磷酸化形成葡萄糖-6-磷酸（G6P），这是多种代谢途径的底物，包括糖酵解和戊糖磷酸途径。通过连续糖酵解和丙酮酸脱氢，葡萄糖提供乙酰辅酶A，可用于生物合成或通过三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化生成ATP。即使在缺氧条件下，葡萄糖也可以通过发酵支持ATP的生成。通过戊糖途径，葡萄糖满足NADPH的需要。ATP、乙酰辅酶a、NADPH和糖酵解的其他中间代谢产物、磷酸戊糖途径和TCA循环满足了各种生物分子生物合成的需求，包括非必需氨基酸、脂肪酸和核苷酸。另一方面，脂肪酸的使用仅限于被氧化为乙酰辅酶A，乙酰辅酶A可用于生成ATP或参与生物合成。因此，在代谢方面，葡萄糖是一种多功能的还原碳源，应该足以满足细胞对碳的所有需求。除了碳水化合物和脂类，氨基酸是另一种碳源。特别是，谷氨酰胺通过谷氨酰胺水解和随后的谷氨酸转化为α-酮戊二酸来提供碳。鉴于谷氨酰胺和谷氨酸在氮合成代谢中的作用，不难理解它们在细胞培养系统中的重要性。⁹那么，为什么最终分解为α-酮戊二酸的谷氨酸不能直接用于细胞培养以取代谷氨酰胺？一个明显的解释可能是，细胞没有有效的转运蛋白来吸收足够数量的谷氨酸。事实上，细胞需要在细胞内维持高水平的谷氨酸。除了作为通过各种转氨反应平衡氨基酸库的中心枢纽外，谷氨酸还需要用于需要氮的多种生物合成途径。谷胱甘肽和多胺的生物合成是两个相当重要的例子。在进入TCA循环时，谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸可能最终形成许多有机代谢物；一些可作为NADPH生成的底物。¹⁰然而，在存在葡萄糖和戊糖途径的情况下，这种功能并不能证明其对细胞增殖的重要性。理论上，谷氨酰胺水解产生的α-酮戊二酸可以用于糖异生，也可以通过补体途径转化为其他有机分子。然而，在大多数情况下，谷氨酰胺不能支持无葡萄糖培养基中的细胞增殖，这表明谷氨酰胺分解代谢产生的碳不能完全取代葡萄糖。此外，补充细胞内α-酮戊二酸或草酰乙酸水平也不能拯救细胞在无谷氨酰胺介质中的生长。⁹如果提供了在细胞中生成谷氨酸的替代途径，细胞就能够在无谷氨酰胺的介质中生长，这表明谷氨酰胺分解代谢产生的碳对细胞增殖不是绝对必要的。因此，虽然谷氨酰胺水解提供了另一种碳源，但其在支持细胞增殖中的重要作用可能是谷氨酸的前体，因此参与各种氮合成代谢途径。

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图1

癌细胞的主要碳源类型概述。A.葡萄糖是一种通用的碳源，可以满足所有细胞对碳的需求。葡萄糖-6-磷酸（G6P）来源于葡萄糖，是多种代谢途径的常见底物。具体而言，由G6PD活性调节的戊糖磷酸途径（PPP）负责NADPH、核糖和其他生物合成代谢产物的生成。由PFK1活性调节的糖酵解生成丙酮酸，丙酮酸可以氧化为乙酰辅酶A，也可以还原为乳酸。丙酮酸、乙酰辅酶A和糖酵解途径的其他代谢物可用于生物合成。B.脂肪酸作为碳源的功能仅限于生成乙酰辅酶a，乙酰辅酶a可用于氧依赖性、电子传递链依赖性ATP生成或某些生物合成途径。请注意，脂肪酸可直接用于磷脂的生物合成。C.谷氨酰胺（Gln）是谷氨酸的前体；谷氨酸和谷氨酰胺在需要氮的合成代谢途径中都有重要作用，包括合成核苷酸、蛋白质、谷胱甘肽、血红素、多胺和非必需氨基酸。重要的是，通过转氨或氧化脱氨，谷氨酸可以转化为α-酮戊二酸（α-KG），将氨基酸代谢与碳源代谢联系起来。通过进入Krebs循环，α-KG可以被直接氧化为能源，或用于补体反应，并转化为苹果酸和异柠檬酸等其他代谢物，这些代谢物可用于生成NADPH。在某些类型的细胞中，α-KG可以通过葡萄糖异生转化为G6P。如果Gln转化为葡萄糖的效率足够高，理论上Gin应该能够取代葡萄糖作为通用碳源。

三、 碳源利用的均衡调节

人们普遍认为，肿瘤细胞需要更多、无中断的能量供应来支持其生存、生长和增殖。与正常细胞一样，肿瘤细胞持续监测细胞内ATP水平，并相应地调节碳源的氧化。生物能量过程由ATP和ADP水平的变化进行稳态调节，这在大多数生物化学教科书中都有详细说明。在真核细胞中，ATP和ADP的浓度远高于AMP；ATP水平的轻微下降导致AMP水平的显著变化。因此，AMP浓度的变化是能量状态更敏感的指标。因此，AMP-activated protein kinase（AMPK）通路在这一过程中起着非常关键的作用。当细胞ATP水平较低时，AMP浓度增加，从而变构激活AMPK。增加AMP水平也可以保护磷酸化的AMPK免于去磷酸化。^11–15激活的AMPK通过协调重编程几个细胞过程来提高ATP水平。首先，AMPK抑制脂肪酸、胆固醇、糖原和蛋白质的生物合成，从而节省能源并将更多碳源转移到ATP生产中。^16–19第二，AMPK激活刺激分解代谢途径以增加ATP生成；AMPK激活许多参与糖酵解和脂肪酸氧化的分解代谢酶。^20,21第三，AMPK激活还可以导致Gl期细胞周期停滞，并阻止进入需要大量ATP的S期。²²据报道，在正常肌细胞和脂肪细胞中，AMPK与胰岛素信号通路协同作用，促进葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）的易位²³从长期来看，GLUT4的表达。²⁴通过增加转录辅活化因子PGC-lα，AMPK也可以上调线粒体的生物发生，²⁵促进ATP生成和细胞适应。AMPK途径通过增强ATP的生成和抑制ATP的消耗，精细地维持肿瘤细胞的能量平衡。

对于所有类型的细胞，还原力和氧化力之间的平衡对于正常细胞功能至关重要。在大多数情况下，分子氧作为最终的电子受体，是细胞中的主要氧化力。NADPH和谷胱甘肽（GSH）是起还原作用的两个重要分子。NADPH通过向氧化的谷胱甘肽（GSSG）提供电子，保持[GSH]/[GSSG]的稳态比率。NADPH和GSH协同保护酶和细胞结构免受自由基或非自由基活性氧（ROS）的损伤。尽管电离和紫外线被认为是自由基或活性氧的外源性来源，但线粒体氧化磷酸化过程中氧的不完全还原是活性氧的主要内源性来源。此外，其他氧化还原酶如NAD（P）H氧化酶和黄嘌呤氧化酶催化的氧化也可能产生ROS。²⁶鉴于充足水平的活性氧具有多种生物功能，从信号转导到基因表达调控，²⁷高水平的活性氧会对包括DNA、蛋白质和脂质在内的大分子造成损害。²⁸最近有报道称，活性氧还可以激活蛋白激酶Cδ（PKCδ）来刺激衰老²⁹并通过渗透线粒体触发细胞色素c的释放，^30,31最终导致细胞凋亡。最后，NADPH作为电子供体在还原性生物同步反应中的作用已经得到了很好的证实。

[NADPH]/[NADP+]的比率通过氧化还原碳源动态保持。在代谢方面，NADP+可以通过几种方式转化为NADPH：（1）磷酸戊糖途径，氧化磷酸化葡萄糖G6P；（2） 苹果酸酶1（ME1）以苹果酸为底物催化的反应；¹⁰谷氨酸脱氢酶催化谷氨酸氧化；（4）异柠檬酸脱氢酶1和2（IDH 1和2）在胞浆中催化异柠檬酸转化为α-酮戊二酸的反应，最近发现该反应使用NADP+作为辅因子，生成NADPH。³²人们普遍认为，直接以G6P为底物的戊糖途径是一种普遍且最重要的机制。因此，该途径由细胞溶质NADPH水平进行稳态调节。戊糖磷酸途径（PPP）的速率限制酶是葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD），它催化PPP的两个氧化步骤中的第一个。NADPH的增加可抑制G6PD活性，这是一种负反馈机制。

碳源的另一个主要需求是生物膜的生物合成和维护，这需要磷脂和甾醇的合成。磷脂的生物合成需要脂肪酸、胆固醇和3-磷酸甘油酯的合成。脂肪酸和胆固醇生物合成的调控已被广泛研究，主要是在脂肪生成背景下的肝细胞和脂肪细胞中。这个从头开始甾醇的合成受甾醇调节元件（SRE）和SRE-结合蛋白（SREBP）的控制。SREBP是一个膜结合转录因子家族。正常情况下，SREBP插入内质网（ER）的膜中，与SREBP裂解激活蛋白（SCAP）结合，SCAP是SREBP和固醇传感器的护卫者。当细胞内固醇水平较低时，SREBP迁移到高尔基体，在那里SREBP被SCAP激活的位点1和位点2蛋白酶（S1P和S2P）裂解。然后，分裂的SREBP进入细胞核，作为转录因子上调30多个基因的转录；其中大多数参与胆固醇、脂肪酸、磷脂和三酰甘油的合成或摄取。³³核激素受体肝X受体（LXRα和LXRβ）与类视黄醇X因子（RXR）相互作用，并作为异二聚体转录因子发挥作用。³⁴为了应对胆固醇尤其是氧甾醇的增加，LXR/RXR二聚体与LXR反应元件（LXRE、AGGTCAnnnnAGGTCA）结合，上调SREBP-lc、ChREBP和脂肪生成相关基因的表达。³⁵最后，已知过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARα、-β、-γ）也可调节葡萄糖和脂质的利用。³⁶然而，尚不清楚这些脂肪生成的调节机制是否完全或部分用于细胞分裂过程中生物膜的生成。肿瘤细胞在细胞增殖过程中如何感知脂肪酸和3-磷酸甘油酯的水平也是一个有趣的问题。

最后，一些非必需氨基酸，包括谷氨酰胺、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨酸，在活跃增殖的细胞中大量需要。这些氨基酸要么富含蛋白质，要么是核苷酸、血红素和其他含氮分子生物合成所必需的。谷氨酰胺满足癌细胞对谷氨酰胺和谷氨酸的需求。丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨酸的生物合成需要以中间代谢物形式提供碳骨架，如丙酮酸、草酰乙酸和3-P-甘油酸。合成这些重要代谢物所需的主要酶在表1也。

四、 肿瘤细胞碳源代谢的转录调控因子

因为癌细胞增殖需要DNA、RNA、蛋白质和生物膜的合成，所以致癌转化应该能够促进减少碳源的利用。此外，有理由认为致癌信号通路应协调ATP、NADPH、乙酰辅酶A和其他有机代谢物的生成，这些是非必需氨基酸、核苷酸和磷脂生物合成所需的。因此，可以预测致癌转化与代谢重编程有关，这是一个基本过程，至少部分通过参与代谢的基因的转录重编程实现。大量研究表明许多转录因子参与了肿瘤细胞基因表达的重编程。

HIF-1是调节许多基因在低氧条件下表达的主要转录因子。HIF-1是由组成性表达的HIF-1β（也称为ARNT）和功能决定因子HIF-1α组成的异二聚体。在有氧的情况下，HIF-1α被氧活化的脯氨酰羟化酶羟基化，然后被E3泛素连接酶抑癌基因von Hippel-Lindau（VHL）识别，最后被蛋白酶体降解。³⁷HIF-1可以上调许多基因的转录，促进葡萄糖利用(表2)例如葡萄糖转运蛋白1（GLTU1）和糖酵解酶，包括乳酸脱氢酶A（LDH A），它们将丙酮酸转化为乳酸。^38–40为了促进细胞对发酵增加引起的酸中毒的适应，HIF-1增强碳酸酐酶CAIX和乳酸/H的表达⁺同向转运体MCT4。^41,42除了促进糖酵解途径外，HIF-1还激活丙酮酸脱氢酶激酶（PDK1），使线粒体丙酮酸脱氢酶复合物失活。⁴³因此，HIF-1激活抑制丙酮酸生成乙酰辅酶A，减缓克雷布斯循环，并间接抑制氧化磷酸化。

转录因子c-Myc与许多人类癌症有关。⁴⁴c-Myc上调的基因也有助于促进肿瘤细胞的糖酵解表型(表3). 已经证实，许多糖酵解酶的表达，如GLUT1、己糖激酶2（HK2）、磷酸果糖激酶（PFKM）和烯醇化酶1都受到c-Myc的刺激。^45–47由于HIF-1也上调了这些糖酵解酶，可以推断c-Myc和HIF-1在功能上是相关的，并且相互作用以调节各种条件下的葡萄糖代谢。除了这些直接参与糖酵解的酶外，c-Myc和HIF 1还可以增强乳酸脱氢酶（LDH）的表达，从而促进乳酸形成和NAD+再生。另一方面，它们通过上调丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）抑制线粒体氧化磷酸化，PDK1磷酸化并抑制丙酮酸酶（PDH），减少丙酮酸进入TCA循环。⁴⁶

作为一种肿瘤抑制因子和转录调节因子，p53因其在生长抑制、DNA损伤反应和凋亡中的作用而广为人知。⁴⁸最近的研究表明，它也是细胞代谢的重要调节器。^49,50活性p53有助于促进氧化磷酸化和减缓糖酵解。野生型p53通过降低GLUT1和GLUT4的表达抑制葡萄糖摄取。据报道，p53增加细胞色素c氧化酶2（SC02）的表达，SC02是组装线粒体电子传递链所需的酶。⁵¹作为p53的靶基因，TP53诱导的糖酵解和凋亡调节剂（TIGAR）降低了果糖-2,6-二磷酸的水平，果糖-2，6-二磷酸是糖酵化途径的关键调节酶磷酸果糖激酶1（PFK1）的变构刺激物。^52,53考虑到p53对葡萄糖利用的抑制作用，以及p53突变在许多肿瘤中的高发病率，p53突变可能不仅促进恶性转化和肿瘤发生，而且促进肿瘤细胞中碳利用的改变。

p53和c-Myc都调节氨基酸的利用。作为一种癌基因，c-Myc已被证明能促进肿瘤细胞中谷氨酰胺的分解代谢。在谷氨酰胺利用过程的开始，肿瘤细胞需要谷氨酰胺转运蛋白来摄取谷氨酰胺。谷氨酰胺进入细胞后，首先通过谷氨酰胺酶催化的谷氨酰胺水解过程水解。已有研究表明，c-Myc的敲除显著降低了高亲和力谷氨酰胺转运体ASCT 2和SN2的表达，表明c-Myc在谷氨酰胺摄取中具有重要作用。⁵⁴此外，据报道，c-Myc通过抑制miR-23a/b的表达来激活谷氨酰胺分解，miR-23a是一种直接靶向谷氨酰胺酶1（GLS）的微RNA。⁵⁵另一方面，作为肿瘤抑制剂，p53上调谷氨酰胺酶2（GLS2）。^56,57虽然谷氨酰胺酶1和2的差异调节的生物学意义尚不明确，但谷氨酰胺酶2的上调与肿瘤细胞代谢更密切相关。

V.致癌途径促进肿瘤细胞碳源利用

细胞增殖需要协调生产能量、还原当量和积木。⁵⁸这种协调主要由特定转录因子的激活或失活引起的转录重编程控制。因此，认识到致癌信号通路可以调节转录因子，并最终促进碳源利用，呈现肿瘤细胞独特的代谢特征，如Warburg效应和活性谷氨酰胺分解，这并不奇怪。⁹在多种致癌信号通路中，PI3K-AKT和MAPK是人类肿瘤中最常见的两种激活途径。

PI3K-AKT信号通路是一个具有多种生理功能的关键级联，如调节细胞存活、增殖、运动以及促进新陈代谢和血管生成。^59,60众所周知，在生理条件下，胰岛素激活PI3K-AKT通路。在肿瘤中，其他刺激可能以胰岛素不依赖的方式激活该途径；PI3K-AKT通路的组成性激活诱导肿瘤发生。⁶¹此外，维持PI3K-AKT通路的激活有助于肿瘤细胞代谢与细胞快速生长的协调。PI3K-AKT途径通过生长因子或胰岛素与受体酪氨酸激酶（RTK）的结合而激活。^59,61除了配体结合外，肿瘤抑制性磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）的突变也导致PI3K-AKT通路的激活。⁶²

AKT，也称为蛋白激酶B（PKB），在肿瘤细胞代谢中起着核心作用。激活的AKT磷酸化并灭活TSC2，从而激活Rheb GTPase，该酶直接激活雷帕霉素复合物1（mTORCl）的哺乳动物靶点，这是重新编程肿瘤细胞转录和代谢的重要因素。⁶³特别是活化的mTORCl导致HIF-1α的积累，⁶⁴导致HIF应答基因上调，如GLUT1、HK2和LDH。⁶⁵葡萄糖摄取增加和HK2活性促进肿瘤细胞将葡萄糖捕获为葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸是包括糖酵解和戊糖磷酸途径在内的多种代谢途径的底物。⁶⁴此外，AKT增强磷酸果糖激酶-2（PFK2）的转录⁶⁶直接磷酸化并激活PFK2。⁶⁷PFK2产物果糖-2,6-二磷酸导致PFK1的变构活化，从而增加糖酵解流量。PI3K-AKT-mTORCl信号通路的激活诱导HIF-1α的表达，进而通过与c-Myc-hnRNPs剪接调控因子的协同作用增强丙酮酸激酶同工酶M2型（PKM2）的表达。⁶⁸PKM2和其他糖酵解酶的增加会增强有氧糖酵分解。⁶⁸最后，活化的AKT通过上调GLUT1、GLUT2的表达和/或GLUT4向质膜的转运来增强葡萄糖摄取。^69,70AKT还协调碳源代谢，促进脂质合成。mTORCl积累HIF-1α导致ATP-柠檬酸裂解酶（ACL）上调，该酶将柠檬酸从TCA循环中分离出来，在胞浆中生成乙酰辅酶A，可用于合成脂肪酸和胆固醇。¹¹此外，AKT可能通过直接磷酸化激活ACL。⁷¹研究表明，PI3K-AKT-mTORCl可通过增强SREBP从内质网向高尔基体的转运来激活SREBP，并随后促进蛋白水解过程以产生其活性形式。^72,73此外，据报道，PI3K-AKT可增加脂肪酸合成酶（FASN）的表达，以促进前列腺癌细胞系和原发肿瘤中脂肪酸的合成。^74,75MAPK信号通路在细胞代谢调节中至关重要。它通过包括MAPKKK、MAPKK和MAPK在内的激酶级联的顺序磷酸化/激活而被激活。⁷⁶最终，活化的MAPK磷酸化靶蛋白以执行生物功能。已报道了四种哺乳动物MAPK信号通路：细胞外信号调节激酶1和2（ERK1/2）、c-Jun N末端激酶（JNK）、p38和ERK5。⁷⁷据报道，MAPK可调节一系列细胞过程，如细胞存活、分化、增殖、运动和应激反应。^78–80在人MCF-7乳腺癌细胞中，MAPK抑制剂PD98059减少胰岛素诱导的葡萄糖摄取并抑制肿瘤细胞增殖。⁸¹在模拟T淋巴细胞中，ERK1/2通过增加HK的表达和活化，诱导葡萄糖摄取和糖酵解。⁸²p44/p42 MAPK还通过增强HIF-p300/CBP复合物的形成来调节HIF转录激活。^83,84此外，据报道ERK1/2磷酸化TSC2，导致TSC1-TSC2复合物的离解和mTOR信号通路的激活。⁸⁵激活的mTOR磷酸化控制翻译的S6K和4E-BP1。^59,72由于mTOR在代谢中的关键作用，有人认为MAPK可能通过激活mTOR来控制肿瘤细胞的代谢。ERK1/2还调节活化T淋巴细胞对谷氨酰胺的摄取和代谢。⁸⁶CD28激活ERK1/2可诱导增加谷氨酰胺摄取的SNAT（SLC38）转运蛋白家族的表达。⁸⁶此外，ERK1/2通过增加谷氨酰胺酶、谷氨酰胺脱氢酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶和谷氨酸丙酮酸转氨酶的活性，协调谷氨酰胺摄取和谷氨酰胺代谢。⁸⁶谷氨酰胺成瘾和谷氨酰胺水解活性是高增殖肿瘤细胞的代谢特征。⁹MAPK在人类肿瘤中的组成性激活表明它可能参与谷氨酰胺代谢。此外，由MKK6/3激活的p38 MAPK已被证明通过增强GLUT的表达促进葡萄糖转运，1而不受刺激。⁸⁷除这些因子外，PI3K-AKT和ERK1/2已被报道上调肿瘤细胞中c-Myc的表达，^88,89它控制参与葡萄糖或谷氨酰胺代谢的酶的表达和活性。因此，c-Myc也被认为会导致Warburg效应或活性谷氨酰胺解。^90–92

六、 肿瘤细胞对葡萄糖利用率的适应性代谢

尽管致癌转化可能促进肿瘤细胞对葡萄糖的利用，但葡萄糖的可用性可能会改变肿瘤细胞的代谢。正常细胞通过调节葡萄糖转运蛋白活性、己糖激酶活性以及碳代谢途径中其他酶的活性来响应葡萄糖浓度，具体取决于细胞类型。这些反应通常由细胞外葡萄糖浓度直接触发，或由葡萄糖稳态激素（包括胰岛素、胰高血糖素和肾上腺素）间接触发。激素受体、葡萄糖转运蛋白和同工酶的组织特异性表达形成了正常细胞对葡萄糖波动的组织特异反应的生物基础。激素介导的系统反应已被广泛研究；一个新兴的概念是，对葡萄糖可用性的生理反应也发生在细胞水平。虽然在细胞水平上葡萄糖传感的确切机制尚不明确，但已发现两种转录复合物调节基因表达以响应高浓度葡萄糖：MondoA:Mlx和MondoB:Mlx。碱性螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链（bHL-HZip）二聚体转录因子MondoA:Mlx复合物根据细胞内葡萄糖浓度在外线粒体膜（OMM）和细胞核之间穿梭。^93,94当细胞内葡萄糖水平增加时，MondoA:Mlx复合物迁移到细胞核并上调其靶基因，总结如下表4MondoB也称为碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）；最初确定它与碳水化合物反应元件（ChoRE）发生物理相互作用。ChoRE首先在参与糖酵解和脂质代谢的许多啮齿动物基因中发现，如L型丙酮酸激酶（LPK）和乙酰辅酶a羧化酶（ACC）。^95–97基于这些DNA基序，对ChREBP进行了鉴定。^98,99Ma等人的出色工作表明，在对高糖的反应中，MondoB:Mlx在刺激肝脏中的葡萄糖敏感基因方面发挥着重要作用。¹⁰⁰而MondoA和MondoB上调了重叠的基因库，以应对高糖水平(表5)，它们的组织类型特异性表达不同。MondoA在骨骼肌中高表达，而MondoB在肝脏中高表达。^101,102一贯地，敲除Mondo B会损害小鼠肝脏的脂肪生成。¹⁰³对上调基因功能的分析表明，MondoA:Mlx和MondoB:Mlx介导的转录重编程导致葡萄糖的分解代谢增强，葡萄糖对碳合成代谢的利用增强，但葡萄糖摄取减少。这些反应明显代表适应性代谢改变。低浓度葡萄糖的转录重编程尚未得到广泛研究。如前所述，AMP-activated protein kinase（AMPK）通路是一种重要的能量传感器。葡萄糖剥夺后ATP:AMP比率的任何降低都可能触发AMPK，而AMPK反过来又抑制生物合成活动。当葡萄糖缺乏持续时，AMPK可以进一步作为细胞周期的内在调节器，协调细胞增殖与碳源可用性。为了应对葡萄糖缺乏，激活的AMPK与cAMP反应元件结合蛋白（CREB）协作转录调节p53的表达，p53是一种众所周知的细胞增殖抑制因子。^22,104,105AMPK还可以通过磷酸化结节性硬化复合物蛋白2（TSC 2）抑制mTOR信号通路，TSC 2是mTOR的负调控因子。mTOR通路的失活有助于保护肿瘤细胞在缺糖条件下免受凋亡。¹⁹AMPK还通过诱导抑制促凋亡细胞外信号调节激酶（ERK）的双特异性磷酸酶（DUSP）部分保护肿瘤细胞。¹⁰⁶在前列腺癌细胞中，葡萄糖剥夺激活c-Jun N末端激酶（JNK），可促进早期细胞存活，诱导晚期细胞凋亡，AMPK信号通路是JNK双重功能的关键调节器。¹⁰⁷在结直肠癌细胞中，葡萄糖剥夺诱导脂联素受体表达增加，脂联素通过激活AMPK和PPARα而增强自噬，但抑制PI3K-AKT通路，从而促进细胞存活。¹⁰⁸除了激活AMPK信号通路外，葡萄糖剥夺还诱导AMPK非依赖性反应。据报道，一些基因通过AMPK非依赖性机制被低血糖触发。据报道，在MCF-7细胞中，葡萄糖缺乏会减少胶原蛋白的合成，胶原蛋白是细胞外基质的主要成分。¹⁰⁹卵泡抑素传统上被认为是一种分泌蛋白，可灭活细胞外激活素、肌肉抑制素和骨形态发生蛋白，据报道，该蛋白通过抑制细胞rRNA合成，在缺乏葡萄糖的条件下促进癌细胞存活。^110–113葡萄糖缺乏也会刺激O（运行）-GlcNaA通过上调O（运行）-已链接N个-乙酰氨基葡萄糖转移酶，可能在营养传感中起作用。^114–116在蛋白质水平上，葡萄糖缺乏通过泛素-蛋白酶体途径导致Chkl降解，泛素-蛋白质体途径是DNA复制检查点的关键调节器。¹¹⁷

七、。展望与结论

碳源利用是细胞增殖和肿瘤生长的基础。Warburg效应是大多数肿瘤细胞最明显的生化特征。尽管发现它已有80多年的历史，但其在肿瘤进展中的生物学作用仍不明确。将糖酵解作为产生ATP的主要方式似乎对肿瘤细胞与周围正常细胞竞争碳源是不利的。一种提出的解释是，糖酵解中产生的代谢产物有助于快速的碳合成代谢，如非必需氨基酸和脂质的生物合成，以满足肿瘤细胞生长和增殖日益增加的需求。在厌氧条件下，发酵需要再生氧化的NAD+，因此发酵可以继续提供ATP。化学计量分析表明，所有进入氧化相的甘油醛-3-磷酸分子最终都需要还原为乳酸，以维持NAD+和NADH之间的平衡。因此，如果Warburg效应为生物合成提供代谢物，代谢物仅限于进入糖酵解氧化阶段之前的可用代谢物。另一种解释表明，乳酸生成增加会导致肿瘤微环境中的酸中毒，这有利于肿瘤转移和侵袭，并有助于清除周围的正常细胞。¹¹⁸然而，将肿瘤转移和侵袭视为肿瘤细胞对抗酸中毒不利微环境的适应性结果也是同样有效的。最后，乳酸的形成可能只是抑制肿瘤细胞氧化磷酸化的次要结果，这代表了肿瘤细胞使用丙酮酸代替分子氧作为氧化力的有趣偏好。需要进一步研究和系统分析肿瘤细胞中的碳代谢网络，以了解肿瘤细胞中Warburg效应的病理生物学意义。

考虑到碳代谢网络的复杂性，葡萄糖和谷氨酰胺都可能是NADPH生成的最终底物(图1). 然而，当谷氨酰胺碳骨架进入PPP时，它需要一个回复过程，然后是糖异生；其效率可能受到细胞类型特异性代谢特征的限制。通过ME1-或IDHl-2催化反应生成NADPH需要通过克雷布斯循环的合成功能将谷氨酰胺转化为苹果酸或异柠檬酸；这些反应在癌细胞中的效率可能不同。同样，谷氨酰胺形成甘油-3-磷酸以生物合成膜磷脂需要Krebs循环的合成功能和通过草酰乙酸-PEP途径的甘油生成。细胞利用α-酮戊二酸作为底物生成NADPH和甘油-3-磷酸的效率低下，这可能是谷氨酰胺不能完全补偿大多数细胞类型中葡萄糖作为碳源的缺乏的主要原因。⁹这些假设尚待检验。

理论上，葡萄糖可以满足细胞对碳源的需求，但谷氨酰胺的去除会阻止细胞培养模型中大多数类型细胞的生长。⁹对碳代谢途径关键酶的分析表明，谷氨酰胺饥饿会抑制其表达，表明谷氨酰胺缺乏会抑制葡萄糖的利用。⁹由于α-酮戊二酸不能总是挽救谷氨酰胺饥饿引起的葡萄糖利用抑制，因此氮源的有限可用性可能会抑制碳源的利用(图1). 细胞如何感知氮源的可用性并协调调节碳源的利用仍有待研究。特别是，肿瘤细胞中氮源和碳源的协调利用可能成为与化疗和放疗相结合的癌症管理的潜在目标。

高葡萄糖水平（20 mM）、高谷氨酰胺水平（4 mM）和高氧气水平（21%）的培养基代表了细胞培养系统的传统条件，这种培养系统已经使用了很长时间，对我们当前对肿瘤生物学的理解做出了很大贡献。然而，值得注意的是体内肿瘤细胞可能接受低浓度的葡萄糖、谷氨酰胺和氧气；组织中葡萄糖和氧气的生理范围分别约为3-5 mM和4-7%。此外，实体肿瘤通常具有由血管生成形成的缺陷血管系统，这进一步降低了肿瘤中葡萄糖和氧气的浓度，也可能限制谷氨酰胺的可用性。尽管氧感应、能量感应、缺氧适应机制和低能状态已经得到了很好的研究，但肿瘤如何在细胞水平上感知低血糖状态并对其作出反应仍然不清楚。此外，癌细胞如何与邻近的基质细胞相互作用体内确保营养供应仍有待全面调查。更好地理解肿瘤细胞对低血糖供应的适应性策略，将为更好地管理肿瘤和缺血性疾病铺平道路，因为缺乏葡萄糖和能量是有害因素。

总之，各种致癌信号通路可能导致癌细胞的转录重编程和代谢重编程(图2). 因此，癌细胞将碳源的利用与氮源和分子氧的可用性相协调，以平衡对ATP、氧化还原能力和构件的增殖需求。此外，保持关键构建块库之间的平衡，包括单核苷酸、氨基酸、血红素、甘油-3-磷酸、鞘氨醇、胆固醇、脂肪酸、泛醌和多胺，这是癌细胞增殖的基础，可能成为未来癌症治疗的新靶点。代谢结果的改变可能导致微环境的改变，从而进一步促进癌细胞的适应，并可能最终导致癌细胞对化疗和辐射的抵抗。

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图2

癌基因信号通过转录重编程和代谢重编程促进癌细胞进展。根据我们目前的理解，致癌信号通路要么直接改变癌细胞的代谢，要么通过转录重编程间接调节酶的表达水平。最终，碳源和分子氧被用来生成ATP、还原力和各种碳代谢物，它们共同支持生物量的积极生物合成。请注意，氨基酸形式的氮源也是含氮分子生物合成所必需的，其可用性可能会限制一般细胞生长和碳源的利用。

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参考文献