靶向谷氨酰胺诱导细胞凋亡：一种癌症治疗方法

2.2. 癌症中的谷氨酰胺代谢

众所周知，癌细胞以耗散的方式利用葡萄糖，并利用葡萄糖通过有氧糖酵解产生ATP（三磷酸腺苷），而不考虑氧的可用性（Warburg效应）[11]. 为了满足快速增殖的需要，癌细胞必须使用另一种能量来源谷氨酰胺，谷氨酰胺通过谷氨酰胺驱动的氧化磷酸化产生ATP[12]. 由于在增殖细胞（尤其是癌细胞）的TCA循环中持续丢失柠檬酸盐，因此有必要补充TCA中间体（回补），谷氨酰胺消耗增加(图2)。癌症中较高的谷氨酰胺消耗量用于合成代谢需求，这会产生代谢组成部分，如核酸、脂质和蛋白质(图1) [13]增加谷胱甘肽的产生以抵抗细胞死亡。此外，癌症中较高的谷氨酰胺消耗量用于细胞生长和mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶点）激活所需的EAAs（必需氨基酸）交换，从而启动蛋白质翻译和细胞生长(图1) [14]. 伴随着大多数癌细胞中谷氨酰胺的消耗增加，例如三阴性乳腺癌细胞MX-1[15]，神经母细胞瘤细胞[16]而人髓细胞KU812F、GLS活性也远高于正常细胞。谷氨酰胺代谢增强不仅为癌细胞的生长和增殖提供能量和底物，而且使谷氨酰胺成为癌症治疗的有力候选药物(图1).

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图2

大多数肿瘤中谷氨酰胺消耗增加。在肿瘤发生过程中，葡萄糖衍生乳酸增加，同时葡萄糖对TCA的贡献降低。伴随着葡萄糖代谢的变化，谷氨酰胺代谢上调，以补偿能量和大分子对细胞增殖和生长的影响。第53页变异，而MYC公司过表达，在肿瘤发生过程中通过上调GLS1活性促进谷氨酰胺代谢。GLS1在许多肿瘤中高度表达，并促进肿瘤增殖。相反，GLS2在一些肿瘤中的表达降低。谷氨酰胺酶；TCA，三羧酸循环。粗体箭头、谷氨酰胺代谢增加、葡萄糖代谢降低和突变MYC公司; 虚线，肿瘤发生过程。

为了被细胞充分利用，谷氨酰胺必须穿过质膜和线粒体内膜，并在线粒体中代谢[17]由特定的转运体介导。氨基酸穿过质膜有几种不同的运输系统，例如Na⁺-依赖系统A，Na⁺-依赖系统N，Na⁺-依赖系统ASC（丙氨酸丝氨酸半胱氨酸）和Na⁺-独立系统L[18]. 纳⁺-依赖系统A维持非必需氨基酸（如谷氨酰胺和丙氨酸）在细胞内的高浓度，这些非必需氨基酸可以通过钠交换为必需氨基酸⁺-依赖系统ASC和Na⁺-独立系统L.Na⁺-依赖系统N可以确定谷氨酰胺积累的程度，因为它能够调节谷氨酰胺净流出[19]. 谷氨酰胺转运体在正常细胞和癌细胞之间存在差异。大鼠星形细胞瘤C6细胞和SK-N-SE细胞中谷氨酰胺转运主要由ASCT2介导[20,21]. 然而，在正常大鼠星形胶质细胞中就地，谷氨酰胺转运由Na介导⁺-从属系统N，SN1[20]. 在转化过程中，ASCT2和LAT1是谷氨酰胺摄取的两个主要转运蛋白[22,23,24]. 据推测，LAT1通过mTOR刺激的翻译提供必需氨基酸以促进癌细胞生长，ASCT2维持细胞质氨基酸库以驱动LAT1功能[18]. ASCT2和LAT1的这种合作抑制了细胞凋亡，并通过谷氨酰胺的净输送促进了能源经济[18].

然而，并非所有癌症都对谷氨酰胺上瘾。有些癌细胞依靠葡萄糖而不依赖谷氨酰胺就能存活和增殖。程等。揭示了GLS1和PC（丙酮酸羧化酶）之间的代偿关系。葡萄糖衍生的丙酮酸作为回补前体，因此，细胞在GLS1沉默状态下更多地依赖葡萄糖。PC活性是在低谷氨酰胺条件下诱导的，是细胞逃避谷氨酰胺成瘾所必需的[25]. 在开发针对谷氨酰胺或葡萄糖代谢的新癌症治疗方法时，也需要考虑这种代偿关系。

3.1. 谷氨酰胺剥夺

谷氨酰胺剥夺通过外源性或内源性途径诱导细胞凋亡，这取决于细胞类型和细胞状况。然而，补充谷氨酰胺可诱导或抑制细胞死亡，这取决于通过可变途径的细胞类型[三].

谷氨酰胺缺乏已被证明可诱导肝癌、杂交瘤、白血病、骨髓瘤和成纤维细胞凋亡[三,62,63]. 它能刺激caspase-2，-3的活化和裂解-PARP的表达，并诱导细胞色素c（c）释放(图3)。尤其是细胞外谷氨酰胺水平影响细胞对不同凋亡触发因素的敏感性，缺乏谷氨酰胺的细胞对Fas（CD95）配体、TNF-α和热休克介导的凋亡更敏感(图3) [三]. 据推测，谷氨酰胺缺乏可降低HSP70（热休克蛋白70）[64]通过抑制caspase激活的胞浆磷脂酶A2的功能和线粒体膜电位∆Ψm崩溃，防止caspase-3样蛋白酶下游[65]. 在Sp2/0小鼠杂交瘤细胞中，谷氨酰胺剥夺也被证明通过释放细胞色素c和SMAC（第二个线粒体衍生的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶激活物）、转移BAX、激活半胱氨酸蛋白酶-9和半胱氨酸酶-3以及裂解PARP来诱导明显的凋亡[66]. 重要的是C-MYC公司导致这种凋亡[66]. 然而，在肝癌细胞系中，谷氨酰胺缺乏不会诱导caspase-9或-8活化，而是刺激caspase-2活性[67]. 因此，谷氨酰胺缺乏诱导的凋亡途径显示了细胞类型的特异性。

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图3

谷氨酰胺缺乏会导致细胞死亡或生长停滞。谷氨酰胺缺乏使细胞对Fas（CD95）配体、TNF-α和热休克介导的凋亡敏感。谷氨酰胺剥夺通过外源性或内源性途径诱导细胞凋亡，这取决于细胞类型和细胞状况。细胞色素c；C-PARP，切割-PARP；t-标书，截短标书；ΔΨ，线粒体膜电位；GADD、生长停滞和DNA损伤诱导基因；活性氧；JNK，c-Jun N-末端激酶；HSP70、热休克蛋白70。┴, 抑制作用；粗体箭头，谷氨酰胺剥夺后p62和ΔΨ降低。

谷氨酰胺剥夺也可以通过降低谷胱甘肽诱导细胞凋亡。谷胱甘肽是细胞内的主要抗氧化剂，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。谷氨酸作为谷胱甘肽的组成部分，主要来源于细胞摄取谷氨酰胺[8]. 谷氨酸也是细胞获得半胱氨酸所必需的，这是由于X_c（c）-反转运蛋白，出口谷氨酸，进口半胱氨酸[10]. 谷胱甘肽在癌细胞耐药性的发展中起着重要作用[68]. 它能中和细胞内自由基，防止细胞毒性作用，并刺激外源性物质的流出[45,68]. 谷胱甘肽还可以识别细胞外排泄的异物并与之结合，从而诱导耐药性[68]. 实验表明，线粒体谷胱甘肽（GSH）耗竭而非胞质谷胱甘氨酸耗竭是导致细胞死亡激活的关键因素[69]. 我们之前的研究结果表明，谷氨酰胺剥夺增加了TET21N细胞系线粒体ROS并降低了GSH水平，抑制ROS生成可逆转谷氨酰胺剥夺诱导的细胞凋亡，这表明了细胞凋亡过程中ROS生成的重要性。这与里德的报告一致等。[70]那个NAC(N个-乙酰半胱氨酸）逆转谷氨酰胺缺乏诱导的细胞死亡。γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶抑制剂被用于耗尽谷胱甘肽，作为提高肿瘤对某些治疗干预措施敏感性的策略，因为它是谷胱甘苷合成中的限速酶[71].

据报道，谷氨酰胺缺乏除了诱导细胞凋亡外，还会导致自噬[72]以及癌细胞的细胞周期阻滞。在HeLa、HCT-116、A549、PC3和DU145细胞中，谷氨酰胺剥夺可通过提高自噬体相关形式LC3（LC3-II）的水平和降低自噬降解蛋白p62来增加自噬活性[72,73]. 此外，在人类乳腺细胞系HBL100和TSE的亚融合培养中，谷氨酰胺缺乏也会在1.5小时内提高GADD45（生长停滞和DNA损伤诱导基因）和GADD153 mRNA的表达水平(图3)。研究表明，GADD基因的表达有助于生长停滞和/或保护机体免受谷氨酰胺缺乏条件下的代谢损伤[74]. 有趣的是，谷氨酰胺缺乏导致单羧酸转运体1上调，从而导致癌细胞对3-溴丙酮酸（一种临床开发中的抗肿瘤药物）更高的敏感性体内和在体外[72,75].这表明靶向谷氨酰胺代谢与其他化疗药物协同作用的潜在能力。

3.2、。谷氨酰胺摄入的限制

如前所述，谷氨酰胺转运体增加也是大多数癌细胞谷氨酰胺成瘾的原因。因此，谷氨酰胺转运抑制是限制谷氨酰胺代谢的另一种方式。

ASCT2和LAT1在多种癌组织中上调[18,76]. 一些ASCT2抑制剂，包括三苯氧胺、雷洛昔芬和GPNA（γ-我-谷氨酰-硝基苯胺）已被证明在实验室研究中有效(表1) [2,77]. 化学物质或shRNA抑制ASCT2功能在体外在LNCaP（前列腺淋巴结癌）和PC-3前列腺癌细胞系以及PC-3细胞异种移植物中，通过下调E2F转录因子和mTORC1途径减少谷氨酰胺摄取和细胞周期进展[78]. 此外，ASCT2直接参与细胞生存信号传导，并在驱动大鼠星形细胞瘤衍生C6细胞系的谷氨酰胺依赖性生长中发挥主要作用[20]和人神经母细胞瘤细胞系SK-N-SH[21]. BCH（2-氨基双环-（2,2,1）-庚烷-2-羧酸）对H1395肺癌细胞株和KKU-M213（来源于泰国肝内胆管癌患者的胆管癌细胞）细胞中LAT1的抑制可减少细胞数量我-亮氨酸摄取，从而抑制mTOR通路活性，最终降低细胞增殖和生存能力[79,80]. 除了通过阻断转运体抑制谷氨酰胺的获取外，天冬酰胺酶治疗还可以阻止谷氨酰胺的补充[81].

虽然限制补充谷氨酰胺被视为治疗某些癌症的有效策略，但它并非适用于所有癌症。在小鼠纤维肉瘤细胞系L929中，谷氨酰胺缺失使细胞对TNF-α诱导的细胞毒性不敏感[82]. 在人肝癌细胞（SMMC-7721）中，当向细胞培养物中添加谷氨酰胺时，细胞增殖受到抑制，细胞凋亡[83]. 因此，肿瘤治疗中谷氨酰胺代谢抑制的细胞类型具有特异性。

本研究得到了长江学者和大学创新研究团队项目（IRT 0848）和四川农业大学双枝项目（03570327；03571189）的支持。