生物化学与分子生物学评论。作者手稿；2018年4月8日PMC发布。
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美国国立卫生研究院：尼姆斯924613
线粒体sirtuin信号转导与肿瘤细胞代谢的相互作用
摘要
癌细胞利用葡萄糖和谷氨酰胺促进细胞生长和增殖，这一过程被称为“代谢重编程”，这是癌症的一个新特征。在细胞内，这些营养物质协同作用，产生生存、生长和增殖所需的代谢组成部分，如核酸、脂质和蛋白质，以及能量（ATP）、谷胱甘肽和还原当量（NADPH）。旨在了解代谢重组潜在原因的深入研究表明，已确定的致癌基因和参与信号传递的肿瘤抑制因子改变了细胞代谢，有助于从正常静止细胞向快速增殖的癌细胞过渡。同样，真诚地代谢传感器正在成为肿瘤发生的调节器。本综述将重点介绍一种利用NAD的传感器系列sirtuins+作为辅助因子催化其蛋白质底物的脱乙酰化、脱乙酰化和ADP-核糖基化。在这篇综述中，我们将列举癌细胞代谢与正常静止细胞的不同之处，并强调线粒体sirtuin信号在肿瘤代谢调节中的新作用。
关键词：抗氧化剂、谷氨酰胺代谢、代谢重组、信号通路、Warburg效应
介绍
癌症生物学的一个主要目标是确定有助于癌症生长和生存的分子机制，以便为精确医学和新的靶向治疗提供新的生物标记物。为此，最近的研究阐明了癌细胞生物学的一个新的有希望的领域——肿瘤细胞的代谢重组。肿瘤细胞重组葡萄糖、氨基酸和脂肪的代谢，以提供生长和生存优势(). 此外，很明显，致癌信号可以控制燃料的重新布线。本文将重点介绍sirtuin蛋白家族在肿瘤代谢中的作用。我们将强调已证明通过靶向代谢酶以及信号级联调节肿瘤代谢的sirtuins的作用。这篇综述并不是要对sirtuins或癌症生物学提供一个全面的概述。有关sirtuin生物学或肿瘤代谢的更全面概述，请参阅Garrett&Grisham（2012）;Cantor&Sabatini（2012）;范德海登等。(2012);沃德和汤普森（2012）;德贝拉迪尼斯等。(2008);Roth&Chen（2014）;Houtkooper公司等。(2012); 和塞巴斯蒂安等。（2012年a）.
葡萄糖和谷氨酰胺代谢的改变有助于肿瘤的生长和增殖。葡萄糖和谷氨酰胺代谢的重新启动有助于合成大分子、抗氧化剂和还原当量。上文强调了每种途径中涉及的主要酶，如文中所述，这些酶在肿瘤细胞中的表达或活性往往会发生改变，从而有助于代谢重编程。NEAA，非必需氨基酸；HK，己糖激酶；谷氨酰胺果糖-6-磷酸酰胺转移酶；磷酸甘油酸脱氢酶；丝氨酸羟甲基转移酶；PK，丙酮酸激酶；丙酮酸脱氢酶；谷氨酸-半胱氨酸连接酶；谷胱甘肽合成酶；ME，苹果酸酶；ACL、ATP柠檬酸裂解酶；乳酸脱氢酶；谷氨酰胺酶；谷氨酸脱氢酶；AST、天冬氨酸转氨酶；丙氨酸氨基转移酶；GLUT1，葡萄糖转运蛋白1型；ASCT2，钠依赖性中性氨基酸转运蛋白2型；SN2，系统N转运蛋白2；MCT4，单羧酸转运体4型；xCT，胱氨酸/谷氨酸转运体。（参见此图的彩色版本www.informahealthcare.com/bmg).
癌细胞代谢和代谢重编程
葡萄糖和谷氨酰胺代谢为能量的产生、大分子的合成和生成还原当量提供前体，以促进生存、生长和增殖(). 最近的研究发现了致癌信号的一个新方面，它控制燃料的重新布线，为肿瘤提供生长和生存优势。致癌信号如何促进癌症的代谢重组是以下各节的主题。本节并没有涵盖肿瘤代谢的各个方面，但将主要关注信号通路和被西尔丁调节的代谢。有关肿瘤代谢的更全面概述，请参见Garrett&Grisham（2012）;Cantor&Sabatini（2012）;范德海登等。(2012);沃德和汤普森（2012）; 和德贝拉迪尼斯等。(2008).
癌细胞与Warburg效应
20世纪20年代，奥托·沃伯格首次观察到，与正常细胞相比，癌细胞表现出异常的代谢。Warburg指出，在氧气存在的情况下，癌细胞利用葡萄糖和分泌乳酸的速率高于正常细胞——这种现象被称为Warburg效应(Garrett&Grisham，2012年;沃伯格等。, 1927). 他假设这一过程是由于存在缺陷线粒体时肿瘤细胞快速分裂对能量的需求；然而，对于许多肿瘤来说，这一结论被证明是不正确的(Lunt&Vander Heiden，2011年;范德海登等。, 2012;沃伯格等。, 1927;温豪斯，1976年). 如果在这个过程中只产生两个ATP分子，为什么细胞会增加糖酵解？最近的研究表明，葡萄糖氧化被肿瘤重新连接，生成大分子，以增加生物量，这是快速增殖所必需的() (Garrett&Grisham，2012年;洛卡萨莱等。, 2011;范德海登等。, 2012). 例如，3-磷酸甘油酯（3PG）从糖酵解中转移，用于合成非必需氨基酸。在一系列三个步骤中，3PG转化为丝氨酸，丝氨酸进一步转化为甘氨酸和半胱氨酸(格林伯格和一原，1957年;Lunt&Vander Heiden，2011年;波塞马托等。, 2011). 第一种参与将葡萄糖重新导向丝氨酸的酶是磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH），这种酶在许多癌症中的表达很高，包括乳腺癌和黑色素瘤癌(洛卡萨莱等。, 2011;波塞马托等。, 2011).
葡萄糖还通过戊糖磷酸途径（PPP）促进生物合成，PPP为合成代谢反应提供还原当量，为核苷酸合成提供5-碳糖() (安德烈斯等。, 1980;博罗什等。, 2000;德贝拉迪尼斯等。, 2007). PPP由两个阶段组成–氧化和非氧化阶段(DeBerardinis，2008年;Jones&Thompson，2009年). 葡萄糖-6-磷酸（G6P）脱氢酶（G6PD）在PPP的第一步利用G6P将其从糖酵解转移，并支持NADP生成NADPH+PPP氧化阶段。G6PD在肿瘤中的表达升高，并且该蛋白的表达也显示增加NADPH水平(波兰等。, 2002;饶等。, 1997;范·德里尔等。, 1999). 在PPP的非氧化阶段，6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛（G3P）有助于生成用于合成核苷酸的5-磷酸核糖。此外，G3P转化为磷酸二羟基丙酮，用于合成甘油三酯(范德海登等。, 2012). 糖酵解的另一个主要调节节点是丙酮酸激酶（PK）催化的糖酵分解的最后一步。癌细胞和增殖细胞表达PKM2亚型，其二聚体形式的酶活性较低，因此有助于减少丙酮酸进入线粒体，使糖酵解代谢物转移到其他途径以支持生物量生产(克里斯托夫克等。, 2008). 总之，肿瘤通过多个节点的协调重组来调节葡萄糖代谢，以最大限度地生产用于核苷酸、氨基酸和脂肪酸合成的代谢物。
谷氨酰胺代谢
多年来，癌症代谢研究侧重于了解Warburg效应和葡萄糖代谢对癌细胞的重要性。然而，最近，随着谷氨酰胺代谢重编程在各种癌症中被发现，谷氨酰胺在癌症中的重要性被揭示出来(Dang，2012年a;Daye&Wellen，2012年;DeBerardinis&Cheng，2009年;卢等., 2010;Ward&Thompson，2012年;明智等。, 2008). 谷氨酰胺是人体血浆中最丰富的氨基酸，通常被归类为许多休眠细胞的非必需氨基酸(卢等。, 2010). 然而，谷氨酰胺成为快速分裂细胞中的一种必需氨基酸，因为它通过提供氮和碳原子来合成大分子，如核酸、蛋白质和脂质，以支持细胞生长和增殖，以及调节氧化还原平衡，从而补充葡萄糖的使用() (Dang，2012年a;Daye&Wellen，2012年;DeBerardinis&Cheng，2009年;卢等。, 2010;Ward&Thompson，2012年;明智等。, 2008).
谷氨酰胺的代谢重编程可以通过增加一些癌细胞中的谷氨酰胺摄取和谷氨酰胺水解来观察。细胞通过高亲和力谷氨酰胺转运体（如ASCT2或SN2）摄取谷氨酰胺，这些转运体在各种类型的肿瘤中过度表达(凯恩斯等。, 2011;明智等。, 2008). 谷氨酰胺曾经在细胞内有许多命运() (Dang，2012年a;DeBerardinis&Cheng，2009年). 谷氨酰胺分解发生在线粒体中，谷氨酰胺通过谷氨酰胺酶（GLS）转化为谷氨酸，谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶（GDH）脱氨基生成α-酮戊二酸(科瓦切维奇，1971年;卢基等。, 2013;松野，1989年). 在这两个步骤中都会产生氨，并且在利用谷氨酰胺的癌细胞中观察到高水平的氨(马泰斯等。, 2009). 然而，这种氨的命运仍不清楚。然后将谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸氧化生成TCA循环中间产物，如苹果酸和柠檬酸，它们分别对NADPH和脂质合成很重要(勒等。, 2012;萨宾等。, 1973). 苹果酸盐可以从线粒体输出，并通过苹果酸酶转化为丙酮酸盐，从而产生NADPH，用于合成代谢反应以及维持氧化还原平衡(当，2012年a;德贝拉迪尼斯等。, 2007;Ward&Thompson，2012年). 在TCA循环中，苹果酸转化为OAA，OAA与乙酰辅酶A缩合形成柠檬酸。柠檬酸盐可以从线粒体输出。在胞浆中，柠檬酸盐通过ATP柠檬酸裂解酶转化为OAA和乙酰辅酶A(Wellen&Thompson，2012年). 源自柠檬酸的乙酰辅酶A用于脂肪酸和胆固醇合成，并可用于表观遗传和翻译后修饰。在缺氧条件下，已观察到癌细胞中谷氨酰胺代谢的额外重组(金属等。, 2012;明智等。, 2011). 在缺氧条件下，谷氨酰胺衍生的α-酮戊二酸被还原性羧基化，以形成柠檬酸盐库。因此，线粒体谷氨酰胺代谢对于生成ATP、NADPH和增殖所必需的脂质至关重要。
除了有助于脂质合成外，谷氨酰胺还为核苷酸、己糖胺和氨基酸合成提供氮() (DeBerardinis&Thompson，2012年;用钳子钳起等。, 2009;韦伦等。, 2010). 谷氨酰胺在嘌呤合成的三个步骤和嘧啶合成的两个步骤中捐献其酰胺基，以支持DNA合成的核苷酸生成，这对于生成新细胞的遗传物质至关重要。己糖胺的合成还依赖于谷氨酰胺中的氮，通过谷氨酰胺果糖-6-磷酸酰胺转移酶（GFAT）将果糖-6-phosphate转化为葡萄糖-6-phostaine(马歇尔等。, 1991). 合成己糖胺，如二磷酸尿苷N个-乙酰葡萄糖胺在细胞生长和增殖中起着关键作用，因为细胞表面受体的糖基化对营养吸收是必要的(韦伦等。, 2010). 氨基酸对于蛋白质的合成很重要，可以进行细胞分裂所必需的反应，而谷氨酰胺有助于合成非必需氨基酸。例如，丙氨酸转氨酶（ALT）或天冬氨酸转氨酶(马泰斯等。, 2009). 此外，谷氨酰胺有助于合成其他氨基酸，如丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、苏氨酸、脯氨酸和精氨酸(马泰斯等。, 2009).
谷氨酰胺通过促进谷胱甘肽和NADPH的产生来调节氧化还原稳态(凯恩斯等。, 2011;Dang，2012年b;洛拉等。, 2004). 谷胱甘肽是最丰富的抗氧化剂，分两步合成，由三种氨基酸组成：谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸，所有这些都可以由谷氨酰胺生成(卢，2009,2013;奥尔特加等。, 2011). 谷氨酰胺是谷氨酸库的主要贡献者，谷氨酸被纳入谷胱甘肽中，但对于半胱氨酸（一种限速氨基酸）的输入，对谷胱甘苷合成也很重要(Lo（低）等。, 2008;佐藤等。, 1999;吴等。, 2004). 谷胱甘肽通过减少活性氧来保护细胞免受氧化应激，在此过程中谷胱甘苷被氧化(卢，2009). 谷胱甘肽的再生由谷胱甘肽还原酶催化，谷胱甘肽还原酶是一种需要NADPH的反应(Bause和Haigis，2013年). 如前所述，谷氨酰胺水解产生NADPH，因为苹果酸从线粒体输出并转化为丙酮酸。因此，谷氨酰胺在保护细胞免受氧化应激方面起着关键作用。
转录因子介导癌症的代谢重编程
转录因子通过影响包括代谢基因在内的各种基因的表达，具有重新构建代谢的能力(). 尽管各种转录因子可能能够改变基因表达以改变肿瘤代谢，但已经明确的是，转录因子：缺氧诱导因子（HIF）1和c-Myc在癌细胞的代谢重编程中起着关键作用(党，2013;登科，2008;Jones&Schulze，2012年;Jones&Thompson，2009年;Levine&Puzio-Kuter，2010年;塞门扎，2010年).
癌基因信号通路和肿瘤抑制因子介导癌症中的代谢重编程，以增加肿瘤生长和增殖。信号级联，如Ras、PI3K和mTORC1，调节代谢，这些通路成分的过度表达或突变导致癌症中的代谢改变。此外，信号级联稳定转录因子，如HIF1和c-Myc，它们控制代谢基因表达以增加糖酵解或谷氨酰胺水解。线粒体sirtuins，SIRT3和SIRT4，抑制癌症中的异常代谢。SIRT3通过去乙酰化直接靶点（如锰超氧化物歧化酶（SOD2）和异柠檬酸脱氢酶（IDH2））抑制活性氧物种（ROS），从而破坏HIF1的稳定性并抑制Warburg效应。SIRT4 ADP-核糖基化物谷氨酸脱氢酶（GDH），从而抑制谷氨酸分解。（参见此图的彩色版本www.informahealthcare.com/bmg).
c-Myc促进糖酵解和谷氨酸解
在许多肿瘤中观察到c-Myc（Myc）转录因子水平的升高，如Burkitt淋巴瘤、乳腺癌和神经母细胞瘤(党，2013;林等。, 2012;线路接口单元等。, 2008). Myc调节广泛的生物过程，如线粒体生物生成、蛋白质合成和代谢(Levine&Puzio-Kuter，2010年;米勒等。, 2012). 最近的研究表明，Myc通过扩增细胞中已激活基因的转录来协调这一广泛的细胞过程(林等。, 2012;聂等。, 2012). 该转录因子通过直接与启动子结合并增加糖酵解和谷氨酰胺分解基因的表达来激活葡萄糖和谷氨酰胺代谢。与HIF1一样，Myc已被证明上调GLUT1、HK2和LDHA的转录，以增加糖酵解(党，2013;米勒等。, 2012;儿子等。, 2013;应等。, 2012). 此外，Myc增加PKM2的表达以增强糖酵解(太阳等。, 2011).
Myc是谷氨酰胺代谢的主要驱动因素，许多表达高水平Myc的癌细胞依赖谷氨酰胺生存(明智等。, 2008;尤尼娃等。, 2007). Myc上调谷氨酰胺转运体ASCT2的表达，从而增加癌症患者对谷氨酰胺的摄取。此外，Myc通过增加GLS1的表达来刺激谷氨酰胺分解，其机制涉及抑制靶向GLS 3′UTR、miR23a/b序列的miRNA(高等。, 2009). 最后，Myc靶向其他代谢酶，如丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT），它将丝氨酸转化为甘氨酸，对核苷酸合成很重要(米勒等。, 2012). 因此，Myc也可能在调节快速增殖细胞的核酸合成方面发挥关键作用(线路接口单元等。, 2008).
信号通路调节养分吸收
癌细胞中的许多代谢变化反映了快速增殖细胞（如免疫细胞；参见Pearce&Pearce，2013年;王等。, 2011). 然而，快速增殖的细胞根据生长信号调节新陈代谢，而癌细胞已经进化出机制，可以避开检查点来抑制增殖。细胞信号的异常激活是癌症的一个特征，导致生长和增殖失控，并直接导致代谢重新编程(Hanahan&Weinberg，2011年). 在这里，我们重点关注线粒体sirtuins调控的对癌症重要的信号通路().
Ras信号
Ras蛋白家族控制分化、生长和增殖。Ras是一个小型GTP酶，以GTP结合形式活跃，与GDP结合时不活跃(向下，2003). 由于Ras蛋白的致癌突变，此途径的过度激活在癌症中很常见。最常见的突变是Ras基因的点突变，导致组成活性Ras蛋白。Ras激活Raf，Raf磷酸化并激活有丝分裂原激活的蛋白激酶、激酶1和激酶2（MEK1和MEK2）。MEK1和MEK2磷酸化ERK1和ERK2，激活PI3K和c-Myc以改变癌症代谢(向下，2003;西尔斯等。, 2000).
Ras有助于癌症的代谢重编程。转化成致癌KRAS的细胞依赖葡萄糖和谷氨酰胺生存和增殖(加利奥等。, 2011;儿子等。, 2013;应等。, 2012). 最初，带有致癌KRAS的细胞转化导致葡萄糖摄取增加。进一步分析追踪细胞内葡萄糖的去向后，发现致癌KRAS可增加糖酵解，但降低TCA循环中的葡萄糖利用率(加利奥等。, 2011). 此外，谷氨酰胺追踪实验显示，随着KRAS的转化，谷氨酰胺的补益作用增加，这突出了这些燃料是如何相互补充以促进细胞生长和增殖的(加利奥等。, 2011;儿子等。, 2013). 从机制上讲，比较非转化细胞和KRAS转化细胞的微阵列数据显示，糖酵解、核苷酸合成和谷氨酰胺代谢中的基因表达增加，进一步支持了这些发现(加利奥等。, 2011). 致癌KRAS驱动的胰腺导管腺癌小鼠模型支持KRAS在代谢重编程中的作用(应等。, 2012). 在该小鼠模型中，KRAS失活导致肿瘤退化，伴随着葡萄糖摄取和乳酸分泌的减少，以及糖酵解中间产物（已知为各种生物合成途径的前体）的减少。事实上，其他合成代谢途径，如己糖生物合成和PPP的非氧化臂，也被致癌KRAS激活，以促进蛋白质糖基化和核糖生产，促进DNA和RNA合成。敲除己糖胺和PPP途径中的酶导致异种移植瘤生长减少，支持KRAS对这些途径的调节以促进肿瘤发生。最后，代谢基因表达随着KRAS失活而降低，MAPK抑制和Myc敲除也是如此，这表明KRAS对这些途径的调节有助于癌症的代谢重编程(应等。, 2012).
PI3K/AKT对代谢的调节
在正常细胞中，生长因子刺激受体酪氨酸激酶激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号级联(考特尼等。, 2010). PI3K被招募到磷酸化受体并被磷酸化和激活。此外，Ras可以直接激活PI3K(向下，2003年). PI3K的激活导致其定位于质膜，在质膜上转化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2)磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP三). 磷脂酰肌醇依赖性激酶1（PDK1）和蛋白激酶B（也称为AKT）被PIP招募到质膜三导致AKT磷酸化和活化(凯恩斯等。, 2011;她的等。, 2011). 因此，AKT促进对癌细胞重要的各种过程，如生存、生长、增殖、血管生成、转移和代谢(贝拉科萨等。, 2005;马提尼等。, 2014). PI3K/AKT信号通路的去调节在各种癌症中很常见。癌症中此途径的激活通常是由于PI3K复合物亚基的激活突变，或抑癌基因PTEN的失活/缺失所致(考特尼等。, 2010). 此途径的过度激活会增加癌症患者的葡萄糖代谢。PI3K通过其效应物AKT调节葡萄糖代谢。除了支持葡萄糖转运蛋白GLUT1定位到质膜外，AKT增加表达并激活HK2(范德海登等。, 2009). 此外，AKT磷酸化PFK2，从而产生果糖-2,6-二磷酸，后者变构激活PFK1以增加糖酵解(Dang，2012年a). AKT也刺激从头开始激活SREBP合成脂肪酸(Chang，2005年). 最后，AKT通过抑制GSK-3促进c-Myc的稳定，GSK-3磷酸化c-Myc，从而将其作为降解靶点(西尔斯等。, 2000).
mTORC1信号通路调节代谢
雷帕霉素（mTOR）信号通路的哺乳动物靶点调节细胞生长、增殖和代谢(Yecies&Manning，2011年a). 与Ras和PI3K/AKT一样，mTOR信号在癌症中失调(Guertin&Sabatini，2005年;Menon&Manning，2008年). mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，存在于细胞中的两种复合物中，即mTOR复合物1和mTOR复合体2（mTORC1和mTORC2(Laplante&Sabatini，2009年). mTORC1受生长因子、能量状态、氨基酸和氧的信号调节。这些信号大多由结节性硬化复合体（TSC）整合，该复合体由TSC1和TSC2组成，作为GTPase Rheb的GTPase激活蛋白（GAP）发挥作用。反过来，Rheb在GTP结合状态下激活mTORC1。mTORC在生长因子存在、营养丰富的条件下以及氨基酸存在的情况下被激活。如前所述，生长因子激活PI3K和Ras信号级联，来自这些途径的信号被TSC复合体感应以调节mTORC1活性(Laplante&Sabatini，2009年). 激活的AKT磷酸化并抑制TSC2激活mTORC1。同样，被Ras信号级联激活的ERK1/2和RSK1以相同的方式激活mTORC1(Laplante和Sabatini，2009年). 此外，mTORC1激活需要氨基酸，如亮氨酸和谷氨酰胺(尼克林等。, 2009). 亮氨酸的输入依赖于谷氨酰胺通过Slc7a5（或LAT1）转运体的输出，谷氨酰胺转运体（ASCT2）或LAT2的抑制抑制mTORC1信号。最后，在营养丰富的条件下，ATP的生成水平是支持细胞生长和增殖所必需的。然而，在营养不良或缺氧条件下，能量水平下降，导致AMP:ATP比率增加。AMP活化激酶（AMPK）是细胞的能量状态传感器，在能量水平下降时被激活，AMPK通过磷酸化和激活TSC2负调控mTORC1(Dang，2012年b;Laplante&Sabatini，2009年).
mTORC刺激支持合成代谢并抑制分解代谢过程以促进生长和增殖(杜维尔等。, 2010;Yecies&Manning，2011年b). mTORC1通过磷酸化调节转录、核糖体生物生成、翻译和自噬，从而激活或抑制下游靶点。mTORC1的两个众所周知的下游效应器是p70核糖体S6激酶（S6K）和真核细胞起始因子4E结合蛋白1（4E-BP1），这些靶点的磷酸化通过激活mRNA和核糖体合成以及翻译延伸来促进蛋白质合成。此外，mTORC1磷酸化并灭活ULK1和ATG13以抑制自噬(荣格（Jung）等。, 2009). 此外，mTORC1已被证明调节多种代谢途径。通过S6K，mTORC1稳定HIF1α和固醇调节元件结合蛋白（SREBP1和SREBP2），以增加其代谢靶基因表达，促进葡萄糖摄取、糖酵解、，从头开始脂质合成和PPP的氧化臂。最近，mTORC1被显示为从头开始通过S6K激活催化嘧啶合成前三步的酶CAD（氨甲酰磷酸合成酶2、天冬氨酸转羧酶和二氢鸟嘌呤酶）合成嘧啶(本·萨赫拉等。, 2013).
SIRT3抑制Warburg效应
SIRT3激活线粒体中的一个程序，以促进能量生成、氧化代谢和氧化还原稳态(Finley&Haigis，2012年). SIRT3对新陈代谢有多方面的控制。首先，SIRT3通过使许多线粒体蛋白质脱乙酰化来提高其活性，从而调节这种代谢控制。其次，SIRT3可以影响细胞信号通路来控制代谢。广泛的研究表明SIRT3对细胞代谢的直接作用是明确的。一些SIRT3底物已被鉴定和验证，这些酶参与线粒体代谢途径，如电子传递链、脂肪酸氧化、氨基酸代谢和维持细胞氧化还原稳态(海伯特等。, 2013). 例如，SIRT3通过去乙酰化NDUFA9和琥珀酸脱氢酶（分别是电子传递复合物I和II的组分）激活电子传递链，这支持了低SIRT3水平的组织也具有低ATP水平的观察(安等。, 2008;芬利等。，2011年b). 此外，SIRT3脱乙酰化长链酰基辅酶A脱氢酶（LCAD）以促进肝脏中脂肪酸的氧化(巴拉蒂等。, 2013;赫希等。, 2010). SIRT3还通过激活GDH参与氨基酸分解代谢的调节，并通过脱乙酰化鸟氨酸转氨甲酰化酶（OTC）和诱导尿素循环促进氨解毒(圣器等。, 2011;伦巴第等。, 2007;施利克尔等。, 2008). 此外，SIRT3通过激活锰超氧化物歧化酶2（SOD2）和异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）促进活性氧（ROS）解毒(陈等。, 2011;雅各布斯等。, 2008;邱等。, 2010;染屋等。, 2010;道等。, 2010). SOD2清除超氧物并将其转化为过氧化氢，过氧化氢是过氧化氢酶的底物，过氧化氢酶通过过氧化氢生成水和氧(陈等。, 2011). IDH2是一种TCA循环酶，在正常条件下使异柠檬酸脱羧生成α-酮戊二酸(染屋等。, 2010). 该反应在使用NADP时产生还原当量+生成NADPH，NADPH对合成代谢反应至关重要，谷胱甘肽还原酶利用NADPH再生主要抗氧化剂谷胱甘肽(染屋等。, 2010). 与这些发现一致，敲除（KO）小鼠的组织显示线粒体蛋白乙酰化增加(伦巴第等。, 2007). 最近的一项研究描述了SIRT3作为脱甲酰酶的新作用(包等。, 2014)，但这另一种sirtuin活性如何影响肿瘤代谢尚待观察。综上所述，许多研究表明SIRT3协调了一个保护细胞免受氧化应激和细胞损伤的程序。
这一途径在人类癌症中的重要性开始显现。首先，在广泛的人类肿瘤中观察到SIRT3水平降低，尤其是在SIRT3基因缺失的乳腺癌中(芬利等。，2011年a;基姆等。, 2010). 与正常组织相比，乳腺癌SIRT3蛋白表达降低(芬利等。，2011年a). 最后，SIRT3在转移样本中未检测到，这表明SIRT3可能在抑制转移中起关键作用(基姆等。, 2010). 值得注意的是，许多肿瘤也显示SIRT3表达增加，这可能表明SIRT3在这些肿瘤中具有促生存作用(阿尔哈扎齐等。, 2011). 阐明SIRT3缺失与扩增在人类癌症中的重要性对于未来的研究至关重要。此外，在缺乏SIRT3的肿瘤中，确定SIRT3缺失是否在启动肿瘤发生或促进肿瘤生长中发挥积极作用也至关重要。
对细胞和小鼠模型的研究可能会产生一些见解。事实上，通过同种异体移植研究和SIRT3 KO小鼠模型，我们的实验室和其他实验室已经证明SIRT3具有肿瘤抑制活性，部分是通过重组代谢(潜水钟等。, 2011;芬利等。，2011年a;基姆等。, 2010). 首先，与WT MEFs相比，SIRT3空MEF（当两者都被E1A/Ras转化时）显示了癌细胞的特征，例如裸鼠中的快速增殖、非整倍体、凤尾鱼非依赖性集落形成和移植瘤形成(芬利等。，2011年a;基姆等。, 2010). 此外，SIRT3无效MEF在应激条件下具有较高的超氧化物水平，这与SIRT3在脱乙酰和激活SOD2中的作用一致(芬利等。，2011年a;邱等。, 2010). 第二，SIRT3缺失小鼠在12个月时自发发生肿瘤，尤其是在乳腺。SIRT3阴性小鼠的乳腺肿瘤增加了蛋白质损伤，表明这些小鼠的ROS水平增加(基姆等。, 2010). 此外，SIRT3过度表达可以抑制在体外小鼠乳腺和胰腺细胞系的形成(芬利等。，2011年a;Jeong（郑）等2014年b月). 总之，这些研究表明SIRT3可能抑制某些癌症的肿瘤发生。
SIRT3是如何调节肿瘤生长的？一种机制是SIRT3使具有强肿瘤抑制活性的特定靶点脱乙酰。其中一个目标尚未确定。根据迄今为止公布的数据，SIRT3更有可能去乙酰化一系列改变细胞代谢状态或氧化还原的靶点。例如，SIRT3通过调节SOD2在减少氧化应激中发挥关键作用(邱等。, 2010;道等。, 2010)和IDH2(于等。, 2012)，但它也可以通过调节ETC的效率来控制ROS的生成(Bause&Haigis，2013年). SIRT3活性的这一特殊臂可能在癌症中起重要作用，因为许多癌细胞与非肿瘤细胞相比ROS水平增加(舒马克，2006年). 矛盾的是，肿瘤中活性氧的长期升高可能触发促进细胞增殖和生存的重要信号级联() (Schieber&Chandel，2014年). 事实上，许多研究已经观察到SIRT3抑制活性氧(芬利等。，2011年a;基姆等。, 2010;邱等。, 2010;道等。, 2010;于等。, 2012). 有人提出，SIRT3阴性细胞和小鼠中ROS升高有助于基因组不稳定性增加，导致肿瘤发生增加。我们和其他人已经证明，SIRT3通过活性氧调节信号通路来抑制癌症中的代谢重编程(). 未来的研究将有兴趣阐明SIRT3底物在细胞信号传导控制中的作用。
SIRT3如何调节信号？我们的实验室和Guarente实验室独立发现，SIRT3空细胞中ROS增加导致HIF1α稳定。HIF1α的稳定性由脯氨酰羟化酶（PHDs）调节，该酶在常压下使HIF1α羟基化，从而使血管Hippel-Lindau蛋白（vHL）泛素化HIF1α，导致蛋白质体降解(Kaelin&Thompson，2010年). SIRT3无效MEF显示HIF1α羟基化减少(芬利等。，2011年a)SIRT3的过度表达能够抑制多种细胞类型。重要的是，尽管PHD具有氧传感器的功能，但SIRT3对PHD活性的调节发生在常氧状态下。
如上所述，HIF活性升高对人类癌症的代谢有重要影响，这一事实得到SIRT3研究的支持。首先，SIRT3无效MEF显示糖酵解代谢升高，这可以被抗氧化剂或HIF1α的敲除所抑制() (潜水钟等。, 2011;芬利等。，2011年a). 稳态代谢组学分析表明，SIRT3的缺失通过增加糖酵解途径和磷酸戊糖途径（PPP）中的几个中间产物来改变葡萄糖代谢，这表明葡萄糖代谢发生了重组，葡萄糖有可能参与其他途径，如PPP，支持合成用于细胞增殖的大分子(芬利等。，2011年a). 葡萄糖代谢通量分析得出了类似的结果(海伯特等。, 2013). SIRT3 KO小鼠的细胞和组织显示HIF1α基因表达升高的特征。最后，SIRT3的表达降低HIF1α水平，抑制Warburg效应，并降低乳腺癌细胞的细胞生长(芬利等。，2011年a). 虽然这些研究强调HIF1α是由SIRT3调节的信号通路，但许多其他信号通路是由线粒体或ROS控制的。因此，重要的是要检查：（1）SIRT3是否影响其他线粒体根信号通路，以及（2）其他信号通路的控制是否有助于SIRT3的肿瘤抑制活性。
SIRT3通过调节细胞信号对肿瘤代谢的潜在调节
在正常的初级组织中，SIRT3与心脏、骨骼肌、棕色脂肪组织和肝脏中细胞信号的调节有关(芬利等。，2011年b;京等。, 2011;施等。, 2010;圣德雷桑等。, 2009). SIRT3在心肌肥厚反应中起着关键作用，因为其在肥厚激动剂治疗的小鼠心脏中的表达增加，部分是通过激活转录因子Foxo3a诱导抗氧化基因的表达(皮莱等。, 2010;圣德雷桑等。, 2009). 信号级联的诱导，如PI3K/Akt和MAPK/ERK通路，也可能有助于心肌肥厚的发病机制，因为这些通路在过度表达SIRT3的转基因小鼠中受到抑制(皮莱等。, 2014). 此外，SIRT3抑制PI3K和MAPK/ERK信号上游Ras的激活。最后，mTORC信号通路在SIRT3基因缺失小鼠的心脏中被激活，这被SIRT3的过度表达所消除(圣德雷桑等。, 2009). mTORC1信号通路受AMP激酶（AMPK）及其调节因子LKB1负调控(Laplante&Sabatini，2009年). 与mTORC信号增加一致，SIRT3缺失小鼠心脏磷酸化和AMPK和LKB1活性降低(圣德雷桑等。, 2009). 除了调节心脏信号外，SIRT3在骨骼肌中的胰岛素信号传导中起着关键作用，这一点很重要，因为SIRT3 KO小鼠的胰岛素信号受损，而胰岛素信号是2型糖尿病的早期特征(京等。, 2011). 然而，骨骼肌和心脏之间的细胞信号不同。SIRT3基因缺失小鼠的骨骼肌显示胰岛素信号降低，胰岛素受体（IR）中酪氨酸残基的磷酸化降低证明了这一点。此外，SIRT3的缺失降低了IR靶点的磷酸化，如PI3K和AKT，这伴随着葡萄糖摄取的减少(京等。, 2011). 同样，胰岛素刺激的SIRT3无效小鼠骨骼肌中Erk磷酸化明显降低。与SIRT3基因敲除小鼠的心脏一样，这些小鼠的骨骼肌显示出氧化应激增加以及参与氧化应激反应的基因表达增加。各种激酶，如Jun N末端激酶（JNK）、蛋白激酶C和S6激酶，被氧化应激激活，并磷酸化IR和IRS-1以降低PI3K的激活(本哈尔等。, 2002;京等。, 2011). 经进一步检查，SIRT3缺失小鼠的骨骼肌JNK磷酸化增加，这与这些小鼠胚胎成纤维细胞的观察结果一致。该研究提出SIRT3缺失小鼠组织中ROS增加是JNK激活和胰岛素信号解除调节的机制(京等。, 2011). 如上所述，这些信号通路在肿瘤代谢中具有重要意义。因此，未来的研究将有兴趣探讨SIRT3是否控制人类癌症中的PI3K或mTOR信号。
虽然SIRT3的缺失导致信号转导发生改变，但由于信号传导因组织或细胞类型而异，SIRT3调节这些通路的方向尚不明确。SIRT3还可能通过调节已知影响代谢的信号通路，促进代谢重编程；然而，SIRT3在癌症细胞信号调节中的作用尚未得到研究。进一步的研究可能集中在阐明SIRT3调节细胞信号传导的机制，以及癌症是否存在这种情况。
SIRT4调节谷氨酰胺代谢
SIRT4是一种较少研究的线粒体sirtuin，它将新陈代谢与细胞生长和存活联系在一起。与SIRT3不同，SIRT4不具有强健、杂乱的脱乙酰酶活性。此外，SIRT4的激活似乎通过许多节点抑制进入TCA循环的碳流。SIRT4最初通过ADP-核糖基化被鉴定为谷氨酸脱氢酶（GDH）抑制剂(海吉斯等。, 2006). 通过抑制GDH，SIRT4抑制氨基酸流入TCA循环并抑制胰岛β细胞的胰岛素分泌。此外，SIRT4通过胰岛素降解酶和腺嘌呤核苷酸转位酶负调控胰岛素分泌(阿胡加等。, 2007). SIRT4还通过脱乙酰化和抑制丙二酰辅酶A脱羧酶（MCD）来减少脂肪氧化，同时促进脂肪生成，MCD将丙二酰CoA转化为乙酰辅酶A(劳伦特等。, 2013). SIRT4还抑制PDH，阻止丙酮酸进入中枢线粒体代谢(马蒂亚斯等。, 2014). 鉴于这些观察结果，SIRT4可能具有独特的调节全身代谢稳态的能力，这可以调节合成代谢信号以促进正常细胞和癌细胞的生长。
SIRT4的生理相关性的线索来自对其调节的研究。与其他线粒体sirtuin不同，SIRT4 mRNA和蛋白质水平在遗传毒性应激下高度稳定，表明sirtuim可能将代谢适应与DNA损伤反应结合起来。喜树碱（拓扑异构酶I抑制剂）和紫外线（UV）光损伤DNA后，SIRT4表达增加，这种增加与细胞摄取谷氨酰胺的减少同时发生(Jeong（郑）等。, 2013;拉丁等。, 2013). 这些观察结果表明，DNA损伤会导致谷氨酰胺分解和谷氨酰胺补体减少，这一事实得到了细胞暴露于紫外线后TCA循环中间产物减少的支持。其他代谢流量分析13C-标记的谷氨酰胺表明，DNA损伤后，谷氨酰胺对TCA循环中间产物的贡献明显减少。此外，在DNA损伤后，SIRT4需要抑制谷氨酰胺流入TCA循环，这表明SIRT4在细胞对DNA损伤的反应中起着关键作用(Jeong（郑）等。, 2013;卢等., 2014;瓦伊西等。, 2008). 这个假设证明了线粒体代谢和核/细胞溶质应激反应之间存在联系，这一点尚待了解。
与SIRT4触发代谢检查点的观点一致，mTOR抑制诱导SIRT4表达。在这种情况下，mTORC1阻遏稳定cAMP反应元件结合2（CREB2），该结合2负责上调SIRT4转录(奇比等。, 2013) (). 因此，雷帕霉素对mTORC1的抑制增加了SIRT4的表达，随后降低了GDH活性和谷氨酰胺回复() (奇比等。, 2013). 重要的是，SIRT4的增加是抑制mTORC1抑制的GDH活性所必需的。
上述研究表明，SIRT4作为细胞应激的传感器，通过抑制谷氨酰胺代谢触发代谢暂停。SIRT4对谷氨酰胺代谢重新编程的能力表明SIRT4也可能具有肿瘤抑制活性。事实上，SIRT4的缺失会增加细胞增殖，这种作用随着谷氨酰胺水解的抑制而消失(Jeong（郑）等。, 2013). 此外，转化的SIRT4空MEF在小鼠中形成较大的肿瘤，而SIRT4−/−小鼠自发性癌症的发病率增加，尤其是肺癌。微阵列数据分析表明，许多人类癌症，包括肺癌、胃癌、膀胱癌和乳腺癌，以及白血病，都降低了SIRT4的表达(奇比等。, 2013;Jeong（郑）等。, 2013,2014年a). 此外，肺癌中SIRT4水平较低会导致生存率下降，这突出了SIRT4在癌症进展和死亡率中的重要性。目前尚不清楚SIRT4是否通过控制DNA损伤反应、mTOR或谷氨酰胺代谢来抑制肿瘤。SIRT4的所有抑瘤作用不太可能通过谷氨酰胺抑制介导，因为SIRT4还有许多其他代谢靶点。因此，对未来的研究来说，解析所涉及的机制将是非常重要的。
SIRT5在调节肿瘤代谢中的潜在作用
SIRT5是一种线粒体sirtuin，具有独特的酶活性，不以脱乙酰化-脱琥珀酸化为中心。除脱琥珀酸化外，SIRT5还具有脱氯和脱谷氨酸化活性(林等。, 2013;公园等。, 2013;拉丁等。, 2013;棕褐色等。, 2014). 值得注意的是，尽管已经进行了蛋白质组学研究，以确定琥珀酰化蛋白质(霍恩贝克等。, 2015;公园等。, 2013;彭等。, 2011;拉丁等。, 2013;韦内特等。, 2013)，我们对这些修饰的范围和生理相关性仍知之甚少体内一个重要的线索将来自比较乙酰化水平和其他修饰的系统研究。删除SIRT5后，近80%的TCA循环和60%的脂肪酸代谢酶发生琥珀酸化，但未来的研究需要评估这是否直接归因于SIRT5活性的变化或琥珀酸代谢的改变。
SIRT5底物范围从解毒酶到线粒体代谢酶。这种西尔图因的第一个明确的底物是氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）。在肝脏中，SIRT5通过脱乙酰化激活CPS1，以促进尿素循环并增加氨基酸分解代谢产生的氨的清除(中川等。, 2009;公园等。, 2013). 其他明确的底物包括琥珀酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶和SOD1，SIRT5对其活性的影响如下所述(林等。, 2013;公园等。, 2013).
与SIRT3和SIRT4一样，SIRT5对代谢酶和解毒酶的控制可能会改变癌症的代谢。与SIRT3和SIRT4相比，SIRT5在动物研究中显示出肿瘤抑制活性，但SIRT5被认为是肿瘤发生的促进剂。据报道，胰腺癌和非小细胞肺癌中SIRT5 mRNA水平升高(卢等., 2014;松下等。, 2010;瓦伊西等。, 2008;普菲斯特等。, 2008). SIRT5抑制降低肺癌细胞增殖在体外和体内(卢等。, 2014). SIRT5还通过增加抗氧化反应基因的表达而导致耐药性，SIRT5的沉默导致异种移植瘤尺寸减小，并增加对各种抗癌药物的敏感性(卢等。, 2014). 此外，SIRT5水平升高与转移发生率增加、肿瘤晚期和总体预后不良相关。SIRT5如何调节肿瘤代谢尚不清楚；然而，鉴于线粒体代谢在癌症中的明确作用，SIRT5重组代谢可能具有促生存作用。例如，SIRT5抑制琥珀酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶，这也表明SIRT5可能通过稳定依赖（原）癌代谢物的致瘤途径在癌症中发挥关键作用(公园等。, 2013). 最后，SIRT5去uccinylates并激活Cu/Zn超氧化物歧化酶，从而促进ROS清除，这可能以类似于SIRT3的方式抑制ROS信号和肿瘤发生(林等。, 2013). 值得注意的是，SIRT5既存在于线粒体内，也存在于细胞质和细胞核内，这表明与其他线粒体sirtuin相比，SIRT4对癌症代谢的潜在影响更为广泛(松下等。, 2010;普菲斯特等。, 2008).
其他sirtuins对癌症代谢的潜在调节作用
除了线粒体sirtuins外，哺乳动物细胞还含有其他四种sirtuins（SIRT1、SIRT2、SIRT6和SIRT7），这些sirtuins在细胞信号传导和某些情况下的肿瘤发生方面已经得到了很好的研究。例如，SIRT1去乙酰化HIF1α从而抑制HIF1活性(林等。, 2010)，SIRT1还使Myc脱乙酰化，使其不稳定(元等。, 2009). 此外，SIRT1激活促进线粒体生物发生(Gerhart-Hines公司等。, 2007;拉古热等。, 2006;罗杰斯等。, 2005). 与SIRT1一样，SIRT7已被证明与Myc结合并抑制Myc(小腿等。, 2013). 虽然SIRT1或SIRT7在肿瘤代谢中的作用尚未直接评估，但人们很容易推测SIRT1和SIRT7可能通过部分代谢重编程抑制某些肿瘤。此外，SIRT2脱乙酰并激活磷酸甘油酸变位酶，这是一种糖酵解蛋白，其抑制作用可降低增殖和肿瘤生长(徐等。, 2014). 此外，SIRT2脱乙酰化K-Ras并降低其转化活性(杨等。, 2013). 总之，SIRT1、SIRT2和SIRT7有可能通过调节已知的调节这一过程的关键参与者来调节代谢重编程。
SIRT6被描述为通过调节HIF1和Myc来协调癌症中的代谢重编程。更具体地说，SIRT6通过糖酵解基因启动子处H3K9的脱乙酰化以及HIF1α的失稳来调节葡萄糖代谢(钟等。, 1999). 此外，SIRT6共同抑制Myc并抑制核糖体基因的表达(塞巴斯蒂安等。2012年b). 因此，SIRT6似乎具有抑癌作用，其缺失导致细胞代谢表型与Warburg所描述的相似。未来的研究将有兴趣评估SIRT6是否也通过转录控制促进线粒体生物发生或代谢。
结论
尽管进行了大量的生物医学研究，但癌症仍然是美国死亡的主要原因之一。最近针对肿瘤代谢的研究爆发，揭示了癌症细胞代谢重编程的重要性。致癌基因、肿瘤抑制因子、信号通路和代谢重编程之间的联系正在显现，这一知识可能为确定癌症治疗发展的新靶点提供见解。正如这篇综述中所强调的那样，sirtuins调节着几个影响肿瘤代谢改变的关键因素，这表明这一蛋白家族可能为调节癌症中的异常信号和代谢重编程提供了一个新的场所。例如，由于SIRT3在维持氧化还原体内平衡方面发挥着重要作用，未来的研究将有兴趣确定SIRT3激活是否会重新连接肿瘤的代谢，从而显示出氧化应激增加带来的增殖优势。另外，抑制SIRT3可能对氧化应激增加到ROS水平升高到足以导致肿瘤细胞死亡的癌症有用。有必要进一步研究sirtuin调节对癌症的治疗益处。
致谢
利益声明
卡琳娜·N·冈萨雷斯（Karina N.Gonzalez）得到了保罗·黛西·索罗斯（Paul&Daisy Soros）新美国人奖学金（New Americans Fellowship）的支持。Jaewon Lee得到了HHMI的支持。Marcia C.Haigis博士得到了美国癌症学会研究学者拨款、美国国立卫生研究院（NIH）拨款AG032375和格伦医学研究基金会的支持。
