脯氨酸代谢与癌症

2.3. 脯氨酸氧化酶

在过去的十年中，我们对脯氨酸的研究与对新陈代谢的兴趣的复苏不谋而合。癌症研究尤其如此。尽管从基因组学和癌基因、抑制基因和信号网络的鉴定进展中获得了重要的见解，但关键的一点是，其中许多网络适应了生存的生物能量需求或为快速增殖提供必要的构建块(15). 一个重要的考虑因素是肿瘤发生过程中不同的代谢需求。最初，肿瘤细胞与基底膜和血液供应分离，从而产生缺氧和营养应激。在这一时期存活下来并伴随着血管生成，肿瘤转移营养物质以合成细胞成分，能量不是来自氧化磷酸化，而是来自糖酵解。换句话说，碳用于生长，而不是氧化成CO₂用于能源(16). 因此，糖酵解（葡萄糖转化为乳酸）用于能量，而乙酰辅酶A用于脂质合成，而不是进入TCA循环。葡萄糖通过戊糖磷酸途径进入核糖并形成核糖核苷酸。

在过去十年中取得进展的另一个领域是肿瘤微环境的探索(17,18). 这些研究不仅强调了肿瘤细胞与不同细胞类型（基质细胞、免疫细胞）的相互作用，还强调了对缺氧的适应性变化(19). 细胞外基质的功能尤其值得注意。由于葡萄糖和谷氨酰胺像氧气一样依赖于血液供应，营养素消耗通常伴随着缺氧。然而，在阐明肿瘤微环境中营养应激的代谢适应方面做得相对较少。本综述将试图基于代谢和微环境这两个领域的知识制定一个代谢范式。脯氨酸和羟脯氨酸占胶原蛋白残留物的三分之一，胶原蛋白是细胞外基质的主要成分。

3.3. POX在人类肿瘤中下调

虽然我们已经证明POX在培养细胞和异种移植瘤模型中是一种线粒体肿瘤抑制蛋白，但关键问题是临床意义上的人类肿瘤是否克服了POX介导的肿瘤抑制效应。我们获得了97个代表各种人类肿瘤的冷冻组织，并对POX进行了免疫组织化学研究。来自同一患者的正常组织作为对照。这些研究表明，与正常组织相比，61%的肿瘤POX表达降低。令人惊讶的是，对于消化道和肾脏肿瘤，78%的肿瘤显示POX的表达显著降低。根据这些发现，我们重点研究了肿瘤降低POX表达的机制。我们寻找影响催化活性的体细胞突变和单核苷酸多态性。然而，我们发现肿瘤组织和正常组织之间没有差异。因此，PRODH不满足肿瘤抑制基因的规范要求。我们还检测了POX基因组DNA编码区和启动子区的超甲基化。然而，我们发现肿瘤组织和正常组织之间没有差异。研究人员提出，microRNAs可以抑制肿瘤抑制蛋白的表达，从而发挥致癌基因的作用(30,31)刘伟（音译）在我们实验室发起了一项重大研究，以研究miRs在肿瘤逃避POX抑制作用中的作用。

4.3. 抑制miR-23b恢复POX介导的肿瘤抑制*

逆转miR作为抑癌蛋白沉默POX的作用将是对miR-23b*作用的关键测试。作为原理证明，在组织培养中研究了具有互补碱基对的抑制性安替戈米尔。首先，我们在DLD-POX细胞中发现，用miR-23b*处理可以阻止ROS增加和POX表达介导的细胞生长抑制。更重要的是，在POX表达低而miR-23b*水平高的肾肿瘤细胞中，用miR-23b*的抑制性antagomir治疗以POX siRNA不受抑制的方式增加了ROS和凋亡细胞的百分比。因此，使用miR-23b*抑制剂可能提供了一种方法来恢复肿瘤细胞中POX的表达，以调节其抑瘤作用(32). 我们目前正在开发组织培养中优化的安替戈米尔给药系统，以在动物模型中测试我们的假设。总之，这些对POX和编码POX的基因PRODH的研究不仅阐明了POX阻断细胞周期和介导凋亡的机制，而且还介绍了通过抑制特定miR来重新激活POX的凋亡作用的可能性，作为人类肿瘤的治疗策略。

5.3. PPARgamma、POX和自噬

自噬，字面意思是“自噬”，已被确定为细胞成分和细胞器在自噬体中被空泡化和降解的机制(40,41). 特定基因的顺序表达诱导了这些自噬体的形成。含有细胞外物质的内体与这些自噬体融合，最后与含有必要降解酶的溶酶体融合。尽管以前被认为是2型程序性细胞死亡，但自噬更有可能在营养物质耗尽的条件下产生营养物质以供生存。也可能是受损细胞器的降解通过防止细胞功能恶化来维持生存。

自噬作为一种生存机制主要通过mTOR网络进行调节(42). 该系统感知代谢压力和营养消耗，并对蛋白质合成和细胞生长的停止做出反应。有趣的是，可以直接与mTOR结合以防止形成TOR复合物1的雷帕霉素和激活AMPK的氨基咪唑甲酰胺核糖核苷酸（AICAR）均显著激活POX活性(43). 降低葡萄糖激活的AMPK水平和上调POX。为了补充代谢应激的这些发现，我们测试了缺氧的影响。正如预期的那样，缺氧激活了POX，但这种激活机制并不依赖于HIF-1α。相反，缺氧也通过AMPK介导的机制激活POX。正如oxLDL和PPAR-gamma所发现的那样，缺氧激活了自噬和凋亡机制(44). 然而，在这些代谢应激条件下，POX对细胞凋亡是不必要的；POX的敲除并没有阻断细胞凋亡。推测其他途径可以刺激细胞凋亡级联反应。但POX是自噬的必要介质(图3). 敲除POX显著抑制beclin 1的诱导、LC3-I向LC3-II的转化，并阻止自噬体的形成(44). 因此，我们已经证明POX在细胞凋亡和自噬中起着重要作用。这些POX介导的机制可能对肿瘤细胞的生存很重要，也可能为癌症的辅助治疗提供一种途径。但是脯氨酸从哪里来？

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图3。

POX信号在代谢应激条件下的作用。随着葡萄糖缺乏，AMPK被激活以增加POX的表达，而oxLDL的氧化配体与PPARgamma结合以诱导POX。POX产生的ROS通过上调beclin的表达激活自噬以生存，并启动自噬，自噬体形成过程中LC3 I转化为LC3 II即证明了这一点。缩写为：oxLDL，氧化低密度脂蛋白；微管相关蛋白1轻链3；其他如图例所示图1&2.

6.3. 脯氨酸和羟脯氨酸与无补体

对肿瘤微环境感兴趣的研究人员强调了基质或细胞外基质（ECM）在侵袭性肿瘤细胞周围的作用(48). 肿瘤细胞和基质细胞与血液来源分离后，激活和/或释放多种基质金属蛋白酶（MMPs），这些基质金属蛋白酶主要是胶原酶(49). 因此，胶原蛋白被降解，生成的肽被uPARAP/Endo180受体识别，并被带到与溶酶体和自噬体融合的内体中，这些肽被组织蛋白酶和蛋白酶降解(50). 然而，羧基末端含有脯氨酸或羟脯氨酸的二肽不能被通常的二肽酶降解，因为肽键含有叔胺；这些亚胺肽需要它们自己的水解酶，脯氨酸酶(51)释放游离脯氨酸和羟脯氨酸。胶原蛋白的完全水解将主要释放脯氨酸、羟脯氨酸和甘氨酸（残基百分比分别为17%、17.9%和33%）。脯氨酸被释放以参与蛋白质合成或被POX代谢以产生ROS作为信号或作为能量来源，如前所述（见上文）。当然，甘氨酸用于蛋白质合成，但它也可以通过四氢叶酸裂解为甲基供体，并以NADH的形式产生能量(52). 必须调查NADH在营养缺乏条件下是否具有生物能量贡献。一个重要的考虑因素是羟脯氨酸的代谢。羟脯氨酸不能回收用于蛋白质合成。相反，它依次代谢为乙醛酸和丙酮酸(53). 这很有趣，因为来自羟脯氨酸（也来自甘氨酸）的乙醛酸可以与乙酰辅酶A缩合形成苹果酸，作为乙醛酸循环的一部分(54)胶原蛋白的降解可能是TCA循环和脂肪酸代谢的回复机制。这种机制目前是假设的，但初步实验表明它确实存在。

7.3. 基质金属蛋白酶与肿瘤发生

MMPs在降解细胞外基质中的作用在肿瘤发生中已被广泛研究，最初被认为是消除物理屏障从而促进肿瘤侵袭和转移的机制(17). 最初的热情在一些临床试验中测试MMP抑制剂达到顶峰(18). 然而，这些试验普遍不成功，导致对这种治疗策略进行了重新评估。基质金属蛋白酶抑制剂可能是一把双刃剑。MMPs的激活具有有益的作用，即肿瘤抑制作用和肿瘤促进作用。此外，与ECM结合的各种细胞因子的释放，尤其是TGF-β，被认为是基质金属蛋白酶发挥作用的机制(63). 最近，人们发现胶原蛋白的降解和重塑通过一种机械调节机制影响肿瘤行为(64). 在这些关于MMPs对肿瘤微环境影响的研究中，很少有人关注释放的脯氨酸（和羟脯氨酸）及其代谢对肿瘤细胞的影响。最近的发现将刺激调查人员在这一领域进行研究。事实上，从对葡萄糖/谷氨酰胺代谢的理解中获得的见解可能会发现胶原蛋白降解与肿瘤微环境中脯氨酸和羟脯氨酸的代谢相似。