2022年1月17日整理發(fā)布：腫瘤代謝重編程的分子基礎

2022年1月17日整理發(fā)布：近年來，對于腫瘤細胞內葡萄糖、氨基酸、脂質等營養(yǎng)物質代謝重編程中關鍵代謝途徑控制的研究，激發(fā)了神經外科學者們對膠質瘤代謝異常的新興趣。錯綜復雜的腫瘤細胞代謝網絡使膠質瘤的基礎研究顯示出巨大的挑戰(zhàn)性，這也意味著針對膠質瘤代謝途徑改變的研究或為其臨床治療提供新的可能。

基于對營養(yǎng)物質限制的飲食治療應運而生，并且開始了臨床試驗階段，雖然飲食治療的副作用仍需探討，但是這種新穎的對于腫瘤的輔助治療方式或成為部分膠質瘤患者的治療曙光。自噬作用作為腫瘤的一個新興標志，對膠質瘤發(fā)生、進展、轉移、耐藥性、放療抗性及預后產生重要影響，而膠質瘤代謝重編程與其細胞自噬密切相關。這篇綜述重點介紹了膠質瘤三大營養(yǎng)物質代謝重編程與自噬相關的研究進展。

1.腫瘤代謝重編程的分子基礎

代謝重編程是腫瘤細胞的十大基本特征之一，其中糖代謝方式和途徑的改變是腫瘤細胞代謝重編程最重要的表現(xiàn)形式。早在20世紀初期，腫瘤細胞特殊糖代謝的Warburg效應被發(fā)現(xiàn)，即腫瘤細胞即使在氧氣足夠充足的條件下，其維持生命活動所需的能量也主要依賴有氧糖酵解而非經典的氧化磷酸化。

研究表明腫瘤細胞有氧糖酵解的分子網絡依賴多個糖酵解關鍵限速酶，比如己糖激酶(hexokinase2，HK2)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2，PKM2)、丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)，致癌/抑癌基因比如p53、c-Myc及其它多條癌癥相關通路的調控，包括HIF-1α、2-HG等的調控。這些基因的表達異常、蛋白活性改變、基因位點突變及表觀遺傳學修飾等構成的分子調控級聯(lián)網絡保證了腫瘤細胞內有氧酵解的進行，進而維持了腫瘤細胞的生存和生長。

HK2和PKM2是有氧糖酵解的關鍵限速酶，它們的轉錄、蛋白表達及細胞內定位與多種腫瘤細胞的生物學行為調控密切相關。PDH是細胞線粒體內氧化磷酸化有效運行的關鍵分子之一，它的表達下降間接促使有氧糖酵解的增強。此外一些抑癌基因(比如p53)依賴靶向結合TIGAR，通過阻止其轉錄降低腫瘤細胞的有氧酵解發(fā)揮抗腫瘤作用。

致癌基因c-Myc誘導HK2、PKM2等有氧糖酵解限速酶在腫瘤細胞內的表達增加并加速糖酵解的進行。還有研究證實c-Myc能夠刺激GLUT1的表達，促進葡萄糖向細胞內轉移。IDH1的突變及2-HG的發(fā)現(xiàn)將腫瘤代謝的研究推向了高潮，雖然2-HG是三羧酸循環(huán)的副產物，但在腫瘤組織中卻通過多種機制(比如抑制脯氨酸羥化酶的活力)，阻止HIF-1的泛素化降解，調控組蛋白H3k9和H3K27等的甲基化促進腫瘤細胞生長。

綜上，腫瘤細胞葡萄糖代謝重編程是多基因和多通路的結果。脂肪酸是細胞內能量儲存、分子信號信息傳遞以及膜合成的底物，可分為飽和和不飽和脂肪酸。脂肪酸合成和分解代謝的調節(jié)亦被認為是腫瘤代謝重編程所必需的另一種重要形式。

腫瘤細胞通過增加脂肪酸合成來滿足其生命活動的需要。ATP檸檬酸裂解酶(ACLY)、乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)、脂肪酸合酶(FASN)是脂肪合成的限速酶。研究顯示它們在多種腫瘤細胞中呈現(xiàn)高表達。在腫瘤細胞中ACLY的乙?；芊€(wěn)定其自身促進脂質合成和細胞增殖，干擾ACLY的表達會顯著抑制腫瘤細胞生長。

ACC在細胞內主要有ACC1和ACC2兩種形式存在，ACC1被認為是脂肪酸合成的主要限速酶;而ACC2位于線粒體體膜上，主要與脂肪酸的氧化有關。最近的一項研究表明，F(xiàn)ASN除了為磷脂合成提供脂肪酸和維持高糖酵解之外，還在癌癥代謝中發(fā)揮作用。與生物學特征明確的脂肪酸合成途徑相比，脂肪酸氧化分解代謝的作用在很大程度上是未知的，研究表明與細胞自噬相關。

相信隨著科學的不斷進步和研究的不斷深入，更多腫瘤細胞中脂肪酸氧化分解的機制將會被揭示。腫瘤細胞內部同樣也存在氨基酸代謝的異常調節(jié)，以滿足其快速增殖的需求。眾所周知氨基酸可分為必需氨基酸和非必需氨基酸，這些氨基酸除了滿足蛋白質合成需要之外，目前研究結果顯示在維持腫瘤細胞生物學行為方面具有不可替代的作用，其中絲氨酸、甘氨酸和谷氨酰胺尤為突出。

絲氨酸和甘氨酸相互聯(lián)系，兩者在腫瘤細胞中是蛋白、核酸和脂類合成的底物，對腫瘤細胞增殖至關重要。谷氨酰胺代謝活躍是腫瘤中一種較為常見的代謝改變，研究顯示其在腫瘤細胞供能中的重要性僅次于葡萄糖，在能量產生，細胞信號傳導和大分子合成的過程中都扮演著極為重要的角色;致癌基因c-Myc能夠激活谷氨酰胺代謝酶的表達，進而調控腫瘤細胞的生物學行為。

綜上，腫瘤代謝的形式發(fā)生了重要轉變，腫瘤代謝改變可作為腫瘤治療的潛在靶點，進一步理解腫瘤代謝異常的基本規(guī)律將會為腫瘤治療提供新的治療思路，膠質瘤亦是如此。

2.膠質瘤治療現(xiàn)狀

膠質瘤是顱內最常見的原發(fā)性惡性腫瘤，其高致死和致殘率給社會造成了極大的負擔，因此膠質瘤的治療一直倍受國內外研究者的關注;但目前除少數幾種類型的膠質瘤(毛細胞星形細胞瘤和室管膜下巨細胞星形細胞瘤)外，膠質瘤仍缺乏有效的治療方案，其中膠質母細胞瘤(glioblastoma，GBM)是惡性程度最高且預后最差的膠質瘤，盡管接受手術、放療和化療相結合的STUPP治療方案，GBM的5年生存率僅為5.6%，中位生存期也僅為14.6個月，因此膠質瘤的臨床治療仍亟需新的策略。

3.膠質瘤代謝異常與自噬

自1966年諾貝爾獎得主提出“腫瘤是一種代謝疾病”以來，腫瘤代謝重編程逐漸成為腫瘤研究的熱點。代謝重編程作為癌癥的重要特征之一，它可通過改變細胞多種代謝途徑來滿足腫瘤細胞快速、持續(xù)增殖時對底物、能量、氧化還原力的高需求。

眾所周知各種生物能量的代謝通路并非是孤立存在的，膠質瘤細胞可通過多種分解代謝途徑來給自身“供能”，細胞的這種合成代謝相互聯(lián)系并最終形成龐大的代謝交叉信號網絡;同時更重要的是，不同亞型膠質瘤細胞之間的代謝方式具有潛在的異質性，因此代謝重編程及其各亞型間的代謝異質性成為臨床上開發(fā)新治療方案、減緩膠質瘤進展以及提高患者總體生存時間和生活質量的阻礙。

代謝重編程可影響膠質瘤細胞內多種促癌信號通路，如增殖、蛋白質合成、自噬和治療耐藥性等，其中自噬作為一種代謝的補償機制，它可通過溶酶體降解受損和/或多余的細胞器和蛋白質“產能”，防止膠質瘤細胞內廢物積聚的同時維持各種物質代謝間的平衡。由于自噬具有抗癌和促癌的雙重特性，因此關于癌癥治療中自噬的干預措施也充滿爭議，但是抑制/誘導腫瘤自噬仍是一個具有較強吸引力的治療靶點和途徑。

目前越來越多的研究表明膠質瘤中葡萄糖、氨基酸、脂質三大物質的代謝重編程為膠質瘤的診治提供新思路，接下來我們將歸納和總結膠質瘤中三大物質(葡萄糖、氨基酸、脂質)代謝重編程對細胞自噬的影響。

3.1葡萄糖代謝與自噬

在20世紀20年代德國生物化學家發(fā)現(xiàn)了腫瘤細胞代謝的特點—糖酵解高度活躍而線粒體有氧代謝減弱，這一現(xiàn)象被稱為“Warburgeffect”，同樣膠質瘤中也存在Warburg效應;還發(fā)現(xiàn)即使在氧氣充足的情況下腫瘤細胞也會比正常組織產生更多的乳酸，大量的乳酸堆積會導致酸性和低氧的微環(huán)境，從而促進腫瘤的侵襲、轉移和存活，因此這一改變與臨床預后密切相關。

一方面，低氧微環(huán)境通過增加活性氧自由基(ROS)的產生激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)信號通路，導致腫瘤細胞自噬的發(fā)生，進而促進腫瘤細胞的存活。另一方面自噬活動也是細胞對于氧化應激的一種重要防御機制，營養(yǎng)物質缺乏時腫瘤細胞自噬會及時啟動。

大量實驗表明膠質瘤細胞的糖代謝與自噬可通過多種生物分子和途徑相互影響，其中TP53和PI3K/AKT/mTOR通路尤為重要。TP53編碼的經典腫瘤抑制因子p53不但能夠抑制有氧糖酵解促進氧化磷酸化，而且還可以維持細胞對缺氧、DNA損傷和癌基因激活的適應性反應，研究證實p53可根據其亞細胞定位以雙重方式調節(jié)自噬;p53還可以作為核轉錄因子激活促凋亡基因和細胞周期阻滯基因進而促進自噬的發(fā)生;然而細胞質中的p53在線粒體中則可抑制自噬，最終促進細胞死亡。

研究顯示PI3K/AKT/mTOR信號通路可通過調控膠質瘤的糖代謝來調節(jié)細胞自噬。眾所周知膠質瘤的發(fā)生通常與PI3K/AKT/mTOR信號通路的分子變化有關，并且具有PI3K/AKT/mTOR通路活化的膠質母細胞瘤患者預后更差。低劑量二甲雙胍穿過血腦屏障，可以抑制膠質瘤細胞線粒體呼吸，促進糖酵解來產生乳酸和ATP;同時發(fā)現(xiàn)二甲雙胍和替莫唑胺具有協(xié)同抑制膠質瘤細胞增殖的作用。

關于二甲雙胍誘導自噬的發(fā)生途徑是否依賴腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/mTOR仍需進一步證實。對1093例高級別神經膠質瘤患者臨床研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍治療的Ⅲ級膠質瘤患者總體生存和無進展生存期可以得到改善。

總之，腫瘤細胞糖代謝的重新編程和自噬在一個連續(xù)循環(huán)中交織在一起，糖代謝的改變在一定程度上促使腫瘤細胞酸性和低氧微環(huán)境等的形成，細胞則緊接著通過啟動自噬來應對這種外在微環(huán)境的改變，進而保證自我的生存能力和增殖等生物學行為。

3.2氨基酸代謝與自噬

除了葡萄糖代謝外，膠質瘤細胞內重要的合成和分解代謝也離不開氨基酸及相關酶的參與，比如：谷氨酰胺的高代謝不但支持膠質瘤線粒體活躍的氧化磷酸化過程，還為其提供代謝中間產物。

隨著輔助檢查手段的進步，人們可通過磁共振波譜檢測到GBM患者腫瘤細胞內谷氨酰胺水平相對于對側正常腦組織升高，但谷氨酰胺缺乏時人們發(fā)現(xiàn)mTOR介導乙酰轉移酶ARD1S228磷酸化和促使磷酸甘油酸激酶1(PGK1)誘導Beclin1磷酸化，最終導致第3類PI3K(VPS34)活性增強和自噬啟動，這說明了谷氨酰胺代謝水平和自噬的調節(jié)對維持膠質瘤細胞內穩(wěn)態(tài)具有重要意義。

然而有半數的谷氨酰胺并未直接參與到三羧酸(TCA)循環(huán)中，而是轉化為谷氨酸，隨后谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在γ-谷胱甘肽環(huán)?；D移酶(GGCT)的作用下組成谷胱甘肽。有研究證實激活AMPK-Unc-51樣激酶1(ULK1)軸和/或抑制mTORC2-AKT通路促使GGCT表達量降低而誘導自噬;GGCT敲除亦可促進LC3-Ⅱ和自噬小體形成，但敲除自噬誘導的關鍵介質酵母自噬相關基因5(Atg5)時會減弱上述現(xiàn)象。

在膠質瘤細胞中，天冬酰胺水平的變化對膠質瘤代謝起著十分重要的影響。將U251、U87和SF767膠質母細胞瘤細胞用L-天冬酰胺酶(ASNase)和/或6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸(DON)處理，引起天冬酰胺合成減少，進而抑制膠質母細胞瘤生長。這種天冬酰胺消耗對膠質瘤生長的抑制作用似乎和自噬相關，實驗表明天冬酰胺酶處理的GBM細胞誘導LC3-Ⅱ累積，自噬體形成;同時U87MG和U251MG中的AKT磷酸化顯著降低，必需的下游效應物mTOR脫磷酸，細胞外調節(jié)蛋白激酶1/2(Erk1/2)的磷酸化水平呈劑量和時間依賴性增加，這更證明了天冬酰胺消耗引起自噬的猜想。

患者對膠質瘤化療時產生的耐藥性也是一個令人頭疼的問題。氯喹(CQ)是一種溶酶體抑制劑，可阻斷自噬體和溶酶體的融合;用裸鼠建立的U87MG皮下人膠質母細胞瘤異種移植腫瘤模型中，天冬酰胺酶和CQ的聯(lián)合治療顯著降低了腫瘤的體積和腫瘤的重量，這表明通過酶促反應降低天冬酰胺水平聯(lián)合自噬抑制劑可以克服膠質瘤某些化療過程中的耐藥性;能為增強膠質瘤的療效提供新的可能。

還有研究證實，絲/蘇氨酸蛋白激酶4(MST4)使絲氨酸殘基383處的ATG4B(一種主要的半胱氨酸蛋白酶)磷酸化，刺激ATG4B活性從而增加自噬通量;而降低MST4、ATG4B的活性，或使用ATG4B抑制劑可抑制GBM的自噬水平。此外，絲氨酸/甘氨酸代謝對膠質瘤細胞的作用也在不斷地被證實;缺氧和低糖條件下培養(yǎng)的大鼠膠質瘤模型中，膠質瘤細胞內甘氨酸和絲氨酸水平升高，并且該通路內的酶在壞死灶周圍的細胞中高度表達;然而甘氨酸和絲氨酸的過表達對神經膠質瘤自噬及侵襲性的影響仍有待研究。以上這些研究顯示膠質瘤細胞中氨基酸代謝異常依賴多種機制啟動或抑制細胞自噬，進而影響腫瘤細胞的生長和增殖等行為。

3.3脂代謝與自噬

隨著對膠質瘤代謝重編程的深入研究，人們注意到脂肪酸亦可以成為膠質瘤細胞內生物能量代謝的關鍵底物，甚至可以通過生物信息圖譜來分析脂肪酸代謝相關基因與膠質瘤惡性程度、預后、免疫表型之間的相關性。無血清培養(yǎng)的人膠質瘤細胞可以通過脂肪酸氧化來維持細胞呼吸和增殖活性。

在惡性膠質瘤原位小鼠模型中使用體內放射標記13C，研究表明膠質瘤超過一半的氧化供能需要依賴脂肪酸代謝來完成，而葡萄糖的貢獻只有三分之一。在原代膠質瘤細胞培養(yǎng)過程中，抑制脂肪酸氧化能夠降低膠質瘤細胞的增殖活性;同時脂肪酸氧化抑制劑依托莫司能使原位異種移植腫瘤小鼠的生存期明顯延長。

脂肪酸氧化的增強提高了膠質瘤細胞代謝的可塑性，從而使膠質瘤細胞適應整個代謝重編程的動態(tài)變化;因此通過靶向脂肪酸代謝治療膠質瘤越來越受到人們的重視。人們發(fā)現(xiàn)脂質代謝在調控自噬中同樣發(fā)揮重要作用。研究表明用二十二碳六烯酸(DHA)處理GBM細胞時可通過誘導LC3-Ⅱ水平過表達、激活蛋白激酶(AMPK)、誘導AKT磷酸化(p-AKTSer473)和抑制mTOR最終誘導自噬的發(fā)生，但這種現(xiàn)象卻受到DHA劑量限制，只有用大劑量DHA培養(yǎng)的U251和U118GBM細胞系中才會誘導細胞自噬。

研究人員也在將ω6-多不飽和脂肪酸(ω6-PUFA)轉換為ω3-PUFA的轉基因膠質瘤小鼠的腫瘤組織中觀察到小鼠的TUNEL陽性細胞數和LC3-Ⅱ、p-AMPK水平升高以及p-AKT表達水平降低，最終導致膠質瘤細胞死亡，因此ω3-PUFAs可能成為GBM治療中的佐劑。同時研究證實可通過調控膠質瘤脂肪酸合成酶的活性干擾脂肪酸合成從而誘導膠質瘤自噬和凋亡，例如當用奧利司他(Orlistat)靶向抑制FASN時人們發(fā)現(xiàn)神經膠質瘤細胞的脂肪酸合成和細胞活力受到抑制，這與干擾膠質瘤自噬關系密切。

以上研究證據表明膠質瘤的脂肪酸代謝異?？烧T導細胞自噬，進而調控細胞活力和凋亡，隨著研究的不斷深入，相信脂肪酸代謝的異常將來可能會成為膠質瘤研究的一個新熱點。以上這些證據顯示，膠質瘤中代謝產物的累積或減少構成腫瘤特有的生長應激微環(huán)境，亦或通過調控代謝關鍵酶的活性或表達水平，致使抑癌/致癌基因或腫瘤相關通路的改變激活細胞自噬，更重要的是自噬也在一定程度上能夠反過來調控腫瘤細胞的能量代謝進而決定腫瘤細胞的命運，最終形成了一種腫瘤代謝和細胞自噬啟動或抑制得以維系的惡性循環(huán)，導致腫瘤的難治性。

4.總結與展望

雖然目前手術切除、放療以及化療的STUPP膠質瘤治療方案已廣為接受，但是其療效依然很差，因此我們依然急需開發(fā)出新的有效治療方法。自從Warburg效應發(fā)現(xiàn)以來，腫瘤代謝重編程一直是癌癥領域中令人關注的問題，無論是促癌基因、抑癌基因、生長因子途徑的發(fā)現(xiàn)，還是癌癥的分子亞型等遺傳表型概念的提出，都難以掩蓋人們對研究腫瘤代謝重組的熱忱。

有人曾形容腫瘤細胞的能量供應如同“打地鼠”一樣，某條信號通路被抑制新的信號通路就可能被激活，而自噬則被看作各種代謝通路上細胞回收能量底物的重要途徑。目前已有證據顯示通過調控細胞自噬可降低腫瘤細胞的適應性，提高腫瘤細胞對放化療的敏感性，同時通過研究關鍵代謝路徑與自噬的相關作用來提高膠質瘤化療效果的藥物相關進展也一直被重視，雖然自噬同時具有促癌和抑癌雙重特性，未來關于自噬抑制劑聯(lián)合應用于膠質瘤治療的潛力以及對不同亞型間的代謝與自噬相互作用的差異性我們還需要進一步確認，但通過各種輔助檢查檢測自噬相關遺傳基因及個體代謝的特點為提前預測高風險人群可以成為惡性膠質瘤預防及治療的新方法。

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