肿瘤代谢特点及其在肿瘤治疗中的应用进展

The Characteristics of Tumor Metabolism and Its Application Progress in Tumor Therapy

摘要: 代谢重编程(metabolic reprogramming)是肿瘤的特征之一。本文针对肿瘤细胞中糖代谢、脂质代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢四种代谢类型进行综述。同时，我们阐述了特殊代谢产物在肿瘤中的变化及其调控机制，以更深入地认识肿瘤的代谢特点及其在肿瘤治疗中的研究进展。

Abstract: Metabolic reprogramming is one of the characteristics of tumors. In this paper, four metabolic types of glucose metabolism, lipid metabolism, amino acid metabolism and nucleotide metabolism in tumor cells were reviewed. At the same time, we discussed the changes of special metabolites in tumor and their regulatory mechanisms in order to further understand the characteristics of tumor metabolism and the research progress in tumor therapy.

1. 引言

肿瘤的发生发展中会发生一系列生物化学转变，增强肿瘤的增殖能力、抵抗肿瘤细胞的死亡、激活组织浸润等，氨基酸、葡萄糖、脂质等代谢物的重编程在肿瘤生物化学转变的过程中十分重要。因此，对这些代谢物的分析和调控机制进行深入了解，对肿瘤治疗有着十分重要的意义[1]。

2. 肿瘤细胞糖代谢

很多研究表明，肿瘤细胞的能量代谢通常以有氧糖酵解(Warburg效应)为主[2]。糖酵解途径由多个步骤组成，其中3个是不可逆反应，即己糖激酶(hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(phospho fructo kinase, PFK)、丙酮酸激酶M1/2 (pyruvate kinase, PKM1/2)催化反应[3]。HK是糖酵解的第一个限速酶。葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白(glucose transporter protein type, GLUT)进入细胞，HK将其磷酸化形成6-磷酸葡萄糖。靶向抑制糖酵解代谢过程中的关键酶，可以抑制糖酵解途径，从而抑制肿瘤细胞的生长。

2.1. 有氧糖酵解(Warburg效应)是肿瘤的重要特点

Warburg效应是由德国生物化学家Otto Heinrich Warburg在1924年提出的，即癌细胞与正常细胞的能量来源不同造成癌细胞生长速度明显比正常细胞快。同时，由于癌细胞更加倾向于糖酵解，因此，糖酵解对癌细胞的发生发展有着一定的影响。糖酵解中主要存在两种限速酶：HK和PFK。

HK是糖酵解的第一个限速酶，对肿瘤代谢十分重要。有学者利用鼠肝癌细胞系AS-30D进行研究，结果显示HKII基因的复制数量明显高于正常细胞[4]。此外，通过对限制片段长度的多态性进行分析，发现HKII基因并没有出现重排，这就表示基因数量的增加需要建立在原基因的稳定扩增上。在肿瘤之中的表达与其基因的甲基化程度也存在一定的关系，即甲基化程度越高，HKII表达越低[5]。

PFK是糖酵解中最为重要的限速酶。TAp73可以转录调控人肝脏磷酸果糖激酶(Recombinant Phosphofructokinase Liver, PFKL)的表达，提高肿瘤细胞糖酵解的活性，加快乳酸的分泌，进而推动Warburg效应[6]。PFK的激活会增加ATP合成，使肿瘤具备较强的抗氧化能力，机体内TAp73缺失时，PFK在体内的激活过程可恢复成瘤能力[6]。另外，PFK可以调节PI3K/AKT信号通路，进而调控糖酵解过程；O-乙酰氨基葡萄糖转移酶(O-linked N-acetylglucosamine transferase, OGT)是细胞内一种蛋白质翻译后修饰酶，糖基化PFK酶中的第529位丝氨酸，加快葡萄糖代谢向PPP代谢的转换，促进肿瘤细胞的选择性生长。

丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)能够催化高能磷酸化合物磷酸烯醇式丙酮酸发生底物水平磷酸化产生腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine triphosphate, ATP)和丙酮酸，同时在糖酵解过程中，丙酮酸激酶也是关键的限速酶[7]。PK有M型和L型两种同工酶，其中PKM2酶在肿瘤细胞中活性较低，导致磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate, PEP)及其他中间代谢产物无法及时发生反应而出现累积，进入其他代谢途径能够产生生物大分子和NADPH等维持细胞快速增殖[8]。此外，乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase A, LDHA)在肿瘤组织中高表达，能促进丙酮酸转化为乳酸，可以明显地抑制肿瘤细胞的增殖和提供能量[9]，减少了肿瘤细胞的侵袭[7]。抑癌基因Kruppel4样因子(Kruppel-like factor 4, KLF4)可下调LDHA基因的表达水平[8]，而叉头盒蛋白M1 (forkhead box protein M1, FOXM1)对LDHA的表达起正向促进作用，在癌细胞上体现为增殖和转移水平的提高[10]。人表皮生长因子2 (human epidermal growth factor receptor 2, HER2)能使乳腺癌细胞发生凋亡、侵袭、转移等[11]，类似作用还有原癌基因酪氨酸激酶(Src)。LDHA中的第五个赖氨酸经过乙酰化修饰，酶活力下降，转移到溶酶体中，发生降解。目前，对糖酵解的研究已经很深入了，不仅是肿瘤细胞中的糖酵解发生了异常变化，而且T细胞、巨噬细胞等免疫细胞也发生了糖代谢的变化。

2.2. 肿瘤PPP代谢增强

磷酸戊糖途径(Pentose Phosphate Path, PPP)是葡萄糖进行代谢的有效途径。葡萄糖被转化为5-磷酸核糖，参与到糖酵解和DNA合成中，所有中间产物都是磷酸酯，生产多种产物以应对不同的需求。

目前临床学者对PPP代谢途径所开展的研究主要是以葡糖六磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate 1-dehydrogenase, G6PD)和六磷酸葡糖酸脱氢酶(6PGD)为切入点。G6PD通过调节核糖-5-磷酸(R-5-P)和还原型辅酶II (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)的生成，参与核苷酸和脂质的生物合成、维持氧化还原的动态平衡。G6PD为肿瘤细胞提供NADPH以维持细胞内氧化还原平衡和脂类合成，并为核苷酸的生成提供R-5-P，在肿瘤的增殖、分化、凋亡中起到了重要作用。在转羟乙醛酶(transketolase, TKT)的作用下，核酮糖-5-磷酸(Ribulose 5-phosphate, R5P)转化为甘油醛-3-磷酸(Glyceraldehyde 3-phosphate, G3P)和果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate, F6P)，F6P通过糖异生途径合成G6PD [10]。G6PD还具有保护生物有机体免受氧化损伤，这一作用机制主要取决于细胞NADPH，而NADPH的水平可以通过提高G6PD酶活性来加以提升，同时也可有效预防ROS的损伤程度。组蛋白乙酰转移酶乙酰化G6PD可有效预防二聚体的生成，从而降低G6PD活性；相反，去乙酰化酶Sirt2可以对G6PD去乙酰化加以诱导，使其被激活，从而使PPP代谢被激活，形成NADPH [12]。Sirt5是调节因子催化G6PD的戊二酰化以增加其酶活性，敲除或者降低Sirt5表达，可降低G6PD酶的活性，导致NADPH和GSH水平降低，最终增加细胞对氧化应激的敏感性。p53是一种抑癌基因，与G6PD相互作用，通过抑制G6PD二聚体的形成来抑制p53酶活性，从而抑制PPP代谢通路。

6PGD在结肠癌、直肠癌、宫颈上皮内肿瘤、甲状腺肿瘤、肺癌等肿瘤细胞中高表达，是PPP代谢途径中的氧化还原酶，催化6PG脱羧形成R5P，最终形成NADPH。苹果酸酶1 (malic enzyme 1, ME1)可以与6PGD相互作用形成异源二聚体，6PGD同源二聚体具有酶活性，可模拟6PGD的功能来发挥作用[13]。二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶(dihydrolipoamidetransferase, DLAT)和乙酰辅酶A乙酰转移酶(Recombinant Acetyl Coenzyme A Acetyltransferase 2, ACAT2)可以作为一种乙酰转移酶来催化6PGD的乙酰化，增加6PGD活性，无法显著减弱过表达肿瘤细胞的生长繁殖。组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase, HDAC)可以催化6PGD的脱乙酰化，降低6PGD的活性[14]。

3. 肿瘤细胞氨基酸代谢

氨基酸在肿瘤代谢中发挥着十分重要的作用，它的作用是为肿瘤细胞提供充足的营养，参与肿瘤免疫调控。另外，氨基酸还具有氧化还原功能、能量调控、维持内稳态等功能，因此，氨基酸代谢在肿瘤治疗中深受关注。在肿瘤的发生发展中，出现肿瘤细胞异常增殖，需要大量的营养物质来维持其生长，同时还需要逃避来源于宿主免疫系统的攻击，在这种过程中肿瘤细胞都是利用其自身独特的代谢方式来完成的。肿瘤的各种生物合成途径都会涉及支链氨基酸，并会将支链氨基酸作为能量来源，而支链氨基酸的代谢和其相关酶的代谢表达会受到致癌突变和肿瘤组织起源的影响[15]。

在肿瘤细胞中，除必需氨基酸外，许多非必需氨基酸也需要外源性补充。氨基酸可以通过刺激一系列信号激活mTOR，保证蛋白质、核酸和脂质的合成。临床上已明确的是亮氨酸和精氨酸可以激活mTOR；此外，许多氨基酸转运蛋白也参与了mTOR信号传导，使得氨基酸与mTOR之间的关系更加复杂[16]。

研究表明，氨基酸的存在对mTOR在细胞中的定位有着一定的影响[17]。在细胞中不存在氨基酸的情况下，mTOR广泛分布于细胞质中。然而，在添加氨基酸后，mTOR可以迅速定位于溶酶体表面，并与小G蛋白Rheb结合。然而，Rheb敲除小鼠的mTOR可能仍保留氨基酸敏感性，这表明除了Rheb之外，氨基酸仍可能以其他方式刺激下游mTOR信号。通过生化和遗传方法的选择表明，小GTP蛋白Rag作为一种重要的蛋白介质，其作用在于促使氨基充分激活mTOR，在Rag缺失的情况下，mTOR不能存在于溶酶体中[18]。

3.1. 肿瘤细胞的谷氨酰胺依赖(Glutamine Addiction)

谷氨酰胺是一种摄取量较大的非必需氨基酸，参与许多生物反应，包括能量产生、大分子合成和信号转导。谷氨酰胺可以用来合成核苷酸、脂质、谷氨酸，谷氨酸可以转化成为α-酮戊二酸的中间代谢物，还原谷胱甘肽，进而对氧化应激产生抑制，维持线粒体的完整性，促进增殖细胞的存活[19]。许多癌细胞需要外源性补充谷氨酰胺来维持依赖谷氨酰胺进行的增殖。

Lobo C等[20]用反义DNA干预GA神经节脑苷脂(Gangliosides, GA)表达，并与GA基因的mRNA进行结合，最终形成一种杂交分子，阻碍其前体剪接和翻译，同时，也可以将肿瘤细胞内谷氨酰胺酵解的发生加以阻断，在研究中选择Ehrlich腹水肿瘤细胞作为对象，使用谷氨酰氨酶反义片段(0.28 kb)的pc DNA3载体转染，结果显示，肿瘤细胞的生长率和扩散效率均有下降。实验结果显示，通过反义转染细胞可以逆转突变表型，而谷氨酰氨酶在细胞转化过程中的重要作用，这也为肿瘤基因治疗提供了一条新的途径。

3.2. 肿瘤细胞天冬氨酸/天冬酰胺合成代谢增强

天冬氨酸与天冬酰胺是非必需氨基酸，穿透细胞膜的能力较差，因此依赖于体内的生物合成[21]。天冬氨酸的合成底物为草酰乙酸，辅助因子为由谷氨酸生产α-酮戊二酸过程中所产生的氨基，催化酶为天冬酰胺合成酶(Asparagine synthetase, ASN)，因此，机体内天冬氨酸和天冬酰胺需要借助谷氨酰胺及谷氨酸代谢来合成。研究发现，发生突变的鼠类肉瘤病毒癌基因(kirsten rat sarcoma viral oncogene, KRAS)可以对谷草转氨酶1 (Glutamate Oxaloacetate Transaminase 1, GOT1)产生一定的影响，以促进天冬氨酸转化为草酰乙酸，从而改变谷氨酸的代谢通量[22]。对于肿瘤细胞而言，天冬酰胺会抑制其凋亡，因此，天冬酰胺合成酶与肿瘤的发生发展可能存在着密切的关系[23]。在急性髓系白血病患者中，肿瘤细胞不能合成天冬酰胺，但正常细胞可以正常合成。因此，L-天冬酰胺酶作为药物在循环系统中降解天冬酰胺以杀死癌细胞。

靶向治疗和免疫治疗是21世纪肿瘤治疗的新型手段，近年的临床实践显示肺癌的靶向治疗和免疫治疗均可获得较为满意的效果。天冬氨酰β‑羟化酶(aspartate β‑hydroxylase, ASPH)呈高表达并与肿瘤的进展相关ASPH抑制剂在治疗肝癌、胆管癌、胰腺癌的研究已取得了初步成果，极有可能成为肿瘤治疗的新靶点。但国内外关于ASPH在肺癌中的作用研究均较少，尚需进一步深入探讨。此外，ASPH在肿瘤发生发展中的具体作用机制也仍需进一步阐明，以将其用于抗肿瘤治疗，使更多的患者获益。

4. 肿瘤细胞脂质合成代谢

脂肪酸是能量储存、细胞膜生长和生物信号分子产生等所必需的物质。恶性肿瘤中的脂肪酸代谢如今也提到公众面前，不断有研究证据表明肿瘤细胞在脂质代谢表现出特定改变，如KINLAW [24]等发现，不仅脂肪酸的从头合成是肿瘤代谢的特征，脂蛋白脂肪酶也可能会对肿瘤细胞产生一定的影响。YI等[25]研究发现了脂质代谢的另一些改变都密切参与肿瘤干细胞的产生和其干性特征的维持。

4.1. 肿瘤脂肪酸合成代谢

乙酰辅酶A是脂肪酸合成的重要代谢前体，糖酵解形成的丙酮酸进入三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)，中间体柠檬酸穿过线粒体膜进入细胞质，在柠檬酸裂解酶(ATP citrate lyase, ACLY)的催化下被裂解成草酰乙酸和乙酰辅酶A。乙酰辅酶A在ACC的催化之后将会形成丙二酰辅酶A，七个丙二酰辅酶A分子和一个母体乙酰辅酶A分子，经过脂肪酸合成酶基因(Fatty acid synthase, FASN)催化，反复聚合而形成软脂酸，之后在经过延长及去饱和化，衍生出多种长度及饱和度不同的脂肪酸分子。

ATP柠檬酸裂解酶是脂肪酸从头合成的一个限速酶。在多种肿瘤细胞中，ACLY表达均会上调，例如乳腺癌、结肠癌等，其过表达会加快肿瘤细胞的生长[26]。植物乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl CoA carboxylase, ACC)主要有两种，分别为ACC1和ACC2。ACC1是脂肪酸从头合成的限速酶，存在于细胞质中，由其催化生成的丙二酰辅酶A，可以在脂肪酸的合成发挥作用，通过抑制ACC1产生可以减缓肿瘤细胞的增殖[27]。此外，各种癌症中FASN水平升高导致脂肪酸合成增加，这通常与癌症预后不良密切相关[28]。一项针对乳腺癌的研究发现，与未抑制FASN表达的肿瘤细胞相比，抑制FASN表达的肿瘤细胞的迁移受到明显抑制[29]。另有研究发现.在218例乳腺癌病例中.FASN阴性组和FASN阳性组的乳腺癌患者占比分别为70.4%和84.2%，推测FASN阳性表达与癌症复发转移显著相关[30]。当FASN被抑制时，不饱和脂肪酸以及饱和脂肪酸的水平降低，且细胞迁移被抑制，表明FASN可通过调节特定脂肪酸的水平参与肿瘤的发生和发展[29]。当肿瘤细胞从增殖状态转变为迁移状态时脂肪酸的吸收或膜脂中特定脂肪酸的选择性释放可能有助于形成促进细胞迁移和侵袭的信号分子[31]。由此可见，FASN高表达可以促进肿瘤细胞的迁移和侵袭。

4.2. 肿瘤细胞的胆固醇代谢

胆固醇是膜的重要成分，在维持脂双层的流动性、形成脂筏、参与信号转导等方面起着重要作用。甲羟戊酸途径((Mevalonate pathway, MP)是胆固醇合成的重要方式，和胆固醇在前列腺癌中的过度积累有关[32]。此外，该途径形成的代谢物还可作为异戊基供体进行蛋白质的异戊基化，许多信号蛋白的活性，如Ras、Rho、cdc42等，都依赖于异戊基化。

甲羟戊酸途径首先进行缩合反应生成3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A (DL-3-HYDROXY-3-METHYLGLUTARYL)，底物是乙酰辅酶A和乙酰乙酰辅酶A。第二步是整个甾醇合成中重要的限速步骤，HMG-COA发生还原反应，产物是甲羟戊酸[33]。HMG-CoA还原酶的活性受到严格调控，AMP依赖的蛋白激酶(Adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)可以使HMG-CoA还原酶发生磷酸化，从而将其灭活。胆固醇调节元件结合蛋白(Sterol-regulatory element binding proteins, SREBP)在MP途径中也发挥重要作用，主要表现在可以激活大多数主要酶[34]。上游的肿瘤抑制因子pRb对MP途径的调控在甲状腺癌中发挥着重要作用，具体过程是pRb在SREBP转录水平发挥调控作用进一步来实现对MP途径之中很多关键酶基因表达水平的调控。此外，在甲羟戊酸途径中，某些代谢酶基因的启动子可与突变的p53和SREBP二者同时结合，可提高其表达[35]。

肿瘤细胞合成胆固醇的途径中存在多个潜在的抑制性靶点，目前临床已经对胆固醇合成相关蛋白的治疗药物进行了研究。其中，他汀类药物可以通过对细胞膜的完整性进行破坏来发挥抗肿瘤作用。他汀类药物是目前最为常见的一种降胆固醇药物，同时也是肿瘤尤其是乳腺癌临床研究中使用最广泛的胆固醇代谢靶向药物。

5. 肿瘤细胞核苷酸代谢

核苷酸包括嘧啶碱、核糖或脱氧核糖、磷酸等[36]。在合成嘌呤和嘧啶核苷酸时，必须要通过磷酸戊糖通路，才能得到磷酸二氢钾，而磷酸二氢钾是从葡萄糖转化为核糖的唯一方法。

天冬氨酸、谷氨酰胺和碳酸氢盐是由氨甲酰磷酸合酶产生的嘧啶环，在双清乳清酸酯脱氢酶的催化下与5-磷酸核糖(5-phosphorlbosyl α-pyrophosphate, 5-PRPP)发生反应，产生乳清酸–核苷酸，从而在尿苷酸合成酶的作用之下产生尿苷酸[37]。

与嘧啶不同，嘌呤是在激活的PRPP上直接合成的，经过多种作用后，将其转变为次黄嘌呤核苷酸(hypoxanthine nucleotide, IMP) [38]。这一工艺采用了二氧化碳、谷氨酰胺、阿斯巴甜、甘氨酸等，将IMP转化为腺嘌呤核苷酸(Vitamin B8, AMP)、鸟嘌呤核苷酸(guanylate, GMP)，然后再经过核酸激酶转化为腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine triphosphate, ATP)、三磷酸鸟苷(Guanosine triphosphate, GTP)。此工艺需要的NADPH大部分来源于PPP的氧化分支[39]。

核苷酸合成过程中所需要的底物主要来源于糖酵解、PPP、丝氨酸–甘氨酸途径、TCA循环以及由转谷氨酰胺酶反应提供的碳和氮前体，如天冬氨酸、谷氨酰胺、丝氨酸、甘氨酸和CO₂ [40]。因而，在调控肿瘤细胞代谢路径时，往往会导致其代谢路径的改变。比如，在代谢过程中，碳流动转化可能引起一个不正常的核苷酸。调控碳流量进入单一碳代谢的机理，其本质是由丝氨酸诱发的丙酮酸激酶2 (Pyruvate kinase isozyme typeM2, PKM2)变构活化。PKM2在增殖细胞的表达较高，但PKM2的酶活力较丙酮酸激酶M1 (Pyruvate kinase M1, PKM1)低，从而使磷酸烯醇丙酮酸(Phosphoenolpyruvic acid, PEP)的转化率下降，从而促进了PPP水平的提高和丝氨酸的合成。同时，丝氨酸的升高又会导致酶的异构化，导致PKM2的活力增强，进而降低了合成丝氨酸时的碳流，最终降低核苷酸的合成。此外，在尿素循环过程中，由于体内的代谢酶精氨基琥珀酸合成酶(argininosuccinate synthetase, ASS1)活性下降，使嘧啶的合成基质中的天冬氨酸积累，从而提高了嘧啶的合成，加速了癌细胞的增殖[41]。

在mTORC1的信号途径中，嘌呤和嘧啶可以通过转录及转译来完成合成。例如，活化mTORC1可以加速由核糖体蛋白S6激酶1 (ribosomal protein S6 kinase 1, S6K1)磷酸化的嘌呤形成，这一过程最终催化了三个嘧啶的合成[42] [43] [44]。由S6K1调控的肉桂醇脱氢酶(Cinnamyl-Alcohol Dchydrogenase, CAD)磷酸化过程，可有效增强mTORC1信号通路的活力[45]。2016年，Manning等[46]研究表明，胸腺基质细胞(thymic stromal cell, TSC)的缺乏将会激活mTORC1。通过构建老鼠模型来开展研究发现，次黄嘌呤单核苷酸脱氢酶(inosine-5’-monophosphate dehydrogenase, IMPDH)抑制剂能有效地控制癌细胞，而增强mTORC1的活化作用。此外，mTORC1的活化还可以调节各种糖类及蛋白的代谢，从而生成嘌呤合成所需的基质，进一步加快嘌呤的合成。同时在嘌呤合成和mTORC1激活的过程中均有亚甲基四氢叶酸脱氢酶(2-Methylene tetrahydrofolate reductase, MTHFD2)的参与。mTORC1能够在PPP通路上对NADPH氧化枝发生作用，使其代谢发生改变，因此可以促进核苷酸的合成代谢。

6. 展望

目前针对肿瘤代谢重编程的靶向药物取得不错进展，LI [3]等的研究报告中，便重点讲解了通过改变代谢途径来治疗恶性肿瘤的新策略，采取单独用药或与其他药物联合使用进行靶向治疗恶性肿瘤。PLISZKA等[47]发现将基于GLUT1开发的新型抑制剂与顺铂联合应用能够抑制Akt/mTOR下游信号传导以及其他参与细胞生长和存活的信号通路，在乳腺癌细胞中发挥协同抗癌作用。OZCAN等[48]发现，通过抑制谷氨酰胺酶-1 (glutaminase-1, GLS1)和磷酸果糖2激酶/果糖-26-二磷酸酶3的组合，能够抑制胰腺导管腺癌细胞的生长。

肿瘤调控机制的复杂性使目前针对肿瘤代谢临床上可应用的药物较少，此外，肿瘤预防及体外诊断也是临床上的热点话题。大多数代谢酶在肿瘤中都高表达，但这些代谢酶和癌症中间产物很少作为癌症治疗的标志物，如何实现两者的临床转化是一个十分重要的问题[49]。目前，对其核心问题的把握就在于如何使肿瘤细胞从氧化磷酸化转化为有氧糖酵解。因此对肿瘤免疫的代谢机制和免疫细胞代谢的充分了解能够帮助克服恶性肿瘤免疫治疗耐受，促进免疫治疗效果[50]。在日后的研究中，我们还需要对肿瘤细胞代谢的新通路进行深入研究，从不同肿瘤基因组发生突变的异质性来探究肿瘤代谢的治疗方案。

NOTES

^*通讯作者。