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自从Otto Warburg开创性研究 - 有氧糖酵解学说发表以来，葡萄糖代谢一直是癌症代谢研究的重中之重。而其他代谢产物的研究，如谷氨酰胺，一直被束之高阁，直到近几十年才得以复苏。 1935年，Hans Krebs提出了著名的三羧酸循环(TCA)，指出了谷氨酰胺在动物体内代谢的重要性。随后研究陆续表明，谷氨酰胺在正常细胞和癌细胞生长中发挥了重要的作用。 鉴于谷氨酰胺在能量生成和大分子合成中扮演的关键作用，针对谷氨酰胺开发的相关药物在抑制肿瘤方面具有非常大的潜力。下面我们将对于谷氨酰胺相关生理作用和抑制剂临床进展进行介绍。 谷氨酰胺代谢 血液中高水平谷氨酰胺浓度提供了一个现成的碳、氮源，用于支持癌细胞的生物合成、能量代谢和细胞内稳态，促进肿瘤的生长。 谷氨酰胺通过细胞中的转运蛋白SLC1A5(溶质载体家族1中性氨基酸转运蛋白成员5)运送到细胞中。 在营养匮乏的条件下，癌细胞可以通过分解大分子获得谷氨酰胺。致癌基因RAS过度激活可以促进胞饮作用，癌细胞清除胞外蛋白，降解为包括谷氨酰胺在内的氨基酸，为癌细胞提供营养物质。 癌细胞吸收大量的葡萄糖，但大部分的碳源通过有氧糖酵解作用都生成了乳酸，而不是用于TCA循环中。 过度激活PI3K、Akt、mTOR、KRAS基因或MYC通路的肿瘤细胞，通过谷氨酸酶(GLUD)或者转氨酶的催化，刺激谷氨酸代谢生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸进入三羧酸(TCA)循环，可以为细胞提供能量。 谷氨酰胺在核酸、脂质和蛋白质的合成 谷氨酰胺可以作为细胞生长、分裂时生物合成的原料。来自谷氨酰胺的碳可用于氨基酸和脂肪酸的合成，来自谷氨酰胺的氮直接作用于嘌呤和嘧啶的生物合成。 核酸的合成 通过TCA循环和转氨基作用生成的天冬氨酸作为一个嘌呤和嘧啶合成关键的碳源。谷氨酰胺缺乏的癌细胞在细胞周期会停滞，不能通过TCA循环的中间体如草酰乙酸进行用于核酸合成。但是补充的外源核苷酸或者天冬氨酸，能减轻谷氨酰胺缺乏引起的细胞周期阻滞。 此外，谷氨酰胺依赖的mTOR信号可激活酶氨甲酰磷酸合成酶2，天门冬氨酸转移酶，和氨甲酰天冬氨酸脱水酶(CAD)，它催化谷氨酰胺衍生氮进入嘧啶前体的合成。 脂质合成 谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(GLS或者GLS2)的催化下生成谷氨酸，然后在谷氨酸酶(GLUD)或者转氨酶的催化生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸通过催化逆向生成乙酰-CoA，后者可以用于脂质的直接合成。 蛋白质合成 除了谷氨酰胺中的碳用于氨基酸的合成，谷氨酰胺对于蛋白质的合成也起到了关键的作用。谷氨酰胺的缺乏会导致不正确的蛋白质折叠和内质网应激反应。 谷氨酰胺可以通过尿苷二磷酸乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)的合成，UDP-GlcNAc是β- O-乙酰转移酶(OGT)的底物，后者在内质网折叠蛋白质发挥着重要的作用。 GCN2，一个丝氨酸苏氨酸激酶，调节结构域的片段，和组氨酸-tRNA合成酶相似。谷氨酰胺和组氨酸-tRNA合成酶相结合会抑制GCN2酶的活性。后者在综合应激反应中起到了重要的作用。 谷氨酰胺和自噬 自噬和谷氨酰胺关系错综复杂，这也反映在自噬在肿瘤发展中的作用。 自噬在肿瘤中的作用矛盾：在某些情况下，它通过抑制氧化应激、导致染色体不稳定，抑制肿瘤的发展。自噬也可以通过促进胞饮作用和抑制p53等应激途径支持癌细胞的存活。 谷氨酰胺抑制GCN2的激活和综合压力应激，从谷氨酰胺生成的氨以自分泌和旁分泌方式都能促进自噬过程的发展。 ROS可以诱导自噬作为应激反应，但会被谷氨酰胺代谢产生的谷胱甘肽和NADPH所中和。谷氨酰胺还可以间接刺激mTOR，通过复杂的机制反过来抑制自噬。 谷氨酰胺与ROS 活性氧簇(ROS)介导的细胞信号在一定生理水平上可致促进肿瘤发展，但当水平过高时，活性氧会对细胞中的大分子造成极大的破坏。ROS从几个途径产生，其中线粒体电子传递链会产生超氧(O2−)负离子。 然而，肿瘤可以通过谷氨酰胺代谢途径生成的产物控制ROS水平，防止高水平的ROS导致染色体不稳定。其中谷氨酰胺控制活性氧最重要的途径是合成谷胱甘肽。谷胱甘肽是一种三肽，可以用以中和过氧自由基。 谷氨酰胺也可以通过NADPH影响活性氧的平衡，谷氨酰胺经过一系列反应生成的苹果酸，在苹果酸酶催化下生成NADPH，用于调节ROS的平衡。 谷氨酰胺酶抑制剂在临床的应用 肿瘤细胞对谷氨酰胺代谢的依赖性，使其成为一种有潜力的抗癌靶点。许多针对于谷氨酰胺代谢的化合物，从最初的转运到后续转化为α-酮戊二酸，都已经成为了研究的热点。 虽然其中大多数仍处于临床前“工具合成”阶段或被化合物毒性所限制，谷氨酰胺酶(GLS)变构抑制剂在临床前癌症的模型表现出巨大的潜力，一个活性非常好的化合物，CB-839，已经进入了临床试验。 人体中主要有两种谷氨酰胺酶：肾型谷氨酰胺酶(GLS)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。 肿瘤细胞过度激活了肾型谷氨酰胺酶(GLS)，GLS2主要作用于在非癌细胞，催化谷氨酰胺的代谢。 谷氨酰胺在细胞功能中的多效性作用，如能量合成、大分子合成、mTOR活化和活性氧平衡，使得GLS抑制剂在组合治疗发挥了协同作用。 谷氨酰胺酶基因的抑制可防止上皮细胞向间充质细胞转变，这一步是肿瘤细胞侵袭和最终转移的关键步骤，因此在谷氨酰胺代谢抑制的组合治疗中，预防转移可能是GLS抑制剂发挥抗癌作用的一个重要作用。 肿瘤免疫也成为了至今最富有希望的治疗方式，如通过阻断免疫检查点PD-1单抗或使用工程嵌合抗原受体(CAR)T细胞。 这些方法需要免疫细胞在肿瘤微环境内发挥作用，体内代谢抑制剂也可能广泛影响免疫作用。最近的研究表明免疫细胞会与癌细胞竞争葡萄糖，谷氨酰胺也可能是类似机制的。 事实上，谷氨酰胺代谢是在T细胞的活化和调节CD4+T细胞向炎症亚型转变具有重要的作用。 谷氨酰胺对于癌症‑杀伤T细胞的活化过程非常关键。通过阻断癌细胞中谷氨酰胺通路来提高肿瘤微环境氨基酸的含量，增强免疫细胞的杀伤作用。 GLS抑制剂CB-839和肿瘤免疫的联合用药面前也进入了临床一二期了。 肿瘤微环境代谢产物和肿瘤免疫也成为了肿瘤代谢领域的香饽饽，最近火热的IDO抑制剂便是其中的代表。 结语 九十年前，warburg发现许多动物和人类肿瘤对于葡萄糖的亲和力非常高，把大量的葡萄糖分解成乳酸，他还指出，癌症是由代谢改变和线粒体功能丢失造成的。 人们对癌症的生理线粒体氧化功能重要性的重新发现，除了葡萄糖的关键作用外，谷氨酰胺在肿瘤细胞生长中发挥了重要的作用。某些武断的观点在过去几十年已经被取代和完善了。 谷氨酰胺在细胞功能中的多效性作用，如能量合成、大分子合成、mTOR活化和活性氧平衡。 肿瘤细胞过度激活了肾型谷氨酰胺酶(GLS)，而正常细胞催化谷氨酰胺的代谢是肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。临床上选择性开发GLS抑制剂成为了可能。 靶向抑制一些致癌基因让肿瘤细胞变得依赖谷氨酰胺，因此靶向抑制剂和谷氨酰胺代谢的联合用药起到了合成致死作用。 由于肿瘤发病机制的复杂性、谷氨酰胺在人体生理机制的诸多不明朗，如13年清华大学施一公教授课题组指出谷氨酰胺代谢主要作用是生成的胺用于对抗肿瘤酸性环境。因此GLS抑制剂和其他靶点的组合用药成为了发展的潮流。 |
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