肿瘤线粒体与天冬酰胺：二甲双胍与氨基酸饥饿双重打击

MITOMMY 2021-03-11

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肿瘤细胞依赖有氧糖酵解，同时，线粒体呼吸对肿瘤细胞增殖也至关重要。抑制线粒体呼吸链（电子传递链ETC）可引起细胞增殖障碍，但是呼吸链产生的ATP不是必需的。先前有研究发现抑制ETC可以降低细胞内天冬氨酸水平，从而干扰核苷酸合成和细胞增殖，提示ETC支撑的天冬氨酸合成是关键，但是是否有其它机制参与尚不清楚。

最新研究

天冬氨酸是天冬酰胺的前体。2月19日，来自美国UCLA的国际知名代谢生物学家Heather R. Christofk及其团队在Cell Metabolism上发表了题为“Asparagine couples mitochondrial respiration to ATF4 activity and tumor growth”的文章揭示了天冬酰胺介导线粒体呼吸在肿瘤生长中的关键作用。

图片来源：Cell Metabolism 官网

研究发现，ETC抑制情况下，是天冬酰胺而不是天冬氨酸的降低造成了细胞增殖障碍；天冬酰胺水平降低导致转录激活因子ATF4水平升高，并抑制mTORC1的活性及mTORC1依赖的核苷酸合成，进而抑制肿瘤细胞增殖。

重要的是，二甲双胍等呼吸链抑制剂与天冬酰胺降低手段（天冬酰胺酶或天冬酰胺饮食限制）联合使用能显著抑制肿瘤增殖。该研究表明天冬酰胺的合成是肿瘤线粒体呼吸的基本作用之一，为肿瘤治疗提供了新策略。

天冬酰胺恢复ETC抑制引起的细胞增殖

但不恢复细胞内的天冬氨酸

之前有报道，天冬氨酸能恢复ETC抑制引起的细胞增殖障碍。作者发现在多种肿瘤细胞系中ETC复合体I抑制剂（包括鱼藤酮Rot和二甲双胍Met）均能降低细胞内天冬氨酸水平，并且天冬酰胺也会减少；给细胞补充外源天冬酰胺，细胞增殖也能得到恢复。

有趣的是，虽然外源天冬氨酸补充能恢复细胞内天冬酰胺水平，但是外源天冬酰胺恢复了天冬酰胺的水平和细胞增殖，却没有恢复天冬氨酸水平。这些结果提示天冬酰胺而不是天冬氨酸的合成减少是ETC抑制下细胞增殖障碍的原因。

天冬酰胺连通了线粒体呼吸作用

和ATF4、mTORC1

机制研究发现，抑制ETC复合体I可以增加ATF4蛋白水平，降低mTORC1活性。外源天冬酰胺补充可以恢复ATF4蛋白水平和mTORC1活性。敲除天冬酰胺合成酶（ASNS）使细胞失去将天冬氨酸转化成天冬酰胺的能力，则可以消除ATF4和mTORC1在ETC抑制时细胞对天冬氨酸的敏感性，而在ATF4敲除ASNS稳定表达的细胞系中，天冬酰胺合成稳定上调，mTORC1活性对ETC抑制剂不再敏感。说明是天冬酰胺而不是天冬氨酸介导了线粒体呼吸与ATF4、mTORC1的作用。

在天冬酰胺缺乏情况下，ATF4激活和/或mTORC1下游的合成代谢受损是否是ETC抑制导致细胞增殖障碍的原因呢？作者发现抑制ETC，ATF4敲除ASNS稳定表达的细胞和野生型细胞一样出现增殖障碍，并且该障碍能被外源天冬酰胺恢复；在抑制mTORC1时，外源天冬酰胺则不能恢复细胞增殖，这表明天冬酰胺恢复细胞增殖是通过mTORC1实现的。

天冬酰胺通过mTORC1促进核苷酸合成

之前报道显示：（1）ETC抑制会导致核苷酸缺乏；（2）mTORC1能促进嘧啶合成限速酶氨甲酰磷酸合成酶2（CAD）的活性；（3）天冬酰胺促进mTORC1介导的CAD磷酸化进而影响核苷酸水平。

那么，ETC抑制时，mTORC1是否影响核苷酸合成呢？在天冬酰胺缺失时，抑制ETC能导致mTORC1活性降低，CAD s1859磷酸化降低，减少核苷酸水平，该现象能被添加的外源天冬酰胺恢复。这提示天冬酰胺通过mTORC1信号来促进核苷酸的合成。

二甲双胍和天冬酰胺酶联合使用

可以抑制肿瘤生长

以上结果提示，肿瘤细胞增殖需要细胞内天冬酰胺维持在一定水平，靶向这种依赖性可能是一种有效的治疗策略。但是肿瘤细胞有从头合成天冬酰胺的能力。因此，作者提出在肿瘤细胞中，二甲双胍抑制天冬酰胺合成和天冬酰胺酶促进天冬酰胺消耗联合的策略可以抑制肿瘤的生长。

作者对肺癌细胞系A549皮下荷瘤的NSG小鼠采用二甲双胍和天冬酰胺酶联合治疗策略，发现二者不能单独影响肿瘤的生长，但是联用会显著抑制肿瘤的生长。乳腺癌NSG荷瘤小鼠中也观察到同样的结果。同时，苯双胍和天冬酰胺酶的组合显著降低了免疫正常的胰腺癌模型小鼠的肿瘤生长。机制研究显示，二甲双胍和天冬酰胺酶联用降低了mTORC1的活性。

ETC抑制和天冬酰胺限制饮食联合

使用可以抑制肿瘤生长

天冬酰胺限制饮食是否会增加肿瘤对二甲双胍敏感性呢？小鼠实验证明天冬酰胺饮食限制能降低血液的天冬酰胺水平并存在剂量依赖效应。作者用不同含量天冬酰胺饲料喂养A549皮下荷瘤的NSG小鼠，发现天冬酰胺含量越低，二甲双胍抑制肿瘤生长效果越显著。