Nature子刊｜癌细胞在转移过程中的代谢综述

一，代谢物可塑性：

 

可以想象，许多营养物质可以在转移形成过程中促进代谢物的可塑性。然而，大多数代谢研究都集中在肿瘤迁移和侵袭的早期转移步骤上，而在几个转移步骤中只分析了很少的营养物质。在这里，我们讨论了四种这样的营养素，即乳酸、丙酮酸、谷氨酰胺和脂肪酸，在调节肿瘤侵袭、存活方面的意义。

图 1 |转移癌细胞的代谢物可塑性和灵活性。转移细胞在转移到远处器官时经历动态代谢变化以适应不同的微环境。因此，转移细胞可以表现出代谢可塑性，其中它们使用一种代谢物来满足转移级联中不同步骤的各种代谢需求。或者，它们可以通过使用多种代谢物来满足转移级联的特定步骤所施加的相同代谢需求，从而显示营养灵活性。在癌细胞中，代谢可塑性和代谢灵活性这两种现象都有助于转移的形成，并可能成为治疗的目标。

1，丙酮酸和乳酸代谢

 

丙酮酸是由葡萄糖和其他促进糖酵解途径的营养物质产生的，并且可以在乳酸脱氢酶 (LDH) 催化的一步反应中产生乳酸。此外，丙酮酸和乳酸可以由谷氨酰胺和其他氨基酸产生，这些氨基酸通过苹果酸酶 (ME) 或丙酮酸羧基激酶(PCK)为三羧酸(TCA)循环提供燃料，后者将TCA循环衍生的碳输送到糖酵解的下部。丙酮酸和乳酸可以可逆地转化为丙氨酸，从而从丙酮酸中产生丙氨酸，反之亦然。

图 2 |入侵和循环（分离）癌细胞的代谢。多种营养素和代谢物促进癌细胞的侵袭和迁移能力（a 部分）及其在循环中的存活（b 部分）。不同的可用性已经报道了健康个体、非转移性癌症（原发性肿瘤）患者或转移性癌症患者循环中的营养物质和代谢物。在循环中，与健康个体相比，非转移性乳腺癌（BCa）患者和多种癌症患者的丙酮酸水平升高。在转移性结直肠癌 (CRC) 患者中观察到乳酸水平升高。在食管鳞状细胞癌 (ESCC) 患者中观察到低谷氨酰胺和高谷氨酸水平。在结直肠癌和乳腺癌患者中观察到脂质水平升高，但在口腔癌患者中没有观察到（c 部分）。浅靛蓝描绘了脂肪酸代谢。乳酸和丙酮酸代谢以绿色表示。谷氨酰胺代谢以深靛蓝色描绘。醋酸盐代谢以靛蓝表示。天冬酰胺代谢以橙色表示。其功能受代谢途径调节的蛋白质以浅蓝色显示。以盒子形状描绘的酶和未以米色着色的膜转运蛋白已在正文中作为目标进行了讨论。虚线表示监管事件。为清楚起见，总结了多种代谢反应。Ac，乙酰化；ACAT，乙酰辅酶 A 乙酰转移酶；ACOT12，酰基辅酶A硫酯酶12；ACSS2，酰基辅酶A合成酶短链家族成员2；AMPK，一磷酸腺苷活化蛋白激酶；αKG，α-酮戊二酸；ASNS，天冬酰胺合成酶（谷氨酰胺水解）；CAMKK2，钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶 2；c-MYC，MYC原癌基因；CoA，辅酶 A；CPT1A，肉碱棕榈酰转移酶 1；反恐委员会，组织蛋白酶 B; EMT，上皮间质转化；ER，内质网；FABP1，脂肪酸结合蛋白 1；FASN，脂肪酸合酶；GDH，谷氨酸脱氢酶；GLS1，谷氨酰胺酶 1；GSH，谷胱甘肽；HDAC，组蛋白脱乙酰酶；her2,Erb-B2 受体酪氨酸激酶 2；HIF2α，缺氧诱导因子 2α；LDHA，乳酸脱氢酶 A；MCT1，单羧酸转运蛋白 1；miR-21、微小RNA 21；MMA，甲基丙二酸；MT1-MMP，膜 1 型基质金属蛋白酶；mTOR，雷帕霉素的哺乳动物靶标；NADPH，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐；NF-κb，活化 B 细胞的核因子 κ-轻链增强剂；P，磷酸化；PC，丙酮酸羧化酶；PDH，丙酮酸脱氢酶；PPP，戊糖磷酸盐途径；ROS，活性氧；SCD1，硬脂酰辅酶A去饱和酶1；Smad2，母亲反对 decappentaplegic 同源物 2；Sox2，SRY（性别决定区 Y）-框 2；SPARC，分泌的蛋白质酸性和富含半胱氨酸；TCA，三羧酸；TWIST2，扭曲家族 BHLH 转录因子 2；VEGF，血管内皮生长因子；Wnt-3a，无翼型MMTV集成站点家族，成员3A；xCT，溶质载体家族 7 成员 11。

综上所述，上述研究支持提出乳酸和丙酮酸代谢可以通过诱导驱动和促进肿瘤细胞迁移和侵袭的各种信号通路和分子直接促进癌症侵袭的观点。

 

    循环肿瘤细胞中的丙酮酸和乳酸代谢。癌细胞需要在循环中增强其抗氧化防御能力以避免基质脱离诱导的细胞死亡（失巢凋亡，在其他地方进行了综述）。乳酸和丙酮酸代谢可能有助于基质分离细胞对活性氧 (ROS) 的抵抗力 (图 1)。2b）。体外和患者研究表明，丙酮酸浓度与基质脱离和侵袭性相关。因此，在基质分离的293T细胞中，丙酮酸水平在细胞内增加，而与侵袭性较小的卵巢癌细胞相比，高侵袭性卵巢癌细胞在基质分离条件下表现出增加的丙酮酸摄取.在患者中，与健康个体相比，不同来源的转移性癌患者血浆中的丙酮酸水平升高.与早期乳腺癌患者相比，侵袭性转移性乳腺癌患者血清中的丙酮酸浓度更高.有趣的是，一项针对非恶性和恶性细胞的研究表明，丙酮酸本身可以通过与过氧化氢的非酶促反应充当抗氧化剂.此外，已经证明，与非转移性结直肠癌相比，转移性结直肠癌患者的血清乳酸浓度更高。因此，这些观察结果表明丙酮酸和乳酸可用于循环肿瘤细胞，并可以支持它们通过血液循环成功过渡。证实丙酮酸和乳酸代谢可以防止ROS的观点，在培养的乳腺癌细胞中丙酮酸通过PC向草酰乙酸的细胞内转化的破坏导致 NADPH/NADP+和谷胱甘肽（GSH）/GSSG的比率降低，表明降低ROS清除能力，从而导致氧化应激升高.为乳酸代谢在循环中的重要作用提供了惊人的证据。

ACAT，胆固醇酰基转移酶；ALT2，丙氨酸氨基转移酶 2；ASNS，天冬酰胺合成酶；CPT1A，肉碱棕榈酰转移酶 1A；FABP4，脂肪酸结合蛋白 4；FASN，脂肪酸合酶；GDH，谷氨酸脱氢酶；GLS1，谷氨酰胺酶 1；LDHA，乳酸脱氢酶 A；MCT1，单羧酸转运蛋白 1；nd，在参考的转移研究中未确定；P4HA，脯氨酰-4-羟化酶；PC，丙酮酸羧化酶；PHGDH，磷酸甘油酸脱氢酶；PRODH，脯氨酸脱氢酶；SCC，鳞状细胞癌；SCD1，硬脂酰辅酶A去饱和酶1；shRNA，短发夹 RNA；siRNA，小干扰RNA；xCT，溶质载体家族 7 成员 11。

2，谷氨酰胺代谢

谷氨酰胺是血浆中最丰富的游离氨基酸。许多癌细胞吸收谷氨酰胺，谷氨酰胺有助于非必需氨基酸以及通过碳或氮代谢的核苷酸合成。此外，谷氨酰胺可以在线粒体中转化以补充TCA循环（回补）或可以被完全氧化以产生ATP（谷氨酰胺分解）。

侵袭性和运动性癌症中的谷氨酰胺代谢

谷氨酰胺代谢在癌细胞增殖中已被广泛研究。新出现的证据表明谷氨酰胺代谢对入侵也很重要（图 1）。表1）。侵入性而非非侵入性卵巢癌细胞在体外表现出对谷氨酰胺可用性的依赖性, 转移性黑色素瘤细胞表现出升高的谷氨酰胺氧化.此外，将谷氨酰胺分解为谷氨酸的谷氨酰胺酶1(GLS1)的mRNA表达水平与结直肠淋巴结转移相关癌症，并且在体外缺氧介导的癌细胞迁移需要GLS1表达.此外，发现与对照相比，SOX12过表达通过GLS1在实验小鼠模型中促进结直肠癌转移.同工酶GLS2基于与小GTPaseRAC1(ReF)和Dicer.后一种相互作用被抑制前侵入调节因子和EMT转录因子Snail.具体来说，GLS2与小GTPaseRAC1结合并抑制其与 RAC1 激活剂鸟嘌呤-核苷酸交换因子的相互作用，进而抑制RAC1以抑制癌症转移.此外，GLS2还与Dicer相互作用并稳定Dicer蛋白以促进miR-34a成熟，随后抑制Snail表达.这两种相互作用都独立于GLS2 的催化功能。

因此，癌细胞可以依靠谷氨酰胺和胱氨酸代谢来改变细胞粘附并激活侵入性信号。

循环癌细胞中的谷氨酰胺代谢。到目前为止，谷氨酰胺代谢支持循环肿瘤细胞的证据很少（图 1）。2b,c）。与未出现淋巴结转移的食管鳞状细胞癌患者相比，已发现出现淋巴结转移的患者血浆中谷氨酰胺浓度降低和谷氨酸浓度显着升高.与此一致，来自胃癌患者的具有肿瘤启动能力的循环肿瘤细胞（CD44+/高与 CD44-/低的）增加了xCT的表达.因此，可以想象，xCT表达增加可以解释上述讨论的转移性食管鳞状细胞癌患者血浆中谷氨酸水平升高的原因，因为xCT过表达可能有利于谷氨酸的分泌。然而，谷氨酸的细胞内代谢似乎也与转移性癌症有关。因此，将谷氨酸转化为α-酮戊二酸的谷氨酸脱氢酶（GDH）已被确定为结直肠癌转移的预后标志物.事实上，在LKB1缺陷型肺癌小鼠模型中，GDH敲低或R162抑制通过 CamKK2-AMPK 信号传导减弱失巢凋亡抗性并减少肿瘤转移.因此，谷氨酰胺的不同命运可能会影响循环肿瘤细胞。为了更广泛地理解和解释上述观察结果，需要进一步调查。

转移性定植期间的谷氨酰胺代谢。最近的研究描述了定植癌细胞谷氨酰胺代谢的变化（图 1）。表1）谷氨酰胺和胱氨酸代谢可以支持癌细胞在远处器官中定居。

3，脂肪酸代谢

    脂肪酸是合成代谢和分解代谢过程中的重要燃料。脂肪酸可以从头合成或从细胞外空间吸收。新合成的脂肪酸通常进一步去饱和成单不饱和脂肪酸，而大多数多不饱和脂肪酸的产生需要吸收亚油酸等必需脂肪酸。因此，脂肪酸是细胞膜中脂质的重要组成部分，它们的去饱和状态和双键位置可以定义物理、化学和生物特性，例如膜流动性和过氧化敏感性.此外，脂肪酸可以作为重要的信号分子.此外，许多脂肪酸可以在线粒体中被氧化成乙酰辅酶A，而特定的长链和支链脂肪酸在过氧化物酶体中被氧化。

入侵和运动的癌细胞中的脂肪酸代谢。多项研究已将肥胖与几种癌症类型（包括前列腺癌、黑色素瘤和乳腺癌）的癌症进展、转移形成和死亡率联系起来.尽管有几种机制可以促成这种相关性，但脂质在功能上与转移级联的几个步骤有关（图 3）。2a;表1）。事实上，转移性与非转移性口腔鳞状细胞癌细胞系的代谢组学分析显示脂质代谢存在差异.在各种癌症中，与对照条件相比，脂肪酸摄取增加、脂质积累和/或编码脂肪酸转运蛋白或其他脂肪酸代谢基因的基因过表达诱导癌细胞的侵袭和迁移性状，提高了肿瘤细胞在远处器官中的播种能力在几个鼠标模型中并且与各种癌症患者的转移进展以及预后不良有关。

总之，脂肪酸代谢可以增加通过改变细胞信号线索和表观遗传修饰物的调节来实现肿瘤细胞迁移和侵袭。转移性定植过程中的脂肪酸代谢。关于脂肪酸在相对于原发性肿瘤组织的不同转移部位的可用性知之甚少，但有充分证据表明脂肪酸摄取和代谢可以促进转移癌细胞在多个器官中的筑巢（图 1）。3;表1）。除了脂肪酸摄取外，从头合成脂肪酸也与癌细胞在远处器官定植的能力有关。总之，脂肪酸的摄取、合成和调节化通过多种机制促进转移性生态位的定植。

4，额外的代谢重新布线

上述研究推断出几种代谢倾向，当癌细胞通过转移级联转变时，这些代谢倾向可能成为靶标（表1）。值得注意的是，仅针对有限数量的转移步骤评估了其他代谢脆弱性，因此不可能将其作为代谢物可塑性的例子。这包括但不限于乙酸盐、丝氨酸、丙氨酸、脯氨酸和天冬酰胺的代谢，它们在下面突出显示（图2,3;表1）。我们没有解决转移形成过程中葡萄糖代谢的代谢重新布线，这在最近的其他评论中有所涉及。

醋酸代谢。乙酸盐是一种营养物质，可以转化为乙酰辅酶a或通过乙酰辅酶a通过不同的酶产生。乙酰辅酶a浓度可以通过下调酰基辅酶a硫酯酶12(ACOT12)，将乙酰辅酶a转化为醋酸盐而增加。

丝氨酸、丙氨酸、脯氨酸和天冬酰胺的代谢。丝氨酸、丙氨酸、脯氨酸和天冬酰胺是非必需氨基酸，它们可以由细胞产生，但在体液中也以不同的程度存在。丝氨酸由糖酵解中间体 3-磷酸甘油酸生成，丙氨酸由丙酮酸生成，脯氨酸和天冬酰胺通常由谷氨酰胺生成。丝氨酸、丙氨酸和脯氨酸，但不是天冬酰胺，可以被人体细胞分解代谢，从而产生丙酮酸（丝氨酸、丙氨酸）和TCA和/或尿素循环燃料和/或谷氨酸/谷氨酰胺产生（脯氨酸）。

综合起来，乳酸、丙酮酸等营养物质，谷氨酰胺和脂质（可能还有其他）似乎是转移级联的许多步骤中的关键代谢物——也就是说，它们的用途是塑料的。尽管这里提供的证据支持代谢物可塑性的概念，但出现了几个问题。例如，癌细胞起源如何影响代谢物可塑性驱动的转移形成的不同方面仍然难以捉摸。代谢物可塑性的最大证据是基于多种癌症类型的各种不同的体外和体内模型。因此，需要在同一癌症模型中遵循代谢物可塑性的其他研究，以将特定营养素代谢的变化与癌细胞的表型转换联系起来。此外，了解同一种代谢物的浓度变化如何在不同的细胞器、组织、 肿瘤和患者以及它们如何促进癌细胞在转移形成过程中利用这些代谢物的能力。有趣的是，上面讨论的一些靶点也影响原发性肿瘤，而另一些只影响转移形成（方框1;表1）。后者支持转移表型和/或转移部位定义癌细胞的代谢脆弱性的命题。

二，代谢物（内）灵活性

多项研究表明，癌细胞依赖不同的营养物质来满足相同的代谢需求，这种现象称为代谢物灵活性，这可能使它们能够克服转移级联中特定步骤的障碍。在这里，我们将根据循环和定植肿瘤细胞讨论代谢物的灵活性。我们决定在转移级联中涵盖这两个特定步骤，因为有证据表明循环癌细胞需要某些代谢产物（即 NADPH、谷胱甘肽）来控制 ROS 水平，而播种和定植转移性生态位的癌细胞增加与原发肿瘤中增殖的癌细胞相比，对代谢产物 ATP 的需求. ATP和NADPH可以从各种营养物质中产生；然而，转移性癌细胞中的 ATP 和 NADPH 似乎仅由有限范围的营养素（营养素不灵活）产生。

图 4 |转移形成过程中营养不灵活。一个 |癌细胞可以使用多种营养素来支持通过转移级联过渡时出现的特定代谢需求。一个例子是循环肿瘤细胞，其依赖例如乳酸、谷氨酰胺、油酸和胱氨酸来避免活性氧（ROS）诱导的细胞死亡。另一个例子是定植癌细胞，这些细胞依赖于例如脂肪酸、脯氨酸和葡萄糖来产生足够的 ATP。乙 |尽管癌细胞可以为此目的使用多种营养素，但会出现与治疗相关的营养素不灵活性。例如，抑制乳酸或脯氨酸摄取足以分别通过诱导细胞死亡或阻止细胞分裂来削弱循环和定植癌细胞。因此，转移形成减少并且可以预防。(b) 中的虚线表示相对于 (a) 的减少。

1，循环肿瘤细胞中的 ROS 防御

抗氧化代谢和对 ROS 的抵抗对于循环中癌细胞的生存至关重要.癌细胞可以依赖不同的营养物质来避免 ROS 诱导的细胞死亡，例如铁死亡（图 1）。4）。如上所述，丙酮酸可以作为细胞外抗氧化剂而乳酸驱动的戊糖磷酸途径活性和脂肪酸氧化生成NADPH。NADPH是黑色素瘤和结直肠癌以及其他潜在癌症中ROS清除剂GSH的恢复所必需的。如上所述，油酸摄取通过减少脂质中的过氧化敏感性双键，降低了淋巴循环黑色素瘤细胞对血液循环中铁死亡的易感性.此外，通过细胞脱离诱导的谷氨酰胺还原羧化和葡萄糖发酵通过线粒体中的 NADPH 再生保护细胞免受失巢凋亡，并减少各种癌细胞系中线粒体ROS的产生.此外，基于低剂量甲氨蝶呤治疗、ALDH1L2敲低或MTHFD1敲低抑制小鼠远处黑色素瘤转移但不抑制原发性肿瘤，葡萄糖驱动的叶酸代谢降低了循环黑色素瘤细胞中的氧化应激.这些发现强调了许多营养素，包括丙酮酸、乳酸、脂肪酸、谷氨酰胺和葡萄糖，可导致循环肿瘤细胞中的 ROS 抗性。

 

2，接种肿瘤细胞时产生ATP

 

能量产生已成为癌细胞在远处器官中建立肿瘤的重要代谢输出.癌细胞在远处器官定植的能量需求增加的原因尚不清楚。然而，可以想象这可能与蛋白质以及细胞外基质的生产和运输有关，这都是高能量需求的过程，并且需要形成一个允许的转移性生态位。癌细胞在转移性定植期间可以依赖不同的营养物质来增加其ATP可用性（图 1）。4）。

癌细胞依赖多种代谢物的事实

和产生NADPH、GSH和ATP的营养物质并不令人惊讶，特别是因为这些代谢产物是整个代谢网络中多重反应的底物和产物。然而，令人惊讶的是，仅针对产生这些分子的一种营养素就足以在小鼠模型中表现出治疗功效。例如，导致循环肿瘤细胞数量减少或转移形成减少（图 1）。4）。因此，转移性癌细胞需要一定的代谢刚性，即营养不灵活，这似乎取决于转移器官、细胞状态、起源细胞、微环境或（epi）遗传景观，这为靶向这些代谢打开了治疗窗口漏洞。因此，通过阻断PRODH抑制脯氨酸分解代谢通过MCT1或抑制乳酸摄取不会损害原发性肿瘤的生长，但由于转移过程中不同的细胞状态和/或微环境，它对转移形成有显着影响。

 

3，转移灶的代谢演变

 

一旦癌细胞成功转移到远处器官，继发性肿瘤就会表现出与原发性肿瘤相似的行为（即表型）——两者都生长、增殖并且可以重新种植.然后有人可能会争辩说，原发性肿瘤和已确定的转移在代谢上是相似的，或者至少依赖于相同的代谢途径或酶。上面讨论的一些例子符合这一主张，因为在某些情况下，破坏代谢活动会导致癌细胞受到影响，无论它们是作为转移瘤还是原发性肿瘤生长（表1）。然而，越来越多的证据表明从原发性肿瘤到不同器官转移的代谢进化。因此，上面讨论的一些代谢脆弱性仅针对转移（有时仅在特定器官中）而不是原发性肿瘤（表1）。在这里，我们总结了目前的证据，表明原发性癌症及其转移性后代的代谢特征不同。

原发性肿瘤及其转移瘤的代谢属性不同，因为转移瘤会适应特定环境或具有生长优势（图 1）。5）。尽管存在有限的证据，但转移性生态位的代谢启动并通过一定的环境也可能存在。虽然这里提供的证据表明营养环境的作用，微环境的其他因素，例如基质细胞的存在也可能导致环境依赖性代谢需求。因此，很容易推测在同一器官中生长或采用相同转移途径的不同来源的转移瘤可能在代谢上比在不同器官中生长的相同来源的转移瘤更相似。

重要的是要注意，环境肯定不是代谢重新布线的唯一决定因素，其他因素，如癌细胞起源，即癌细胞起源的细胞谱系，可能会超越营养可用性的影响（如建议的那样）用于乳腺癌与前列腺癌中的 PCG1α23）。此外，一些转移性生态位可能更允许具有不同基因嵌入代谢程序的癌细胞成功增殖。最后，一些代谢特征，例如对转移起始细胞中CD36活性的依赖似乎在多种癌症和转移部位中是必不可少的，使它们成为癌症治疗的非常有吸引力的目标。剖析转移代谢依赖性的进一步研究将有助于确定和机械地理解微环境的影响何时超过细胞起源、细胞状态（即表型）和（表观）遗传景观对转移生长施加代谢限制在不同的器官。

5 |导致原发性肿瘤和转移灶之间代谢差异的选择和适应过程。作为继发性肿瘤生长的癌细胞面临着不同环境的挑战。来自原发肿瘤的癌细胞的（epi）遗传或代谢亚群在新土壤中具有选择性生长优势，或者癌细胞可能具有适应新土壤的能力。在适应的情况下，继发性肿瘤的代谢组成取决于转移器官而不是癌细胞来源。在（表观）遗传选择的情况下，通过其（表观）遗传特征选择的癌细胞亚群在次要位点生长，根据癌症起源产生不同的新陈代谢。在代谢选择的情况下，通过其代谢特征选择的癌细胞亚群在次要部位生长，无论癌症起源如何，都会产生相同的代谢。可以想象，这些过程的组合可能会在体内发生。

结论：

新出现的证据描述了癌细胞在转移过程中的特定代谢脆弱性，可以利用这些脆弱性来潜在地阻止转移性生长，甚至阻止成功播种。这些脆弱性不仅在本质上以特定于肿瘤类型的方式表现出来，而且在转移过程中动态地依赖于阶段和位置。重要的是，转移性表现的成功可能受到转移性肿瘤细胞需要适应的各个器官的营养成分的影响。这些观察结果非常符合“种子和土壤”假设，即肿瘤细胞需要具有必要代谢物和营养物质的适当土壤才能成功扩增。尽管如此，代谢特征的复杂性及其在维持和繁殖中的必要性，不仅是肿瘤细胞，而且是每个正常细胞， 使代谢途径的治疗靶向具有挑战性，并且需要更详细地了解代谢物抑制在转移灶中的异质细胞类型及其种子器官的背景下的影响。

参考文献：

   Gabriele Bergers1,2 and Sarah-Maria Fendt；The metabolism of cancer cells during metastasis。NaTure RevIews | CaNcER。2021 March; Volume21:162-180