肿瘤代谢的六大特征

BiG专栏

前言

肿瘤的发生依赖于细胞代谢的重编程。肿瘤细胞代谢的一个共同特征是能够从营养匮乏的环境中获取必需的营养物质，并利用这些营养来维持生存能力以及生成新的生物量。细胞内和细胞外代谢物的改变可以伴随肿瘤相关的代谢重编程对基因表达、细胞分化和肿瘤微环境产生深远的影响。肿瘤代谢水平的改变主要有六大特征，但仅有少数肿瘤同时展现这六种特征，根据肿瘤所表现出的特异性特征可能会有助于更好的指导肿瘤分类和治疗。

脂质纳米递送系统

葡萄糖和氨基酸摄取失调

在哺乳动物细胞中支持生存和生物合成的两种主要营养物质是葡萄糖和谷氨酰胺，通过葡萄糖和谷氨酰胺的分解代谢，细胞维持着各种碳中间体的混合库，这些中间体被用作各种大分子组装的基石。与不增殖的正常组织相比，肿瘤对葡萄糖的消耗明显增加，该现象是由德国生理学家Warburg在90多年前首次描述的。20世纪50年代美国生理学家Harry Eagle首次描述了增殖肿瘤细胞对谷氨酰胺的高需求现象，他证明了HeLa细胞对谷氨酰胺的最佳生长需求要比其它氨基酸多10-100倍。PI3K/Akt信号通路是葡萄糖摄取的主要调节因子，该信号通路可以提高葡萄糖转运蛋白GLUT1的转录水平并且促进GLUT1蛋白从细胞内膜易位到细胞表面行使功能。此外，Akt可以增强己糖激酶(HK)以及磷酸果糖激酶(PFK)的活性，前者可以使葡萄糖分子磷酸化，从而阻止它们回流到胞外空间，后者是催化糖酵解的关键不可逆步骤，也是糖酵解的限速步骤。然而，PI3K/Akt信号传导模块并不是肿瘤唯一的促进葡萄糖摄取的手段，其它致癌信号蛋白，例如Ras，已被发现可以上调GLUT1 mRNA的表达并增加细胞的葡萄糖消耗水平。转录因子c-myc在增殖细胞中上调并且在各种肿瘤类型中经常被扩增，是增殖细胞利用谷氨酰胺的主要驱动因子。c-myc诱导谷氨酰胺转运蛋白ASCT2和SN2的转录，并促进谷氨酰胺利用酶包括谷氨酰胺酶(GLS1)、磷酸核糖焦磷酸合成酶(PRPS2)和氨甲酰磷酸合成酶2 (CAD)的表达，它们通过转运蛋白将谷氨酰胺转化为谷氨酸来支持谷氨酰胺的摄取。除了来自c-myc的正向调控外，谷氨酰胺的摄取也受到Rb肿瘤抑制蛋白家族的负向调控，Rb家族蛋白的缺失已被证明通过E2F依赖性上调ASCT2和GLS1提高谷氨酰胺的摄取和利用。对于任何一个细胞来说，在缺乏适当的代谢资源的情况下试图增殖可能会以灾难告终。为了避免这种情况，异常激活的致癌基因和/或肿瘤抑制因子的缺失将癌细胞锁定在一种特殊状态，在这种状态下，癌细胞从胞外环境中持续性地获得可用的葡萄糖、谷氨酰胺和必需氨基酸，从而使癌细胞不受控制地增殖。

创造多种机会获取养分

尽管肿瘤细胞对葡萄糖和氨基酸有强烈的吸收欲望，但体内的肿瘤细胞经常由于养分消耗率的增加和肿瘤血管供应的不足而遇到营养缺乏的情况，为了解决耗尽的正常合成代谢前体供应问题，某些癌种获得特异性突变，从而激活了细胞利用其它途径获取必要营养的能力。血浆和组织间质液富含可溶性蛋白，但细胞外蛋白一般不作为氨基酸的来源。突变的Ras或c-Src等位基因的表达为细胞提供了一种机制，使它们能够通过溶酶体降解细胞外蛋白来满足对游离氨基酸的需求，与通过转运体进入细胞的低分子量营养物质的摄取方式不同，细胞外大分子的摄取是通过大胞饮作用进行的，在这个过程中大量的细胞外液被摄取到巨大的囊泡中。值得注意的是，尽管PI3K/Akt信号通路能够刺激低分子量营养物质的摄取，但是并不能促进细胞外蛋白的利用。除了可溶性的细胞外蛋白外，游离氨基酸也可以通过entosis形式从整个活细胞的吞噬和消化中获取，也可以从凋亡细胞的吞噬中获取。有趣的是，含有KRAS等位基因突变的肿瘤细胞更容易发生entosis现象，因此KRAS突变细胞不仅比非突变细胞具有营养优势，而且还会主动消除后者，这种特性可能会促进肿瘤内的细胞竞争，导致更具有侵略性的细胞群的出现。肿瘤生长过程中缺乏血管营养物质递送的后果是肿瘤缺氧，这导致许多需要氧分子作为电子受体的生物合成反应受到抑制。例如缺氧损害了硬脂酰辅酶A去饱和酶1(SCD1)催化的将双键引入从头合成的脂肪酸过程，这造成了不饱和脂肪酸种类的缺乏，为了补充缺失的脂肪酸，缺氧细胞从周围环境中导入“现成的”不饱和脂肪酸，这类脂肪酸以单酰基链的溶血磷脂的形式存在。

利用糖酵解/TCA循环中间产物进行生物合成和NADPH生产

细胞增殖不仅增加了细胞所需营养物质的数量，而且还改变了营养物质的使用方式。增殖细胞的碳使用模式与静止细胞的碳使用模式有很大的不同，在细胞增殖过程中，还原性碳的主要用途是合成各种生物分子，包括脂肪酸、胆固醇、戊糖和己糖衍生物、甘油、核苷酸和非必需氨基酸，因此增殖细胞必须首先将获得的营养物质转化为各种中间体结构， 这些中间体包括胞质乙酰辅酶A、单碳叶酸循环单元和S-腺苷甲硫氨酸(SAM)，以及一系列糖酵解和TCA循环中间体。此外，许多生物合成反应本质上是还原反应，因此需要还原力的来源，例如，生成棕榈酸需要消耗14个还原当量，而生成胆固醇分子需要26个。用于细胞生物合成反应的还原性当量的指定供体是NADPH，由NADP+产生NADPH的过程是通过碳基的受控氧化来实现的，这与那些产生NADH来支持线粒体的电子传递途径有很大的区别，因此增殖的细胞必须分配一部分碳底物用于NADPH的生产。众所周知，肿瘤细胞偏爱有氧糖酵解过程，它们将细胞中多余的丙酮酸转化为乳酸并排出胞外，但为什么肿瘤细胞不是将过量的丙酮酸转运到线粒体中以维持氧化磷酸化呢?这个问题的答案逐渐变得清晰起来。增殖状态下的细胞对ATP的需求远没有对一些分子前体物以及NADPH的需求高，葡萄糖分解代谢是这些前体和还原性物质的有力提供者，而产生NADH和ATP的TCA循环是葡萄糖代谢的主要负调节因子，通过将过量的丙酮酸转化为乳酸，增殖细胞可防止细胞溶质NADH的积累并减少ATP的产生，从而促进持续的细胞溶质葡萄糖代谢，避免因线粒体ATP生成过多而产生的反馈抑制效应。

对氮的需求增加

除了在生物合成途径中增加碳的消耗，生长信号也同时提高了细胞对还原性氮的需求。增殖细胞必须从头合成许多含氮分子，包括核苷酸、非必需氨基酸和多胺。谷氨酰胺一种非必需氨基酸，含有两个还原态氮原子，是后生动物细胞间转移还原态氮的主要途径。谷氨酰胺的酰胺基团是嘌呤和嘧啶生物合成不可缺少的氮供体。每个尿嘧啶和胸腺嘧啶需要一个谷氨酰胺分子，每个胞嘧啶和腺嘌呤需要两个谷氨酰胺分子，而每个鸟嘌呤需要三个谷氨酰胺分子的参与。此外，嘧啶环和嘌呤环的组装都利用了天冬氨酸，而天冬氨酸是由TCA循环的代谢物草酰乙酸和谷氨酸转氨化而来的，这两种物质都是谷氨酰胺的分解产物，因此谷氨酰胺是核苷酸生物合成的关键结构组成部分。相应的，谷氨酰胺的水平已被证明是细胞周期进程的限速条件，在某些细胞环境中，谷氨酰胺剥夺导致细胞周期停滞在S期。除了用于核苷酸生物合成外，谷氨酰胺还可以通过谷氨酰胺酶直接脱氨成谷氨酸，谷氨酰胺酶在癌细胞中经常以c-myc依赖性的方式上调，谷氨酰胺衍生的谷氨酸作为氮的供体，通过转胺作用产生许多非必需氨基酸。尽管精氨酸是一种非必需氨基酸，但在某些致瘤条件下也是必需的。精氨酸是四个氮原子的载体，是多种含氮化合物的前体，包括多胺、肌酸、胍基丁胺以及脯氨酸生物合成的前体吡咯啉-5-羧酸盐。肿瘤细胞不选择精氨酸的从头生成，而是主要依赖于精氨酸的外源性内流。很明显的是，与碳代谢类似，氮的代谢在肿瘤发生过程中也经历了复杂的重编程。

代谢物驱动基因调控的改变

驱动肿瘤发生的异常激活的生长和存活信号促进了癌细胞代谢的重编程，从而增加了营养的获取和生物合成。然而代谢网络本身不仅仅是生长信号的被动接收者，而且恰恰相反，它直接将有关细胞代谢状态的信息传递给各种调节酶，其中包括在染色质中添加或者去除表观遗传标记的酶。当细胞代谢的葡萄糖超过生物能量支持所需时，代谢物胞质乙酰辅酶A开始起到关键作用。胞质乙酰辅酶A是使组蛋白和其它蛋白质乙酰化的酶的专性底物。组蛋白乙酰化标记与基因组DNA对转录复合物组装的可接近性增加有关，组蛋白乙酰化后对细胞营养和信号转导状态的改变非常敏感。除了乙酰辅酶A，p300组蛋白乙酰转移酶最近也被证明可以利用巴豆酰基辅酶A作为底物，值得注意的是，在组蛋白尾部的特定氨基酸残基上进行巴豆酰基标记修饰更能激活基因表达。细胞中的许多甲基化反应，包括在组蛋白尾部的甲基标记、DNA上的胞嘧啶甲基化和mRNA上的腺苷甲基化都利用S-腺苷甲硫氨酸(SAM)作为甲基的供体。SAM是单碳代谢途径的产物，由丝氨酸分解代谢提供能量，最近的一些研究表明，组蛋白和DNA甲基化对SAM水平的变化非常敏感。细胞中的多种翻译后修饰是由一类α-酮戊二酸依赖性双加氧酶执行的，DNA去甲基化酶TET家族成员便是α-酮戊二酸依赖性双加氧酶的一种。 另一类与肿瘤相关的、可调节a-酮戊二酸依赖型双加氧酶活性的基因是异柠檬酸脱氢酶1 (IDH1)和异柠檬酸脱氢酶2 (IDH2)的功能获得型突变，编码IDH1或IDH2的基因中的活性位点突变提供了将TCA循环中间体α-酮戊二酸(α-KG)还原为D-2HG的新能力，从而替代传统的异柠檬酸和α-酮戊二酸的相互转换。

与肿瘤微环境的代谢性互作

有关细胞代谢状态的信息不仅影响其自身的长期决策，而且有可能影响其附近其它细胞的命运。已知的多种遗传稳定的细胞类型，包括肿瘤相关的成纤维细胞、内皮细胞以及先天性和适应性免疫系统成分，受附近肿瘤的影响经常会发生特征性的表型变化。肿瘤细胞如何重新编程其微环境以帮助肿瘤生长和传播是一个值得深入研究的领域，但很明显的是这种重新编程包含多种策略，包括分泌生长因子、改变细胞外基质以及细胞间相互作用等。肿瘤细胞对细胞外葡萄糖和谷氨酰胺的高度利用导致细胞外乳酸的积累，这被证明影响肿瘤微环境中的多种细胞类型。乳酸含量的增高可以减弱树突状细胞和T细胞的活化以及单核细胞的迁移从而导致免疫逃逸；乳酸还可以刺激驻留的巨噬细胞极化至M2状态，M2巨噬细胞同样具有免疫抑制作用；乳酸的积累有助于促进血管生成；此外，乳酸水平的增加也刺激成纤维细胞产生透明质酸，这可能有助于肿瘤的侵袭。一些肿瘤采用一种独特的策略来促进其周围免疫耐受微环境的出现。例如，许多实体瘤会过表达可降解色氨酸的吲哚胺-2, 3-双加氧酶(IDO1)和色氨酸-2, 3-双加氧酶(TDO2)，它们会催化必需氨基酸色氨酸转化为其衍生物犬尿氨酸，色氨酸的消耗会引发效应T细胞的氨基酸剥夺相关凋亡事件，而且犬尿酸会促进调节性T细胞表型的形成，从而进一步抑制抗肿瘤免疫应答过程。相反的，肿瘤微环境对癌细胞自身的代谢也有深远的影响。肿瘤通常面临营养和氧气不足的环境，并因此制定出各种营养获取策略来绕过这些限制，缺氧会阻碍细胞进行氧化磷酸化和其它需要氧气反应的能力，破坏氧化还原平衡，影响细胞信号传导和转录程序，总而言之肿瘤细胞与其微环境之间的相互作用施加了一种选择压力，进一步塑造了肿瘤细胞的新陈代谢并促成了更具攻击性肿瘤细胞的出现。