腫瘤細胞氨的合成及代謝去向研究進展

白長森

天津醫科大學腫瘤醫院，天津300060

代謝重編程是腫瘤的十大特征之一[1]。腫瘤細胞代謝途徑的核心作用是合成細胞生長和增殖所需物質及能量。德國科學家Otto Warburg提出腫瘤細胞中普遍存在有氧糖酵解現象(Warburg Effect)：正常細胞可通過線粒體進行高效的氧化磷酸化供能，即使在氧氣充足的情況下腫瘤細胞仍然優先利用葡萄糖進行糖酵解代謝，并將代謝所得的乳酸分泌出細胞[2]，這可導致腫瘤細胞生物合成的原料不足。谷氨酰胺是人體血液中含量最高的氨基酸，可在能量或物質不足的情況下參與腫瘤細胞的生物合成和能量代謝[3]。研究[4]發現，腫瘤細胞的快速增殖也需進行支鏈氨基酸代謝。但氨基酸分解代謝在提供腫瘤細胞生長所需物質及能量的同時，會釋放大量的氨，氨通常被認為是有毒的機體代謝副產物[5,6]，需要通過生成尿素等方式排出；但也有研究顯示其在腫瘤發生發展的過程中起到了重要作用，如在某些腫瘤細胞中氨可以被重復利用，支持腫瘤細胞的生物合成[7]。目前臨床對氨代謝在腫瘤中的作用還存在一定爭議，了解腫瘤細胞中氨的合成及代謝去向可以為腫瘤患者的診療提供新的方向，本文將對腫瘤細胞氨的合成及代謝去向的研究進展進行重點介紹。

1 腫瘤細胞中氨的來源

谷氨酰胺是條件性必需氨基酸，其在極低濃度下仍能繼續支持未轉化腫瘤細胞的生長，但轉化的腫瘤細胞在更高濃度谷氨酰胺的環境下才能存活[8]。轉化腫瘤細胞對谷氨酰胺的高需求發生在腫瘤轉化灶發生發展中。基于未轉化細胞和轉化細胞對谷氨酰胺需求的巨大差異，科學家提出了一種新的癌癥治療方法，在抑制轉化腫瘤細胞持續生長和存活的同時，不降低未轉化細胞的生長速度。這些現象均反映生長迅速腫瘤細胞對谷氨酰胺存在依賴。為了滿足能量代謝與增殖需要，腫瘤細胞會消耗大量的谷氨酰胺[9]。

谷氨酰胺可以通過分解代謝為腫瘤細胞提供碳源或氮源，其在代謝過程中有一個共同途徑：谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(Glutaminase，GLS)的催化下生成谷氨酸，同時會向腫瘤微環境中釋放氨[10]。Zhang 等[11]發現，在頭頸部鱗狀細胞癌患者的癌組織中，GLS mRNA的表達量明顯高于臨近正常組織。Xi 等[12]研究發現，肝癌患者癌組織中GLS表達顯著增加，并且與血清AFP、腫瘤分化、淋巴轉移、TNM分期和較差的患者預后有關。Wang 等[13]研究發現，口腔癌細胞中c-Myc可通過上調GLS表達，促進癌細胞的增殖和遷移。當谷氨酰胺作為碳源時，催化生成的谷氨酸會進一步被谷氨酸脫氫酶(Glutamate dehydrogenase，GLUD)催化生成α-酮戊二酸，進入三羧酸(Tricarboxylic acid，TCA)循環，實現對TCA循環的回補作用，而這一過程中也有氨的釋放[14]。Takeuchi等[15]研究發現，谷氨酰胺耗盡72 h時，乳腺癌組織中谷氨酸存在量和氨釋放量呈正相關，而谷氨酸可以促進谷氨酰胺耗竭條件下的細胞增殖。

2 腫瘤細胞中氨的代謝去向

正常機體內氨有多種代謝途徑，可通過谷氨酰胺合成酶(Glutamine synthetase，GS)的催化再次合成谷氨酰胺，也可在相關酶的作用下合成其他含氮物質，或通過以氨甲酰磷酸合成酶1(Carbamoyl phosphate synthase 1，CPS1)為限速酶的尿素循環，以尿素等小分子的形式排出體外[16]。

2.1 合成谷氨酸及谷氨酰胺 谷氨酰胺代謝所產生多余的氨可以被某些腫瘤細胞重新攝取，在GLUD的催化下氨和α-酮戊二酸生成谷氨酸，谷氨酸和氨可進一步在GS的作用下合成谷氨酰胺[10]。

Jessica 等[7]通過穩定同位素標記的代謝流示蹤技術發現，人乳腺癌細胞中氨可被循環利用到氨基酸的中心代謝中，從而實現氮的最大程度利用。乳腺癌細胞主要通過GLUD催化的還原性胺化作用吸收氨，二次反應使脯氨酸、谷氨酸和天冬氨酸等氨基酸直接獲取氮。氨在小鼠體內腫瘤微環境中積累，在GLUD催化下直接參與氨基酸的合成。以上研究說明，腫瘤微環境中釋放的氨不是細胞內代謝廢物，可作為腫瘤生物合成的基本氮源。Bott等[17]報道，在人及鼠多種腫瘤組織中真核轉錄調節因子c-Myc可促進靶向胸腺嘧啶DNA糖基化酶表達，促進GS啟動子主動去甲基化從而提高其表達，催化谷氨酸和氨合成谷氨酰胺[17]。谷氨酰胺受限的條件下GS高表達可使谷氨酰胺增加，增強核苷酸合成和氨基酸轉運，有助于細胞存活，而GS的沉默表達則會抑制細胞增殖和異種移植腫瘤的生長。胰腺腫瘤組織常呈高度纖維化，血管化不良，導致谷氨酰胺等營養物質供應受限[18]。胰腺癌基質相關的胰腺星狀細胞可分泌丙氨酸至腫瘤微環境中，供胰腺導管腺癌細胞利用回補三羧酸循環。丙氨酸可作為腫瘤細胞的替代碳源，減輕腫瘤微環境中氨的產生[19]。胰腺腫瘤的代謝網絡中，多種燃料可用于促進嚴峻微環境中腫瘤細胞的生長。腫瘤細胞在谷氨酰胺不足的情況下，可通過TCA循環獲得α-酮戊二酸，并利用細胞內代謝廢物氨生成谷氨酸，促進腫瘤細胞中GS表達，進一步促進氨的利用及谷氨酰胺生成[20]。

2.2 氨與支鏈氨基酸合成谷氨酸 膠質瘤細胞中，GLS受到抑制時，腫瘤細胞可利用支鏈氨基酸和氨在支鏈氨基酸轉氨酶1(Branched chain amino acid transaminase，BCAT1)和BCAT2的共同作用下合成谷氨酸。異檸檬酸脫氫酶1(Isocitrate dehydrogenase，IDH1)突變的低度神經膠質瘤和繼發性膠質母細胞瘤細胞中存在過量還原型2-羥基戊二酸酯(2-hydroxyglutarate，2HG)堆積，抑制腫瘤細胞BCAT1、BCAT2表達，增加腫瘤細胞對GLS來源谷氨酸的依賴[4]。特異性抑制GLS表達可使IDH突變的神經膠質瘤細胞對氧化應激和放射治療更加敏感。

2.3 氨在尿素循環中的作用

2.3.1 通過尿素循環代謝成尿素排除 尿素循環是機體氨代謝的重要途徑，谷氨酰胺是尿素循環中氮源的主要供體，分解產生的氨為尿素循環提供了底物，最終將體內多余的氨以尿素等小分子的形式排出體外[16]。參與尿素循環的酶主要有五種：CPS1、鳥氨酸氨基甲酰轉移酶(Ornithine carbamoyltransferase，OTC)、精氨酸代琥珀酰合成酶1(Arginine succinyl synthase 1，ASS1)、精氨酸代琥珀酰分解酶(Arginine succinyl decomposing enzyme，ASL)以及精氨酸酶(Arginase，AGR)，CPS1作為尿素循環中的限速酶和關鍵酶，在尿素循環中發揮重要作用[21]。研究[22]發現，在以抑癌基因P53失活為標志的腫瘤組織中參與尿素循環的酶均出現不同程度的表達增高，腫瘤細胞尿素循環酶CPS1、OTC、ARG1 mRNA相對表達量均升高，過量的氨被代謝后細胞中氨水平降低、尿素水平升高。

2.3.2 尿素循環失調參與嘧啶合成 多數腫瘤組織中尿素循環酶的表達發生特定改變，從而導致細胞中出現被稱為 “尿素循環失調”(Urea cycle disorders，UCD)的一般代謝標志。 UCD引起氮向氨基甲酸酯-磷酸合成酶2，天冬氨酸轉氨甲酰酶和二氫乳清酶(Carbamate-phosphate synthase 2, aspartate transcarbamylase and dihydrowheyase，CAD)的方向活化，并促進嘧啶合成，改變腫瘤患者生物流體中含氮代謝物水平[23]。參與尿素循環的酶(CPS1)和參與核苷酸代謝的酶(CAD)具有高度同源性，通過高效的代謝底物交換，使中間產物分流到腫瘤的合成代謝途徑，表現為增強嘧啶的合成，從而減少腫瘤細胞碳、氮的浪費[24]。Erez等[25]研究發現，在腫瘤組織ASS1活性降低時，腫瘤細胞可以通過活化CAD促進嘧啶合成，進行腫瘤細胞的增殖。與Ⅱ型瓜氨酸血癥比較，由ASS1缺乏導致的Ⅰ型瓜氨酸血癥患者血清嘧啶水平升高，且Ⅱ型瓜氨酸血癥患者由天冬氨酸轉運蛋白缺乏引起ASS1的底物利用率降低。猜測ASS1缺乏可增加腫瘤細胞質中天冬氨酸水平，上調其底物利用率，通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途徑促進核糖體蛋白S6激酶1(S6K1)的磷酸化，激活CAD。存在致癌性KRAS突變和細胞肝激酶B1(LKB1)缺失的腫瘤細胞的侵襲性更強，而人KL細胞和腫瘤細胞氮代謝組學特征相同[26]。KL細胞可高表達尿素循環酶CPS1，在線粒體中催化氨和碳酸氫鹽產生氨基甲酰磷酸，從而啟動氮的代謝流程。抑制CPS1表達時可導致腫瘤微環境中氨的積累，降低腫瘤細胞嘧啶與嘌呤的比例，損害細胞周期S期進程，并引起DNA聚合酶停滯和DNA損傷，最終導致腫瘤細胞凋亡。

2.4 氨生成其他含氮物質 腫瘤細胞內過量的氨在尿素循環代謝的過程中，一部分氨可以用于生成多種含氮類物質，有助于腫瘤細胞的生長。如尿素循環中利用氨產生的內源性精氨酸，可以在ARG1的作用下生成鳥氨酸和尿素，同時也有部分精氨酸生成多胺、NO等含氮物質[27]。

多胺是腫瘤細胞生長和增殖所需的聚陽離子[28]。P53失活的腫瘤細胞多胺含量升高[22]。Simon等[29]研究發現，腎透明細胞癌組織中ARG2、ASS1等尿素循環關鍵酶的表達降低，腫瘤細胞可通過保存關鍵生物合成輔因子磷酸吡哆醛、避免有毒多胺積累兩種途徑促進細胞生長。由此看來，多胺在不同腫瘤中可能起著不同作用。

NO在腫瘤細胞的增殖中具有雙重作用，低劑量NO可促進腫瘤細胞的增殖、血管生成和上皮向間充質轉化，而高劑量NO對腫瘤細胞的效果相反[30]。Erbas等[31]研究發現，精氨酸還原酶抑制劑羅舒伐他汀可抑制乳腺癌細胞移植瘤的增殖，可能作用機制為羅舒伐他汀可減少精氨酸作為多胺前體的使用率，增加為NO前體的用途，從而起到了抗腫瘤的作用[32]。

在乏氧和線粒體功能受損的條件下，谷氨酰胺可為腫瘤細胞提供碳源，同時將多余碳和氮富集在二氫乳清酸(Dihydroorotate，DHOA)中，并將其分泌出細胞，避免細胞中氨的積累[33]。乳清酸(Orotate，OA)是DHOA的下游直接產物，乳腺癌、肝癌、肺癌和胃癌患者血清OA水平均明顯高于正常人，表明DHOA/OA可能是腫瘤患者體內一種替代的排氨途徑。尿素循環紊亂也可以導致OA尿癥。OA是嘧啶生物合成途徑的中間體，在嘧啶循環的許多先天性錯誤和許多其他涉及精氨酸代謝的疾病中，如OTC缺乏癥患者和低精氨酸狀態，均發現OA排泄增加[34,35]。

由于腫瘤細胞的存活和增殖需要谷氨酰胺，目前已有部分藥物被研發用于抑制谷氨酰胺的分解代謝，主要通過干預分解代謝過程中酶的活性從而抑制腫瘤的生長及氨的產生，例如GLS抑制劑：化合物968、BPTES和CB-839等[36～38]。

綜上所述，氨代謝在腫瘤的發生、發展中發揮重要作用。氨在腫瘤增殖的過程中可以被循環利用或以某種方式安全代謝并釋放到微環境中。