胰腺癌與支鏈氨基酸代謝重編程的研究進展

劉 珂 ，劉穎斌

胰腺癌是一種高度惡性的消化系統腫瘤，胰腺癌細胞通過調整自身的代謝通路以適應營養有限、氧氣缺乏的腫瘤微環境[1]。代謝重編程是惡性腫瘤的特征之一，腫瘤細胞通過調控相關基因的表達從腫瘤微環境中奪取必要的營養物質，以滿足維持生物合成、促進增殖和侵襲以及平衡氧化還原狀態等需求，因此代謝重編程是腫瘤診斷和治療的重要靶點[2-3]。通過對胰腺癌代謝重編程機制的研究和探索，研究者發現代謝相關調控基因、代謝通路酶和代謝產物在胰腺癌發生和發展的各階段均發揮關鍵作用[4-7]。另一方面，胰腺癌起病隱匿，缺乏有效的疾病篩查手段，并且缺乏有效的靶向藥物，因此預后不佳[8-9]。如何靶向代謝重編程以改善胰腺癌的預后，是目前胰腺癌研究的熱點之一。

氨基酸是構成蛋白質的基礎單元，也是細胞生命活動的能量來源和代謝底物，是腫瘤發生和發展必不可少的營養物質[10]。支鏈氨基酸包括亮氨酸、異亮氨酸和纈氨酸，屬于哺乳動物必需氨基酸，由于人體無法合成而僅能從飲食中獲取[11]。這3種支鏈氨基酸在人體內的新陳代謝共用同一條代謝通路，因此其在血液循環和組織細胞中含量的變化往往呈現相近的趨勢[11-12]。支鏈氨基酸代謝異常會影響多種惡性腫瘤的進展，并且能夠反映腫瘤患者新陳代謝的總體改變[12-13]。近年來，已有多項研究報道了胰腺癌支鏈氨基酸代謝發生特異性改變，提示支鏈氨基酸代謝可能具有評估胰腺癌疾病狀態以及提供新的治療靶點的潛力[14-19]。本文圍繞支鏈氨基酸代謝異常影響胰腺癌發生和發展的作用、作為胰腺癌早期診斷指標的價值以及應用于胰腺癌靶向治療的嘗試，對胰腺癌支鏈氨基酸代謝領域的研究進行總結和闡釋。

1 支鏈氨基酸代謝異常促進胰腺癌發生和發展的作用

支鏈氨基酸在組織細胞內具有重要的生物學功能，可以直接參與組織蛋白的構成，還可以通過支鏈氨基酸轉氨酶（branched-chain amino acid aminotransferase，BCAT）代謝生成支鏈酮酸和谷氨酸，支鏈酮酸可進一步氧化分解，最終為三羧酸循環提供碳源以及為核苷酸合成提供氮源，也可以參與表觀遺傳的調控，還可以排出細胞被其他組織細胞攝取和利用[13]。正常胰腺組織的支鏈氨基酸代謝相當活躍[20]，然而在胰腺癌中則發生相反的變化，支鏈氨基酸攝取和利用減少，所有代謝酶在mRNA水平的表達下降，并且在最終發揮功能的蛋白水平，除BCAT2以外的其他支鏈氨基酸代謝酶的表達量也一致減少[14-15]。BCAT包含2個同工酶，即細胞基質中的BCAT1和線粒體中的BCAT2，介導支鏈氨基酸轉移1個氨基至α-酮戊二酸生成支鏈酮酸和谷氨酸的可逆反應[21]。BCAT2在胰腺癌中的mRNA表達量低，但蛋白翻譯水平較高，究其原因是KRAS突變通過介導SYK和TRIM21調節BCAT2的泛素化修飾，從而抑制BCAT2的泛素-蛋白酶體途徑降解[14]。KRAS突變普遍存在于不同組織源性的惡性腫瘤中[22-23]，而大多數胰腺癌患者均攜帶KRAS突變[24]，由此提示KRAS介導的BCAT2-支鏈氨基酸代謝重編程普遍存在于胰腺癌中。

BCAT2-支鏈氨基酸代謝重編程盡管普遍存在于胰腺癌中，然而究竟是否影響胰腺癌的發生和發展，還是僅僅是KRAS突變的無意義的副產物，目前學界對這一問題尚存在爭議。MAYERS等[15]通過建立小鼠皮下移植瘤和原位移植瘤模型，發現敲減BCAT基因對移植瘤的生長幾乎沒有影響。LI等[14]在小鼠原位胰腺癌模型中發現基因編輯敲除BCAT2基因后，可以顯著抑制胰腺導管上皮內瘤變進展為胰腺癌。然而，這2項研究的爭議在于BCAT2-支鏈氨基酸分解代謝是否促進了胰腺癌細胞的增殖或胰腺癌的發生和發展。筆者認為，這2項研究得到截然相反的結論是由于使用了不同的動物模型而造就了不同的腫瘤微環境，因此其結論并非相互矛盾。胰腺癌腫瘤微環境的營養供應有限，腫瘤細胞與基質細胞之間存在多種代謝交流和競爭機制[25]。近期有研究表明胰腺癌腫瘤微環境中的腫瘤成纖維細胞分泌了大量的支鏈酮酸以滿足胰腺癌細胞的營養需求，并促進腫瘤細胞的增殖[16]。MAYERS等[15]建立的移植瘤模型的腫瘤微環境構成比較單一，敲減BCAT基因僅僅阻礙了支鏈酮酸向支鏈氨基酸的可逆反應，而腫瘤細胞或許還可以從循環中獲取其他組織細胞分泌的支鏈酮酸，因此敲減BCAT基因可能并不阻礙腫瘤細胞對支鏈酮酸的進一步氧化分解，也因此并不影響支鏈氨基酸代謝重編程調控胰腺癌細胞增殖的作用。胰腺癌細胞可以從腫瘤微環境中獲取支鏈酮酸以進一步進行代謝反應，而正常胰腺組織細胞對支鏈氨基酸的攝取和利用依賴于BCAT2的表達。LI等[14]的動物模型處于正常胰腺組織惡性轉化、腫瘤微環境逐漸形成以及營養需求急劇增加的特殊階段，此時敲除BCAT基因等同于徹底斬斷了細胞的支鏈氨基酸來源，阻斷了處于該特殊階段的細胞的支鏈氨基酸代謝，從而阻止胰腺導管上皮內瘤變進展為胰腺癌。因此，筆者認為這2項研究均支持支鏈氨基酸代謝在胰腺癌的發生和發展中發揮重要作用，支鏈氨基酸代謝重編程是胰腺癌的顯著特征之一。

2 支鏈氨基酸代謝異常對早期胰腺癌的診斷價值

胰腺癌發病隱匿、早期診斷困難，大多數胰腺癌患者確診時已處于臨床晚期，錯過手術治療的最佳時機[26]。盡管已有研究報道吸煙和胰腺癌家族史是胰腺癌常見的危險因素[27-28]，但是這些危險因素僅僅只能提供有限的診斷價值，而無助于胰腺癌的早期發現和早期治療。因此，在胰腺癌的臨床實踐中，迫切需要找到有助于早期診斷的腫瘤分子標志物。代謝重編程是腫瘤疾病的生物學特征之一，也是判斷腫瘤疾病狀態的重要線索。胰腺癌的發生和發展也與人體基礎代謝異常密切關聯，如肥胖、糖耐量異常和惡病質等，均可導致胰腺癌發病風險升高或病情惡化[6,29-30]。如前文所述，支鏈氨基酸代謝酶在胰腺癌細胞內發生了顯著變化，并且胰腺癌患者血液循環中支鏈氨基酸濃度出現顯著升高[31-32]。循環支鏈氨基酸濃度升高的機制可能與組織蛋白分解增加以及基礎代謝異常等有關[15,17,33]。來自美國的病例對照研究（包含454例胰腺癌患者）和日本的病例對照研究（包含170例胰腺癌患者）均顯示，胰腺癌患者在確診前數年就已出現循環支鏈氨基酸濃度的顯著增加。這2項來自不同地域和不同人種的前瞻性研究均支持循環支鏈氨基酸濃度升高是胰腺癌診斷前事件[17-18]。另一方面，從正常的胰腺導管上皮細胞獲得最初的基因突變至惡性單克隆形成至少需要10年的時間，再至出現遠處轉移還需要5年左右的時間[34]，而循環支鏈氨基酸濃度升高在臨床確診胰腺癌之前超過10年就已出現[17-18]，提示早期胰腺癌的發生和發展與循環支鏈氨基酸濃度升高在時間關系上存在密切相關性，這是循環支鏈氨基酸濃度升高作為胰腺癌早期診斷指標的重要依據。

3 靶向支鏈氨基酸代謝對胰腺癌治療的嘗試

目前對于胰腺癌靶向治療的研究正陷入困境，即可靶向的促癌基因突變較有限，而抑癌基因突變頻繁。抑癌基因的丟失也可能延伸至鄰近基因，造成共同丟失，當丟失的“乘客”基因具有維持基本生命活動的重要功能，并且當該基因具有生物學功能重復的“姐妹”基因時，這一基因突變事件被稱為“協同致死”，靶向該“乘客”基因的“姐妹”基因是腫瘤靶向治療的新策略[35-36]。DEY等[37]報道近1/3的胰腺癌患者存在SMAD4基因丟失，SMAD4基因座鄰近的ME2基因一并被刪除，在“協同致死”框架下，靶向其“姐妹”基因ME3將出現BCAT2基因轉錄激活減弱，導致胰腺癌細胞對支鏈氨基酸的攝取和利用減弱。在胰腺癌特殊的支鏈氨基酸低代謝背景下，即分解代謝酶的表達普遍受抑、攝取游離支鏈氨基酸減少以及組織蛋白中支鏈氨基酸水平較低等[15]，靶向ME3基因將進一步抑制胰腺癌的支鏈氨基酸代謝，導致胰腺癌細胞的“協同致死”，從而為具有特定基因型的相當一部分胰腺癌患者提供了新的治療策略。

胰腺癌藥物治療的另一個難點在于其復雜的腫瘤微環境。由于各種基質細胞和細胞外基質能夠達到胰腺癌組織總體積的90%，形成腫瘤細胞抵抗藥物的天然保護盾，因此要實現真正有效的藥物治療必須同時注重殺傷腫瘤細胞以及改造和重塑腫瘤微環境[38]。在胰腺癌腫瘤微環境中，腫瘤成纖維細胞與腫瘤細胞之間代謝往來密切，尤其是支鏈氨基酸的代謝產物交流，即腫瘤成纖維細胞攝取和分解細胞外基質中的蛋白質，上調BCAT1催化支鏈氨基酸轉氨基生成支鏈酮酸，再分泌大量支鏈酮酸至細胞外基質，然后腫瘤細胞再攝取這些被分泌的支鏈酮酸，通過支鏈酮酸脫氫酶進一步氧化分解支鏈酮酸以維持生物合成和促進腫瘤細胞增殖等[16]。支鏈酮酸也可能參與調控腫瘤成纖維細胞的表觀遺傳，從而影響其分化和功能[39]。綜上所述，對于腫瘤間質十分豐富的胰腺癌而言，聯合靶向間質細胞的BCAT1和腫瘤細胞的支鏈酮酸脫氫酶是一種雙管齊下的治療方案，既能有效中斷間質細胞對腫瘤細胞的營養支持，又能直接阻斷腫瘤細胞的生物合成而導致其死亡，為胰腺癌的靶向治療提供了新的途徑。

BCAT2蛋白表達量在胰腺癌中顯著升高，并且BCAT2在胰腺導管上皮內瘤變惡性轉化過程中發揮重要作用。LI等[14]報道在原位胰腺癌小鼠模型中，BCAT2抑制劑可以顯著阻止胰腺導管上皮內瘤變向胰腺癌進展，并且驗證了該抑制劑的安全性。該團隊對BCAT2蛋白開展進一步研究，發現BCAT2的第44位賴氨酸位點甲酰化修飾和第201位酪氨酸位點磷酸化修飾與泛素-蛋白酶體系統介導的BCAT2降解密切相關[14,19]。循環支鏈氨基酸水平可以作為胰腺癌早期診斷的依據，結合目前已有的BCAT2翻譯后調控機制的相關研究，認為對這部分早期隱匿的胰腺癌開展靶向BCAT2的治療或許能夠取得良好的療效[14,17-19]。

4 總結和展望

支鏈氨基酸代謝重編程是胰腺癌發生和發展的重要特征之一，循環支鏈氨基酸濃度升高作為胰腺癌的早期標志性事件或許有助于胰腺癌的早期發現和早期診斷，并且靶向支鏈氨基酸代謝也為胰腺癌治療提供了新的方向。胰腺癌細胞與腫瘤微環境基質細胞通過支鏈氨基酸代謝相輔相成，但在具體的機制方面仍存在一些疑問有待解決，如支鏈氨基酸代謝流在腫瘤微環境各種細胞內的具體走向以及胰腺癌患者循環支鏈氨基酸水平較高與腫瘤微環境攝取和利用支鏈氨基酸之間存在怎樣的相關性，都有待進一步研究。另一方面，循環支鏈氨基酸濃度升高的機制尚不清楚，周圍組織蛋白分解與胰腺癌基礎代謝異常這2項假說分別支持胰腺癌診斷前超過10年或2～5年出現循環支鏈氨基酸濃度升高[17-18]，因此如果要將循環支鏈氨基酸濃度升高作為胰腺癌早期診斷的標志物，深入探索循環支鏈氨基酸濃度升高的具體分子機制十分必要。最后，依據支鏈氨基酸代謝重編程為胰腺癌治療提供了數種頗具潛力的治療策略，目前亟待開展新的藥物試驗和臨床研究，以及進一步開展支鏈氨基酸代謝重編程的臨床轉化研究，為改善胰腺癌患者的預后提供新的希望。