乳腺癌代謝重編程與微環境重塑的研究進展

錢思嘉，尹 駿，姚文兵，高向東*

（1中國藥科大學江蘇省生物藥物成藥性研究重點實驗室，南京210009；2中國藥科大學生命科學與技術學院，南京210009）

根據國際腫瘤研究機構發布的全球腫瘤統計數據顯示，乳腺癌是2018年發病率最高的腫瘤，全球約有200萬例病例登記，到2040年，這一數字預計將超過300萬［1-2］。乳腺癌在患癌女性中具有次高的病死率。這種高病死率主要與晚期轉移有關，局部病變的5年生存率為99%，而當發生轉移時，該值降低為27%［3］。乳腺癌包含幾種不同的亞型，在細胞和分子水平上均表現出高度的異質性?；谑欠翊嬖诩に厥荏w和表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2），乳腺癌可分為以下3種類型：雌激素和/或孕激素受 體（estrogen receptor/progesterone receptor，ER/PR）陽性，HER2陽性和三陰性乳腺癌（triple-nega?tive breast cancer，TNBC）。這些受體的存在與否決定了是否應該使用激素療法和/或免疫療法。在分子水平上，乳腺癌亞型根據其基因表達特征分為Luminal A，Luminal B，富含HER2和TNBC亞型（表1）。激素受體陽性的Luminal A亞型的發生率最高，預后最好，而TNBC亞型的預后最差［4］。

Table 1 Molecular subtypes of breast cancer and respective preva?lence

能量代謝的重新編程被認為是促進腫瘤發生發展的標志之一［5-7］。致癌基因驅動了代謝途徑的失調，進而為腫瘤細胞提供了選擇性的優勢，使其能夠在惡劣的微環境中高度增殖，提高其存活率。此外，能量代謝重編程產生的代謝物（例如2-羥基戊二酸）與信號傳導途徑相互作用，促進腫瘤的發生。腫瘤細胞代謝程序的改變也進一步影響了腫瘤微環境中的其他細胞，有助于調節與腫瘤發展密切相關的過程，例如血管生成、炎癥和腫瘤免疫［8］。腫瘤代謝作用揭示了腫瘤發生和發展的關鍵因素，開辟了新的診斷和治療視角。

本文探討了乳腺腫瘤內的代謝重編程及其對乳腺癌生物學進程的重要性。從糖酵解、三羧酸循環（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）和氧化磷酸化、氨基酸代謝以及脂質代謝4個部分概述了乳腺癌組織和細胞中的能量代謝的重新編程，從而加深了對代謝調節乳腺癌進程的理解，有助于設計與開發乳腺腫瘤代謝的相關藥物。

1 乳腺癌代謝重編程

諸多研究表明，乳腺癌和正常乳腺組織的代謝特征之間存在差異，各種代謝途徑例如糖酵解、TCA循環、氨基酸、核苷酸和脂質代謝，均發生了不同程度的改變［9-11］。據報道，乳腺癌組織的代謝取決于多種因素，例如腫瘤大小和等級、種族和年齡［9］以及激素狀態［12］等，這反映了乳腺癌的異質性和復雜性。研究者收集了來自200多個乳腺腫瘤患者的代謝物、蛋白質和基因表達數據，鑒定出3種與ER狀態無關的不同代謝簇，從而為了解乳腺癌異質性提供了更多信息［13］，這些簇主要在糖酵解/糖異生和甘油磷脂代謝方面有所差異。乳腺腫瘤細胞的代謝譜分析也顯示了不同細胞系之間存在高代謝變異性［14-15］。例如，發現ER陽性細胞（BT-474）的糖酵解作用與ER陰性細胞（MDA-MB-231和MDA-MB-453）相比更弱［16］，該發現與在組織中的觀察結果一致［12］。另一方面，TNBC細胞的代謝變化表明能量需求增加，與這種腫瘤亞型更具侵略性的臨床行為一致［17］。乳腺癌代謝重編程的主要內容見圖1。

1.1 糖酵解

糖酵解包括一系列復雜反應，在氧氣利用率低的情況下，葡萄糖會轉化為丙酮酸，并同時產生NADH和ATP。生成的丙酮酸可以轉化為乙酰輔酶A并進入TCA循環，也可以生成乳酸。研究表明，許多腫瘤即使在有氧條件下也可以進行糖酵解作用［17］。這種Warburg效應賦予了腫瘤細胞一定的生存優勢，例如快速生產能量和生物合成途徑的底物、氧化還原的平衡和腫瘤侵襲性的增強［17］。葡萄糖攝取和糖酵解活性的上調是非侵入性成像技術（18F-氟脫氧葡萄糖正電子發射斷層顯像技術）的基礎，該技術在臨床上已被廣泛用于檢測乳腺癌的骨骼轉移和代謝變化［18］。與非癌組織相比，在人類乳腺癌組織中觀察到增強的糖酵解作用［11］，相應地，與正常乳腺上皮細胞相比，在腫瘤細胞系中也觀察到類似的效應［16］。

在人類細胞中，葡萄糖轉運膜蛋白家族（glu?cose transporter，GLUT）調控著葡萄糖的攝取。在人類基因組編碼的14種亞型中，GLUT1在人體組織中分布最廣泛，并在包括乳腺癌在內的各種腫瘤中過表達［19］。Choi等［21］使用組織芯片進行免疫組織化學分析，結果表明，GLUT1在TNBC（尤其是在基底樣亞型中）過表達，并與增強的糖酵解途徑相關［20］。在另一項研究中，與1級高分化腫瘤相比，GLUT1和GLUT3在2級和3級低分化腫瘤中mRNA和蛋白質水平表達更高。此外，在最近的薈萃分析中發現組織內GLUT1的過表達與乳腺癌的不良預后和較低的存活率顯著相關［19］。

Figure1 Overview of metabolic reprogramming in breast cancer cells

己糖激酶（hexokinase，HK）催化糖酵解的第一步，即葡萄糖轉化為6-磷酸葡萄糖。在哺乳動物組織發現的4種亞型中，HK2在腫瘤組織中過表達水平最高［22］。通過免疫組織化學分析，發現HK2在27例未經治療的原發性乳腺癌中高表達［23］。在ErbB2/Her2驅動的乳腺癌小鼠模型中，HK2被證明是腫瘤發生所必需的，而HK2的敲低則抑制了體內和體外乳腺腫瘤細胞主要表型的表達［24］。

磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase 1，PFK1）是糖酵解限速酶，可將6磷酸果糖轉化為1，6-二磷酸果糖，與正常的乳腺組織或鄰近的癌旁組織相比，腫瘤部位的PFK1蛋白質表達增加并伴隨著酶活性的升高［25］。同時，研究者們也發現了不同類型的能夠表征腫瘤和癌旁乳腺組織的同工酶［26］。

糖酵解的第3個關鍵步驟是丙酮酸激酶（pyru?vate kinase，PK）催化，將磷酸烯醇丙酮酸轉化為丙酮酸。異構體PKM2在幾種高度增殖的腫瘤類型中高表達。除了在糖酵解中起關鍵作用外，PKM2還通過充當輔助激活劑和蛋白激酶來促進腫瘤的發生［27］。最近的薈萃分析發現了PKM2在乳腺癌中升高具有一定的臨床意義，PKM2的高表達表明乳腺癌患者生存率較差，并與淋巴結轉移相關［28］。

對不同基因和轉錄因子對乳腺癌中糖酵解活性的調節作用進行了研究，乳腺癌易感基因1（breast cancer susceptibility gene 1，BRCA1）是主要的抑癌基因，也是遺傳性乳腺癌中最常見的突變基因［29］。在乳腺腫瘤細胞中，BRCA1被證明可下調糖酵解并上調與氧化磷酸化相關的TCA循環［30］。此外，Zhao等［31］證明了ERBB2/HER2癌基因的過表達與糖酵解增加有關。通過上調熱休克因子1（heat shock factor 1，HSF1），過表達ERBB2的乳腺腫瘤細胞系（MCF7和MDA MB-231）表現出葡萄糖攝取和乳酸生成的增強，以及氧消耗的減少。大部分實體瘤的氧合區域都較小，缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor，HIF）1和2是腫瘤氧水平調節的重要介體。在缺氧條件下，兩個HIF-α亞基（HIF-1α和HIF-2α）都逃脫了蛋白水解作用并發生二聚化，而HIF-1β亞基激活了靶基因的轉錄［32］。在人類乳腺腫瘤細胞系中發現了HIF-1α和HIF-2α的不同作用［33-34］。據報道，HIF-1α的激活可促進向有氧糖酵解的轉變，增加乳腺腫瘤細胞的葡萄糖攝取和乳酸釋放［34］。這些發現證實侵襲轉移性乳腺腫瘤細胞較高的糖酵解活性主要是由HIF-1α驅動的［33］。另一方面，發現HIF-2α的激活可誘導與腫瘤生長和細胞增殖有關蛋白質的過表達，例如表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）、RAS和細胞周期蛋白D1［34］。轉錄因子TWIST也與乳腺腫瘤細胞中葡萄糖代謝的重新編程有關，它通過誘導β1-整合素/FAK/AKT/mTOR并抑制p53信號傳導途徑進而促進幾種糖酵解基因的過表達［35］。

1.2 TCA循環和氧化磷酸化

TCA循環是在線粒體中發生的一系列反應，乙酰輔酶A進入TCA循環被氧化，生成二氧化碳和還原型輔酶NADH和FADH2，以及少量的ATP。這些還原型輔酶會將其電子傳遞到電子傳遞鏈中，通過氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）生成大量的ATP。正常細胞主要依靠線粒體代謝產生能量，而腫瘤細胞則表現出糖酵解的上調和線粒體失調［36］。實際上，在乳腺腫瘤和細胞系中均檢測到了線粒體DNA的突變，這被認為可能調節了腫瘤的轉移［37］。

此外，已有研究發現在乳腺癌中不同的TCA循環存在著相關酶的變化。丙酮酸脫氫酶復合體（pyruvate dehydrogenase complex，PDH）催化丙酮酸氧化脫羧生成乙酰輔酶A，因此控制了代謝物從糖酵解到TCA循環以及隨后通過線粒體代謝生成ATP的通量。最近據報道，人乳腺腫瘤組織中PDHX（PDH復合物的結構成分）的表達降低，與患者低存活率相關［38］。另外，在乳腺腫瘤細胞系中，PDHX的抑制減少了線粒體氧化，促進細胞外酸化和細胞增殖［38］。

1.3 氨基酸代謝

除葡萄糖外，谷氨酰胺和絲氨酸等氨基酸也是細胞生長和增殖的重要底物。長期以來，研究表明谷氨酰胺的消耗量比其他氨基酸多十倍以上，谷氨酰胺不僅是生物合成途徑（氨基酸和核酸合成）所必需的，而且能夠轉化為TCA循環中間體和乳酸，為腫瘤細胞提供額外的能源［39］。谷氨酰胺一旦被腫瘤細胞吸收，就會被谷氨酰胺酶（gluta?minase，GLS）轉化為谷氨酸。已有研究發現該酶在乳腺腫瘤組織中差異表達，這取決于乳腺癌亞型［40］。TNBC中的GLS表達高于管腔和/或HER2亞型。此外，GLS的同工型，線粒體磷酸激活的GLSC和腎型GLS對TNBC細胞的存活和增殖都至關重要，同時也是TNBC異種移植物生長所必需的［41］。再者，由于谷氨酰胺合成酶的譜系特異性表達，Luminal型乳腺癌對谷氨酰胺的依賴性更差［42］。

絲氨酸是一種非必需氨基酸，其生物合成通常在腫瘤細胞中被上調［43］。絲氨酸生物合成途徑的第一步是通過3-磷酸甘油酸脫氫酶（phospho?glycerate dehydrogenase，PHGDH）催化，該酶在包括乳腺癌在內的幾種腫瘤類型中均被遺傳擴增和/或過表達。在ER陰性［44］和人乳腺腫瘤以及幾種乳腺腫瘤細胞系［45］中，PHGDH蛋白水平升高。PHGDH的過表達通過多種機制促進乳腺腫瘤生長，包括促進蛋白質合成和一碳代謝［46］以及代謝物D-2-羥基谷氨酸的過量合成［47］。

1.4 脂質代謝

哺乳動物細胞主要通過兩種機制獲得脂質，即內源的從頭合成和外源的攝?。?8-49］。體內多數細胞脂質需求都依賴于血脂，高度增殖的細胞對脂質和膽固醇的需求增加，因此腫瘤細胞需要吸收更多的外源脂質和脂蛋白，激活從頭脂肪形成和膽固醇的生物合成［50］。在乳腺癌組織中觀察到脂肪酸（fatty acid，FA）合成增加和膜脂質上調以及游離脂肪酸（free fatty acid，FFA）含量降低［11］，表明新合成的FA可以快速用于生產膜磷脂。另外，FA可用來產生能量以及作為底物來合成脂質，例如三酰基甘油（triacylglycerol，TAG）、神經酰胺和炎癥介質。有趣的是，在乳腺癌組織［12］和細胞［51］中發現了腫瘤亞型之間脂質代謝的差異。例如在TNBC細胞中，棕櫚酸酯優先被儲存在脂滴中，而Luminal細胞則優先利用棕櫚酸酯進行FA氧化并釋放能量［51］。

某些類型的腫瘤包括乳腺腫瘤，利用乙酸鹽作為碳的補償性來源，以支持從頭脂肪形成［52-53］。乙酰輔酶A合成酶（acetyl-CoA synthase，ACSS）是乙酸鹽利用的第一步。通過催化乙酸鹽向乙酰輔酶A的轉化，ACSS提供了FA的結構單元。在乳腺癌中，ACSS表達與乳腺癌的進展相關。從機制上，ACSS2在缺氧和脂質缺乏的情況下通過使用乙酸鹽作為碳源來支持從頭脂肪生成，敲低ACSS可以延遲腫瘤細胞的增殖［54］。此外，由ACSS產生的乙酰輔酶A可以用作乙?；墓w，從而介導組蛋白乙酰化和表觀遺傳調控代謝基因的表達［55］。因此，乙酸鹽既充當前體又是表觀遺傳代謝產物，以支持從頭脂肪形成。

谷氨酰胺通過谷氨酸進入TCA循環，然后被谷氨酸脫氫酶轉化為α-酮戊二酸。這種谷氨酰胺分解通量的增加使檸檬酸鹽能夠離開線粒體進入細胞質，并通過ATP檸檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACLY）分解成草酰乙酸和乙酰輔酶A。另外，ACLY的核定位及Akt的磷酸化促進了BRCA1的募集，這對于通過同源重組介導的DNA雙鏈斷裂修復是必不可少的［56］。新生脂肪形成中的限速酶是脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN），它催化FA生物合成的最終步驟，使丙二酸單酰輔酶A和乙酰輔酶A在NADPH的存在下生成棕櫚酸酯。重要的是，編碼FASN的基因被認為是乳腺癌的致癌基因［57］。在癌組織和細胞中，發現FASN在HER2陽性的乳腺癌亞型中更豐富表達［58］。此外，據報道HER2與FASN形成復合物，促進其磷酸化，從而增加酶的活性，促進腫瘤細胞的增殖［59］。

2 乳腺癌代謝與微環境重塑

乳腺腫瘤細胞內新陳代謝的失調影響了惡性組織中的多種細胞（如內皮細胞，炎性細胞和免疫細胞）的活性，從而重塑了腫瘤的微環境。通過腫瘤代謝對腫瘤微環境進行代謝重塑，進一步促進了腫瘤部位的血管生成并降低了腫瘤的免疫原性，從而促進腫瘤發展。

2.1 乳腺腫瘤細胞釋放乳酸以促進腫瘤血管化

有氧糖酵解以及生成和分泌的乳酸導致腫瘤微環境酸化。乳酸向腫瘤微環境的釋放進一步促進了腫瘤的進展［60］。乳酸鹽被鄰近的腫瘤/基質細胞吸收，并用作代謝中間體進行生物合成或通過OXPHOS滿足其生物能需求。使用異種移植模型的研究表明，跨細胞膜轉運單羧酸鹽的單羧酸鹽轉運蛋白4（monocarboxylate transporter 4，MCT4）介導乳腺腫瘤細胞的乳酸分泌。如圖2所示，分泌的乳酸進一步轉運到表達MCT1的內皮細胞中轉化為丙酮酸，從而觸發HIF-1α/NF-κB/IL-8自分泌途徑。之后，內皮細胞中的乳酸信號誘導細胞遷移和血管形成，促進腫瘤血管形態發生和灌注。有趣的是，乳酸信號可被2-氧戊二酸酯和活性氧抑制劑阻斷［61］，表明乳酸的促血管生成作用與細胞氧化還原穩態有關?？傊?，腫瘤細胞的代謝重編程在腫瘤微環境中重塑了內皮細胞的代謝和信號傳導，從而促進了腫瘤的發展［61］。

Figure 2 Lactate shuttle between tumor cells and vascular endotheli?al cells

2.2 乳腺癌代謝和腫瘤免疫

腫瘤免疫是一個動態過程，其中最關鍵的就是腫瘤細胞與免疫細胞之間的相互作用［62］。乳腺腫瘤細胞和細胞毒性T淋巴細胞（cytotoxic T lym?phocyte，CTL）具有許多共同的代謝特征，包括上調的糖酵解和合成代謝活性［63］。乳腺腫瘤微環境中細胞間的代謝競爭會顯著影響腫瘤的進展，而腫瘤代謝失調也可能調節炎癥和免疫細胞的代謝和功能［64-65］。體外研究表明，乳酸抑制人類CTL的增殖和其細胞因子的產生，并導致其細胞毒性降低50%，而繼續在不含乳酸的環境中培養24 h即可恢復CTL的功能［66］。乳腺腫瘤細胞向微環境釋放的大量乳酸會導致腫瘤浸潤淋巴細胞增殖的抑制、細胞因子合成的減少和其細胞溶解能力的降低［67］。此外，乳酸的增加和環境的酸化還影響了NK細胞的代謝，有利于腫瘤生長和免疫逃逸［68］。

除乳酸以外，腫瘤細胞與腫瘤浸潤淋巴細胞之間的谷氨酰胺競爭也會阻礙淋巴細胞對乳腺腫瘤細胞的免疫作用。乳腺腫瘤細胞與淋巴細胞競爭谷氨酰胺，從而限制了淋巴細胞的增殖［69］。另外，細胞外微環境中谷氨酰胺水平的降低能夠使CD4+T細胞向Treg表型轉移，從而有助于人體內的免疫抑制［70］。

乳腺腫瘤細胞內的葡萄糖調節蛋白78（glu?cose-regulated protein 78，GRP78）是一種內質網應激蛋白，已有研究發現，敲低GRP78可抑制FA的線粒體運輸，進一步抑制了FA氧化，導致多不飽和FA在細胞內積累［71］。細胞內FA含量的升高進一步上調了血清內單核細胞趨化蛋白1（monocyte chemotactic protein 1，MCP1）的水平，并降低了腫瘤識別標識符CD47的表達。此外，抑制GRP78可增強巨噬細胞的炎癥浸潤能力［71］，表明乳腺癌的脂質代謝調節了腫瘤免疫。

3 總結和展望

綜上，代謝重編程在乳腺癌發生和發展進程中起著關鍵的作用。各種不同代謝通路內酶類表達水平和活性的變化，直接導致了糖酵解作用、TCA循環、谷氨酰胺分解和脂質生物合成途徑的改變，且根據乳腺癌亞型和等級的不同，這些變化之間也有所差異。在乳腺腫瘤中，無論是代謝物利用還是代謝途徑的調節，都存在著不同的競爭和共生關系。這種復雜的變化也導致了腫瘤逃脫機體的免疫防御機制，進一步促進了腫瘤的進展。因此，靶向腫瘤代謝途徑也能夠抑制腫瘤血管生成作用以及增強腫瘤本身的免疫原性。

目前，乳腺癌多數代謝特征仍然是未知的，高通量基因組學、蛋白質組學和代謝組學等研究技術的進一步發展將有助發現乳腺癌的新代謝特性，對其代謝作用的深入研究將能夠幫助發現抗腫瘤治療的新靶標，從而研制出新型有效的抗乳腺癌藥物。