肿瘤细胞的代谢

肿瘤细胞的代谢 肿瘤细胞的代谢:Warburg 效应及延伸 赵铃铃 21207066 细胞与发育研究所 20世纪20年代，Otto Warburg 有了一个惊人的发现，即使在充足的氧气的存在下，癌症细胞倾向于通过糖酵解代谢葡萄糖，一个看似矛盾的糖酵解途径，相比氧化磷酸化，它是一种低效率的产ATP途径。Warburg 效应已经被证明在不同类型的肿瘤存在，随之而来的葡萄糖摄取增加的现象通过正电子发射断层扫描(FDG-PET)技术被用于临床检测肿瘤。虽然现在有氧糖酵解已经被普遍接受作为一个肿瘤细胞新陈代谢的标志性现象，但其因果关系与癌症的发展目前还不清楚。 1 肿瘤微环境改变代谢途径 最引人注目的一个想法来解释 Warburg 效应是，改变的代谢途径形成一个独特的肿瘤微环境赋予癌细胞选择性存活和增殖的优势。由于早期的肿瘤生长，超过其局部的血液供应限制，导致缺氧并稳定表达缺氧诱导因子 HIF。HIF 启动一系列转录程序提供多个低氧应激的解决(Kaelin and Ratcliffe，2008)。由于细胞对有氧呼吸的依赖性下降，代谢转向糖酵解，有关糖酵解的酶表达量增加，如葡萄糖转运酶，线粒体代谢的抑制酶等。此外，缺氧诱导因子通过上调几个转录因子刺激血管生成，包括最突出的血管内皮细胞生长因子(VEGF)。然而，招募到的肿瘤微血管较混乱，可能无法有效地输送血液，因此还没有完全减轻缺氧症状(Gatenby and Gillies, 2004)。肿瘤内氧含量在空间和时间上的变化，可能潜在地上调了糖酵解通路。有趣的是，除此之外，在肿瘤细胞中希佩尔 - 林道蛋白(VHL)失活，无法介导 HIF 降解，导致 HIF 响应肿瘤内的低氧环境异常高表达(Wiesener et al.,2001; Zhong et al.,1999)。 2 原癌基因的激活驱动细胞代谢的变化 不仅肿瘤微环境可以导致细胞代谢异常，激活癌基因也可以导致代谢的变化。Warburg 时期以后，研究基因突变对肿瘤发生和发展的影响盖过对肿瘤细胞代谢途径的研究。然而，最近的工作已经证明，Warburg 效应的关键部分如增加葡萄糖消耗，减少 原癌基因激活的特点。信号分子 Ras 基因如果发生氧化磷酸化，并伴随乳酸生产也是 变异将促进糖酵解(Dang and Semenza, 1999; Ramanathan et al., 2005)。Akt 激酶，一个胰岛素下游效应分子，对肿瘤发生中葡萄糖的摄取和利用起重要作用(Manning and Cantley, 2007)。而 Myc 基因的转录因子可以上调各种代谢相关基因的表达水平(Gordan et al., 2007)。肿瘤发生最可能的路线是激活关键致癌基因执行增殖方案，其中代谢可能会是 一个重要的部分。此外，原癌基因不是代谢调控的全部基因。肿瘤抑制蛋白 p53 的缺失抑制编码 SCO2 (合成细胞色素C氧化酶蛋白质)基因的表达,从而干扰了线粒体呼吸链的功能 (Matoba et al.,2006)。第二个 p53 效应分子 TIGAR (TP53介导的糖酵解和凋亡调节因子),通过减少2,6-二磷酸果糖抑制糖酵解 (Bensaad et al.,2006)。其他的研究也表明 p53 可能通过转录因子 NF-κB 介导调控葡萄糖代谢 (Kawauchi et al., 2008)。 现已证明抑制乳酸脱氢酶(LDH-A)可以阻止Warburg效应并使癌细胞恢复氧化磷酸化产生 ATP 和再氧化 NADH(Fantin et al., 2006; Shim et al., 1997)。当细胞恢复呼吸作用时，减弱了肿瘤的生长，这表明有氧糖酵解可能会对癌细胞的发展至关重要。在初级成纤维细胞培养时通过端粒酶，大小 T 抗原，H-ras 癌基因的过度表达逐步诱导恶性转化模型中，肿瘤的恶性转化程度与对糖酵解抑制的敏感性程度相关。这一发现表明，Warburg 效应可能是肿瘤恶性转化的关键机制(Ramanathan et al., 2005)。然而，类似且同量的因子引入到人的骨髓间充质干细胞(MSCs)的结果显示，这种恶性转变与氧化磷酸化依赖性增加有关(Funes et al., 2007)。有趣的是，在体内引入这些转化因子的骨髓间充质干细胞，取出并在正常氧浓度下培养，会上调糖酵解基因。 这些对比模型显示，Warburg 效应可能有环境依赖性，在某些情况下通过基因的变化，但在其他情况下由细胞微环境诱导。无论是肿瘤微环境或癌基因的激活起着更重要的作用，代谢途径上的转变赋予肿瘤细胞的增殖和生存优势。 3 改变代谢途径为生物合成提供营养基质 虽然癌细胞代谢的研究基本上都围绕能量展开，但是快速分裂的细胞还有其他不同的要求。增殖细胞需要的不只有 ATP 也需要核苷酸，脂肪酸，膜脂和蛋白质，重新编码的代谢通路可能成为支持细胞从头合成的关键。最近的研究已经表明，这些基质参与脂质合成的几个步骤，并有力地促进肿瘤发生。抑制 ATP 柠檬酸裂解酶，将抑制柠檬酸转化为许多脂质的前体乙酰辅酶 A，可以抑制癌细胞增殖和肿瘤的生长(Hatzivas- siliou et al., 2005)。脂肪酸合成酶，在正常组织中表达水平低，在癌细胞中表达上调，可能为肿瘤发生所需要(Menendez and Lupu, 2007)。此外，癌症细胞也可通过表达肿瘤特异性丙酮酸激酶(PK)M2-PK 的形式提高他们的生物合成能力。丙酮酸激酶催化第三个糖酵解的不可逆反应，将磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转化为丙酮酸。令人惊讶的是，在癌细胞 M2-PK 不能活跃的催化 PEP 转化为丙酮酸，从而减少 ATP的产生效率(Mazurek et al., 2005)。然而，肿瘤细胞的一个主要优点就是糖酵解通路上游的 PEP 可能会被分流到生物合成通路中去。最近的研究已发现，癌症细胞中特定的M2-PK 导致葡萄糖碳原子掺入到脂质分子中，扩大了生长因子和肿瘤的代谢之间的信号连接(Christofk et al., 2008a, 2008b)。 从头合成的细胞中需要大量的能量消耗，因此不能完全解释 Warburg 效应。生物合成，除了执行合成反应从而导致 ATP 需求的增加，同时由于各种糖酵解和柠檬酸循环中间产物被用于物质合成导致 ATP 供应减少。脂质合成，举例来说，需要糖酵解，三羧酸循环和戊糖磷酸途径的共同合作。如在这种情况下丙酮酸必须进入线粒体，避免其转换为乳酸，因此不能有助于糖酵解产生 ATP。此外，生物合成的增加可以解释癌细胞的葡萄糖饥饿，但它不能解释原先 Warburg 所描述的乳酸产生的增加，表明乳酸是由非葡萄糖基质代谢导致的。最近研究已经表明，在肿瘤细胞中谷氨酰胺可参与柠檬酸循环代谢并转化成乳酸，为脂质合成提供 NADPH，为三羧酸循环补充草酰乙酸(DeBerardinis et al., 2007)。 4 代谢途径调节细胞凋亡 改变代谢途径，除了参与细胞增殖，还有利于另一个癌症关键的功能:避免细胞凋亡。 p53 靶蛋白 TIGAR 的缺失引起细胞活性氧的减少，使癌症细胞对细胞凋亡敏感性下降(Bensaad et al., 2006)。另一方面，3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)的过度表达抑制半胱天冬蛋白酶依赖性的细胞死亡，这个机制可能是通过刺激糖酵解，增加细胞内ATP 水平，促进细胞自噬来实现的(Colell et al., 2007)。然而 GAPDH 在调控细胞死亡方面的作用仍有待确定。 有趣的是，Bonnet 等(2007)报道，用二氯乙酸(DCA)治疗癌症细胞，一个抑制丙酮酸脱氢酶激酶的小分子，对癌症细胞的生存和异种移植肿瘤的生长具有显著的影响。DCA 目前被批准用于治疗先天性乳酸性酸中毒,可以激活氧化磷酸化和促进细胞凋亡。首先,它可以增加通过电子传递链的电子通量导致线粒体膜电位的去极化(作者发现在癌细胞是超极化的)并释放凋亡因子细胞色素C。第二,它可以增加氧化磷酸化活性氧的生成上调电压门控钾离子通道,导致钾离子流出和细胞凋亡蛋白酶的活化。他们的研究表明,癌细胞会改变代谢途径倾向糖酵解来抑制细胞死亡，所以迫使癌症细胞呼吸耗氧可以抵消这种适应。尽管这个初步的工作已经使一些癌症患者通过 DCA 进行自我治疗，但是仍然有必要通过临床对照试验确定 DCA 作为抗癌剂的安全性和有效性。 5 癌细胞可能受肿瘤微环境的信号调节 癌症细胞可能重新调整代谢路径来适应肿瘤微环境和支撑癌症特异性。癌症组织没有系统循环，它的代谢物集中在局部并形成一个高于其他组织水平的微环境，使癌细胞细胞参与代谢物介导的自分泌和旁分泌的信号通路，这些通路在正常组织中不发生。因此，雄激素非依赖性前列腺癌可能不依赖外源性肾上腺合成的雄激素。但雄激素非依赖性前列腺癌癌细胞仍然表达雄激素受体，并且能够独立合成自己的雄激素(Stanbrough et al., 2006)。 也许更具挑战性的但还未经验证的想法是，在有限扩散的肿瘤微环境中代谢产物可作为旁分泌信号分子。传统上乳酸盐认为是作为一个糖酵解的废物产品，可能就是一个这样的信号分子。如上所述，已经发现，抑制乳酸脱氢酶可能通过多种机制抑制肿瘤的生长(Philp et al., 2005)。通过单羧酸转运蛋白，乳酸可以在细胞间被共享和代谢，虽然这个想法仍然是有争议的(Hashimoto et al., 2006; Yoshida et al., 2007)。乳酸和丙酮酸 +的相互转换可能改变细胞中 NAD / NADH 的比例，乳酸的流动可以协调细胞群之间的代谢。因此，通过一个代谢产物来实现肿瘤与基质间的相互作用(Koukourakis et al., 2006)。癌症细胞的细胞缺氧自主启动血管生成，因此这将是令人兴奋的，如果一个代谢物，如乳酸，可以有效扩大这种血管生成的程序。事实上，酸中毒常常先于新生血管形成，而且乳酸会刺激 HIF 表达(Fukumura et al., 2001; Lu et al., 2002; Shi et al., 2001)。肿瘤细胞，通过参与一种群体感应来协调它们之间的代谢，因此整个肿瘤表现的如同一个器官。 代谢是作为一个信号转导通路的的上游调控器,不仅是肿瘤代谢途径的下游，就连发生异常的上游代谢也可能会影响信号转导通路的活动。不同于那些由于 HIF 上游的VHL 肿瘤抑制蛋白缺失而导致肿瘤，个体琥珀酸脱氢酶和延胡索酸水合酶的遗传突变会极大地诱发血管瘤(Kaelin and Ratcliffe, 2008)。在这些癌症中肿瘤的发生机制仍然是有争议的。然而，一直推断的是琥珀酸脱氢酶和水合酶的缺失导致琥珀酸与延胡索酸的累积，从而抑制了脯氨酰羟化酶，使得不能通过 VHL 介导降解 HIF (Isaacs et al., 2005; Pollard et al., 2005; Selak et al., 2005)。在这种罕见的情况下，琥珀酸脱氢酶和延胡索酸水合酶作为了真正的肿瘤抑制因子。 然而，能量代谢相关基因的突变，不一定是致癌的。巧妙的是，各种代谢途径的激活可能调节下游致癌因子的活性。虽然，通常在癌症中生长因子信号通路失去调控是广为接受的，然而，参与营养或能量代谢的信号分子在癌症中的调控仍不清楚。在原核生 物中，有专门的信号机制直接感应代谢产物。在哺乳动物中，信号分子也可能通过与代谢产物直接接触的途径来响应能量和营养状况。这是公认的，AMP 激酶响应 AMP/ ATP比(Hardie, 2007)，而 mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)响应细胞的氨基酸浓度(Kim et al., 2008; Sancak et al., 2008)。 AMP 激酶和 mTOR 已被证实与肿瘤综合征相关。因此，上调这些刺激生长的信号通路的一种可能方式是增加他们所响应的代谢产物的水平。 6 代谢上调产生有毒副产品 虽然改变代谢途径赋予癌细胞的几大优势，但它也不是没有缺点。癌细胞中一个异 背负着大量需要处理的有毒副产品。到目常或简单且过度活跃的代谢系统引发的后果是 前为止，在现有的文献几乎还没有证据证明这一假说，但有几个例子表明，癌症细胞需要排毒机制以保持生存。虽然有解毒外源性毒素的酶，在细菌的研究提出的一个术语，“house-cleaning” 酶，处理内源性有毒的代谢产物(Galperin et al., 2006)。“house-cleaning”酶最好的例子是 NUDIX(非典型的核苷二磷酸连接上一些其他的化学基团)水解酶，这一类酶是作用于核苷酸基团并消除非典型的三磷酸核苷。当这些异常的核苷酸插入DNA 中，可以导致不匹配，突变并最终导致细胞死亡。dUTP 焦磷酸酶(DUT)，可以将 dUTP 水解成 dUMP，并防止尿嘧啶插入到 DNA 中，跟胸苷酸合成酶抑制剂起拮抗作用。抑制DUT将降低一些癌细胞对嘧啶抗代谢药物的的敏感性，表明抑制“house-cleaning” 酶可能是一个有效的辅助化疗策略(Koehler and Ladner, 2004)。 有氧糖酵解代谢导致乳酸大量生产是微环境酸化的主要原因。癌症细胞已被证明通 +++ + 过上调液泡 H-ATP 酶、偶联单羧酸转运蛋白来适应甚至Na-H逆向转运蛋白和 H 从酸性环境中获益(Gatenby and Gillies, 2004)。抑制这些自适应机制可以导致癌症细胞的活力下降并对化疗药物的敏感度升高(Fais et al., 2007; Fang et al., 2006) 7 未知的领域 许多谜团仍然没有解决，甚至是正常的人的新陈代谢，更不用说癌症细胞。因为人类基因组中许多酶仍然未被注释，所以现在我们还没有完整地清楚在哺乳动物细胞中代谢通路之间的联系和相互作用。虽然我们可以进行同源性猜测，知道一些酶的催化反应，但是仍然很难解释我们所掌握的一些现象。除了要注释所有人体代谢相关的基因，还要对“进”和“出”(即进入和排出细胞的代谢产物)进行测量和统计。同时也完全不清楚有多少比例的细胞燃料通常是用于 ATP 生成、生物合成或其他过程。通常我们对代谢的 理解是继承于简单的有机体的研究，人体新陈代谢的分子网络是一个令人兴奋并值得探索的领域。 虽然有氧糖酵解大部分已被探索证实，但在癌症代谢中仍然有着令人费解的现象，还有许多其他方面的癌细胞代谢与正常的新陈代谢相比异常紊乱，有待进一步研究。肿瘤微环境中的营养状况尚未进行仔细研究。肿瘤细胞，尽管进行着大量耗能的代谢，但是依靠通过糖酵解通量增加或利用其他多种燃料来源仍然能够保持 ATP 的浓度水平。关于为什么 FDG-PET 不成像的一小部分的肿瘤是难治愈的有几种假说存在。一种可能性是，某些肿瘤细胞可能不主要是葡萄糖的代谢，有可能依赖于替代燃料，其中详细的表征可能导致检测为“PET 阴性”肿瘤。此外，还有一些更复杂的问题，癌症细胞只有唯一的特异性代谢途径吗,或是不能被正常细胞利用的其他组合途径,癌细胞从原发肿瘤发展到入侵转移的各个阶段所采取的代谢途径都相同吗,癌细胞代谢的可塑性有多大, 从治疗的角度看，对癌症细胞代谢途径的过程、优势及漏洞的了解，将有利于新药物靶位的识别，有利于设计代谢产物类似物特异地被肿瘤细胞利用，或被肿瘤细胞中特异性的一些酶利用。代谢物或酶活力的分析可以利用其衍生物用于癌症的分子成像，例如 FDG-PET，可能有利我们开发癌症诊断。因此，我们有必要探索除有氧糖酵解外涵盖所有癌症细胞的代谢需求的，更广泛的癌细胞代谢途径。 参考文献 Bensaad, K., Tsuruta, A., Selak, M.A., Vidal, M.N., Nakano, K., Bartrons, R., Gottlieb, E., andVousden, K.H. (2006). Cell 126, 107–120. Bonnet, S., Archer, S.L., Allalunis-Turner, J.,Haromy, A., Beaulieu, C., Thompson, R., Lee,C.T., Lopaschuk, G.D., Puttagunta, L., Harry, G.,et al. (2007). Cancer Cell 11, 37–51. Christofk, H.R., Vander Heiden, M.G., Harris,M.H., Ramanathan, A., Gerszten, R.E., Wei, R.,Fleming, M.D., Schreiber, S.L., and Cantley, L.C. (2008a). Nature 452, 230–233. Christofk, H.R., Vander Heiden, M.G., Wu, N.,Asara, J.M., and Cantley, L.C. (2008b). Nature 452, 181–186. Colell, A., Ricci, J.E., Tait, S., Milasta, S., Maurer,U., Bouchier-Hayes, L., Fitzgerald, P., Guio-Carrion, A., Waterhouse, N.J., Li, C.W., et al. (2007). Cell 129, 983–997. Dang, C.V., and Semenza, G.L. (1999). TrendsBiochem. Sci. 24, 68–72. DeBerardinis, R.J., Mancuso, A., Daikhin, E.,Nissim, I., Yudkoff, M., Wehrli, S., and Thompson,C.B. (2007). Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 19345–19350. Fais, S., De Milito, A., You, H., and Qin, W.(2007). Cancer Res. 67, 10627–10630. Fang, J., Quinones, Q.J., Holman, T.L., Morowitz,M.J., Wang, Q., Zhao, H., Sivo, F., Maris,J.M., and Wahl, M.L. (2006). Mol. Pharmacol. 70, 2108–2115. Fantin, V.R., St-Pierre, J., and Leder, P. (2006).Cancer Cell 9, 425–434. Fukumura, D., Xu, L., Chen, Y., Gohongi, T.,Seed, B., and Jain, R.K. (2001). Cancer Res. 61,6020–6024. Funes, J.M., Quintero, M., Henderson, S., Martinez,D., Qureshi, U., Westwood, C., Clements,M.O., Bourboulia, D., Pedley, R.B., Moncada, S., and Boshoff, C. (2007). Proc. Natl. Acad. Sci.USA 104, 6223–6228. Galperin, M.Y., Moroz, O.V., Wilson, K.S., andMurzin, A.G. (2006). Mol. Microbiol. 59, 5–19. Gatenby, R.A., and Gillies, R.J. (2004). Nat. Rev.Cancer 4, 891–899. Gordan, J.D., Thompson, C.B., and Simon, M.C.(2007). Cancer Cell 12, 108–113. Hardie, D.G. (2007). Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8,774–785. Hashimoto, T., Hussien, R., and Brooks, G.A.(2006). Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 290, E1237–E1244. Hatzivassiliou, G., Zhao, F., Bauer, D.E., Andreadis,C., Shaw, A.N., Dhanak, D., Hingorani,S.R., Tuveson, D.A., and Thompson, C.B. (2005). Cancer Cell 8, 311–321. Isaacs, J.S., Jung, Y.J., Mole, D.R., Lee, S., Torres-Cabala, C., Chung, Y.L., Merino, M., Trepel,J., Zbar, B., Toro, J., et al. (2005). Cancer Cell 8, 143–153. Kaelin, W.G., Jr., and Ratcliffe, P.J. (2008). Mol.Cell 30, 393–402. Kawauchi, K., Araki, K., Tobiume, K., and Tanaka,N. (2008). Nat. Cell Biol. 10, 611–618.