医学研究热点（二）| 绝对定量应用之肿瘤代谢

前言

前篇“干货 | 能量代谢（一）之能量代谢与干细胞分化”中讲到，形成诱导多能干细胞，肿瘤细胞形成也有类似的额代谢重编程的过程。肿瘤代谢重编程是由于肿瘤细胞内一些基因结构与功能改变导致以Warburg效应为主要生化代谢特征的一系列代谢改变，主要表现为糖酵解增强、葡萄糖摄取和消耗增加、脂类和蛋白质合成加强，以及谷氨酰胺等氨基酸摄取和分解代谢增加等，这些代谢改变将利于肿瘤恶性增殖和适应不利生存环境。

正常分化的细胞在很大程度上依赖于三羧酸（TCA）循环将葡萄糖转化为能量，而增殖的癌细胞即使在有氧的情况下也沉迷于糖酵解，这种表型被称为有氧糖酵解或“Warburg效应”，已被证明有利于癌细胞的生长和肿瘤的发生。癌细胞不断分裂，需要更多的代谢中间产物，如乙酰辅酶A，为其子细胞构建大分子。

研究结论

哺乳动物细胞主要利用三羧酸（TCA）周期在G1期，但更喜欢糖酵解在S期。在机制上，细胞周期与代谢的耦合主要是通过以Skp2依赖的方式及时破坏关键的TCA循环酶IDH1/2来实现的。

因此，SKP2的缺失消除了IDH1蛋白丰度的细胞周期依赖性波动，导致S期糖酵解减少。此外，前列腺癌细胞中Skp2丰度的升高使IDH1不稳定，从而有利于糖酵解和随后的肿瘤发生。研究揭示了细胞周期异常和糖酵解成瘾这两个癌症特征之间的机制联系，并提供了哺乳动物细胞中代谢波动与周期性细胞周期耦合的潜在机制。

癌细胞分裂迅速，需要大量的生物大分子，包括脂类、核苷酸和氨基酸，为S期DNA复制和随后的细胞分裂做准备；代谢酶的基因表达具有强烈的周期性波动，尤其是与氧消耗相关的基因在分裂期的表达受到抑制，目前已有证据表明细胞周期与代谢机制之间存在双向的相互作用。一方面，关键的糖酵解酶，包括HK2、PFKFB3、PFKP和PKM2，以细胞周期依赖的方式直接调控。在机制上，HK2基因的表达受细胞周期蛋白D1的调控，而PFKP和PKM2的酶活性受细胞周期蛋白D3/CDK6依赖的磷酸化事件的调控，此外，在细胞周期中，糖酵解促进酶PFKFB3被多种E3连接酶泛素化，包括SCFGRR1、SCFβ-TRCP和APCCdh1。

概要

支链氨基酸（Branched-chain Amino Acids，BRAAs）是亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸三种。作为必需氨基酸，支链氨基酸不能在人体内合成，然而，它们被高度可逆的酶分解。许多作用于这些氨基酸的酶可以使用所有三种支链氨基酸作为底物，从而同样影响所有三种支链氨基酸的水平。因此，一个支链氨基酸水平的变化伴随着另外两个支链氨基酸水平的变化，具有相同的方向性和幅度，反映了这些氨基酸相似的化学性质和代谢。

BCAAs是一种重要的营养源。亮氨酸是蛋白质中最丰富的氨基酸之一，因此是饮食中蛋白质分解代谢或组织蛋白质储存分解的主要产物。BCAA完全氧化的最终产物因特定氨基酸而异；只有异亮氨酸和缬氨酸能够提供碳前体，这些碳前体可用于合成葡萄糖或衍生自乙酰辅酶a（CoA）以外的前体的任何其他分子。然而，原则上，支链氨基酸的分解代谢可以满足一些对癌细胞很重要的要求。首先，支链氨基酸的分解可以为其他分子的合成提供碳。这也使支链氨基酸氧化燃料三羧酸（TCA）循环代谢和氧化磷酸化提供能量的细胞。其次，它们可以为从头合成核苷酸和氨基酸提供氮。第三，支链氨基酸代谢可以改变影响表观基因组的代谢物衍生辅因子的水平。最后，这些氨基酸可以影响蛋白质的合成，要么直接作为蛋白原性氨基酸，要么通过信号细胞的营养状态。

癌症患者循环BCAAs升高

在人类和小鼠癌症模型中，循环支链氨基酸升高发生在胰腺癌疾病进展的早期，并与组织消瘦相关。循环支链氨基酸升高与外周组织蛋白质降解之间的关系可以用正常的全身支链氨基酸代谢来解释。胰腺癌患者外周组织蛋白的分解可能超过全身对BCAAs的需求，从而导致血液中BCAAs水平升高。

与普通患者相关的是，循环BCAAs的增加对胰腺癌的诊断有一定的预测能力，并可能代表一个标志物，与其他检测相结合，有助于早期诊断。此外，胰腺癌外周组织消瘦的一个潜在原因是正常胰腺组织转化引起的外分泌功能不全。这导致小鼠胰腺癌模型出现饥饿样反应，可通过胰酶替代物逆转。有趣的是，逆转胰腺癌小鼠外分泌功能不全引起的组织消瘦会恶化预后，尽管这种干预对肌肉消瘦的影响较小。尽管如此，人血浆中支链氨基酸水平的升高并不能预测患者更糟糕的生存结果，即使它反映了外周组织的丢失。其他代谢紊乱如肥胖和II型糖尿病也与胰腺癌的风险增加有关，高水平的胰岛素和相关的生长因子可以促进一些肿瘤的生长。这些代谢状态也与血浆中BCAAs升高有关，但BCAAs升高与胰腺癌的关系与肥胖或Ⅱ型糖尿病无关。相反，在肥胖、糖尿病和/或其他胰岛素抵抗状态下，随着BCAAs释放超过全身需求，蛋白质分解增加也可能存在，这反映了胰腺癌中也发现的代谢系统性变化。不管怎样，这些研究说明了循环中支链氨基酸水平的变化是如何成为癌症和其他疾病状态的标志。

BCAAs作为癌症生长的燃料

BCAAs代谢在许多实体瘤中发生改变，包括黑色素瘤、鼻咽癌和乳腺癌。在黑色素瘤中，Ras-MEK信号的致癌激活可以维持mTOR的激活；然而，当亮氨酸被剥夺导致自噬的减弱和细胞死亡增强时，Ras-MEK信号的过度激活不能抑制mTOR。最近的一项研究还发现了c-Myc过度表达与增强的BCAT1转录水平之间的正相关，而BCAT1转录水平的增强支持细胞的侵袭。最后，乳腺癌中BCAT1水平相对于正常乳腺组织升高，并以mTOR依赖的方式促进线粒体生物发生，以支持增殖。

BCAAs分解代谢的调节可以影响某些癌症的生物学，而肿瘤发生的组织是影响癌症是否利用BCAA来满足其代谢需要的一个因素。例如，当PDAC和非小细胞肺癌肿瘤(NSCLC)由Kras和p53相同的基因扰动启动时，它们对BCAAs有不同的要求。NSCLC肿瘤积极分解BCAAs以帮助满足核苷酸合成的氮需求，而PDAC肿瘤从其他来源获得氮。胰腺肿瘤中缺乏BCAA分解代谢与正常胰腺组织形成对比，在正常胰腺组织中，BCAA的分解支持TCA循环中间体的生成。正常胰腺组织对BCAAs的使用与胰腺外分泌细胞中BCAT2活性相对于身体其他组织的升高是一致的。

BCAAs下游有缺陷的分解会导致bcka的过量积累。在胶质母细胞瘤中，过量的bcka从癌细胞中排出，通过抑制单羧酸转运体1 (MCT1)靶向bcka的输出损害肿瘤生长。一个吸引人的模型是，这代表了肿瘤微环境中癌细胞和其他类型细胞之间的共生关系，这样bcka就会被非癌细胞进一步氧化。代谢细胞类型之间的串扰之前一直认为作为一个交换机制谷氨酸神经元和星形胶质细胞在正常脑组织之间的合成神经递质,或者类似的相声是涉及BCAAs及其分解产物在胶质母细胞瘤。

参考文献

·Emerging Roles for Branched-Chain Amino Acid Metabolism in Cancer

Skp2 dictates cell cycle-dependent metabolic ·oscillation between glycolysis and TCA cycle