2022年1月17日整理发布：肿瘤代谢重编程的分子基础

2022年1月17日整理发布：近年来，对于肿瘤细胞内葡萄糖、氨基酸、脂质等营养物质代谢重编程中关键代谢途径控制的研究，激发了神经外科学者们对胶质瘤代谢异常的新兴趣。错综复杂的肿瘤细胞代谢网络使胶质瘤的基础研究显示出巨大的挑战性，这也意味着针对胶质瘤代谢途径改变的研究或为其临床治疗提供新的可能。

基于对营养物质限制的饮食治疗应运而生，并且开始了临床试验阶段，虽然饮食治疗的副作用仍需探讨，但是这种新颖的对于肿瘤的辅助治疗方式或成为部分胶质瘤患者的治疗曙光。自噬作用作为肿瘤的一个新兴标志，对胶质瘤发生、进展、转移、耐药性、放疗抗性及预后产生重要影响，而胶质瘤代谢重编程与其细胞自噬密切相关。这篇综述重点介绍了胶质瘤三大营养物质代谢重编程与自噬相关的研究进展。

1.肿瘤代谢重编程的分子基础

代谢重编程是肿瘤细胞的十大基本特征之一，其中糖代谢方式和途径的改变是肿瘤细胞代谢重编程最重要的表现形式。早在20世纪初期，肿瘤细胞特殊糖代谢的Warburg效应被发现，即肿瘤细胞即使在氧气足够充足的条件下，其维持生命活动所需的能量也主要依赖有氧糖酵解而非经典的氧化磷酸化。

研究表明肿瘤细胞有氧糖酵解的分子网络依赖多个糖酵解关键限速酶，比如己糖激酶(hexokinase2，HK2)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase M2，PKM2)、丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)，致癌/抑癌基因比如p53、c-Myc及其它多条癌症相关通路的调控，包括HIF-1α、2-HG等的调控。这些基因的表达异常、蛋白活性改变、基因位点突变及表观遗传学修饰等构成的分子调控级联网络保证了肿瘤细胞内有氧酵解的进行，进而维持了肿瘤细胞的生存和生长。

HK2和PKM2是有氧糖酵解的关键限速酶，它们的转录、蛋白表达及细胞内定位与多种肿瘤细胞的生物学行为调控密切相关。PDH是细胞线粒体内氧化磷酸化有效运行的关键分子之一，它的表达下降间接促使有氧糖酵解的增强。此外一些抑癌基因(比如p53)依赖靶向结合TIGAR，通过阻止其转录降低肿瘤细胞的有氧酵解发挥抗肿瘤作用。

致癌基因c-Myc诱导HK2、PKM2等有氧糖酵解限速酶在肿瘤细胞内的表达增加并加速糖酵解的进行。还有研究证实c-Myc能够刺激GLUT1的表达，促进葡萄糖向细胞内转移。IDH1的突变及2-HG的发现将肿瘤代谢的研究推向了高潮，虽然2-HG是三羧酸循环的副产物，但在肿瘤组织中却通过多种机制(比如抑制脯氨酸羟化酶的活力)，阻止HIF-1的泛素化降解，调控组蛋白H3k9和H3K27等的甲基化促进肿瘤细胞生长。

综上，肿瘤细胞葡萄糖代谢重编程是多基因和多通路的结果。脂肪酸是细胞内能量储存、分子信号信息传递以及膜合成的底物，可分为饱和和不饱和脂肪酸。脂肪酸合成和分解代谢的调节亦被认为是肿瘤代谢重编程所必需的另一种重要形式。

肿瘤细胞通过增加脂肪酸合成来满足其生命活动的需要。ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)、乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)、脂肪酸合酶(FASN)是脂肪合成的限速酶。研究显示它们在多种肿瘤细胞中呈现高表达。在肿瘤细胞中ACLY的乙酰化能稳定其自身促进脂质合成和细胞增殖，干扰ACLY的表达会显著抑制肿瘤细胞生长。

ACC在细胞内主要有ACC1和ACC2两种形式存在，ACC1被认为是脂肪酸合成的主要限速酶;而ACC2位于线粒体体膜上，主要与脂肪酸的氧化有关。最近的一项研究表明，FASN除了为磷脂合成提供脂肪酸和维持高糖酵解之外，还在癌症代谢中发挥作用。与生物学特征明确的脂肪酸合成途径相比，脂肪酸氧化分解代谢的作用在很大程度上是未知的，研究表明与细胞自噬相关。

相信随着科学的不断进步和研究的不断深入，更多肿瘤细胞中脂肪酸氧化分解的机制将会被揭示。肿瘤细胞内部同样也存在氨基酸代谢的异常调节，以满足其快速增殖的需求。众所周知氨基酸可分为必需氨基酸和非必需氨基酸，这些氨基酸除了满足蛋白质合成需要之外，目前研究结果显示在维持肿瘤细胞生物学行为方面具有不可替代的作用，其中丝氨酸、甘氨酸和谷氨酰胺尤为突出。

丝氨酸和甘氨酸相互联系，两者在肿瘤细胞中是蛋白、核酸和脂类合成的底物，对肿瘤细胞增殖至关重要。谷氨酰胺代谢活跃是肿瘤中一种较为常见的代谢改变，研究显示其在肿瘤细胞供能中的重要性仅次于葡萄糖，在能量产生，细胞信号传导和大分子合成的过程中都扮演着极为重要的角色;致癌基因c-Myc能够激活谷氨酰胺代谢酶的表达，进而调控肿瘤细胞的生物学行为。

综上，肿瘤代谢的形式发生了重要转变，肿瘤代谢改变可作为肿瘤治疗的潜在靶点，进一步理解肿瘤代谢异常的基本规律将会为肿瘤治疗提供新的治疗思路，胶质瘤亦是如此。

2.胶质瘤治疗现状

胶质瘤是颅内最常见的原发性恶性肿瘤，其高致死和致残率给社会造成了极大的负担，因此胶质瘤的治疗一直倍受国内外研究者的关注;但目前除少数几种类型的胶质瘤(毛细胞星形细胞瘤和室管膜下巨细胞星形细胞瘤)外，胶质瘤仍缺乏有效的治疗方案，其中胶质母细胞瘤(glioblastoma，GBM)是恶性程度最高且预后最差的胶质瘤，尽管接受手术、放疗和化疗相结合的STUPP治疗方案，GBM的5年生存率仅为5.6%，中位生存期也仅为14.6个月，因此胶质瘤的临床治疗仍亟需新的策略。

3.胶质瘤代谢异常与自噬

自1966年诺贝尔奖得主提出“肿瘤是一种代谢疾病”以来，肿瘤代谢重编程逐渐成为肿瘤研究的热点。代谢重编程作为癌症的重要特征之一，它可通过改变细胞多种代谢途径来满足肿瘤细胞快速、持续增殖时对底物、能量、氧化还原力的高需求。

众所周知各种生物能量的代谢通路并非是孤立存在的，胶质瘤细胞可通过多种分解代谢途径来给自身“供能”，细胞的这种合成代谢相互联系并最终形成庞大的代谢交叉信号网络;同时更重要的是，不同亚型胶质瘤细胞之间的代谢方式具有潜在的异质性，因此代谢重编程及其各亚型间的代谢异质性成为临床上开发新治疗方案、减缓胶质瘤进展以及提高患者总体生存时间和生活质量的阻碍。

代谢重编程可影响胶质瘤细胞内多种促癌信号通路，如增殖、蛋白质合成、自噬和治疗耐药性等，其中自噬作为一种代谢的补偿机制，它可通过溶酶体降解受损和/或多余的细胞器和蛋白质“产能”，防止胶质瘤细胞内废物积聚的同时维持各种物质代谢间的平衡。由于自噬具有抗癌和促癌的双重特性，因此关于癌症治疗中自噬的干预措施也充满争议，但是抑制/诱导肿瘤自噬仍是一个具有较强吸引力的治疗靶点和途径。

目前越来越多的研究表明胶质瘤中葡萄糖、氨基酸、脂质三大物质的代谢重编程为胶质瘤的诊治提供新思路，接下来我们将归纳和总结胶质瘤中三大物质(葡萄糖、氨基酸、脂质)代谢重编程对细胞自噬的影响。

3.1葡萄糖代谢与自噬

在20世纪20年代德国生物化学家发现了肿瘤细胞代谢的特点—糖酵解高度活跃而线粒体有氧代谢减弱，这一现象被称为“Warburgeffect”，同样胶质瘤中也存在Warburg效应;还发现即使在氧气充足的情况下肿瘤细胞也会比正常组织产生更多的乳酸，大量的乳酸堆积会导致酸性和低氧的微环境，从而促进肿瘤的侵袭、转移和存活，因此这一改变与临床预后密切相关。

一方面，低氧微环境通过增加活性氧自由基(ROS)的产生激活c-Jun氨基末端激酶(JNK)信号通路，导致肿瘤细胞自噬的发生，进而促进肿瘤细胞的存活。另一方面自噬活动也是细胞对于氧化应激的一种重要防御机制，营养物质缺乏时肿瘤细胞自噬会及时启动。

大量实验表明胶质瘤细胞的糖代谢与自噬可通过多种生物分子和途径相互影响，其中TP53和PI3K/AKT/mTOR通路尤为重要。TP53编码的经典肿瘤抑制因子p53不但能够抑制有氧糖酵解促进氧化磷酸化，而且还可以维持细胞对缺氧、DNA损伤和癌基因激活的适应性反应，研究证实p53可根据其亚细胞定位以双重方式调节自噬;p53还可以作为核转录因子激活促凋亡基因和细胞周期阻滞基因进而促进自噬的发生;然而细胞质中的p53在线粒体中则可抑制自噬，最终促进细胞死亡。

研究显示PI3K/AKT/mTOR信号通路可通过调控胶质瘤的糖代谢来调节细胞自噬。众所周知胶质瘤的发生通常与PI3K/AKT/mTOR信号通路的分子变化有关，并且具有PI3K/AKT/mTOR通路活化的胶质母细胞瘤患者预后更差。低剂量二甲双胍穿过血脑屏障，可以抑制胶质瘤细胞线粒体呼吸，促进糖酵解来产生乳酸和ATP;同时发现二甲双胍和替莫唑胺具有协同抑制胶质瘤细胞增殖的作用。

关于二甲双胍诱导自噬的发生途径是否依赖腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)/mTOR仍需进一步证实。对1093例高级别神经胶质瘤患者临床研究发现，二甲双胍治疗的Ⅲ级胶质瘤患者总体生存和无进展生存期可以得到改善。

总之，肿瘤细胞糖代谢的重新编程和自噬在一个连续循环中交织在一起，糖代谢的改变在一定程度上促使肿瘤细胞酸性和低氧微环境等的形成，细胞则紧接着通过启动自噬来应对这种外在微环境的改变，进而保证自我的生存能力和增殖等生物学行为。

3.2氨基酸代谢与自噬

除了葡萄糖代谢外，胶质瘤细胞内重要的合成和分解代谢也离不开氨基酸及相关酶的参与，比如：谷氨酰胺的高代谢不但支持胶质瘤线粒体活跃的氧化磷酸化过程，还为其提供代谢中间产物。

随着辅助检查手段的进步，人们可通过磁共振波谱检测到GBM患者肿瘤细胞内谷氨酰胺水平相对于对侧正常脑组织升高，但谷氨酰胺缺乏时人们发现mTOR介导乙酰转移酶ARD1S228磷酸化和促使磷酸甘油酸激酶1(PGK1)诱导Beclin1磷酸化，最终导致第3类PI3K(VPS34)活性增强和自噬启动，这说明了谷氨酰胺代谢水平和自噬的调节对维持胶质瘤细胞内稳态具有重要意义。

然而有半数的谷氨酰胺并未直接参与到三羧酸(TCA)循环中，而是转化为谷氨酸，随后谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸在γ-谷胱甘肽环酰基转移酶(GGCT)的作用下组成谷胱甘肽。有研究证实激活AMPK-Unc-51样激酶1(ULK1)轴和/或抑制mTORC2-AKT通路促使GGCT表达量降低而诱导自噬;GGCT敲除亦可促进LC3-Ⅱ和自噬小体形成，但敲除自噬诱导的关键介质酵母自噬相关基因5(Atg5)时会减弱上述现象。

在胶质瘤细胞中，天冬酰胺水平的变化对胶质瘤代谢起着十分重要的影响。将U251、U87和SF767胶质母细胞瘤细胞用L-天冬酰胺酶(ASNase)和/或6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸(DON)处理，引起天冬酰胺合成减少，进而抑制胶质母细胞瘤生长。这种天冬酰胺消耗对胶质瘤生长的抑制作用似乎和自噬相关，实验表明天冬酰胺酶处理的GBM细胞诱导LC3-Ⅱ累积，自噬体形成;同时U87MG和U251MG中的AKT磷酸化显著降低，必需的下游效应物mTOR脱磷酸，细胞外调节蛋白激酶1/2(Erk1/2)的磷酸化水平呈剂量和时间依赖性增加，这更证明了天冬酰胺消耗引起自噬的猜想。

患者对胶质瘤化疗时产生的耐药性也是一个令人头疼的问题。氯喹(CQ)是一种溶酶体抑制剂，可阻断自噬体和溶酶体的融合;用裸鼠建立的U87MG皮下人胶质母细胞瘤异种移植肿瘤模型中，天冬酰胺酶和CQ的联合治疗显著降低了肿瘤的体积和肿瘤的重量，这表明通过酶促反应降低天冬酰胺水平联合自噬抑制剂可以克服胶质瘤某些化疗过程中的耐药性;能为增强胶质瘤的疗效提供新的可能。

还有研究证实，丝/苏氨酸蛋白激酶4(MST4)使丝氨酸残基383处的ATG4B(一种主要的半胱氨酸蛋白酶)磷酸化，刺激ATG4B活性从而增加自噬通量;而降低MST4、ATG4B的活性，或使用ATG4B抑制剂可抑制GBM的自噬水平。此外，丝氨酸/甘氨酸代谢对胶质瘤细胞的作用也在不断地被证实;缺氧和低糖条件下培养的大鼠胶质瘤模型中，胶质瘤细胞内甘氨酸和丝氨酸水平升高，并且该通路内的酶在坏死灶周围的细胞中高度表达;然而甘氨酸和丝氨酸的过表达对神经胶质瘤自噬及侵袭性的影响仍有待研究。以上这些研究显示胶质瘤细胞中氨基酸代谢异常依赖多种机制启动或抑制细胞自噬，进而影响肿瘤细胞的生长和增殖等行为。

3.3脂代谢与自噬

随着对胶质瘤代谢重编程的深入研究，人们注意到脂肪酸亦可以成为胶质瘤细胞内生物能量代谢的关键底物，甚至可以通过生物信息图谱来分析脂肪酸代谢相关基因与胶质瘤恶性程度、预后、免疫表型之间的相关性。无血清培养的人胶质瘤细胞可以通过脂肪酸氧化来维持细胞呼吸和增殖活性。

在恶性胶质瘤原位小鼠模型中使用体内放射标记13C，研究表明胶质瘤超过一半的氧化供能需要依赖脂肪酸代谢来完成，而葡萄糖的贡献只有三分之一。在原代胶质瘤细胞培养过程中，抑制脂肪酸氧化能够降低胶质瘤细胞的增殖活性;同时脂肪酸氧化抑制剂依托莫司能使原位异种移植肿瘤小鼠的生存期明显延长。

脂肪酸氧化的增强提高了胶质瘤细胞代谢的可塑性，从而使胶质瘤细胞适应整个代谢重编程的动态变化;因此通过靶向脂肪酸代谢治疗胶质瘤越来越受到人们的重视。人们发现脂质代谢在调控自噬中同样发挥重要作用。研究表明用二十二碳六烯酸(DHA)处理GBM细胞时可通过诱导LC3-Ⅱ水平过表达、激活蛋白激酶(AMPK)、诱导AKT磷酸化(p-AKTSer473)和抑制mTOR最终诱导自噬的发生，但这种现象却受到DHA剂量限制，只有用大剂量DHA培养的U251和U118GBM细胞系中才会诱导细胞自噬。

研究人员也在将ω6-多不饱和脂肪酸(ω6-PUFA)转换为ω3-PUFA的转基因胶质瘤小鼠的肿瘤组织中观察到小鼠的TUNEL阳性细胞数和LC3-Ⅱ、p-AMPK水平升高以及p-AKT表达水平降低，最终导致胶质瘤细胞死亡，因此ω3-PUFAs可能成为GBM治疗中的佐剂。同时研究证实可通过调控胶质瘤脂肪酸合成酶的活性干扰脂肪酸合成从而诱导胶质瘤自噬和凋亡，例如当用奥利司他(Orlistat)靶向抑制FASN时人们发现神经胶质瘤细胞的脂肪酸合成和细胞活力受到抑制，这与干扰胶质瘤自噬关系密切。

以上研究证据表明胶质瘤的脂肪酸代谢异常可诱导细胞自噬，进而调控细胞活力和凋亡，随着研究的不断深入，相信脂肪酸代谢的异常将来可能会成为胶质瘤研究的一个新热点。以上这些证据显示，胶质瘤中代谢产物的累积或减少构成肿瘤特有的生长应激微环境，亦或通过调控代谢关键酶的活性或表达水平，致使抑癌/致癌基因或肿瘤相关通路的改变激活细胞自噬，更重要的是自噬也在一定程度上能够反过来调控肿瘤细胞的能量代谢进而决定肿瘤细胞的命运，最终形成了一种肿瘤代谢和细胞自噬启动或抑制得以维系的恶性循环，导致肿瘤的难治性。

4.总结与展望

虽然目前手术切除、放疗以及化疗的STUPP胶质瘤治疗方案已广为接受，但是其疗效依然很差，因此我们依然急需开发出新的有效治疗方法。自从Warburg效应发现以来，肿瘤代谢重编程一直是癌症领域中令人关注的问题，无论是促癌基因、抑癌基因、生长因子途径的发现，还是癌症的分子亚型等遗传表型概念的提出，都难以掩盖人们对研究肿瘤代谢重组的热忱。

有人曾形容肿瘤细胞的能量供应如同“打地鼠”一样，某条信号通路被抑制新的信号通路就可能被激活，而自噬则被看作各种代谢通路上细胞回收能量底物的重要途径。目前已有证据显示通过调控细胞自噬可降低肿瘤细胞的适应性，提高肿瘤细胞对放化疗的敏感性，同时通过研究关键代谢路径与自噬的相关作用来提高胶质瘤化疗效果的药物相关进展也一直被重视，虽然自噬同时具有促癌和抑癌双重特性，未来关于自噬抑制剂联合应用于胶质瘤治疗的潜力以及对不同亚型间的代谢与自噬相互作用的差异性我们还需要进一步确认，但通过各种辅助检查检测自噬相关遗传基因及个体代谢的特点为提前预测高风险人群可以成为恶性胶质瘤预防及治疗的新方法。

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