肿瘤细胞代谢与肿瘤微环境

考核方式：考查题目形式：论文（1000-1500字），或者开卷题目。说明：四位授课老师，每人准备一套题目，学生可从四位老师的题目中任选其一，在该教师讲课结束后一周内，用email发送至该老师邮箱，并将纸质版题目交给辅导员（赵小曼）。最后一节课的题目应在周五之前提交，否则无法录入成绩。写一篇课程论文，题目为：肿瘤细胞代谢异常对于肿瘤个性化治疗的意义。提交截止时间：2014年7月14日，下午5:00之前。Email：[e-mail]陈龙副教授生命科学与技术学院北京化工大学用分子生物学的手段，从微观上研究肿瘤的细胞增殖，分化，转移，凋亡等生物学行为。通过对肿瘤发生发展机制的研究，寻找并确认对恶性肿瘤的早期诊断，治疗和预后具有指导意义的分子标志物。通过与正常细胞的比较研究，发现肿瘤细胞的特异性，指导靶向药物的设计与研发。细胞代谢是指胞内将营养物质和外源分子通过化学反应转化成能量和维持生命所必需的物质（蛋白质、核酸、脂肪）的过程。葡萄糖转化为乳酸的过程共十步反应，前五步消耗两分子ATP，后五步产生4分子ATP，因此糖酵解的过程一共产生2分子ATP。产生30分子ATP。一分子葡萄糖完全分解产生多ATP？由于代谢的变化，肿瘤细胞增殖很快。营养物质，特别是葡萄糖和谷氨酰胺被肿瘤细胞用来生产ATP，也用来生长。致癌通路，如：Ras，PI3K或myc促进糖酵解，而肿瘤抑制因子则抑制糖酵解。癌变增强对抑制某些代谢通路的敏感性（合成致死性）。细胞生长需要营养，这些营养物不仅用来提供能量，也用来代谢生成细胞生长所需合成大分子的原料。肿瘤细胞的快速增殖使其需要大量的营养物质。这些细胞的代谢与正常细胞不同。它们需要大量的葡萄糖，但是却很少采用氧化磷酸化途径。80%的肿瘤细胞能量来自糖酵解。1902年诺贝尔化学奖得主OttoWarburg肿瘤细胞会摄取更多的葡萄糖，产生更多的乳酸。肿瘤细胞利用营养物非常浪费。即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞代谢葡萄糖仍倾向于采用糖酵解途径，——瓦氏效应。肿瘤细胞的代谢被重新编码。增殖细胞有较高的葡萄糖和谷氨酰胺摄取水平，葡萄糖通过糖酵解代谢，生成丙酮酸进入TCA循环，或者以乳酸的形式泌出。丙酮酸转变为乳酸这一步对于糖酵解中NAD+的再生是必需的，并且与肿瘤的发生相关。葡萄糖与氨基酸通过磷酸戊糖途径也用来生成核酸。糖分解中间产物可被生长的细胞用来生成脂肪酸及非必需氨基酸。在所用快速增殖的细胞中，升高的糖酵解水平和脂合成是常见的特征。对肿瘤细胞也是这样。因此，导致增殖水平提高的信号必须同时使细胞适应新的代谢需求。生长因子激活Ras来传递增殖信号。在肿瘤细胞中，Ras蛋白常突变成超激活状态。Ras介导多个效应通路的激活，如：PI3K/Akt和MAPK通路。PI3K/Akt通路也可以被生长因子激活，可从多个方面导致糖酵解的提高。Akt促进葡萄糖转运蛋白的表达及其在细胞膜上的定位，提高磷果糖激酶活性，促进己糖激酶1，2与线粒体结合。Akt的下游，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白激酶（mTOR）也可刺激多条代谢途径。PI3K/Akt/mTOR和MAPK途径参与了脂质合成，这是通过几种关键酶的SREBP依赖转录，如：ACL（ATP柠檬酸裂解酶），FAS（脂肪酸合酶）。MYC通过生长因子激活，调节上千基因的转录以及参与细胞增殖的miRNA的转录。在多种肿瘤细胞中发现Myc基因的过表达。Myc蛋白可以调节谷氨酰胺的摄取以及应用。例如：可以抑制miR-23a和miR-23b，这两者可以诱导线粒体谷氨酰胺酶的合成。谷氨酰胺酶在线粒体中催化谷氨酰胺进入TCA循环。此外，Myc还可通过提高GLUT1的表达和乳酸脱氢酶A（LDHA）的表达来促进糖酵解。葡萄糖为前体可以合成丙氨酸，丝氨酸和赖氨酸等，这说明葡萄糖的代谢不仅提供能量，而且是肿瘤细胞生物合成的原料。肿瘤细胞的快速增殖不仅需要大量的能量，还需要合成更多的大分子。而丙酮酸激酶（PK）在这过程中起到非常重要的作用。PK是糖解最后一步所需的酶，催化磷酸烯醇丙酮酸生产丙酮酸和ATP。PK有四种形式（L，R，M1和M2），由两个基因编码。PKM1和PKM2由同一基因编码，通过不同的剪切形成。PKM2的剪切由三种异质核核糖核蛋白介导（hnRNP1，hnRNPA1和hnRNPA2），而这三种异质核核糖核蛋白均由c-myc调节。PKM2是肿瘤细胞中最主要的PK形式。PKM1可持续活化，而PKM2可以根据细胞需要在高活性与低活性之间转化。因此，促进有丝分裂的信号，如：磷酸酪氨酸的结合或者被FGFR1磷酸化，可以降低PKM2活性从而促进肿瘤生长。PKM2不如PKM1有效率，低活性的PKM2更有利于肿瘤细胞，因为它可以促进糖解中间产物在生物合成途径中的应用。mTOR可以上调PKM2，这是通过缺氧诱导因子HIF-1a（一种控制肿瘤细胞代谢的转录因子）介导的。而PKM2又可以促进HIF1的转录活性。综合来看，看似矛盾的较低的PKM2糖裂解活性可以由HIF-1转录活性的增加补偿，并在多个水平促进糖酵解。另一个低活性的PKM对肿瘤细胞有利的原因是，通过表达PKM2，肿瘤细胞可以积累几种中间产物，如：磷酸烯醇丙酮酸（PEP)，细胞丙酮酸激酶的底物。从而，PEP中的磷酸基团可以转移到磷酸甘油变位酶1（PGAM1）上，进而增加变位酶的活性。这提供了一种有效的非PK依赖的丙酮酸生产途径，肿瘤细胞采用这种方式的原因之一可能是因为这一反应不产生ATP，因为ATP会抑制上游的糖酵解。因此，肿瘤细胞通过使用低效的PK异形体，可以激活其它途径，从而将ATP生产和合成途径分离，以利于细胞分裂。肿瘤细胞常处于缺氧状态，而使其能够适应这种环境的原因之一就是稳定的转录因子HIF-1.HIF-1在多种细胞中控制上百基因的表达，其中就包括糖解所需的酶，葡萄糖转运体，LDH等。在稳定的HIF-1a条件下，肿瘤细胞进行糖酵解的能力增加。并且HIF-1能够激活丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）。PDK1是线粒体丙酮酸脱氢酶复合体的负调节因子，可降低丙酮酸进入TCA循环。肿瘤细胞与增殖细胞采用相同的代谢途径，因此产生一个传统化疗常见的问题，对正常组织的毒性。然而，我们还是可以寄希望与肿瘤生物学的两个方面：（1）肿瘤细胞所在的营养贫乏、缺氧的代谢环境，使其对代谢目标更为敏感；（2）超激活或失活途径，如：mTOR和p53，可以使肿瘤对一些疗法更敏感。合成致死性是指当两个基因同时突变致死，而只突变一种则不致死。化学合成致死是指：当细胞中存在一种突变，而抑制另一个基因产物则可以导致细胞死亡。代谢抑制可以使肿瘤细胞产生合成致死，不仅因为超活性和癌基因使肿瘤细胞对葡萄糖和谷氨酰胺依赖，也因为肿瘤细胞中不存在能量压力导致的“代谢检查点”，如：p53。p53，mTOR，AMPKp53蛋白突变是肿瘤最常见的突变，p53是一个四聚的转录因子，诱导参与凋亡、细胞周期、DNA修复的上百个靶基因。p53的缺失将导致瓦氏效应的产生，如：调节TIGAR（TP-53诱导糖酵解和凋亡调节因子）的转录，或者SCO2蛋白（细胞色素c氧化酶复合体的组装所必需）的合成。此外，p53还通过上调谷氨酰胺酶2促进谷氨酰胺的使用，以此参与抗氧化反应，因为谷氨酰胺参与谷胱甘肽的合成。另一方面，p53当细胞面临代谢压力和缺氧压力时会激活。细胞缺失p53，如：多种肿瘤细胞，在面临葡萄糖匮乏时无法进行代谢检查，将导致细胞死亡。另一个参与检查的p53上游蛋白是一个ATP传感器，AMPK（AMP活化蛋白激酶）。该蛋白在面临代谢压力时，下调合成途径，促进降解途径，通过中止细胞周期促进细胞存活。此外，AMPK激活剂LKB1在许多肿瘤中也是缺失的，这使得这些细胞对营养剥夺更为敏感。AMPK也通过失活mTOR参与检查，该蛋白是许多蛋白翻译和细胞增殖的主调控因子。该蛋白与mTORC1复合体可感应细胞的营养状态。如果营养缺失，细胞则不会合成蛋白并停止生长。但是当mTOR超激活，如：在肿瘤细胞中肿瘤抑制因子TSC突变，则细胞会对葡萄糖缺失非常敏感。这些细胞会尝试进行合成途径，因为他们无法匹配营养供给与需求，这就导致了mTOR介导的能量压力，使细胞死亡。乳酸合成途径，或者由于乳酸合成引起的pH改变，也是合成致死容易靶向的目标。由于肿瘤细胞所摄取的大量葡萄糖都被转化为乳酸，因此导致了肿瘤的酸性微环境。这种微环境给肿瘤带来一系列的好处：更利于侵袭，抑制抗肿瘤的免疫效应因子等。乳酸可以抑制细胞毒性的T淋巴细胞增殖，细胞活素生成，以及细胞裂解活性。异柠檬酸脱氢酶（IDH1和IDH2）的变异与肿瘤的发生有关。IDH1和IDH2是同源二聚酶，分别在胞浆和线粒体中作用，控制TCA循环中细胞呼吸所必须的一步反应。这些酶可以将异柠檬酸转化为α-酮戊二酸（α-KG）并生成二氧化碳，NADH和NADPH。但是有一种IDH突变体，可以使α-KG进一步代谢为2-氢戊二酸（2-HG），被认定为一种癌代谢物。在胶质瘤和急性髓性白血病（AML）中，这种癌代谢物的浓度会提高100倍，因此可以作为一种临床的生物标志物。2HG的功能尚不清楚，但是几乎所有IDH1和IDH2的突变都与特征的甲基化相关。这有可能是与α-KG水平降低，2-HG水平升高导致的组蛋白去甲基酶的活性抑制相关。此外，2-HG是α-KG的类似物，可以抑制TET2，一种催化甲基胞嘧啶转化为5-氢甲基胞嘧啶的酶，后者功能未知，但可能影响染色质的结构，从而导致碱基切除修复及非甲基化胞嘧啶的生产。IDH1的突变，也能通过升高2-HG水平导致HIF-1a的水平升高。也有研究给出相反意见，存在争议。IDH1和IDH2首次将代谢产物与肿瘤发生联系在一起。糖解代谢促进肿瘤细胞的增殖，同时也保护细胞不致死亡。例如：白血病细胞会过表达己糖激酶1和GLUT1，使得Akt在IL-3移除后保护细胞。而在正常的葡萄糖水平，IL-3移除将靶向抗凋亡蛋白Mcl-1，使其水解，导致细胞死亡。但是当葡萄昂水平较高，Mcl-1更稳定。而且，如果糖酵解被抑制，AMPK/mTOR途径会抑制Mcl-1翻译，使细胞对死亡配体更为敏感。因此抑制Mcl-1翻译可以作为一种使细胞对BH3模拟物更敏感的策略。糖解代谢增加可抑制一些促凋亡BH3蛋白的表达和活性。例如：GLUT1过表达可在生长因子移除的情况下，抑制p53和Puma诱导。而且，己糖激酶1/GLUT1过表达还可抑制细胞对BimDNA转染的敏感性。除线粒体凋亡途径外，葡萄糖剥夺在几种肿瘤细胞中引起cFLIP水平下降，并对死亡受体变得敏感。而通过保持线粒体活性，维持ATP生产，或者过表达糖解酶GAPDH，可以促进肿瘤细胞的存活。“谷氨酰胺代谢”是肿瘤细胞除Warburg效应外又一重要的能量代谢方式。迅速增殖的肿瘤细胞消耗谷氨酰胺(glutamine,Gln)来提供生长和增殖所需的能量和生物大分子原料,维持细胞内氧化还原稳态和参与细胞内信号通路的转导。谷氨酰胺对细胞生长十分重要。肿瘤细胞合成核苷酸和非必需氨基酸需要稳定的提供还原氮的来源。此外，谷氨酰胺对必需氨基酸的摄取也十分重要，可以在葡萄糖水平较低时维持三羧酸循环，并保证NADPH的合成，这对脂和核苷酸的合成十分重要。致癌性的MYC突变促进了谷氨酰胺的使用，但是使细胞对谷氨酰胺产生依赖。血液内Gln经由细胞膜上谷氨酸转运体(SLC1A5/SLC7A5)进入细胞，在谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS1/2)催化下生成Glu；Glu经由XC转运体交换细胞外胱氨酸进入细胞提供半胱氨酸，Glu、Gly和Cys合成谷胱甘肽(Glutathione,GSH)；进入线粒体内的Gln在GLS1/2作用下产生Glu，在谷氨酸脱氢酶(glutamatedehydrogenase,GDH)或谷氨酸草酰乙酸转氨酶(glutamicoxaloacetictransamina