谷氨酰胺酶

癌症细胞中谷氨酰胺的代谢及其意义

摘要： 除了加强的有氧糖酵解外，显著增加的谷氨酰胺酵解现在被认为是癌症细胞代谢特征的另一个主要特点，在这篇综述中，我们将介绍谷氨酰胺在肿瘤细胞中的主要代谢途径并阐述谷氨酰胺如何通过为肿瘤细胞提供生物代谢所需的能量和生物合成所需的前体小分子从而维持肿瘤细胞的快速生长和增殖。最后我们重点讨论肿瘤细胞中谷氨酰胺代谢和细胞信号传导通路之间的相互影响及其在肿瘤发生发展过程中的意义。

关键词： Warburg 效应 谷氨酰胺 谷氨酰胺酶 mTORC1(mammalian target of rapamycin)

在过去的十年中，癌症细胞的代谢作为治疗干预的靶点吸引了广泛的关注。很多癌症细胞的代谢都表现出 Warburg 效应， Warburg 效应是由德国的生物化学家 Otto Warburg 于 1924 年首次提出， Otto Warburg 发现癌症细胞即使在正常氧分压条件下，其糖酵解代谢也非常活跃并产生大量的乳酸[1]。 Warburg 效应是指在肿瘤细胞中葡萄糖摄取增加，乳酸生成增多，细胞三羧酸循环途径产生能量减少，而利用有氧糖酵解为细胞生命活动提供能量。随后科学家们对 Warburg 效应进行了深入的研究，并对癌症细胞内代谢方式的改变进行了大量的报道[2]。其中很有趣的一点是，在很多情况下，癌症细胞在表现出 Warburg 效应的同时，也对谷氨酰胺有极高的依赖性，以至于我们认为癌症细胞对谷氨酰胺成瘾[3]。谷氨酰胺代谢在肿瘤细胞中的作用及其机制已经成为当前研究的一个热点[4]。

1、谷氨酰胺代谢和谷氨酰胺酶

作为血浆中含量最丰富的氨基酸，谷氨酰胺经细胞膜上的载体转运进入细胞后进行分

解代谢，在谷氨酰胺酵解过程中，谷氨酰胺进入线粒体后在谷氨酰氨。在人类基因组中有两个基因可以编码谷氨酰胺酶，谷氨酰胺酶 1 基因编码肾型谷氨酰胺酶，而谷氨酰胺酶 2 基因编码肝型谷氨酰胺酶[5]。肝型谷氨酰胺酶主要在肝脏中表达，而肾型谷氨酰胺酶在多种器官组织中存在表达[6]。肾型谷氨酰胺酶的在各种组织中的广泛表达使得其可能和不同类型的癌症有关。事实上，在来源于胸、肺、子宫颈、脑和 B 淋巴细胞等的肿瘤中，肾型谷氨酰胺酶的表达量升高，抑制谷氨酰胺酶的活性可以抑制这些癌症细胞系的增殖[7-10]。肾型谷氨酰胺酶存在着两个转录剪切突变体，这两个突变体只在其 C 端区域存在着区别，其中序列较长的称为肾型谷氨酰胺酶(KGA)，而较短的形式则被称为谷氨酰胺酶 C(GAC)[11]。 KGA 由谷氨酰胺 1 的第 1-14 和 16-19 个外显子剪切而成，而谷氨酰胺酶 1 的第二个剪切突变体谷氨酰胺酶 C（ GAC）只利用了第 1-15 个外显子[12]。 GAC 的羧基端和 KGA 不一样，并且其蛋白分子量要比 KGA小。 KGA 和 GAC 这两个变异体都含有完整的谷氨酰胺酶结构域。谷氨酰胺酶 C可以在很多体外组织培养的癌症细胞系中被检测到[13]。谷氨酰胺酶的这些亚型表现出不同的结构、动力学特征和组织特异性分布特点[14]。谷氨酰胺酶 C 在细

胞内定位于线粒体内，而 KGA 则主要存在于细胞浆中[15]。在非活化的状态下，肾型谷氨酰胺酶和谷氨酰胺酶 C 主要以二聚体的形式存在。在体外的实验中，肾型谷氨酰胺酶和谷氨酰胺酶 C 都可以被无机磷酸盐活化，而无机磷酸盐的主要作用被认为是促进活化状态的谷氨酰胺酶四聚体的形成[14, 16]。

2、谷氨酰胺代谢为癌症细胞生长提供物质基础

在肿瘤发生发展的过程中，肿瘤细胞内外发生了一系列的变化。癌症细胞的一个重要特征就是物质、能量代谢的改变。为了维持癌症细胞的快速生长增殖，癌症细胞必须加快 ATP 核苷酸和脂质等生物大分子的合成速度。很多肿瘤消耗和利用谷氨酰胺的速度高于其

他的氨基酸[17]。尽管谷氨酰胺在正常组织细胞中是一种非必需的氨基酸，它对于很多快速增殖或者沉迷于谷氨酰胺的癌症细胞的存活都是必要的[18]。 Warburg 效应提出肿瘤细胞对葡萄糖摄取和利用显著增加[19]，通过糖酵解过程，一部分葡萄糖经代谢生成乳酸后被分泌到细胞外，另一部分葡萄糖经代谢形成丙酮酸后进入线粒体参与三羧酸循环。在癌症细胞中，三羧酸循环的代谢物柠檬酸可以被运输到线粒体外后在细胞质生产乙酰辅酶 A，乙酰辅酶在这些细胞中，谷氨酰胺是草酰乙酸的主要来源，而葡萄糖是乙酰辅酶 A 的主要来源[20]。通过促进柠檬酸生成，谷氨酰胺还可以维持脂质的重新合成[21]。谷氨酰胺可以通过以柠檬酸的形式将由葡萄糖中获得的乙酰辅酶 A 从线粒体中转运到细胞质中，谷氨酰胺代谢也可以直接为脂质合成提供乙酰辅酶 A。这个过程可以通过两个机制发挥作用。首先，谷氨酰胺可以通过在苹果酸酶的作用下将苹果酸转化成丙酮酸，然后丙酮酸就可以重新进入三羧酸循环后生产乙酰辅酶 A[22]；其次，谷氨酰胺，转换成ɑ-酮戊二酸后，可以进行还原羧化反应生成异柠檬酸，然后被转化成柠檬酸[23]。谷氨酰胺对于脂质的重新合成的贡献在缺氧或者是线粒体缺陷的情况下尤其明显，在这些细胞中，主要依靠ɑ—酮戊二酸的还原代谢来合成乙酰辅酶 A[24]。有研究报道显示在正常氧分压情况下大概 10–25% 的用于重新合成脂质的乙酰辅酶 A 来源于谷氨酰胺，但是在缺氧的情况下，高达 80%的用于脂质合成的乙酰辅酶 A 可能来源于谷氨酰胺[25]。谷氨酰胺代谢的另一个重要作用是为谷胱甘肽的生成提供前体，谷胱甘肽是细胞内维持氧化还原平衡的重要物质，所以，谷氨酰胺代谢也直接参与了癌症细胞中氧化还原平衡的调节[26-28]。

图 1：癌症细胞中葡萄糖和谷氨酰胺代谢途径。

3、癌症细胞中谷氨酰胺代谢的调节

谷氨酰胺代谢除了可以为肿瘤细胞的快速生长和增殖提供能量和物质基础外，谷氨酰胺代谢还可以通过和细胞内的信号通路之间相互影响以保持肿瘤细胞的癌变特征。人们对

于谷氨酰胺酶在细胞内的调节方式知道得并不多，但是过去几年内的研究揭示了不少可以调节谷氨酰胺酶的表达和活性的信号通路。此外，在体外实验中，谷氨酰胺酶最少需要40mM的磷酸盐才能活化，而血清中磷酸盐的浓度低致1mM，这就进一步表明在细胞内，谷氨酰胺酶的活化需要除无机磷酸盐以外的其他机制的参与[29, 30]。最近的研究发现癌症细胞中谷氨酰胺酶1和谷氨酰胺酵解受到癌基因的调节。在对谷氨酰胺成瘾的癌症细胞中，癌基因c-Myc可以通过抑制miR-23a/b的表达，进而增加谷氨酰胺酶1的表达和谷氨酰胺代谢[31, 32]。抑制谷氨酰胺酶1可以抑制Rho GTPase对成纤维细胞的致癌性转化,Rho GTPase可以通过NF-kB调节谷氨酰胺酶1的活性[33]。 Thangavelu等人发现Raf-Mek-Erk 信号通路和谷氨酰胺酶表达之间存在着联系,EGF刺激活化 Raf-Mek-Erk信号通路可以提高KGA的酶活性，免疫共沉淀研究发现KGA可以直接和Mek-Erk复合物结合，用Mek的抑制剂处理或者是过表达Raf和Mek的失活突变体都可以抑制KGA的酶活性此外，在体外实验中，谷氨酰胺酶最少需要40mM的磷酸盐才能活化，而血清中磷酸盐的浓度低致1mM，这就进一步表明在细胞内，谷氨酰胺酶的活化需要除无机磷酸盐以外的其他机制的参与[29, 30]。最近的研究发现癌症细胞中谷氨酰胺酶1和谷氨酰胺酵解受到癌基因的调节。在对谷氨酰胺成瘾的癌症细胞中，癌基因c-Myc可以通过抑制miR-23a/b的表达，进而增加谷氨酰胺酶1的表达和谷氨

酰胺代谢[31, 32]。抑制谷氨酰胺酶1可以抑制Rho GTPase对成纤维细胞的致癌性转化,Rho GTPase可以通过NF-kB调节谷氨酰胺酶1的活性[33]。 Thangavelu等人发现Raf-Mek-Erk 信号通路和谷氨酰胺酶表达之间存在着联系,EGF刺激活化 Raf-Mek-Erk信号通路可以提高KGA的酶活性，免疫共沉淀研究发现KGA可以直接和Mek-Erk复合物结合，用Mek的抑制剂处理或者是过表达Raf和Mek的失活突变体都可以抑制KGA的酶活性

4、靶向谷氨酰胺代谢在癌症治疗中的意义

代谢方式改变是肿瘤发生发展过程中的一个显著特征，其中很多癌症都发展为对谷氨酰胺成瘾。我们希望能够通过靶向谷氨酰胺代谢开发有效的癌症治疗策略，鉴于谷氨酰胺酶在谷氨酰胺代谢中的重要作用，过去的研究发展了968、 BPTES 和DON等一系列谷氨酰胺酶的特异性抑制剂。其中， 968小分子抑制剂的作用靶点是谷氨酰胺酶C，酶动力学研究发现968是谷氨酰胺酶的一个变构抑制剂，相比正常乳腺上皮细胞，乳腺癌细胞表现出高的谷氨酰胺酶活性， 968处理可以显著抑制乳腺癌细胞的生长，但是对正常乳腺上皮细胞的影响

不大[33]。基因表达分析发现968处理乳腺癌细胞可以降低细胞内一系列肿瘤相关基因的表达，这些基因在乳腺癌中发挥抗凋亡和促进肿瘤转移的作用，提示 968处理抑制谷氨酰胺酶C活性可以通过影响肿瘤相关基因的表达进而影响肿瘤的表型[41]。另外一个重要的谷氨酰胺酶抑制剂叫做BPTES， BPTES只对肾型谷氨酰胺酶有抑制作用，而对于肝型谷氨酰胺酶没有抑制作用[42]。用BPTES处理抑制谷氨酰胺酶的活性可以减慢含有异柠檬酸脱氢酶突变的胶质母细胞瘤细胞的生长[10]。使用反义技术降低细胞内谷氨酰胺酶的表达可以抑制肿瘤细胞的生长并促进细胞凋亡

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