肿瘤代谢学

**篇肿瘤代谢重编程 引言 物质代谢是各项生命活动的基础和保障，食物营养素（糖、脂和蛋白质等）经过复杂的代谢过程为生命活动提供所需能量，同时为组织细胞生长和增殖提供各种构件分子（蛋白质、脂类、多糖和核酸），完成各种生命活动所需的各种生物活性分子（酶、信号分子、免疫分子和转录因子等），以及维持机体内环境稳定等。因此，物质代谢稳态是健康的基础，而物质代谢紊乱是引发肿瘤等各种疾病发生和发展的基础。因此，进一步开展肿瘤代谢研究有助于提升对肿瘤发生和发展机制的认识，也有助于肿瘤防治的开发和应用。 肿瘤细胞生物学表型与其特定代谢表型密切相关。20世纪20年代德国生化专家奥托 瓦博格（Otto Warburg）研究发现肝癌细胞在氧供充足时仍主要以低效率的糖酵解方式来获取能量。后来，人们把这种在有氧条件下恶性肿瘤细胞活跃糖酵解代谢的特殊生化表型称为瓦博格效应或有氧糖酵解。许多研究表明瓦博格效应有利于肿瘤生长、增殖、转移，以及在不利内环境下生存，且与肿瘤恶性程度和预后密切相关。2011年Douglas Hanahan总结了肿瘤的十大特征，即持续自我增殖能力、抵抗细胞凋亡、无限DNA复制能力、持续血管增生、组织侵袭和转移、逃避免疫监管、基因组不稳定和突变、肿瘤促进炎症、逃避免疫，以及能量代谢重编程，并且明确提出能量代谢重编程是肿瘤十大特征的核心特征。这表明肿瘤代谢重编程决定了其他肿瘤特征产生和变化的基础。肿瘤代谢重编程不仅是能量代谢改变，还涉及其他一系列代谢改变，如葡萄糖、脂肪酸和氨基酸的摄取及消耗增加，有氧糖酵解明显增加而氧化磷酸化下降，糖和氨基酸等代谢中间物大量流向合成代谢，脂类、蛋白质和核酸合成加强等。这些代谢改变有利于肿瘤恶性增殖、侵袭转移和适应不利生存环境等。肿瘤代谢重编程的发生机制相当复杂，人们对其认识还很有限，可能涉及基因（癌基因激活和抑癌基因失活）、细胞信号通路，以及代谢酶和转运载体等复杂变化和相互作用。因此，肿瘤是一种代谢性疾病的观点逐步被人们接受，这将为进一步阐明肿瘤发生和发展机制，以及肿瘤治疗方案提供一个全新的领域和策略。 本篇的内容共分11章进行论述，主要涉及肿瘤细胞主要营养素代谢变化及机制，包括糖、脂类、蛋白质/氨基酸、核苷酸、微量营养素和水代谢；进一步讨论线粒体代谢、活性氧代谢和细胞自噬，以及肿瘤微环境代谢和肿瘤代谢异质性等相关内容。 （繆明永） 糖类是指具有多羟醛或多羟酮及其衍生物的一类化合物，即碳水化合物（carbohydrates）。食物中的糖类主要是淀粉，而人体内的主要糖类包括葡萄糖和糖原。食物中的淀粉经消化道多种酶（淀粉酶和麦芽糖酶等）的消化作用分解为葡萄糖，经小肠吸收进入体内，组织细胞内的葡萄糖通过不同的代谢途径（糖酵解、磷酸戊糖通路、有氧氧化、糖异生，糖原合成和分解等）发挥其生理功能（图1-1-1）。糖在生物体内的主要生理功能是提供机体生命活动的能量，正常人体所需能量的50%～70%由糖分解代谢来提供。糖除了提供能量，还有其他一些重要的生理功 能，如提供机体合成各种生物分子的碳源，糖代谢中间物可转变为其他含碳化合物，如氨基酸、脂肪酸和核苷酸等；参与组织重要结构成分，如蛋白聚糖和糖蛋白构成结缔组织、软骨、骨基质和细胞膜等；参与细胞信息传递，如免疫、细胞识别和分化等；转变为一些重要生物活性的糖衍生物，如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD）、黄素腺瞟呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）、腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）等。因此，糖类是维持细胞正常代谢稳态和重要生物学功能的宏量营养素。 **节肿瘤糖代谢异常变化 肿瘤细胞无限增殖需要消耗大量能量和合成原料，同时由于代谢改变或某些代谢缺陷导致活性氧（ROS）自由基增多，引起氧化应激，因而需要提高抗氧化能力，以及为了不断适应不利微环境变化等的需要，肿瘤细胞需做出相应的代谢改变。肿瘤糖代谢的典型改变可概括如下：有氧糖酵解（aerobic glycolysis），即瓦博格效应（Warburg effect）和磷酸戊糖通路增强，大量摄取和消耗葡萄糖，乳酸产生和释放增多；糖有氧氧化，即线粒体氧化磷酸活性相对或绝对下降，耗氧减少，同时大量糖酵解和磷酸戊糖通路中间物不断参与合成代谢和抗氧化作用等。 一、肿瘤瓦博格效应 20世纪20年代德国生化专家奥托 瓦博格研究发现肿瘤细胞在供氧充足时仍利用低效率糖酵解途径获得ATP，这种在有氧条件下恶性肿瘤细胞活跃糖酵解代谢的特殊生化表型称为瓦博格效应或有氧糖酵解。肿瘤细胞糖代谢的典型表现为：大部分肿瘤细胞的糖酵解能力明显增强，*高可达正常细胞的20～30倍，肿瘤细胞摄取葡萄糖量也明显增加，乳酸产生和释放量也增加。而进入线粒体氧化磷酸代谢的葡萄糖比例相对下降，耗氧减少。 尽管糖酵解产能效率远低于线粒体氧化磷酸化，但恶性肿瘤细胞可从活跃的糖酵解代谢中收到很大益处：**，与氧化磷酸化相比，糖酵解产生ATP速度快，这对于快速增殖的肿瘤细胞极为有利。第二，肿瘤细胞可通过糖酵解获取中间代谢产物，用于合成脂肪、蛋白质和核酸，以满足其增殖旺盛所需要的合成（图1-1-2）。第三，糖酵解可通过影响线粒体外膜通透性，使肿瘤细胞获得拮抗细胞凋亡的能力，提高对放化疗等促凋亡作用的耐受。第四，糖酵解产生大量乳酸，导致微环境酸化，有助于肿瘤侵袭转移，抑制免疫功能和耐药等。肿瘤的发生和发展是一个不断变异选择的过程，当耐酸肿瘤细胞株形成后，这种微环境对肿瘤细胞有保护作用，因为酸性环境对正常细胞具有一定毒性，可导致细胞基质分解和外源性碱性抗癌药物失效，从而有利于肿瘤细胞的生长与转移。第五，糖酵解还可直接促进缺氧诱导因子-1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）表达，HIF-1通过激活一系列靶基因表达，促进肿瘤细胞增殖，启动肿瘤血管新生，躲避细胞凋亡等，同时HIF-1可直接促进肿瘤细胞糖酵解。总之，糖酵解增强与肿瘤生长速度成正比，与分化程度成反比，与肿瘤侵袭和转移密切相关。 二、肿瘤磷酸戊糖代谢通路异常 除了有氧糖酵解，肿瘤细胞内另一条重要葡萄糖分解通路---磷酸戊糖通路（pentose phosphate pathway，PPP）也明显增强，通过PPP，肿瘤细胞获取了重要的合成代谢前体分子核糖，以及G3～G7糖的不同单糖，同时还获得大量的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotidephosphate，nadph），增加了抗氧化能力和还原性合成脂类的能力等。因此，在肿瘤细胞中PPP常处在高流量代谢状态。2018年Choi等研究发现PPP相关蛋白在不同分子亚型乳腺癌存在差异表达，在GLUT-1.葡萄糖转运载体-1；HK-2.己糖激酶-2；PFK-1.磷酸果糖激酶-1；PFK-2.磷酸果糖激酶-2；PKM2.胚胎型丙酮酸激酶M2；LDHA.乳酸脱氢酶A；G6PD.葡萄糖-6-磷酸脱氢酶；TKL-1.转酮醇酶-1；MCT4.单羧酸转运载体-4；NADPH.还原型烟酰胺腺瞟呤二核苷酸磷酸；PPP.磷酸戊糖通路；ROS.活性氧HER-2亚型中G6PDH和6PGL的表达较高。 三、糖异生异常 糖异生（gluconeogenesis）是与糖酵解相反的代谢通路，其主要作用将非糖物质（乳酸、氨基和甘油）通过糖异生通路转变为葡萄糖和糖原，以维持血糖稳定。机体内发生糖异生的器官是肝和肾，酸中毒时肾的糖异生能力明显提高，这时候的糖异生与酸碱平衡的调节密切相关，所以糖异生也是肝和肾功能成熟的标志之一。糖酵解和糖异生代谢通路大部分是共用的，因此糖酵解时糖异生被抑制，反之，糖异生时糖酵解被抑制。否则会发生底物无效循环（substrate futile cycle），浪费能量。通过调节各自代谢通路关键酶（单向催化酶）的活性可以避免底物无效循环的发生。 在肿瘤细胞中同样不会发生这样的无效循环。大部分肿瘤细胞有活跃的糖酵解代谢（瓦博格效应），因此进行糖异生活跃的肝和肾肿瘤，糖异生代谢活性被明显抑制。如糖异生的关键酶果糖-1，6-双磷酸酶1（FBP1）在人类和小鼠的肝肿瘤中普遍是被抑制的。*新的有关研究还发现FBP1具有非酶活性的抑癌基因作用，主要通过影响肝细胞与星形细胞之间转化发挥抑癌作用。2020年Li等研究表明，肝细胞特异性敲除FBP1破坏了肝代谢稳态（脂肪积累等），并促进肿瘤进展。同时还发现伴有肝星状细胞（HSC）的激活和衰老表现出与衰老相关的分泌表型。通过使用衰老细胞清除剂达沙替尼/槲皮素或ABT-263治疗来消耗衰老的HSC，可以抑制肿瘤进展。该研究证明FBP1缺陷肝细胞通过释放HMGB1，可促进HSC的活化；通过小分子inflachromene阻断其释放可限制FBP1依赖的星状细胞激活、随后的衰老相关分泌表型的发展和肿瘤进展。总的来说，这些发现为FBP1在肝癌中作为肿瘤抑制因子的观点提供了遗传学证据，并建立了肝细胞代谢和星状细胞衰老之间促进肿瘤生长的关键交互作用。除了FBP1，糖异生关键酶葡萄糖-6-磷酸酶（G6Pase）活性也明显被抑制，如结肠癌中几乎检测不到G6Pase。 但是另一个糖异生酶磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK），包括细胞质PEPCK和线粒体亚型PEPCK2，对肿瘤细胞的合成与代谢非常重要，如结肠癌PEPCK表达明显升高，这有利于三羧酸循环来源的中间 物进入合成大分子通路，非碳水化合物，如谷氨酰胺进入合成脂类和核酸代谢通路，而不是进入糖异生途径转变为葡萄糖。当葡萄糖缺少时，癌细胞能够利用不同底物来维持细胞生长，如肺癌细胞可以大量摄入乳酸，然后通过丙酮酸羧化酶（PC）和PEPCK2等反应转变成糖酵解中间物磷酸烯醇丙酮酸（PEP），随后进入合成代谢（PPP、丝氨酸/甘氨酸合成通路）。研究表明在无糖条件下PEPCK2将谷氨酰胺转变为磷酸烯醇丙酮酸，用于支持细胞生长。PEPCK2在乳腺癌、非小细胞肺癌、膀胱癌、肾癌等方面的表达明显升高，缺氧诱导因子-1（HIF-1）和内皮细胞PAS结构域包含蛋白1（EPAS1/HIF-2a），两者协同上调PEPCK2表达。正常细胞并不同时表达两种同工酶，而肿瘤细胞通常两种同工酶同时存在。这可能是为了更好地适应营养物质的波动。学者们一般认为线粒体PEPCK2催化乳酸转变为PEP，这样可以防止烟酰胺腺曝呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）产生过多，避免细胞质氧化还原状态失衡。 四、肿瘤糖代谢异质性 由于不同肿瘤发生和发展所驱动的基因不同，以及同一肿瘤内不同部位肿瘤细胞的微环境不同等因素，肿瘤细胞内代谢包括糖代谢异质性非常明显，表现为不同类型肿瘤之间，同一种实体瘤内部不同部位肿瘤细胞之间，原位和转移肿瘤细胞之间等表现为不同糖代谢特征。 2019年Nan等研究发现不同癌基因，如EGFR突变和FGFR扩增驱动肿瘤不同糖代谢特征具体为：前者糖酵解中间物3-磷酸甘油酸主要进入丝氨酸合成通路，进而减少乳酸产生，而后者糖酵解产生大量乳酸。这提示EGFR突变和FGFR扩增可分别作为丝氨酸合成代谢和乳酸合成抑制剂的敏感标志物，为同类代谢抑制剂的个性化治疗提供重要的信息和新思路。如肺癌中腺癌和鳞状细胞癌糖代谢表现明显不同，鳞状细胞癌特异性高表达GLUT1，因而高度依赖葡萄糖和糖酵解代谢，可能对糖酵解代谢抑制剂敏感。 一些研究显示肿瘤细胞可表现出双重代谢特性（dual metabolic nature），即糖酵解表型（glycolytic phenotype）和非糖酵解表型（nonglyco