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写在前面：
过去十年我们对癌症起始、发展和转移机制的认识有了质的飞跃，癌症的Hallmark包括：维持增殖信号、逃避生长抑制因子、抵抗细胞死亡、无限分裂、诱导血管生成、激活侵袭和转移、代谢重编程以及免疫逃逸。不同的癌症，其肿瘤微环境不同，但是所有肿瘤细胞都具有利用细胞外营养物，产生胞内大分子(如核苷酸、蛋白质、脂质)的倾向，从而实现营养物向胞内转移，而这种能力是通过代谢重编程实现的。
因为肿瘤细胞具有Warburg效应，也就有氧糖酵解，肿瘤细胞即使在氧气足以支持线粒体氧化磷酸化的情况下，也倾向于将葡萄糖“发酵”成乳酸。那为了维持正常的线粒体功能，肿瘤细胞就利用所谓的回补过程来补充 TCA循环的代谢物，谷氨酰胺是血液和肌肉中最丰富的循环氨基酸，在许多肿瘤中都发现消耗大量的谷氨酰胺，包括胰腺癌、卵巢癌和乳腺癌等，增殖的肿瘤细胞依赖谷氨酰胺作为能量主要来源，以满足TCA循环。
在这篇文章里，老熊跟大家聊聊谷氨酰胺代谢与癌症的关系，帮助大家更好地理解这个肿瘤领域的热点。
老熊依然在文章开头抛出几个问题给大家：
1、谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢过程是什么样的？
2、谷氨酰胺发挥怎样的作用从而影响肿瘤细胞的？
3、怎样以谷氨酰胺为靶点治疗癌症？
癌症中谷氨酰胺代谢的特征——谷氨酰胺回补驱动三羧酸循环
由于经过了代谢重排，许多肿瘤细胞表现出对其他营养物质的依赖性增加，以满足TCA循环，通常就是『谷氨酰胺』，这种情况称为“谷氨酰胺成瘾“，正因为这样，这些细胞一旦剥夺了谷氨酰胺，就会导致生长停滞乃至细胞死亡。
谷氨酰胺分解是指细胞通过多种酶将谷氨酰胺转化为TCA循环代谢物的过程：谷氨酰胺通过氨基酸转运蛋白 ASCT2 和 SN2 穿过细胞膜，进入胞浆后，首先通过谷氨酰胺酶(GLS/GLS2)转化为谷氨酸，
谷氨酸接着通过两条不同的途径转化为α-酮戊二酸（α-KG）：
①通过谷氨酸脱氢酶(GLUD)
②通过一组转氨酶的活性，包括谷氨酸–草酰乙酸转氨酶(GOT)、谷氨酸–丙酮酸转氨酶(GPT)和磷酸丝氨酸转氨酶(PSAT)。
这样产生的α-酮戊二酸可以作为回补底物参与到TCA循环中。然后草酰乙酸与乙酰辅酶A缩合生成柠檬酸，柠檬酸通过ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)和脂肪酸合成酶(FASN)将线粒体代谢与脂肪酸生成联系起来。另外，α-酮戊二酸输出到胞浆中，通过IDH11羧化成柠檬酸，也进一步合成脂肪酸。TCA循环代谢物也可以通过线粒体穿梭和载体释放到细胞质中，就不一一赘述了。
基于这个过程，正因为谷氨酰胺衍生的α-KG为TCA循环提供燃料，肿瘤细胞可以利用谷氨酰胺分解来维持许多必需分子的生物合成。比如在肾细胞癌(RCC)中，发现癌细胞依赖于谷氨酰胺产生柠檬酸，进而产生乙酰辅酶A，而乙酰辅酶A是脂质合成的必要中间体，没有它，肿瘤细胞就无法存活。再比如IDH1突变的神经胶质瘤细胞中，抑制GLS后通过降低α-KG水平的有效抑制胶质瘤细胞的生长。
谷氨酰胺代谢与肿瘤微环境
谷氨酰胺代谢受到细胞外肿瘤微环境的影响。肿瘤微环境中的基质细胞和肿瘤细胞之间存在复杂的代谢相互作用，可以促进肿瘤生长。
来就这个图讲一讲，举一些例子：
（1）免疫细胞分泌的IL-4可以增加乳腺癌细胞中谷氨酰胺转运蛋白ASCT2的表达水平。
（2）IL-3通过JAK/STAT信号通路激活后，可以与葡萄糖敏感性的IL-3Rα结合，通过上调ASCT2的表达来促进谷氨酰胺摄取。
（3）B淋巴细胞在被抗原激活后分化为效应细胞，需要蛋白激(AMPK和c-MYC来维持谷氨酰胺分解，以持续分泌IL-4。
（4）实体肿瘤存在异常的脉管系统，表现出空间和时间上氧分布不均匀，这种氧浓度异质性就会产生缺氧环境，诱导HIF1激活，HIF1激活可以促进E3泛素-蛋白连接酶SIAH2依赖的泛素化，并随后降解酮戊二酸脱氢酶2 (OGDH2)，这个酶是α-酮戊二酸转化为琥珀酸的关键酶。
（5）缺氧环境还会增加乳酸的积累，乳酸是HIF1激活后的副产物。肿瘤微环境中的乳酸不仅会导致“逆向”的pH梯度，促进肿瘤发展，还会激活c-MYC，后者直接影响谷氨酰胺分解。
靶向谷氨酰胺代谢用于癌症治疗
这一部分无外乎就是几个思路：谷氨酰胺发挥多种功能，要么直接target上游影响谷氨酰胺合成，进而影响肿瘤细胞代谢，要么通过间接作用，target谷氨酰胺发挥作用下游的一些关键分子，来影响肿瘤细胞的发展。
溯源——谷氨酰胺发挥怎样的生物学功能，从而影响肿瘤细胞？
（1）作为嘌呤和嘧啶的氮供体：谷氨酰胺脱氨成谷氨酸，提供一个酰胺基团，使核苷酸、氨基糖和NAD+能够从头合成。在胶质母细胞瘤、卵巢癌、乳腺癌和前列腺癌患者中，GLS的过表达与不良预后相关，说明了谷氨酰胺供氮在癌症中的重要性。胞苷三磷酸合成酶(CTPS) CTPS在原发性肝、肾癌中的表达与肿瘤生长速度呈正相关。因此，谷氨酰胺产生的氮在核苷酸前体合成中具有重要作用，所以谷氨酰胺在肿瘤细胞增殖中能发挥限速因子的作用。
（2）作为非必需氨基酸的氮供体：谷氨酰胺是非必须氨基酸的来源之一，天冬氨酸、丙氨酸和磷酸丝氨酸是主要的氮受体。在KRAS驱动的肿瘤细胞中，加入天冬氨酸可以挽救谷氨酰胺剥夺诱导的S期停滞。细胞内的大部分天冬氨酸是由谷氨酰胺分解产生的，过表达SLC1A3(谷氨酸-天冬氨酸转运体)可以挽救电子传递链(ETC)缺陷的Jurkat细胞的增殖。
（3）谷氨酰胺作为碳供体：脂质从头合成在肿瘤生长中具有重要作用。脂肪酸合成的第一步，乙酰辅酶A在胞浆中被羧化为丙二酰辅酶A。细胞质中的大部分乙酰辅酶A是由线粒体输出的柠檬酸生成的，通过ACLY代谢为乙酰辅酶A和OAA。然而，在缺氧或线粒体缺陷的条件下，或在形成肿瘤球体期间，肿瘤细胞从葡萄糖和谷氨酰胺氧化转变为谷氨酰胺的还原羧化，以维持柠檬酸水平。在这种情况下，谷氨酰胺直接为柠檬酸和脂肪酸合成提供碳。
（4）谷氨酰胺影响电子传输链和活性氧：谷氨酰胺可以提高KRAS突变细胞的耗氧率和ATP产生，以促进肿瘤的形成。谷氨酰胺驱动NADH后，NADH通过ETC传递电子后，氧不完全还原产生ROS。所以抑制谷氨酰胺代谢可能导致ROS产生增加，从而破坏肿瘤细胞。
（5）谷氨酰胺参与细胞信号传导：谷氨酰胺能够协调细胞内信号转导从而促进肿瘤生长，如下图：
◆ LAT1(L型氨基酸转运体1)将谷氨酰胺从胞质中输出，使必需氨基酸亮氨酸通过SLC7A5转运进来。Sestrin2-GATOR2相互作用，使mTORC1受到抑制，而亮氨酸与Sestrin1/2结合，负调控这个过程，从而激活mTORC1蛋白激酶；
◆ 亮氨酸还能直接与谷氨酸脱氢酶GLUD结合，促进谷氨酰胺分解；
◆ 因为谷氨酰胺促进GDP转化为GTP，所以谷氨酰胺分解可以促进mTOR转位招募者RagB GTP的装载；
◆缺乏谷氨酰胺后，骨肉瘤细胞还可以通过mTOR/JNK信号通路，诱导IL-8分泌增加。
（6）谷氨酰胺可抑制细胞凋亡，诱导耐药：
◆ 细胞内急性缺乏谷氨酰胺会导致CD95介导的caspase级联反应，从而引发细胞凋亡；
◆ 顺铂经过一系列活化反应后，进入增殖细胞的细胞核，与嘌呤碱基的亲核N7位点结合。如果顺铂在线粒体中积聚和/或与DNA和蛋白质形成加合物，引发细胞死亡。谷胱甘肽能与顺铂共价结合以防止其与 DNA 结合，从而使细胞具有耐药性。
（7）谷氨酰胺代谢可以通过调节α-酮戊二酸水平直接影响表观基因组：很多胶质瘤表现出IDH1突变。其他癌症，如急性髓系白血病和软骨肉瘤，同时携带IDH1和IDH2突变，突变后使α-酮戊二酸转化为D(R)-2-羟基戊二酸(D-2HG)， D-2HG抑制DNA去甲基化酶和组蛋白去甲基化酶，从而导致DNA CpG岛和组蛋白赖氨酸残基高甲基化，导致全基因组表观遗传改变，如下图：
靶向原癌基因和抑癌基因调节谷氨酰胺代谢
一些癌基因能够target谷氨酰胺代谢过程中的关键蛋白，所以通过target这些癌基因可以调节谷氨酰胺代谢，进而影响肿瘤细胞的发生和发展，如下图：
（1）原癌基因c-MYC转录结合到谷氨酰胺importer的启动子区域，包括ASCT2(也称作SLC1A5)和SN2(也称作SLC38A5)，导致谷氨酰胺摄取量增加。另外，c-MYC的过表达通过抑制miR-23a和miR-23b促进线粒体GLS的表达。C-myc还直接靶向dNTP代谢相关的基因，以促进谷氨酰胺分解，从而产生用于核苷酸合成的酰胺氮。
（2）原癌基因KRAS 能下调GLUD的表达并上调GOT的表达，促进 ME1将天冬氨酸释放到细胞质中用于生成NADPH。
（3）抑癌基因P53也能够调节谷氨酰胺代谢。GLS2是一个P53靶基因，p53能激活GLS2表达，同时降低细胞内活性氧，保护细胞基因组免受损伤。其他抑癌基因，如Rb和LKB1，通过E2F3抑制ASCT2的表达来影响谷氨酰胺的摄取。
靶向谷氨酰胺代谢的治疗应用
根据以上谷氨酰胺代谢的生物学功能以及各种关键分子，现在临床前和临床研究针对这些靶点开发了各种化合物和疗法，在这里大概总结一下:
（一）各种化合物抑制剂
（1）哺乳动物细胞表达两种谷氨酰胺酶亚型：肾型GLS1和肝型GLS2。GLS1在正常组织中表达更广泛，而GLS2主要在肝脏、脑、脑下垂体和胰腺中表达。针对谷氨酰胺分解最直接的方法是抑制谷氨酰胺酶 (GLS)，从而抑制其催化谷氨酰胺水解为谷氨酸。BPTES、CB-839和化合物968等小分子抑制剂阻断GLS活性。CB-839已进入临床试验 (NCT02071862)，已被证明在治疗三阴性乳腺癌方面具有疗效。
（2）GPNA可抑制谷氨酰胺转运体ASCT2的活性，并在体内外抑制肿瘤细胞的增殖。
（3）GLUD（或称作GDH）的抑制剂EGCG和转氨酶抑制剂AOA阻碍谷氨酰胺TCA循环回补，并在临床前研究中有效减少肿瘤增殖。另外，抑制谷氨酸氧化脱氨为α-KG对癌细胞的破坏作用可与抑制谷氨酰胺分解相媲美，临床前化合物R162,EGCG和CG可抑制GLUD的催化活性。
（5）最近开发了AG-221、AG-120和AG-881，它们特异性抑制IDH的不同亚型，目前正在多个临床研究中进行评估。
（二）联合疗法
使用联合疗法靶向多种代谢途径，有可能是抑制肿瘤生长的最优选择。特别是合成致死现象，两种药物联合诱导细胞死亡。现在有研究发现BPTES 和二甲双胍的联合治疗比单独使用任何的效果更好。其他联合抑制GLS的合成致死还包括GLUT2q1抑制、mTOR抑制和ATF4激活。
（三）使用谷氨酰胺模拟物
类似物如DON确实显示出对几种肿瘤类型的细胞毒性作用，包括白血病和结肠直肠癌；acivicin和重氮丝氨酸也是谷氨酰胺类似物，但是这三种类似物副作用都过强，毒性太高，还不能进入临床试验。
最后老熊再简单介绍一下体内谷氨酰胺摄取和代谢的检测手段：
1）谷氨酰胺摄取的正电子发射断层成像（PET）：跟使用18F标记的葡萄糖类似物 FDG检测葡萄糖摄取差不多，谷氨酰胺也可以用放射性核素标记，如18F或11C。
（2）磁共振波谱技术检测谷氨酰胺代谢：磁共振波谱成像(MRSI)能够检测肿瘤及其周围微环境中的各种细胞代谢物。单体素和多体素1H-MRSI等技术能够检测各种代谢谱，包括谷氨酰胺和谷氨酸产生的代谢谱，两个代谢谱非常相似，统一指定为GLx
（3）谷氨酰胺同位素标记：例如，13C标记的谷氨酰胺可以用来追踪肿瘤细胞中谷氨酰胺碳，同样，用15N标记谷氨酰胺氮使人们能够跟踪谷氨酰胺氮代谢
（4）超极化磁共振波谱：同位素标记的MRS的一个明显缺点信号太低，可以通过超极化来改善，它可以将13C检测的灵敏度提高10000倍以上。
总结下来，谷氨酰胺在不同类型的肿瘤细胞中具有很高的摄取量。肿瘤中的代谢重排使得谷氨酰胺驱动回补途径，能够维持TCA循环代谢物，并为细胞分裂所需的生物合成大分子的产生提供碳和氮。基于此，谷氨酰胺代谢不是仅仅只在肿瘤细胞内进行研究，涉及到整个实体瘤包括微环境，是进行临床相关的治疗干预的一个靶点。
如果大家想从肿瘤代谢入手的话，不妨以谷氨酰胺为切入口，多读一些相关基础paper之后，比如从表型入手，结合生信数据库，然后找上下游调控你这个靶点的关键分子，再看下游对代谢的影响，比如可以看看能量方面，TCA循环呀，ATP释放量什么的，有能力的话可以利用同位素标记追踪一下下游fate，那么影响了什么呢？很可能是细胞增殖、迁移诸如此类，再结合一些现在已经开发出的小分子抑制剂，联合疗法手段，老熊就不赘述了，希望大家能够举一反三哈~
好了，讲了这么多，相信文章开头提的问题你已经有了很好的回答，我是老熊，一个立志用通俗易懂的语言带你玩转科研的忍者~
希望大家点赞、转发、关注我，让老熊有动力继续分享！
参考文献
[1] Yang L , Venneti S , Nagrath D . Glutaminolysis: A Hallmark of Cancer Metabolism[J]. Annual review of biomedical engineering, 2017, 19(1):163.
[2] Li T , Le A . Glutamine Metabolism in Cancer[J]. 2018.
[3] Jin L , Alesi G N , Kang S . Glutaminolysis as a target for cancer therapy[J]. Oncogene, 2015, 35(28):3619.
[4] RV Durán, Hall M N . Glutaminolysis feeds mTORC1[J]. Cell Cycle.
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发表于 2022-9-20 09:06:16