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代謝調(diào)控與細(xì)胞增殖

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月17日 11:19

代謝調(diào)控與細(xì)胞增殖

2019-10-30

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細(xì)胞通過分裂增殖產(chǎn)生子細(xì)胞的過程必須依賴于細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)（包括蛋白質(zhì)，脂質(zhì)和核酸）的新生和積累。這些大分子物質(zhì)的合成主要是通過細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，因而細(xì)胞代謝提供了細(xì)胞分裂增殖所需的物質(zhì)基礎(chǔ)。闡釋細(xì)胞如何獲取和利用各種營養(yǎng)源來協(xié)調(diào)代謝網(wǎng)絡(luò)能使我們理解細(xì)胞分裂增殖的基本原理。

單細(xì)胞生物，比如酵母，通常能感知周圍環(huán)境的營養(yǎng)成分，依據(jù)自身需求而直接獲取營養(yǎng)物質(zhì)。而絕大多數(shù)的多細(xì)胞生物（包括動物）體內(nèi)的細(xì)胞不能自主地獲取營養(yǎng)物質(zhì)，而是只能在機(jī)體生長因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)下獲取相應(yīng)的養(yǎng)分。這樣的機(jī)制確保了整個生物體能協(xié)調(diào)體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的合理分配，避免局部組織細(xì)胞過度地攝取體內(nèi)通常有限的營養(yǎng)物質(zhì)，從而也是防止癌癥發(fā)生的機(jī)制之一。

2019年4月11日，紀(jì)念斯隆·凱特琳癌癥中心主席、美國科學(xué)院院士Craig B. Thompson教授和朱佳俊博士在Nature Reviews Molecular Cell Biology雜志上發(fā)表綜述文章Metabolic regulation of cell growth and proliferation，探討了動物，尤其是人體細(xì)胞在正常的生理狀態(tài)下如何受生長因子的調(diào)節(jié)而協(xié)調(diào)細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)支持細(xì)胞分裂增殖。這篇綜述著重闡述了細(xì)胞如何獲取和合成葡萄糖、氨基酸以及脂質(zhì)和核苷酸，以及這些代謝機(jī)制是如何在病理狀況下，比如癌癥的情況下，受到相應(yīng)的改變的。

一、葡萄糖攝取的調(diào)控

對于處在不斷分裂增殖階段的細(xì)胞來說，葡萄糖的攝取不僅能為細(xì)胞提供ATP能量，而更重要的是作為細(xì)胞重要的碳源用于合成脂質(zhì)和非必需氨基酸等物質(zhì)，從而支持細(xì)胞不斷生長。如上所述，動物細(xì)胞在正常情況下對于血液中葡萄糖的攝取受到嚴(yán)格的控制。各類生長因子，比如胰島素（Insulin），血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）和表皮生長因子（EGF），是指導(dǎo)細(xì)胞攝取葡萄糖的主要信號。受生長因子刺激的細(xì)胞增加葡萄糖的攝取很大程度上是通過一系列激酶介導(dǎo)的信號來實(shí)現(xiàn)的，包括受體酪氨酸激酶（RTKs），以及下游的磷酸肌醇3-激酶（PI3K）和AKT（也稱為蛋白激酶B，PKB）通路。

對于T細(xì)胞活化過程的研究，幫助闡明了PI3K和AKT信號是如何促進(jìn)細(xì)胞攝取和利用葡萄糖的。受到抗原刺激后，T細(xì)胞受體（TCR）的激活導(dǎo)致共刺激受體CD28的細(xì)胞質(zhì)尾區(qū)的酪氨酸磷酸化。類似于RTK，CD28的激活能夠啟動許多信號傳導(dǎo)，包括上述的PI3K-AKT軸。AKT的激活能促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT1）的表達(dá)和質(zhì)膜定位。此外，AKT能增加糖酵解酶己糖激酶（HK）的活性，使得進(jìn)入細(xì)胞的葡萄糖能夠被糖酵解以及其他途徑捕獲，以支持氨基酸、核苷酸和脂肪酸生物合成。

TCR和CD28信號通路能刺激T細(xì)胞誘導(dǎo)葡萄糖攝取的急劇增加，從而支持T細(xì)胞迅速擴(kuò)增。增加的葡萄糖攝入導(dǎo)致糖酵解速率增高。然而，僅有一小部分葡萄糖通過三羧酸循環(huán)（TCA cycle）被完全氧化，并且通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 。葡萄糖中的大部分碳經(jīng)糖酵解轉(zhuǎn)化為乳酸并分泌，這是因?yàn)閯游锛?xì)胞中的葡萄糖攝取是供應(yīng)驅(qū)動的系統(tǒng)。細(xì)胞對于葡萄糖的攝取主要由生長因子信號傳導(dǎo)刺激，當(dāng)生長因子刺激的細(xì)胞攝取的葡萄糖超過它們所需的量時，過量的糖酵解中間體被轉(zhuǎn)移到支持細(xì)胞生長所需的氨基酸、核苷酸和脂質(zhì)產(chǎn)生的途徑中，并通過將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸并將乳酸分泌回細(xì)胞外環(huán)境來處理過量的糖酵解終產(chǎn)物。

在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中快速增殖的細(xì)胞攝取并利用超過其合成代謝需要的葡萄糖的現(xiàn)象被稱為有氧糖酵解（也稱為Warburg效應(yīng)）。事實(shí)上，將近一個世紀(jì)以前，人們就在研究腫瘤細(xì)胞時觀察到了這一現(xiàn)象。與正常的細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞通常顯示出更高的葡萄糖消耗速率，而在腫瘤細(xì)胞中，即使存在足夠的氧氣，它們也主要通過糖酵解來利用葡萄糖，而不是在線粒體中完全氧化葡萄糖。與受生長因子調(diào)控而增殖的正常細(xì)胞不同的是，大多數(shù)癌細(xì)胞通過基因的突變激活自主攝取葡萄糖細(xì)胞的能力，從而使獲得的葡萄糖比它們自身氧化代謝所需的葡萄糖多得多（圖1）。癌癥基因組測序顯示，許多人類癌癥在編碼RTK家族成員的基因中存在遺傳改變，從而增加其激酶活性，比如肺癌中的EGF受體以及乳腺癌中的HER2等等。除了RTK之外，編碼PI3K催化亞基的PIK3CA基因是癌癥中最常見的突變基因之一，特別是在乳腺癌、結(jié)腸癌和肝癌中。而在前列腺癌和子宮內(nèi)膜癌中普遍存在PTEN基因的缺失突變，從而使PI3K信號傳導(dǎo)增強(qiáng)。在許多癌癥中存在這些基因突變，一個很重要的原因是這樣的突變使得癌細(xì)胞獲得了自主攝入葡萄糖的能力，從而為癌細(xì)胞的不斷分裂增殖提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖1. 葡萄糖攝取和利用

二、氨基酸的獲取

細(xì)胞干重的一半以上是蛋白質(zhì)，因此除了攝取葡萄糖作為碳源之外，分裂增殖的細(xì)胞還需要大量氨基酸用于蛋白質(zhì)的合成以支持新細(xì)胞的產(chǎn)生。除了結(jié)合tRNA以用于蛋白翻譯，許多氨基酸也是合成包括核苷酸在內(nèi)的大分子的重要底物。由于這些對氨基酸的需求，分裂增殖的細(xì)胞常常能夠通過重新編碼代謝程序而從細(xì)胞外空間主動獲取氨基酸，或提高自身合成非必需氨基酸的能力。另外，當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境中游離氨基酸的含量降低時，有的細(xì)胞還能有效地利用細(xì)胞外環(huán)境中的蛋白質(zhì)而獲得氨基酸。

2.1 感應(yīng)氨基酸

雷帕霉素復(fù)合物1（mTORC1）是細(xì)胞內(nèi)感應(yīng)氨基酸含量和決定氨基酸分配利用的重要協(xié)調(diào)者。一方面，生長因子信號通路的激活能通過AKT促進(jìn)mTORC1的激酶活性。而另一方面，mTORC1的活性還受到細(xì)胞內(nèi)可用的氨基酸含量的嚴(yán)格控制。例如，Sestrin2，CASTOR1，和SAMTOR分別能夠感知細(xì)胞內(nèi)亮氨酸、精氨酸和甲硫氨酸（其中SAMTOR通過感知S-腺苷甲硫氨酸間接感知甲硫氨酸）的含量。當(dāng)細(xì)胞中存在足夠量的可用氨基酸時，異二聚體RAG GTPases會促進(jìn)mTORC1定位于溶酶體從而促進(jìn)mTORC1 的活性（圖2）。mTORC1激活后最主要的功能是促使細(xì)胞翻譯蛋白質(zhì)。因此，由于mTORC1的活性受到生長因子信號通路和氨基酸含量的調(diào)控，細(xì)胞只有在同時滿足生長因子信號通路激活和氨基酸含量充足的條件下才能增加蛋白質(zhì)的合成用于支持細(xì)胞生長和分裂。

當(dāng)細(xì)胞內(nèi)可用的氨基酸含量降低時，細(xì)胞內(nèi)與氨基酸結(jié)合的tRNA含量相應(yīng)地就會減少。GCN2激酶能感知不結(jié)合氨基酸的tRNA水平的升高，從而磷酸化真核細(xì)胞翻譯啟始因子eIF2，導(dǎo)致細(xì)胞整體蛋白翻譯水平的降低來適應(yīng)氨基酸含量的減少。然而另一方面，雖然細(xì)胞整體的翻譯水平降低了，某些基因在其他開放閱讀框的翻譯卻能增加，這其中就包括了對ATF4基因表達(dá)的增加。ATF4轉(zhuǎn)錄因子下游的一組重要基因編碼構(gòu)成氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的蛋白質(zhì)，從而增加對于外界的氨基酸的攝取。除此之外，ATF4還能上調(diào)大部分的胞質(zhì)內(nèi)氨酰tRNA合成酶，因而能增加對于細(xì)胞內(nèi)的氨基酸的捕獲，用于蛋白質(zhì)的翻譯（圖2）。

圖2. 氨基酸感應(yīng)和獲取

2.2 合成非必需氨基酸

除了直接攝取氨基酸外，細(xì)胞還可以在需要時合成多種非必需氨基酸（NEAA）。許多NEAA在細(xì)胞生長中起著至關(guān)重要的作用，不僅支持蛋白質(zhì)的翻譯，還充當(dāng)核苷酸合成的底物并支持細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)。因此，分裂增殖的細(xì)胞經(jīng)常表現(xiàn)出有利于NEAA合成的代謝適應(yīng)性。

當(dāng)細(xì)胞通過GCN2感覺到氨基酸水平降低時，ATF4激活會直接導(dǎo)致參與NEAA合成的酶上調(diào)，例如天冬酰胺（Asparagine）合成中的ASNS以及絲氨酸（Serine）生物合成中的PHGDH和PSAT1 。除此之外，有的癌細(xì)胞能以更主動的方式激活NEAA的合成。例如，許多黑色素瘤和乳腺腫瘤中含有PHGDH基因的遺傳擴(kuò)增，從而使得絲氨酸的合成增加。而通常這些細(xì)胞對于絲氨酸合成的藥理干擾十分敏感，說明絲氨酸合成對于PHGDH過表達(dá)的腫瘤必不可少。

天冬氨酸（Aspartate）是另一種對細(xì)胞增殖十分重要的NEAA，因?yàn)樗呛塑账岷铣傻闹匾孜?。?xì)胞內(nèi)的天冬氨酸主要來自TCA循環(huán)的中間體草酰乙酸（Oxaloacetate）的胺化作用。最近的研究表明，TCA循環(huán)的活性對于支持天冬氨酸的合成至關(guān)重要。尤其是在癌細(xì)胞中，線粒體電子傳輸鏈（ETC）的主要功能除了支持ATP的合成外，還能使氧氣作為末端電子受體而促進(jìn)NAD +的再生從而支持天冬氨酸的合成。與此相對應(yīng)的是，在癌細(xì)胞中，可以通過直接補(bǔ)充天冬氨酸來挽救由ETC抑制引起的細(xì)胞增殖減少。

2.3 細(xì)胞外蛋白質(zhì)的回收利用

如上所述，細(xì)胞可以通過調(diào)節(jié)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)和通過調(diào)節(jié)非必需氨基酸的合成來特異性地調(diào)控細(xì)胞內(nèi)氨基酸的水平。另外，哺乳動物細(xì)胞還可以使用非選擇性內(nèi)吞途徑，例如巨胞飲作用（macropinocytosis），從細(xì)胞外空間大量吸收營養(yǎng)。原則上，巨胞飲作用能夠?yàn)榧?xì)胞提供多種營養(yǎng)物質(zhì)。而其中對于蛋白質(zhì)的巨胞飲已被證明是支持細(xì)胞增殖的重要氨基酸來源，特別是在癌癥細(xì)胞中。

與其他營養(yǎng)獲取策略相似，哺乳動物細(xì)胞在多個水平上調(diào)節(jié)巨胞飲作用。巨胞飲作用起始時的膜起皺和巨胞體形成通常能被生長因子信號傳導(dǎo)和PI3K所刺激。另外， RAS信號通路則是巨胞體攝取速率的主要調(diào)控機(jī)制。此外，作為感應(yīng)氨基酸含量和調(diào)控氨基酸利用的重要因子，mTORC1的活性對于巨胞飲作用起到抑制作用。因此，當(dāng)mTORC1活性受到抑制時，細(xì)胞通過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對于胞外游離氨基酸的利用減少，但通過巨胞飲作用對于細(xì)胞外蛋白質(zhì)的分解代謝卻增強(qiáng)。mTORC1的這種看似自相矛盾的作用可以解釋以下事實(shí)：盡管在許多類型的癌癥中編碼RTK、PI3K和PTEN的基因最經(jīng)常發(fā)生變化，但mTORC1中的激活突變卻很少。因?yàn)槌掷m(xù)性的mTORC1激活將導(dǎo)致對細(xì)胞外游離氨基酸利用的依賴性增加，而相應(yīng)地減弱了利用細(xì)胞外蛋白質(zhì)的能力。因此，面對腫瘤進(jìn)展過程中細(xì)胞外環(huán)境的波動，將限制營養(yǎng)素獲取策略的靈活性。

三、脂肪酸合成的升高

脂肪酸是所有脂質(zhì)的組成部分，因此是所有生物膜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。因此，分裂增殖細(xì)胞需要獲取足夠的脂肪酸以支持膜結(jié)構(gòu)的完整性和膜的擴(kuò)增。

3.1 合成脂肪酸

大多數(shù)正常細(xì)胞即使處于增殖狀態(tài)，也傾向于從循環(huán)系統(tǒng)中吸收其所需的大部分脂肪酸。然而，自1950年代以來人們就發(fā)現(xiàn)許多腫瘤細(xì)胞提高了自身合成脂肪酸的能力。而且隨著癌癥的發(fā)展，脂肪酸合成活性進(jìn)一步加劇。

大多數(shù)癌細(xì)胞糖酵解通量的增加支持了其內(nèi)源性脂肪酸合成的增加。葡萄糖碳進(jìn)入TCA循環(huán)后，很大一部分的碳從循環(huán)中轉(zhuǎn)移出來，并以檸檬酸的形式輸出回到細(xì)胞質(zhì)中。細(xì)胞質(zhì)中的ATP檸檬酸裂解酶（ACLY）可將檸檬酸裂解為草酰乙酸，同時釋放乙酰輔酶A（Acetyl-CoA），后者是脂肪酸鏈延長的主要底物。通過乙酰輔酶A羧化酶（ACC）和脂肪酸合酶（FASN）的進(jìn)一步活性，細(xì)胞能在乙酰輔酶A的基礎(chǔ)上合成各種脂肪酸（圖3）。

3.2 平衡飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸

除了增加脂肪酸的合成，對于細(xì)胞增殖而言，平衡飽和脂肪酸與不飽和脂肪酸的含量也同樣重要。在哺乳動物細(xì)胞中，脂肪酸的去飽和作用主要由硬脂酰輔酶A去飽和酶（SCD1）進(jìn)行，以氧依賴性和鐵依賴性的方式將飽和脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)閱尾伙柡椭舅?strong>（圖3）。

由于去飽和反應(yīng)對氧氣的依賴性，在缺氧條件下SCD1的活性會大大降低。由于腫瘤的進(jìn)展經(jīng)常伴隨著一定時期的氧氣供應(yīng)不足，癌細(xì)胞需要采用其他方法來獲取不飽和脂肪酸，從而減少對于SCD1的依賴。例如，在低氧或SCD1被抑制的情況下，具有致癌RAS突變的細(xì)胞能夠增強(qiáng)其對于細(xì)胞外磷脂的獲取能力，以補(bǔ)充細(xì)胞的不飽和脂肪酸，從而減輕了對SCD1的依賴性。

圖3. 脂肪酸合成

四、核苷酸的產(chǎn)生

與其他營養(yǎng)物質(zhì)相比，通過內(nèi)源性機(jī)制產(chǎn)生核苷酸對于分裂增殖的細(xì)胞尤其重要，因?yàn)橹苯訌募?xì)胞外空間攝取的核苷酸量微乎其微。在細(xì)胞增殖期間，由于需要合成核糖體RNA（rRNA）、復(fù)制基因組（合成DNA）和維持轉(zhuǎn)錄組（產(chǎn)生大量mRNA），因此對核苷酸的需求增加。在整個細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)中，核苷酸的生物合成也處于一個獨(dú)特的地位，因?yàn)楹铣珊颂牵奏ず袜堰实倪^程需要來自多種代謝途徑的底物和能量輸入，包括戊糖磷酸途徑（PPP）、一碳單位循環(huán)、電子傳輸鏈（ETC）和TCA循環(huán)。

4.1 生成5-磷酸核糖

5-磷酸核糖是戊糖核糖的磷酸化形式，在其基礎(chǔ)上建立含氮堿基即可構(gòu)成核苷酸。細(xì)胞內(nèi)的5-磷酸核糖主要來源于PPP的氧化階段，這一過程的限速酶G6PD將葡萄糖從糖酵解轉(zhuǎn)移到5-磷酸核糖的生產(chǎn)以及NADPH的產(chǎn)生。磷酸核糖焦磷酸合成酶（PRPS）隨后可以將5-磷酸核糖轉(zhuǎn)化為磷酸核糖焦磷酸（PRPP），從而激活了5-磷酸核糖使其用于核苷酸生物合成（圖4）。

核苷酸的產(chǎn)生需要大量的能量。例如，在嘌呤合成過程中，要消耗7個ATP分子才能在PRPP上構(gòu)建一個肌苷單磷酸（IMP）分子，還需要另外一個ATP或GTP分子才能將IMP轉(zhuǎn)化為AMP或GMP。因此，核苷酸合成必須與細(xì)胞能量狀態(tài)緊密協(xié)調(diào)。隨著ADP和GDP水平的提高，PRPS的酶活性會降低，這反映了核苷酸產(chǎn)物的積累，也表明細(xì)胞能量水平下降了。此外，細(xì)胞內(nèi)能量供應(yīng)不足時，AMPK活化可以直接使PRPS磷酸化，并將其從活性六聚體形式轉(zhuǎn)化為非活性單體形式（圖4）。總而言之，當(dāng)細(xì)胞能量狀態(tài)不是最佳時，這些機(jī)制都將減少核苷酸合成。

4.2 構(gòu)建嘧啶核苷酸

嘧啶核苷酸的合成是由氨基甲酸酯磷酸合成酶-II（CPS-II）在細(xì)胞質(zhì)中啟動的，該酶利用ATP，HCO3-和谷氨酰胺的酰胺基形成氨基甲酸酯磷酸。然后通過天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶（ATCase）的活性，將氨基甲酸酯磷酸酯與天冬氨酸縮合生成氨基甲?；於彼狨ァｋS后，二氫乳清酶將氨基甲?；於彼岘h(huán)化以形成環(huán)結(jié)構(gòu)的二氫乳清酸酯。在人類細(xì)胞中，CPS-II，ATCase和二氫乳清酶的活性都包含在三功能蛋白CAD中。與正常細(xì)胞生長取決于生長因子刺激的假設(shè)相一致，CAD也受生長因子信號調(diào)節(jié)。比如，在mTORC1的下游，S6K1能直接使CAD磷酸化，并誘導(dǎo)其提供產(chǎn)生組成核糖體所需的嘧啶核苷酸，從而支持蛋白質(zhì)翻譯。通過將CAD置于mTORC1的調(diào)控下，僅在存在足夠的氨基酸底物的情況下，才通過mTORC1活性促進(jìn)嘧啶合成的啟動。這樣，核苷酸的產(chǎn)生與細(xì)胞內(nèi)氨基酸的可用性相協(xié)調(diào)，共同支持細(xì)胞增殖（圖4）。

嘧啶合成下一步的獨(dú)特之處在于，酶二氫乳清酸脫氫酶（DHODH）位于線粒體內(nèi)膜的外表面（圖4），可將二氫乳清酸氧化生成乳清酸。與許多其他需要NAD +或NADP +作為電子受體的脫氫酶不同，DHODH會將電子轉(zhuǎn)移到泛醌，后者再將電子傳遞到呼吸復(fù)合物III，最終傳遞到氧。這樣，嘧啶合成中乳清酸的產(chǎn)生與ETC和細(xì)胞內(nèi)能量的產(chǎn)生相耦合，這對核苷酸合成施加了額外的控制并確保其符合細(xì)胞的能量狀態(tài)。該反應(yīng)獨(dú)特的代謝定位也使DHODH成為生長調(diào)節(jié)途徑中的重要一環(huán)，有可能成為癌癥治療的靶標(biāo)。

隨后，通過尿苷單磷酸合成酶（UMPS）的活性，乳清酸與PRPP結(jié)合形成尿苷單磷酸（UMP）。所有其他嘧啶核苷酸種類均來自UMP。值得注意的是，產(chǎn)生胞苷三磷酸（CTP）需要額外的谷氨酰胺分子來提供酰胺基。此外，對于DNA合成，胸苷酸合酶（TYMS）將脫氧UMP（dUMP）轉(zhuǎn)化為脫氧胸苷單磷酸（dTMP）。此反應(yīng)需要葉酸循環(huán)中間體5,10-亞甲基四氫葉酸（5,10-亞甲基-THF）作為甲基來源，并且是癌癥治療中的抗代謝物5-氟尿嘧啶的靶標(biāo)。

4.3 組裝嘌呤核苷酸

與嘧啶核苷酸的合成類似，嘌呤核苷酸的合成也需要利用各種碳和氮源，并整合了許多代謝途徑。整個嘌呤合成途徑都發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中。PRPP-酰胺基轉(zhuǎn)移酶（PPAT）首先通過谷氨酰胺中的酰胺基團(tuán)置換PRPP中的焦磷酸基團(tuán)，從而生成磷酸核糖胺（PRA）。然后，利用甘氨酸，谷氨酰胺和10N-甲?；?THF中的碳和氮將PRA轉(zhuǎn)化為環(huán)結(jié)構(gòu)的磷酸核糖基氨基咪唑（AIR）。隨后，HCO3-的碳和天冬氨酸的氮參與嘌呤的合成，與AIR形成磷酸核糖基氨基咪唑琥珀酰胺（SAICAR），再被腺苷琥珀酸裂解酶（ADSL）裂解以釋放氨基咪唑羧酰胺核糖核苷酸（AICAR）和TCA循環(huán)中間體富馬酸。最后，普通的嘌呤前體IMP由AICAR甲?；D(zhuǎn)移酶IMP環(huán)水解酶（ATIC）生成，并從10N-甲?；?THF中添加了第二個一碳單元。

嘌呤核苷酸的其他種類均來自IMP。為了合成AMP，腺苷琥珀酸合酶（ADSS）需要另外一個天冬氨酸分子，然后裂解所得腺苷琥珀酸以釋放AMP和富馬酸。GMP的產(chǎn)生則首先通過IMP脫氫酶（IMPDH）氧化IMP以形成黃嘌呤單磷酸（XMP），然后使用來自谷氨酰胺的酰胺基將XMP胺化為GMP。

綜上所述，為了產(chǎn)生嘧啶和嘌呤核苷酸，細(xì)胞需要不斷供應(yīng)源自多種氨基酸和代謝中間體的碳和氮。核苷酸合成途徑與多種代謝過程密切相關(guān)。由于這些廣泛的代謝相互作用，核苷酸合成受到嚴(yán)格的細(xì)胞控制。也因?yàn)槿绱?，?dāng)前在癌癥治療中使用的許多抗代謝物都利用核苷酸生物合成過程來選擇性地?fù)p害增殖的癌細(xì)胞。

圖4. 嘧啶和嘌呤核苷酸的合成

五、與微環(huán)境的相互作用

除細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)外，增殖細(xì)胞與其所處的細(xì)胞外環(huán)境之間也發(fā)生廣泛的代謝相互作用。在這種微環(huán)境中存在多種成分，包括脈管系統(tǒng)，細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）和其他各種細(xì)胞類型，例如成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞。增殖細(xì)胞與其周圍環(huán)境之間的相互作用是雙向且多方面的（圖5）。在這里，我們討論細(xì)胞外環(huán)境如何影響增殖細(xì)胞的代謝。

5.1 從微環(huán)境接受代謝的信號

傷口愈合是正常狀況下需要增強(qiáng)細(xì)胞增殖的生理過程。愈合的傷口代表了典型的微環(huán)境，在該環(huán)境中，必須擴(kuò)展數(shù)量以修復(fù)受損組織的實(shí)質(zhì)細(xì)胞與提供環(huán)境支持的相關(guān)基質(zhì)細(xì)胞和免疫細(xì)胞之間相互作用。傷口愈合是高度協(xié)調(diào)的過程，涉及了各種細(xì)胞類型之間復(fù)雜的代謝相互作用。在上皮再生過程中，免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞釋放的生長因子富集到傷口周圍成為信號，允許營養(yǎng)物質(zhì)被剩余的增殖細(xì)胞吸收和擴(kuò)散，從而支持上皮再生。同時，源自免疫細(xì)胞的轉(zhuǎn)化生長因子β（TGF）誘導(dǎo)局部成纖維細(xì)胞的細(xì)胞命運(yùn)變化，繼而產(chǎn)生并沉積ECM蛋白以支持組織重塑。組織損傷通常還伴隨著血液供應(yīng)和氧氣輸送中斷。局部低氧環(huán)境能刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生VEGF，從而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖以及新血管形成（圖5）。

腫瘤的發(fā)展在許多方面類似于傷口愈合的過程。實(shí)際上，有人建議將腫瘤作為“無法愈合的傷口”進(jìn)行研究。從代謝的角度來看，癌細(xì)胞與腫瘤微環(huán)境（TME）之間的相互作用不僅具有傷口愈合的特征，而且還表現(xiàn)出其他獨(dú)有的特征。例如，長期以來，人們一直認(rèn)為，與癌癥相關(guān)的成纖維細(xì)胞（CAF）在癌癥的發(fā)展過程中具有決定性作用。CAFs響應(yīng)生長因子和低氧環(huán)境而經(jīng)歷大量的代謝變化，并支持癌細(xì)胞的合成代謝生長。最近的一個例子表明，在TGF信號傳導(dǎo)后，CAF中的p38 MAPK途徑被激活，從而促進(jìn)CAF中細(xì)胞因子的產(chǎn)生和釋放，刺激儲存在相鄰癌細(xì)胞中的糖原作為葡萄糖的來源。此外，腫瘤微環(huán)境下的低氧狀態(tài)通過缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）誘導(dǎo)其下游基因靶標(biāo)向癌細(xì)胞發(fā)出信號，以增強(qiáng)糖酵解。反過來，乳酸含量的增加會增強(qiáng)免疫細(xì)胞的VEGF分泌，并刺激血管生成?？傮w而言，癌細(xì)胞在與TME的長時間作用下可利用傷口愈合過程的特性來調(diào)節(jié)其代謝程序以支持增殖。

5.2 從微環(huán)境獲取營養(yǎng)物質(zhì)

為了支持高增殖率，癌細(xì)胞通常會大量消耗微環(huán)境中的種營養(yǎng)物質(zhì)，例如對合成代謝生長至關(guān)重要的各種NEAA。這導(dǎo)致癌細(xì)胞通常需要轉(zhuǎn)向從TME獲取營養(yǎng)的機(jī)會模式，以維持腫瘤的生長并適應(yīng)其環(huán)境的變化。如前所述，RAS轉(zhuǎn)化的癌細(xì)胞能夠通過巨胞飲作用獲取細(xì)胞外蛋白和溶血磷脂以用作氨基酸和脂肪酸的來源。此外，癌細(xì)胞還能夠分解成纖維細(xì)胞沉積的ECM成分，例如TME中大量存在的膠原蛋白，從而在營養(yǎng)饑餓狀態(tài)下提取氨基酸（圖5）。

在癌癥轉(zhuǎn)移侵入一個新的生長環(huán)境的過程中，癌細(xì)胞還能主動適應(yīng)和利用周圍的各種營養(yǎng)。例如，大網(wǎng)膜入侵是卵巢癌轉(zhuǎn)移的一種主要形式。有研究表明，卵巢癌細(xì)胞中脂肪酸結(jié)合蛋白4（FABP4）的上調(diào)是卵巢癌轉(zhuǎn)移的決定因素之一，因?yàn)樗拱┘?xì)胞能夠直接從網(wǎng)膜脂肪細(xì)胞中獲取脂質(zhì)。

圖5. 代謝與微環(huán)境的相互作用

六、適應(yīng)代謝應(yīng)力

盡管分裂增殖的細(xì)胞進(jìn)行了新陳代謝網(wǎng)絡(luò)的大量重編程，但這些細(xì)胞仍然會不斷遇到各種代謝的應(yīng)力。對于癌細(xì)胞而言尤其如此，因?yàn)榘┘?xì)胞的增殖常常會超過現(xiàn)有脈管系統(tǒng)提供氧氣和營養(yǎng)的閾值。

6.1 應(yīng)對營養(yǎng)匱乏的狀況

當(dāng)營養(yǎng)供應(yīng)受到限制時，哺乳動物細(xì)胞能夠利用多種機(jī)制維持生物能量供應(yīng)并支持細(xì)胞分裂。自噬是關(guān)鍵的分解代謝過程，在營養(yǎng)缺乏的情況下，細(xì)胞可以充分利用細(xì)胞內(nèi)的成分。營養(yǎng)匱乏通常會導(dǎo)致mTORC1活性降低，從而激活激酶（ULK）復(fù)合體，并啟動雙膜自噬體的形成。通過一系列自噬相關(guān)蛋白（ATG）的協(xié)調(diào)，自噬膜包裹底物并將底物傳輸至溶酶體進(jìn)行降解。自噬的底物包括蛋白質(zhì)，脂質(zhì)以及核糖體。因此，自噬途徑重新利用了有限的細(xì)胞內(nèi)資源，并使細(xì)胞能夠抵抗?fàn)I養(yǎng)和能量危機(jī)。除營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用外，自噬也是一種重要的機(jī)制來介導(dǎo)受損的或多余的細(xì)胞器的降解，以維持細(xì)胞的完整性和功能性。

自噬通常與細(xì)胞生長的抑制有關(guān)。然而，自噬在癌癥的發(fā)生中的作用需視情況而定。一方面，有研究表明在小鼠模型中自噬缺陷會促進(jìn)癌癥的發(fā)生。值得注意的是，自噬缺陷會導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定以及致癌信號級聯(lián)反應(yīng)的激活，因此自噬可能通過與代謝不直接相關(guān)的機(jī)制限制腫瘤的發(fā)生。另一方面，更多的研究表明通過自噬來維持營養(yǎng)的供給是支持癌細(xì)胞生長和腫瘤進(jìn)展的重要因素。例如，在由RAS驅(qū)動的NSCLC的小鼠模型中，自噬被證明在維持細(xì)胞核苷酸水平和能量平衡以支持癌細(xì)胞存活中具有關(guān)鍵作用。與正常胰腺細(xì)胞相比，胰腺癌細(xì)胞被發(fā)現(xiàn)具有較高的基礎(chǔ)自噬活性，并且自噬被證明是胰腺腫瘤生長的必需成分。此外，如上所述，癌細(xì)胞外源性自噬途徑（發(fā)生在腫瘤微環(huán)境中的宿主肝臟或基質(zhì)細(xì)胞中）也可影響營養(yǎng)狀況，進(jìn)而影響癌細(xì)胞的存活和生長。了解自噬在支持腫瘤細(xì)胞生長和增殖中的作用有可能揭示癌癥治療新的選擇。

6.2 維持氧化還原穩(wěn)態(tài)

維持氧化還原穩(wěn)態(tài)對于幾乎所有代謝過程都是必不可少的。細(xì)胞氧化還原平衡的重要指標(biāo)之一是維持NADH與NAD +的比率。在哺乳動物細(xì)胞中，電子可以從碳源（例如葡萄糖）中捕獲，將NAD+轉(zhuǎn)化為NADH，并最終通過線粒體中的ETC被氧氣獲得以驅(qū)動ATP的產(chǎn)生。無論糖酵解產(chǎn)物是在線粒體TCA循環(huán)中分解代謝還是轉(zhuǎn)移到合成代謝中，細(xì)胞中都會積累NADH。因此細(xì)胞必須將其重新轉(zhuǎn)化為NAD+才能維持氧化還原穩(wěn)態(tài)。例如，在由于PI3K突變而具有高糖酵解速率的癌細(xì)胞中，蘋果酸-天冬氨酸的相互轉(zhuǎn)換對于促進(jìn)胞質(zhì)電子向線粒體的轉(zhuǎn)運(yùn)是必需的。

并非增殖細(xì)胞中所有營養(yǎng)物質(zhì)的使用都用于合成代謝。例如，許多癌細(xì)胞顯示出對絲氨酸的需求增加。除了其在蛋白質(zhì)翻譯和核苷酸合成中的合成代謝作用外，線粒體中絲氨酸的分解代謝對于支持NADPH的產(chǎn)生和氧化還原平衡至關(guān)重要。此外，除了可作為TCA循環(huán)的補(bǔ)充底物外，谷氨酰胺在維持細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽含量以進(jìn)行氧化還原調(diào)節(jié)方面也很重要（圖6）。

由于其較高的糖酵解速率和隨著細(xì)胞的局部環(huán)境中富集并消耗氧氣，增殖細(xì)胞面臨著NADH與NAD +比例升高的問題，這導(dǎo)致氧化還原失衡，因此增加了活性氧（ROS）的產(chǎn)生。線粒體ETC是細(xì)胞ROS的主要來源之一。當(dāng)電子傳遞給氧氣時，其中一部分電子會從ETC中逸出并直接與氧氣反應(yīng)生成超氧化物，而超氧化物是許多其他ROS（如過氧化氫和羥基自由基）的前體。ROS的另一個來源是NADPH氧化酶（NOXs），NADPH氧化酶是一種膜結(jié)合酶，可通過將一個電子從NADPH轉(zhuǎn)移到氧來催化超氧化物自由基的產(chǎn)生。為了防止可能導(dǎo)致對細(xì)胞成分產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)損傷的ROS積累，細(xì)胞具有多種抗氧化機(jī)制，例如硫氧還蛋白系統(tǒng)和谷胱甘肽系統(tǒng)。此外，當(dāng)ROS水平升高時，抗氧化劑反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子NRF2將被穩(wěn)定，因?yàn)槠湄?fù)調(diào)節(jié)劑 KEAP1被氧化并失去了促進(jìn)NRF2降解的能力。進(jìn)入核內(nèi)的NRF2可激活參與細(xì)胞抗氧化劑系統(tǒng)合成和利用的多個基因，以清除過量的細(xì)胞ROS（圖6）。

有趣的是，ROS水平的適度增加可刺激細(xì)胞生長，部分原因是過氧化氫可氧化多種蛋白質(zhì)磷酸酶（包括PTEN和MAPK磷酸酶）的半胱氨酸殘基，并抑制其活性。ROS的生理水平對于許多生物過程至關(guān)重要。例如，在間充質(zhì)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞分化的過程中，ETC復(fù)合物III產(chǎn)生的ROS是必不可少的。但是，過量的ROS生成會超過生理細(xì)胞的抗氧化能力，于是增殖細(xì)胞經(jīng)常上調(diào)其抗氧化防御機(jī)制。因此以抗氧化劑系統(tǒng)為目標(biāo)已成為癌癥生物學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

圖6. 增殖細(xì)胞中氧化還原穩(wěn)態(tài)的維持

七、總結(jié)

過去幾十年的研究極大地增進(jìn)了我們對細(xì)胞代謝的理解。代謝調(diào)節(jié)至關(guān)重要地參與了各種細(xì)胞過程，包括細(xì)胞生長和增殖。通過對生理和病理細(xì)胞增殖的研究，極大地擴(kuò)展了細(xì)胞如何獲取和利用各種類型的營養(yǎng)以促進(jìn)合成代謝的認(rèn)知。隨著對合成代謝認(rèn)知的不斷增長，我們還看到了疾病治療中代謝干預(yù)措施的發(fā)展。在癌癥的臨床診斷中，癌細(xì)胞的代謝特征目前被用于診定和劃分許多常見腫瘤的階段，例如FDG-PET掃描在癌癥診斷中的廣泛使用?？勾x物的使用以及以代謝酶為目標(biāo)的小分子抑制劑的開發(fā)改善了治療的效果。例如，核苷類似物吉西他濱和阿糖胞苷是化學(xué)療法的組成部分，被用于治療各種類型的惡性腫瘤。代謝干預(yù)措施在癌癥治療的應(yīng)用中擁有悠久的歷史，并且這些方法可能會在未來幾年中不斷拓展應(yīng)用。

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https://www.nature.com/articles/s41580-019-0123-5