劉璋楠侯俊清王慧娟

1.河南大學基礎(chǔ)醫(yī)學院 河南大學抗體藥物開發(fā)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,河南 開封 475004;2.河南大學 淮河臨床學院,河南 開封475000

自從19世紀20年代Warburg效應提出以來,人們普遍接受了代謝異常是腫瘤的重要特征[1]。惡性腫瘤細胞中進行著旺盛的代謝運動,需要大量的能量供應,快速合成核苷酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子,甚至可以奪取正常組織的分解產(chǎn)物,合成腫瘤本身所需要的物質(zhì)。許多代謝酶及代謝物的變化都會導致細胞代謝表型的改變從而啟動腫瘤的發(fā)生。臨床研究中已經(jīng)將腫瘤發(fā)生發(fā)展及治療效果不佳的現(xiàn)象與整個機體的代謝改變聯(lián)系起來。

腫瘤細胞主要依靠糖酵解來產(chǎn)生能量,糖酵解在腫瘤細胞中異?；罨?絲氨酸合成通路作為糖酵解的分支,近年來受到越來越多的關(guān)注[2]。絲氨酸作為非必需氨基酸,正常細胞可以依靠內(nèi)源性合成滿足生長需求,而腫瘤細胞由于生長加快、代謝增強,還需要外源性的攝入。合成和攝入的絲氨酸在絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶SHMT(胞質(zhì):SHMT1;線粒體:SHMT2)的作用下轉(zhuǎn)化成甘氨酸,同時提供一個碳原子進入一碳代謝,為腫瘤生長所需的蛋白質(zhì)和核酸合成提供了必要的前體物質(zhì)[3]。位于線粒體中的同工酶SHMT2的表達在多種腫瘤中顯著上調(diào),且與預后不良相關(guān)[4-6],本文就近年來絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶2(SHMT2)在腫瘤中的研究進展作如下總結(jié)。

1 SHMT2功能及在腫瘤中的表達

絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶(SHMT)是絲氨酸/甘氨酸合成途徑和一碳代謝的關(guān)鍵酶,在人類基因組中發(fā)現(xiàn)了兩類SHMT基因,即SHMT1和SHMT2。SHMT2位于12q13染色體位點,編碼55k D大小的蛋白,主要存在于線粒體中,而SHMT1編碼胞質(zhì)同工酶,可運輸至細胞核[7]。見圖1。

圖1 絲氨酸/甘氨酸合成途徑和一碳代謝

最近的研究[8]表明,SHMT2在多種腫瘤中顯著高表達,且與不良預后相關(guān)。例如SHMT2在肝癌中高表達,干擾SHMT2后能抑制肝癌的發(fā)展,而在肝癌細胞系中,SHMT2的下調(diào)在體內(nèi)外均可降低細胞的生長和致瘤性,SHMT2表達與肝內(nèi)膽管癌患者腫瘤TNM分期顯著相關(guān),隨著TNM分期的增加,SHMT2的表達增加,SHMT2水平較低的患者總體生存率較高[9];SHMT2在快速增殖膠質(zhì)瘤中也存在高表達,促進新陳代謝的變化,使腫瘤細胞耐受缺血缺氧的微環(huán)境,此功能可能依賴于甘氨酸的清除[10],在膠質(zhì)瘤患者中,SHMT2的高表達被認為是一個獨立的預后因子[11];基因富集分析發(fā)現(xiàn),SHMT2的高表達與乳腺癌患者的侵襲性和較差生存率顯著相關(guān),SHMT2在乳腺癌ER-病例中是一個有價值的預后指標,可以作為乳腺癌治療和藥物開發(fā)的潛在靶點[12];另有臨床研究[13]也表明,SHMT2的高表達與結(jié)直腸癌侵襲性和預后相關(guān)。以上研究結(jié)果都顯示SHMT2在多種腫瘤中高表達,抑制SHMT2可以抑制腫瘤細胞的生長和侵襲,SHMT2很可能作為腫瘤治療的一個新靶點。

2 SHMT2影響腫瘤細胞生長的可能機制

目前只有少量文獻報道什么機制影響腫瘤細胞的生長,具體機制尚不清楚。有報道[14]對敲除SHMT2的細胞進行轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn),細胞周期的相關(guān)蛋白變化顯著,找到多個與細胞周期相關(guān)的基因表達下調(diào),把排名第一的基因UHRF1(泛素樣,含有PHD和RING指環(huán)結(jié)構(gòu)域蛋白1)進行過表達,在敲除SHMT2的細胞中回補UHRF1,細胞的增殖能力在體內(nèi)、外實驗中均得到恢復,但并沒有達到原始水平,又對測序結(jié)果中排名第二的CCND1(細胞周期蛋白D1)基因進行回補,結(jié)果顯示細胞增殖能力得到完全恢復。因此,SHMT2可能通過靶向下游與周期相關(guān)的兩個基因UHRF1和CCND1對細胞增殖進行調(diào)控。

SHMT2是介導絲氨酸轉(zhuǎn)化成甘氨酸的關(guān)鍵酶。該過程伴隨THF大量生成,是嘌呤、嘧啶及膠原蛋白合成的基礎(chǔ)原料,而代謝產(chǎn)物甘氨酸在細胞增殖中也發(fā)揮重要作用。小鼠原代肝細胞內(nèi)的甘氨酸可激活Akt-m TOR通路來促進細胞DNA合成,上調(diào)SHMT2導致的細胞增殖加快與胞內(nèi)甘氨酸含量增加及Akt-m TOR通路活化相關(guān),抑制SHMT2表達所導致肝細胞增殖抑制及肝功受損與組織甘氨酸含量及Akt-m TOR通路活性降低相關(guān),因此,SHMT2可以促進肝細胞復制,其機制可能與甘氨酸介導的Akt-m TOR通路活化相關(guān)[15]。

SHMT2可能通過STAT3/SHMT2/PKM2回路調(diào)節(jié)癌癥進展早期對炎癥的代謝變化,STAT3是STAT家族成員之一,可參與多種調(diào)節(jié)途徑,SHMT2基因上游區(qū)域有一個STAT3結(jié)合位點,STAT3可能在缺氧或氧化應激條件下負責誘導和維持Warburg效應。例如在人前列腺癌細胞系中,用IL-6誘導炎癥反應,乳酸的產(chǎn)生明顯增加,提示代謝向Warburg效應轉(zhuǎn)移,同時發(fā)現(xiàn)SHMT2線粒體表達增加,活性增強,導致SHMT2的底物絲氨酸濃度下降,而絲氨酸是PKM2的變構(gòu)陽性調(diào)節(jié)因子,有利于PKM2從四聚體向二聚體的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)化減慢了糖酵解通量,增加了乳酸/丙酮酸的比例,導致代謝變化,這種代謝變化是通過增加SHMT2的表達來維持的[16]。

SHMT2可以限制丙酮酸激酶(PKM2)的活性,從而降低氧的消耗,引發(fā)一種代謝改變,這種狀態(tài)給處于血管分布較少的腫瘤區(qū)域細胞帶來了巨大的生存優(yōu)勢。PKM2在糖酵解過程中催化磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸,可減緩腫瘤生長。降低PKM2的活性可以使糖酵解產(chǎn)生的碳以一種有利于腫瘤細胞增殖的方式重新分布在腫瘤中,SHMT2的表達可以抑制PKM2的活性,從而抑制碳通量進入TCA循環(huán),在缺氧環(huán)境下促進膠質(zhì)瘤細胞的存活[10]。

作為癌基因c-Myc的轉(zhuǎn)錄靶點,SHMT2的過表達可以刺激c-Myc缺陷細胞的快速增殖[17];相反,在Myc依賴的細胞中敲除SHMT2,降低了NADPH/NADP+的產(chǎn)率,結(jié)果導致活性氧含量升高,進而觸發(fā)缺氧誘導的細胞死亡[18]。在非小細胞肺癌里(NSCLC),轉(zhuǎn)錄因子NRF2通過ATF4控制絲氨酸/甘氨酸代謝的關(guān)鍵酶PHGDH、SHMT2的表達,以支持谷胱甘肽和核苷酸的產(chǎn)生,并與NSCLC的臨床侵犯性相關(guān)[19]。Celardo等[20]發(fā)現(xiàn),ATF4調(diào)節(jié)單碳代謝基因SHMT2和線粒體亞甲基四氫葉酸脫氫酶(NMDMC)的表達,對線粒體起到的保護作用,而抑制SHMT2或NMDMC會導致線粒體功能缺陷。

在SHMT2的自身調(diào)節(jié)方面也取得了一定的進展,主要集中在SHMT2的表觀修飾方面。由于蛋白自動琥珀?；姆敲复呋饔?新翻譯的SHMT2可能被琥珀?；鶊F阻斷,在沒有酶活性的情況下保持其同源二聚體狀態(tài)。但當細胞處于快速增殖狀態(tài)或代謝應激狀態(tài)時,SIRT5使SHMT2脫羧,并從K280中去除琥珀基,從而增強SHMT2四聚體的形成,激活其酶活性,使絲氨酸的分解代謝增強,提供一碳單位來促進腫瘤的快速增殖,從而促進腫瘤細胞生長[21]。與SIRT5相同,SIRT3也有類似的功能,SIRT3通過去乙?；疭HMT2在結(jié)直腸癌中發(fā)揮致癌作用,去乙酰化的SHMT2可以使絲氨酸消耗增加,促進腫瘤細胞生長,發(fā)揮其致癌功能[14]。

3 相關(guān)抑制劑的開發(fā)研究

除了已知的“Warburg effect”之外,腫瘤細胞為了滿足其快速增殖的需求,會消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)進入生物大分子合成的通路,并且會提供足夠的ATP。幾乎所有的腫瘤細胞都具有這種代謝變化,這些改變的代謝通路就可能會成為潛在的治療靶點[22-23]。近年來人們針對腫瘤相關(guān)代謝通路的關(guān)鍵酶采取各種手段試圖抑制其活性,減少其代謝物的產(chǎn)生,從而達到抑制腫瘤生長的目的。

SHMT2在腫瘤細胞的表達升高促進細胞代謝的轉(zhuǎn)變,使細胞在缺血的腫瘤微環(huán)境中存活,因此SHMT2被認為是腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中至關(guān)重要的一個酶。Gucker等[24]于2017年通過大量的實驗得到了對SHMT1/2均有抑制活性的化合物,發(fā)現(xiàn)這些化合物在細胞水平作用明顯,但由于其在體內(nèi)快速清除,限制了其臨床應用,需要后期投入更多的精力來進行結(jié)構(gòu)改造以獲得成藥性更好的化合物。

絲氨酸/甘氨酸代謝是連接絲氨酸和一碳代謝的橋梁,針對絲氨酸合成和一碳代謝的小分子抑制劑的開發(fā)也得到了廣泛的關(guān)注。磷酸甘油酸脫氫酶PHGDH是絲氨酸合成的關(guān)鍵酶,靶向PHGDH的小分子抑制劑(NCT503、CBR-5884)可以抑制腫瘤細胞的生長[25-26],尤其對于PHGDH高表達的腫瘤具有很好的臨床應用前景,如膠質(zhì)瘤、肺癌、前列腺癌等[27-29]。一碳代謝共涉及三個細胞途徑:葉酸循環(huán)、甲硫氨酸循環(huán)和轉(zhuǎn)硫途徑,葉酸循環(huán)的關(guān)鍵酶是亞甲基四氫葉酸脫氫酶2(MTHFD2),其高表達與乳腺癌、腎癌和胰腺癌的不良臨床預后顯著相關(guān)[30-32],并且可以促進腫瘤細胞的干細胞轉(zhuǎn)化、EMT化和多藥耐藥[31-32]。為了防止腫瘤治療過程中耐藥性的產(chǎn)生,促使了一些新的靶向于MTHFD2的抑制劑的產(chǎn)生[33]。BHMT(甜菜堿-同型半胱氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)將同型半胱氨酸還原為甲硫氨酸,是甲硫氨酸循環(huán)的關(guān)鍵酶,其在小鼠體內(nèi)的缺失促進了脂肪肝、肝癌和同型半胱氨酸的積累,還會導致某些組織中多胺和鞘脂類物質(zhì)的消耗[34]。甲硫氨酸循環(huán)產(chǎn)生了S-腺苷甲硫胺酸(SAM),在甲基化反應中充當甲基供體[35],參與組蛋白、DNA和RNA的甲基化反應,針對甲基轉(zhuǎn)移酶的抑制劑在腫瘤治療中已經(jīng)進入了臨床前研究[36]。

4 展望

基于腫瘤組織和正常組織的代謝差異,代謝組學在腫瘤生物學研究中具有比較明顯的優(yōu)勢。代謝通路是一系列基因和蛋白質(zhì)的最終的共同通路,可以得到更多的整合分析信息。隨著科學的進步和研究的深入,針對腫瘤的治療方法越來越具有多樣性。靶向腫瘤代謝是目前腫瘤治療中很有前途的策略之一,位于線粒體中的同工酶SHMT2的表達在多種腫瘤中顯著上調(diào),且與預后不良相關(guān)。甚至有研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞需要SHMT2的作用才能達到最佳的增殖和致瘤性。因此,探討SHMT2代謝酶在腫瘤中的作用及其機制,將會為抗腫瘤藥物的開發(fā)和生物標志物的發(fā)現(xiàn)帶來更多新的機會。