施洋峰 應(yīng)可凈 王利民

代謝重編程是腫瘤的一個(gè)關(guān)鍵特征，它滿足了腫瘤細(xì)胞異常增殖時(shí)對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的需求，在腫瘤生長、侵襲、轉(zhuǎn)移及化療抵抗等過程中起到重要作用。其中一碳代謝的改變在腫瘤中尤為明顯，研究顯示其參與了腫瘤細(xì)胞中生物大分子（核酸、氨基酸和脂質(zhì)等）的合成、同型半胱氨酸甲基化、ATP的合成及氧化還原穩(wěn)態(tài)的維持等[1]。目前靶向一碳代謝酶如二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase,DHFR）和胸苷酸合成酶（thymidylate synthase,TYMS）的藥物如甲氨蝶呤、5-氟尿嘧啶和培美曲塞等已應(yīng)用于臨床，并取得了一定的療效。然而此類藥物由于同時(shí)殺傷腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞，且靶點(diǎn)特異性低，會(huì)引起胃腸道反應(yīng)、骨髓抑制、肝臟及心臟毒性等不良反應(yīng)[2]。因此，需要深入探索一碳代謝，尋找更有效的靶點(diǎn)。一碳代謝分為細(xì)胞質(zhì)途徑和線粒體途徑，其中參與線粒體途徑的亞甲基四氫葉酸脫氫酶2（methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2,MTHFD2）在腫瘤中表達(dá)明顯上調(diào)，而在大部分正常成人組織中不表達(dá)[3]。最近研究發(fā)現(xiàn)MTHFD2與腫瘤的多種惡性表型相關(guān)，且具有非代謝的兼職功能（moon‐lighting），同時(shí)MTHFD2抑制劑相關(guān)研究亦取得不斷突破，這提示MTHFD2將成為腫瘤一碳代謝的重要靶點(diǎn)。本文就MTHFD2在腫瘤中的相關(guān)研究進(jìn)展作一綜述。

1 MTHFD2在腫瘤中的表達(dá)及臨床意義

一碳代謝酶MTHFD在細(xì)胞內(nèi)主要包括MTHFD1和MTHFD2。MTHFD1主要位于細(xì)胞質(zhì)，呈廣泛表達(dá)；而MTHFD2主要位于線粒體，在成人組織中卻表達(dá)缺失[3]。MTHFD2（37 kDa）由 350個(gè)氨基酸構(gòu)成，2 號(hào)染色體核基因MTHFD2編碼，是一個(gè)NAD(P)依賴的雙功能酶，具有脫氫酶活性和環(huán)水解酶活性[4]。MTHFD2能將CH2-四氫葉酸（CH2-tetrahydrofolic acid,CH2-THF）催化成10CHO-THF，同時(shí)將氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸[nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NAD（P）+]轉(zhuǎn)換為NAD(P)H，促進(jìn)一碳代謝反應(yīng)[5]。

在胚胎發(fā)育過程中MTHFD2通過酶促反應(yīng)支持細(xì)胞的快速增殖，隨著組織細(xì)胞的成熟逐漸被MTHFD2L替代[6]。在腫瘤中MTHFD2被再度激活，成為表達(dá)上調(diào)最為一致的一碳代謝酶[3]。MTHFD2在肝癌、腎癌、胰腺癌、肺癌、結(jié)直腸癌、乳腺癌和卵巢癌等多種腫瘤中呈過表達(dá)現(xiàn)象，與患者不良預(yù)后相關(guān)[7-13]。胰腺癌患者中，高表達(dá)MTHFD2預(yù)示患者伴有更短的總生存期（overall survival,OS）和無病生存期（disease-free sur‐vival,DFS）。此外，多因素Cox風(fēng)險(xiǎn)比例回歸模型將MTHFD2表達(dá)水平確定為OS和DFS的獨(dú)立預(yù)測因子[9]。乳腺癌和腎癌患者中MTHFD2表達(dá)上調(diào)，并與患者臨床分期、病理分級(jí)和不良預(yù)后相關(guān)[8,12]。肝癌患者中MTHFD2表達(dá)升高，并且表達(dá)量與TNM分期、腫瘤微栓發(fā)生率、腫瘤轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)率和復(fù)發(fā)時(shí)間呈正相關(guān)[7]。在肺腺癌患者中，MTHFD2高表達(dá)與男性、吸煙史、進(jìn)展的臨床分期和短OS具有一定關(guān)系[10]。因此，MTHFD2與腫瘤的進(jìn)展有著密切聯(lián)系，是一個(gè)潛在的腫瘤診療靶點(diǎn)。

2 MTHFD2對(duì)腫瘤表型及代謝的影響

MTHFD2的基本功能是通過脫氫酶活性和環(huán)水解酶活性促進(jìn)一碳代謝循環(huán)。當(dāng)前研究顯示，MTHFD2可影響腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移、侵襲、干細(xì)胞特性、化療抵抗及免疫逃逸等表型。Lehtinen等[14]報(bào)道轉(zhuǎn)化生長因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）可誘導(dǎo)乳腺癌中MTHFD2的表達(dá)，敲低MTHFD2會(huì)抑制乳腺癌細(xì)胞的遷移和侵襲能力，并降低波形蛋白和CD44的表達(dá)。Shi等[10]研究描述了敲低MTHFD2會(huì)抑制肺腺癌細(xì)胞的增殖和遷移能力，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，逆轉(zhuǎn)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition,EMT）。MTHFD2是腫瘤細(xì)胞內(nèi)重要的抗氧化因子。Ju等[11]發(fā)現(xiàn)抑制MTHFD2會(huì)降低結(jié)直腸癌細(xì)胞中NADPH/NADP+和GSH/GSSG比值，破壞細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)。應(yīng)激環(huán)境（低氧、侵入血管）會(huì)明顯升高細(xì)胞內(nèi)的活性氧（reactive oxygen species,ROS）水平，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制結(jié)直腸癌的生長和轉(zhuǎn)移。MTHFD2介導(dǎo)的一碳代謝與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展有著密切聯(lián)系。Bonagas等[15]研究MTHFD2抑制劑時(shí)發(fā)現(xiàn)，抑制MTHFD2會(huì)引起急性髓系白血病細(xì)胞周期S期停滯和細(xì)胞凋亡。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明，MTHFD2抑制劑會(huì)阻止一碳代謝循環(huán)時(shí)胸腺嘧啶的產(chǎn)生，導(dǎo)致DNA復(fù)制時(shí)尿嘧啶的錯(cuò)誤摻入，引起腫瘤細(xì)胞的復(fù)制應(yīng)激。Green等[16]在腎癌中的研究表明，MTHFD2可通過一碳代謝產(chǎn)生S-腺苷蛋氨酸（S-Adenosyl methionine,SAM），增加低氧誘導(dǎo)因子-2α（hypoxia inducible factor-2α,HIF-2α）mRNA的甲基化并增強(qiáng)其翻譯，進(jìn)而促進(jìn)腎癌中MTHFD2的表達(dá)及有氧糖酵解。該研究建立了MTHFD2與N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine,m6A）甲基化之間的聯(lián)系。在吉非替尼耐藥肺癌細(xì)胞模型中，敲除MTHFD2會(huì)引起嘌呤合成代謝障礙，嘌呤中間體5-氨基咪唑羧基酰胺核糖核苷酸（aminoimidazole carboxamide ribonucleotide,AICAR）積累，肺癌細(xì)胞生長受阻[17]。同時(shí)，敲除MTHFD2可明顯損害肺癌的干細(xì)胞特性和吉非替尼耐藥性，并起到殺傷腫瘤細(xì)胞和預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)的作用。在腫瘤代謝與免疫逃逸方面，Shang等[18]發(fā)現(xiàn)MTHFD2驅(qū)動(dòng)的一碳代謝維持了腫瘤細(xì)胞內(nèi)高水平的尿苷相關(guān)代謝產(chǎn)物[如二磷酸尿核苷（uridine diphosphate,UDP）-GlcNAc]，促使cMYC的O-GlcNAcylation糖基化修飾，從而提高了cMYC的穩(wěn)定性，促進(jìn)了細(xì)胞程序性死亡-配體1（programmed cell death-ligand 1,PD-L1）的轉(zhuǎn)錄。由此可見MTHFD2介導(dǎo)的一碳代謝影響著腫瘤的惡性表型，促進(jìn)了腫瘤的發(fā)展。

3 MTHFD2的兼職功能

除了一碳代謝酶活性外，MTHFD2還表現(xiàn)出非代謝的兼職功能。目前的研究結(jié)果顯示執(zhí)行兼職功能的MTHFD2主要定位于細(xì)胞核[5]。Gustafsson等[19]的研究證實(shí)在細(xì)胞核的DNA復(fù)制位點(diǎn)存在MTHFD2，且過表達(dá)無酶促活性的MTHFD2同樣會(huì)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。在小鼠胚胎干細(xì)胞中，細(xì)胞核內(nèi)的MTHFD2可通過穩(wěn)定核酸外切酶1（exonuclease 1,EXO1）的磷酸化促進(jìn)DNA同源重組修復(fù)，維持多能干細(xì)胞特性[20]。MTHFD2半衰期明顯短于其他代謝酶，提示其具有調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)的可能。Koufaris等[21]利用免疫共沉淀及質(zhì)譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)MTHFD2能與一系列核蛋白結(jié)合，參與調(diào)節(jié)RNA的代謝和翻譯，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。其中的核蛋白包括小核糖體亞單位和參與RNA加工的不均一性核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonucleo‐protein,hnRNP）蛋白家族。Liu等[22]的研究同樣表明細(xì)胞核內(nèi)的MTHFD2可以發(fā)揮兼職功能促進(jìn)膀胱癌生長。機(jī)制研究顯示MTHFD2能與細(xì)胞周期蛋白依賴激酶 2（cyclin-dependent kinase 2,CDK2）結(jié)合，激活CDK2以磷酸化Rb，進(jìn)而釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F1，促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程。此外，MTHFD2還參與調(diào)節(jié)STAT3和AKT/GSK-3β/β-catenin 信號(hào)通路[10,23]。而 MTHFD2具體是如何直接調(diào)節(jié)這些信號(hào)通路有待進(jìn)一步探索。深入解鎖MTHFD2的兼職功能有助于更好地理解其作用機(jī)制。

4 表達(dá)調(diào)控機(jī)制

腫瘤中MTHFD2表達(dá)普遍上調(diào)，目前表達(dá)調(diào)控相關(guān)研究主要集中在細(xì)胞外刺激、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄后水平。在生長因子的刺激下，腫瘤細(xì)胞哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1）信號(hào)活化，激活了轉(zhuǎn)錄激活因子4（activating transcrip‐tion factor 4,ATF4），隨后ATF4結(jié)合啟動(dòng)子區(qū)轉(zhuǎn)錄上調(diào)MTHFD2的表達(dá)[24]。轉(zhuǎn)錄因子Nrf2可轉(zhuǎn)錄調(diào)控MTHFD2的表達(dá)，促進(jìn)NADPH的生成，增加腫瘤細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激能力[25]。在腎癌中，MTHFD2代謝產(chǎn)生的SAM可以通過m6A甲基化修飾增加HIF-2α的翻譯；而HIF-2α則可以促進(jìn)MTHFD2的轉(zhuǎn)錄，兩者構(gòu)成正反饋環(huán)[16]。在Ewing肉瘤中，原癌基因驅(qū)動(dòng)因子EWS-FLI1作為嵌合轉(zhuǎn)錄因子能正向調(diào)節(jié)MTHFD2的表達(dá)，影響細(xì)胞中絲氨酸-甘氨酸的生物合成和氧化還原穩(wěn)態(tài)[26]。MYC是細(xì)胞周期、凋亡、代謝及基因組不穩(wěn)定性的重要調(diào)節(jié)因子，激活MYC信號(hào)能顯著促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。Pikman等[27]在急性髓系白血病細(xì)胞中證明了MYC可以結(jié)合MTHFD2的啟動(dòng)子區(qū)。同時(shí)，結(jié)直腸癌中Kras相關(guān)通路如PI3K/AKT通路和RAF/MEK/ERK通路，可通過c-Myc轉(zhuǎn)錄上調(diào)MTHFD2的表達(dá)[11]。在肺癌中亦有相似的研究結(jié)果[28]，Kras突變的非小細(xì)胞肺癌也是通過MYC上調(diào)MTHFD2的表達(dá)，從而增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的一碳代謝。另外，不少抑癌因子可以負(fù)向調(diào)控MTHFD2的表達(dá)。SOX7是一個(gè)具有抑癌作用的轉(zhuǎn)錄因子。在乳腺癌中，SOX7可以抑制MTHFD2轉(zhuǎn)錄從而抑制乳腺癌的進(jìn)展[29]。抑癌基因p53可以轉(zhuǎn)錄抑制MTHFD2[30]。在p53缺陷的腫瘤中，MTHFD2表達(dá)上調(diào)尤為明顯，并且可以通過非同源末端連接（nonhomologous end joining,NHEJ）來修復(fù)DNA損傷，促進(jìn)細(xì)胞增殖。miRNA是基因轉(zhuǎn)錄后水平的重要調(diào)控因子。在腫瘤中，miR-9[31]、miR-22[32]、miR-940[33]、miR-33a-5p[34]、miR-92a[35]、miR-504-3p[36]和 miR-30a-3p[10]可以與mRNA的3'非翻譯區(qū)（3'untranslated region,3'UTR）結(jié)合，抑制MTHFD2的表達(dá)。而上述抑癌因子在腫瘤中多呈低表達(dá)現(xiàn)象。因此，靶向MTHFD2的調(diào)節(jié)因子將成為抑制MTHFD2的另一策略。

5 MTHFD2抑制劑的研發(fā)

由于MTHFD2在腫瘤中的選擇性表達(dá)及其臨床相關(guān)性，不少研究開始著手MTHFD2抑制劑的研發(fā)。天然產(chǎn)物carolacton最初被認(rèn)為是一種抗菌化合物，有研究顯示其在低nM濃度范圍可靶向FolD/MTHFD抑制一碳代謝，在mM濃度下可抑制腫瘤細(xì)胞的生長[37]。然而carolacton尚缺乏對(duì)MTHFD2的選擇性。小分子抑制劑LY345899是一種葉酸類似物，能夠抑制結(jié)直腸癌人源腫瘤異種移植（patient-derived tumor xenograft,PDX）小鼠中腫瘤的生長。但LY345899可同時(shí)抑制MTHFD2（IC50：663 nM）和 MTHFD1（IC50：96 nM），對(duì)MTHFD2 的特異性并不強(qiáng)[11]。2019 年，Kawai等[38]報(bào)道了一種基于三環(huán)香豆素支架的化合物DS44960156，其對(duì)MTHFD2的選擇性明顯高于MTHFD1（＞18倍），但效力較低（MTHFD2的IC50：1.6 μM）。同年，Kawai等[39]對(duì)DS44960156進(jìn)行優(yōu)化后，展示了另一化合物DS18561882。相比于MTHFD1（IC50：0.57 μM），DS18561882對(duì)MTHFD2（IC50：6.3nM）具有更高的效力和選擇性。此外，DS18561882還具有良好的口服藥代動(dòng)力學(xué)特征（GI50：140 nM），是第一個(gè)被報(bào)道的口服MTHFD2抑制劑。最近，Bonagas等[15]提出了 3種 MTHFD2抑制劑（TH7299、TH9028和TH9619），而相關(guān)特異性及安全性有待進(jìn)一步優(yōu)化及驗(yàn)證。

6 小結(jié)與展望

腫瘤的發(fā)生、發(fā)展伴隨著一碳代謝的重塑，其中線粒體途徑的代謝通量上升尤為明顯。一碳代謝酶MTHFD2選擇性地在腫瘤中表達(dá)上調(diào)，且與多種臨床參數(shù)相關(guān)，提示著其在腫瘤診療中的潛在價(jià)值。MTHFD2不僅通過代謝酶活性影響了腫瘤增殖、轉(zhuǎn)移、干細(xì)胞特性、化療抵抗及免疫逃逸等惡性表型，還具有非代謝的兼職功能促進(jìn)腫瘤的生長，因此抑制MTHFD2將有效阻止腫瘤進(jìn)展。腫瘤中原癌基因及抑癌基因的表達(dá)失調(diào)共同促進(jìn)了MTHFD2的上調(diào)，而MTHFD2本身亦可影響這些調(diào)節(jié)因子的含量。由此可見，靶向相關(guān)調(diào)節(jié)因子亦將起到抑癌作用。目前已提出了多種MTHFD2抑制劑，但其在不同腫瘤中的療效及不良反應(yīng)有待進(jìn)一步評(píng)估。此外，相關(guān)抑制劑目前尚缺乏臨床前及臨床研究的驗(yàn)證。今后的研究將深入探索MTHFD2在不同腫瘤中的代謝及非代謝功能，加快MTHFD2抑制劑的臨床轉(zhuǎn)化，為腫瘤的治療提供新的策略。