最新：氨基酸代谢重编程在肿瘤细胞及肿瘤相关巨噬细胞极化中的作用研究进展.docx

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1、最新：氨基酸代谢重编程在肿瘤细胞及肿瘤相关巨噬细胞极化中的作用研究迸展摘要氨基酸作为肿瘤细胞和肿瘤微环境（TME）中至关重要的代谢物质，其代谢平衡影响着肿瘤细胞的增长速度以及肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的免疫功能。肿瘤细胞为满足自身的营养需求，与TAMs争夺氨基酸，使得TME中的氨基酸平衡被打破。多数肿瘤谷氨酰胺代谢需求增加，部分肿瘤TME中谷氨酰胺积累，抑制TAMsM1极化;肿瘤依赖于外源性蛋氨酸存活，TME中蛋氨酸缺乏则抑制TAMsMl极化；牛磺酸在肿瘤患者血清中水平下调，其本身可抑制巨噬细胞Ml极化；此外大多数肿瘤依赖于外源性精氨酸，通过精氨酸耗竭可抑制肿瘤发展并限制巨噬细胞M2极化；色

2、氨酸代谢途径增强促进肿瘤进展产物犬尿氨酸积累促进TAMsM2极化;针对其余氨基酸，例如当外源性丝氨酸无法满足需求时，可产生内源性丝氨酸，而丝氨酸可支持TAMS产生促炎相关因子。肿瘤细胞具有异于正常组织细胞的增殖速度，这与其氨基酸代谢重编程密切相关。氨基酸代谢重编程是指细胞改变某种或某些氨基酸的代谢模式以满足快速增殖带来的营养需要。而这种改变可体现在肿瘤细胞内及肿瘤微环境（TME）中某种氨基酸的缺乏或积累。一方面，肿瘤细胞通过调整氨基酸代谢通路关键酶、细胞膜上氨基酸转运受体的表达，以维持自身快速增殖的营养需求，尤其是谷氨酰胺、丝氨酸和甘氨酸的合成代谢、分解代谢，已被确定为支持癌细胞生长的代谢调节

3、剂。另一方面，TME中氨基酸平衡的破坏，影响了肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的功能，呈现促进肿瘤进展的M2表型1o因此，氨基酸代谢重编程是肿瘤发生发展过程中的标志之一，氨基酸水平的变化可作为肿瘤的潜在标志物。研究氨基酸代谢重编程7寸肿瘤细胞及TAMs极化的影响,可为肿瘤代谢靶向治疗提供新的思路。TME中谷氨酰胺、犬尿氨酸的积累和蛋氨酸的缺乏,抑制TAMsM1极化；多数肿瘤依赖于外源性精氨酸存活，巨噬细胞内精氨酸代谢酶的表达可作为区分TAMs表型的方法之一，M1和M2表型的TAMs分别高表达诱导性一氧化氮合酶（iNOS）和精氨酸酶（Arg1）2;肿瘤丝氨酸代谢需求增加，而丝氨酸可促进TAMs促炎因

4、子的释放；牛磺酸对巨噬细胞M1极化有抑制作用。现就氨基酸代谢重编程在肿瘤细胞及肿瘤相关巨噬细胞极化中的作用研究进展情况综述如下。1 .谷氨酰胺代谢重编程促进肿瘤增殖及TAMsM2极化肿瘤中谷氨酰胺代谢重编程表现于大部分肿瘤谷氨酰胺代谢需求增加。但少部分肿瘤需求较低，造成TME中谷氨酰胺积累。作为血浆中最丰富游离氨基酸，谷氨酰胺在血浆中的浓度可达500molL以上，对增殖细胞至关重要,是核苗酸和天冬酰胺生物合成中关键的氮元素供体3o谷氨酰胺是人体内的一种”条件必需氨基酸，除了可从食物经小肠消化吸收，还可在肺、骨骼肌、脂肪等组织中由谷氨酰胺合成酶合成并释放。肾脏、肝脏分别经过尿素循环分解谷氨酰胺释

5、放氨以维持循环中相对稳定的水平。在增殖速度较快的细胞，如淋巴细胞、小肠细胞，尤其是在癌细胞中，谷氨酰胺被大量消耗用于能量产生以及作为碳、氮的来源以供各种生物化合物的合成。因此，许多类型的癌细胞依赖于外源供应的谷氨酰胺。溶质载体（SLC）家族中至少有14种谷氨酰胺转运蛋白，其中研究较为广泛的SLC1A5在肿瘤中表达上调。即使谷氨酰胺被认为是大部分肿瘤细胞增殖所不可或缺的,但由于起源组织不同、肿瘤发生的潜在遗传因素不同、TME的不同都可导致不同肿瘤细胞对谷氨酰胺的合成、摄取、利用具有较高的异质性。同时，谷氨酰胺代谢也为巨噬细胞极化和引发后续免疫反应提供支持。相关研究4发现，抑制谷氨酰胺代谢可增强促

6、炎巨噬细胞表型，这可能是NF-B增加和STAT3信号传导减少所导致的。谷氨酰胺代谢产生的-酮戊二酸通过一种组蛋白甲基化酶含Jumonji结构域蛋白3依赖性调节增强M2极化。这种调节控制M2巨噬细胞的代谢重编程，使得-酮戊二酸成为谷氨酰胺分解的代谢检查点；谷氨酰胺代谢通过OKG-PHD依赖性机制阻碍NF-KB途径来调节IKKB活性，从而限制MI极化3o当剥夺环境中的谷氨酰胺时，巨噬细胞M2特异性标志基因ArgkMRC1等表达下调，而促炎性Ml巨噬细胞表型增强。利用谷氨酰胺的代谢抑制药拮抗TME中的谷氨酰胺代谢，促进巨噬细胞M1极化，同时还增强骨髓来源的抑制细胞转化的TAMSMl极化。但部分实体肿

7、瘤对谷氨酰胺的分解需求较低，甚至合成的谷氨酰胺在TME中大量积累，如非小细胞肺癌、人类胶质母细胞瘤等。TME中两种补充谷氨酰胺的替代方法：肿瘤中异质的基质细胞群，例如癌症相关成纤维细胞中谷氨酰胺合成上调并分泌至TME；细胞外蛋白被胰腺导管腺癌细胞通过胞饮降解成游离的谷氨酰胺补充至TME中。总之，TME中谷氨酰胺的维持促进了TAMs的M2极化，协助肿瘤细胞进行免疫逃逸4o2 .精氨酸耗竭抑制肿瘤并限制TAMsM2极化精氨酸主要来自于饮食、肠一肾代谢轴的合成、蛋白质周转的一种条件必需氨基酸，在细胞生长、活化和炎症中发挥着重要的作用。大多数哺乳动物细胞包括肿瘤细胞，对精氨酸的摄取主要通过阳离子氨基酸

8、转运蛋白(CAT1-3)z以不依赖Na的方式转运精氨酸。精氨酸代谢重编程体现于大多黝中瘤依赖于外源性精氨酸，造成TME中精氨酸的缺乏。精氨酸耗竭在循环系统中增强酶的催化作用极大程度上清除精氨酸，被认为是精氨酸营养缺陷型肿瘤的治疗靶点。肿瘤细胞对精氨酸的依赖不同于正常细胞，不同的肿瘤细胞对精氨酸的依赖也存在差异。如粘液纤维肉瘤、膀胱癌和骨肉瘤等，低表达或不表达精氨酸代琥珀酸合成酶1(ASS1)5,肿瘤细胞内无法合成精氨酸,完全依赖细胞外精氨酸满足自身代谢需求,这种特性称为精氨酸营养缺陷型6JOASS1在肿瘤中表达下调的机制尚未清楚。而结直肠癌、胃癌等少数肿瘤中肿瘤坏死因子(TNF-)与ASS1共

9、定位并诱导ASS1过表达，增强细胞内合成精氨酸的速率，满足肿瘤细胞对精氨酸的代谢需求。精氨酸合成的抑制与分解代谢的增强是针对精氨酸代谢途径的肿瘤治疗思路。目前较为成熟的精氨酸耗竭治疗策略为ADI-PEG20（ADI为原核酶，最初提取自支原体）和聚乙二醇化精氨酸酶为代表的精氨酸耗竭剂，它们的抗癌作用在临床试验中得到证实7Jo在经典概念中，将巨噬细胞中精氨酸代谢酶活性分为两种极端的极化状态,即经典活化（M1）和替代活化（M21M1巨噬细胞受Thl细胞分泌的促炎因子（IFN-Y或细菌脂多糖（LPS）激活并诱导iNOS高表达,主要为iNOS,又称经典活化的巨噬细胞，发挥促炎抗肿瘤的作用；受Th2细胞分

10、泌的抗炎细胞因子IL-IL-13等激活的并诱导Argl高表达的为M2巨噬细胞，又称替代活化的巨噬细胞，发挥抗炎促肿瘤的作用8o当然，这种基于精氨酸代谢酶活性的分类方式存在一定的局限性，巨噬细胞内精氨酸的分解代谢是极其复杂的，无法仅靠单一的酶活性对极化的巨噬细胞进行二分类。相关研究表明，肿瘤细胞对TME中精氨酸的夺取会造成微环境中精氨酸缺乏，从而抑制抗肿瘤细胞的活性形成免疫抑制。肿瘤形成的早期，TAMs大多为M1表型。在巨噬细胞中，炎症介质与iNOS、精氨酸琥珀酸裂解酶、CAT-2一起调节ASS1表达,增加精氨酸的合成与摄取,提高iNOS催化底物浓度，生成NO;巨噬细胞产生的NO、促炎因子、趋化

11、因子可增强巨噬细胞对肿瘤细胞的杀伤能力，或作为抗原呈递细胞将肿瘤抗原呈递给CD8T细胞杀伤肿瘤细胞。然而，NO在肿瘤的进展中的作用是矛盾的，低浓度(100nmol/L)的NO作为信号分子抑制免疫细胞的聚集、抑制肿瘤细胞凋亡、刺激血管形成，利于肿瘤进展，但高水平NO(400-1000nmol/L)可阻断细胞周期，促进细胞凋亡发挥抗肿瘤效应。随着肿瘤的进展，肿瘤细胞通过分泌IL-4、TGF降抗炎细胞因子,调节TAMs向M2极化的同时，还可调节巨噬细胞内精氨酸的代谢，即上调Argl并下调iNOS的活性，导致鸟氨酸的过量产生，减少NO的生成。鸟氨酸可在鸟氨酸脱竣酶的作用下合成多胺,促进癌细胞增殖和肿瘤

12、血管形成，NO水平的降低进一步减轻了NO对肿瘤细胞的杀伤作用。再者M2巨噬细胞内过表达Argl的同时，可向胞外转运,进一步消耗TME中的精氨酸，增强对T细胞的免疫抑制作用9o另外文献10报道，精氨酸/鸟氨酸代谢途径有助于维持巨噬细胞的胞葬作用。总之，精氨酸代谢重塑是促进巨噬细胞免疫细胞功能改变的关键，靶向巨噬细胞内精氨酸获取或转运是抗肿瘤免疫治疗的新手段。3 .色氨酸代谢产物促进肿瘤进展及TAMSM2极化色氨酸代谢重编程体现于多种肿瘤代谢色氨酸途径增强，造成代谢产物犬尿氨酸在TME中积累。色氨酸是人体内的必需氨基酸，主要经犬尿氨酸代谢途径催化成犬尿氨酸。这条代谢通路的主要限速酶为呻躲胺-2,3

13、-双加氧酶1(IDOl)和色氨酸-2,3-双加氧酶2(TD02)以及犬尿氨酸单加氧酶。而该代谢途径的色氨酸降解酶如ID01、TDO2在多种癌症中表达，一种色氨酸代谢酶IL4I1催化产生的色氨酸代谢产物的增加抑制抗肿瘤免疫、有效促进癌细胞的运动和转移、增强癌细胞的恶性特性已在多项研究中证实11o在食管鳞状细胞癌中，TDO2的过度表达比ID01显得更为重要。TDO2过表达促进色氨酸降解成更多的犬尿氨酸。犬尿氨酸可分泌至TME中，通过自分泌作用，不仅激活食管鳞状细胞癌细胞上芳香煌受体（AHR）以促进其增殖和侵袭，还可以通过激活AKT/GSK3B信号通路，诱导TAMsM2极化；由胶质瘤分泌的犬尿氨酸触

14、发巨噬细胞的AHR信号来控制M2巨噬细胞极化，且TDO2过表达促进的巨噬细胞M2极化与T细胞无关12o这些研究表明，肿瘤对色氨酸代谢需求的增加，代谢产物犬尿氨酸在TME中的积累是TAMs呈现M2表型的原因之一。4 .丝氨酸代谢重编程促进TAMSM1极化丝氨酸/甘氨酸的代谢途径对生物合成反应极其重要。丝氨酸/甘氨酸是脂质、核苗酸和蛋白质的生物合成、维持氧化还原状态以及甲基化反应的底物。这些过程很大程度上依赖于碳单元的穿梭，而丝氨酸向甘氨酸的转化为单碳代谢提供碳单位。丝氨酸代谢重编程体系在丝氨酸代谢需求增加，当外源性丝氨酸无法满足需求时，肿瘤细胞可通过丝氨酸合成途径（SSP）产生内源性丝氨酸。作为

15、非必需氨基酸，丝氨酸可通过细胞膜上氨基酸转运蛋白直接从细胞外环境中导入，也可以在细胞内从头合成。在肿瘤细胞中，糖酵解的中间产物3-磷酸甘油酸经3-磷酸甘油酸脱氢酶、磷酸丝氨酸转氨酶、磷酸丝氨酸磷酸化酶三步酶促反应生成丝氨酸。已有研究表示，磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）在一些肿瘤中上调，且抑制PHGDH后会使PHGDH高表达的细胞系增殖受到抑制，人乳腺上皮细胞系MCF-WA的PHDGH基因突变后可导致MCF-WA发生类似于不同阶段肿瘤形成的变化，说明PHDGH上调可促进肿瘤发生发展。丝氨酸在丝氨酸羟甲基转移酶催化下生成谷氨酸。甘氨酸也可通过苏氨酸脱氢酶和甘氨酸C-乙酰转移酶从苏氨酸生成。与丝氨酸

16、相同，氨基酸转运蛋白也可将甘氨酸从细胞外环境中直接导入。研究表明，甘氨酸代谢在部分肿瘤衍生细胞系中上调；在胶质瘤中mT0RC1通过抑制甘氨酸脱竣酶乙酰化来调节肿瘤发生131关于巨噬细胞极化调控方面，丝氨酸代谢通过产生谷胱甘肽（GSH）来维持细胞氧化还原平衡，从而支持LPS诱导巨噬细胞分泌促炎细胞因子。剥夺丝氨酸通过抑制mTOR信号传导来抑制巨噬细胞IL-邛的产生14o与丝氨酸不同，巨噬细胞中的甘氨酸利用主要是通过丝氨酸在细胞内转化,而不是通过外源性供应。在缺乏丝氨酸的培养基中添加甘氨酸未能挽救LPS刺激后巨噬细胞中的IL-邛分泌减少，含丝氨酸培养基中缺乏甘氨酸不会影响巨噬细胞的极化。尽管GSH

17、由半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸合成，但这其中的甘氨酸主要来自丝氨酸的转化。丝氨酸、甘氨酸调控TAMS极化的具体机制尚不明确。但有相关研究15表明，甘氨酸可能通过调控mkroRNA及巨噬细胞极化细胞信号通路（例如IGFl-p38等）影响着巨噬细胞极化。总之，调控丝氨酸代谢可作为巨噬细胞介导的肿瘤治疗新策略。5 .肿瘤细胞蛋氨酸代谢重编程抑制TAMSM1极化蛋氨酸又名甲硫氨酸，是人体的必需氨基酸之一，主要通过食物或营养补充剂获取。蛋氨酸的生物学作用包括蛋白质合成、多胺合成、谷胱甘肽形成、甲基供体四大功能16o许多类型的肿瘤细胞是依赖蛋氨酸的，即肿瘤细胞在缺乏蛋氨酸而补充有蛋氨酸的前体同型半胱氨酸（Hc

18、y）条件下是不能存活的，是肿瘤蛋氨酸代谢重编程的表现。相反，正常细胞却能在没有蛋氨酸条件下能有效利用HCy保持生长,即以不依赖蛋氨酸的方式生长。并且发现蛋氨酸缺失可以逆转肿瘤细胞增殖周期失控，使细胞停止在S期和G2/M期,进而导致了细胞凋亡的发生，这可能作为治疗蛋氨酸依赖肿瘤细胞的药物靶点。这种区分肿瘤细胞与非肿瘤细胞的代谢现象通常被称为癌细胞对蛋氨酸的依赖性，即蛋氨酸成瘾或霍夫曼效应；肿瘤细胞对外源提供的蛋氨酸依赖可能不是因为它们无法利用同型半胱氨酸合成蛋氨酸，而可能是对源自蛋氨酸的代谢物的需求增加造成的。肿瘤细胞通过SLC43A2与T细胞竞争蛋氨酸,从而在代谢和表观遗传上损害T细胞功能和肿

19、瘤免疫，证明肿瘤细胞在TME中抢夺蛋氨酸现象的存在17OTME中蛋氨酸的改变对巨噬细胞的极化的调控尚不清楚，但猜测与肿瘤细胞对蛋氨酸的争夺密切相关。相关研究18表明，蛋氨酸可以显著增强巨噬细胞分泌TNF-O(,降低巨噬细胞中Argl活性，显示蛋氨酸可促进巨噬细胞的M1极化表型。腺苗甲硫氨酸(SAM)是由甲硫氨酸在腺昔三磷酸的参与下经S-腺昔甲硫氨酸合成酶催化而成，作为细胞中主要的甲基供体，是所有甲基化反应的通用底物，包括组蛋白甲基化和DNA甲基化,它们在染色质状态和基因转录中起关键作用19o在LPS诱导的M1巨噬细胞中,巨噬细胞对蛋氨酸的需求来源于外源性摄取。外源性蛋氨酸可作为SAM生成和随后

20、的甲基化反应的主要甲基供体，对于IL-邛产生十分重要，蛋氨酸的缺乏使LPS诱导的巨噬细胞中IL-邛表达水平受到抑制20JO以上研究可以证明，蛋氨酸参与巨噬细胞M1表型的形成。由此可以猜测，肿瘤发生发展与肿瘤细胞争夺蛋氨酸导致TME中蛋氨酸水平下降，抑制了巨噬细胞M1极化水平，降低了TAMs的抗肿瘤作用。6 .肿瘤细胞牛磺酸重编程平衡TAMS极化状态牛磺酸是一种在哺乳动物组织中含量丰富的非必需氨基酸，在体内的平衡具有十分重要的作用，参与细胞体积调节、渗透压调节、膜稳定性、神经调节、外源物质解毒等作用21同时牛磺酸还是存在体内的一种抗氧化物质，这种抗氧化能力不仅可以保护细胞免受具有强氧化性质或细胞

21、毒性的物质的损伤，还是其抗肿瘤的主要机制22JO尽管牛磺酸代谢重编程在肿瘤中的具体机制尚不清楚，但牛磺酸可通过干扰活性氧在肿瘤细胞中积累，影响癌症进展。血清内牛磺酸水平还可作为乳腺癌早期筛查、预后的标志物之一。研究表示，乳腺癌患者血清中牛磺酸水平明显低于乳腺癌高危人群及对照组，乳腺癌高危人群血清牛磺酸也明显低于正常人群，乳腺癌组的血清牛磺酸水平降低与肿瘤血管生成密切相关也证实了牛磺酸的预后意义。牛磺酸是巨噬细胞内最丰富的游离氨基酸之一，由于巨噬细胞自身无法合成牛磺酸，因此依赖于巨噬细胞表面牛磺酸转运体的作用，从环境中摄取牛磺酸。已有多项研究表明，牛磺酸可以平衡巨噬细胞的极化状态并减少炎症损伤。

22、牛磺酸可抑制LPS和IFN-Y诱导的巨噬细胞Ml极化，甚至上调了CD206、ArgLIL-W等M2表型标志物的表达。牛磺酸的这种抗炎途径是通过由SAMPP2Ac甲基化/线粒体自噬轴介导的代谢重编程实现的230综上所述，肿瘤细胞为满足自身快速增殖带来的对营养物质的旺盛需求，调整细胞内代谢酶的表达破坏了TME的代谢平衡，相关代谢物会影响TME的组成和肿瘤浸润免疫细胞的功能。氨基酸的失衡是至关重要的一环节肿瘤细胞与微环境中的TAMS抢夺氨基酸,干扰了TAMS内的代谢24o这在一定程度上使TAMs呈现抗炎的M2表型，是肿瘤免疫抑制微环境形成的原因之一。基于代谢失衡对抗肿瘤免疫的消极影响，抑制相关氨基酸代谢，逆转TME中的氨基酸失衡将是抗肿瘤免疫治疗中一项有效的补充250但如何针对患者TME的氨基酸代谢失衡类型制定个性化治疗方案,以及在阻断肿瘤细胞的氨基酸需求的同时增强TAMs对氨基酸的利用，进而呈现抗肿瘤的M1表型仍是未来研究中亟需解决的难题。参考文献（略）