刘璋楠侯俊清王慧娟

1.河南大学基础医学院 河南大学抗体药物开发技术国家地方联合工程实验室,河南 开封 475004;2.河南大学 淮河临床学院,河南 开封475000

自从19世纪20年代Warburg效应提出以来,人们普遍接受了代谢异常是肿瘤的重要特征[1]。恶性肿瘤细胞中进行着旺盛的代谢运动,需要大量的能量供应,快速合成核苷酸、蛋白质、脂质等生物大分子,甚至可以夺取正常组织的分解产物,合成肿瘤本身所需要的物质。许多代谢酶及代谢物的变化都会导致细胞代谢表型的改变从而启动肿瘤的发生。临床研究中已经将肿瘤发生发展及治疗效果不佳的现象与整个机体的代谢改变联系起来。

肿瘤细胞主要依靠糖酵解来产生能量,糖酵解在肿瘤细胞中异常活化,丝氨酸合成通路作为糖酵解的分支,近年来受到越来越多的关注[2]。丝氨酸作为非必需氨基酸,正常细胞可以依靠内源性合成满足生长需求,而肿瘤细胞由于生长加快、代谢增强,还需要外源性的摄入。合成和摄入的丝氨酸在丝氨酸羟甲基转移酶SHMT(胞质:SHMT1;线粒体:SHMT2)的作用下转化成甘氨酸,同时提供一个碳原子进入一碳代谢,为肿瘤生长所需的蛋白质和核酸合成提供了必要的前体物质[3]。位于线粒体中的同工酶SHMT2的表达在多种肿瘤中显著上调,且与预后不良相关[4-6],本文就近年来丝氨酸羟甲基转移酶2(SHMT2)在肿瘤中的研究进展作如下总结。

1 SHMT2功能及在肿瘤中的表达

丝氨酸羟甲基转移酶(SHMT)是丝氨酸/甘氨酸合成途径和一碳代谢的关键酶,在人类基因组中发现了两类SHMT基因,即SHMT1和SHMT2。SHMT2位于12q13染色体位点,编码55k D大小的蛋白,主要存在于线粒体中,而SHMT1编码胞质同工酶,可运输至细胞核[7]。见图1。

图1 丝氨酸/甘氨酸合成途径和一碳代谢

最近的研究[8]表明,SHMT2在多种肿瘤中显著高表达,且与不良预后相关。例如SHMT2在肝癌中高表达,干扰SHMT2后能抑制肝癌的发展,而在肝癌细胞系中,SHMT2的下调在体内外均可降低细胞的生长和致瘤性,SHMT2表达与肝内胆管癌患者肿瘤TNM分期显著相关,随着TNM分期的增加,SHMT2的表达增加,SHMT2水平较低的患者总体生存率较高[9];SHMT2在快速增殖胶质瘤中也存在高表达,促进新陈代谢的变化,使肿瘤细胞耐受缺血缺氧的微环境,此功能可能依赖于甘氨酸的清除[10],在胶质瘤患者中,SHMT2的高表达被认为是一个独立的预后因子[11];基因富集分析发现,SHMT2的高表达与乳腺癌患者的侵袭性和较差生存率显著相关,SHMT2在乳腺癌ER-病例中是一个有价值的预后指标,可以作为乳腺癌治疗和药物开发的潜在靶点[12];另有临床研究[13]也表明,SHMT2的高表达与结直肠癌侵袭性和预后相关。以上研究结果都显示SHMT2在多种肿瘤中高表达,抑制SHMT2可以抑制肿瘤细胞的生长和侵袭,SHMT2很可能作为肿瘤治疗的一个新靶点。

2 SHMT2影响肿瘤细胞生长的可能机制

目前只有少量文献报道什么机制影响肿瘤细胞的生长,具体机制尚不清楚。有报道[14]对敲除SHMT2的细胞进行转录组测序分析发现,细胞周期的相关蛋白变化显著,找到多个与细胞周期相关的基因表达下调,把排名第一的基因UHRF1(泛素样,含有PHD和RING指环结构域蛋白1)进行过表达,在敲除SHMT2的细胞中回补UHRF1,细胞的增殖能力在体内、外实验中均得到恢复,但并没有达到原始水平,又对测序结果中排名第二的CCND1(细胞周期蛋白D1)基因进行回补,结果显示细胞增殖能力得到完全恢复。因此,SHMT2可能通过靶向下游与周期相关的两个基因UHRF1和CCND1对细胞增殖进行调控。

SHMT2是介导丝氨酸转化成甘氨酸的关键酶。该过程伴随THF大量生成,是嘌呤、嘧啶及胶原蛋白合成的基础原料,而代谢产物甘氨酸在细胞增殖中也发挥重要作用。小鼠原代肝细胞内的甘氨酸可激活Akt-m TOR通路来促进细胞DNA合成,上调SHMT2导致的细胞增殖加快与胞内甘氨酸含量增加及Akt-m TOR通路活化相关,抑制SHMT2表达所导致肝细胞增殖抑制及肝功受损与组织甘氨酸含量及Akt-m TOR通路活性降低相关,因此,SHMT2可以促进肝细胞复制,其机制可能与甘氨酸介导的Akt-m TOR通路活化相关[15]。

SHMT2可能通过STAT3/SHMT2/PKM2回路调节癌症进展早期对炎症的代谢变化,STAT3是STAT家族成员之一,可参与多种调节途径,SHMT2基因上游区域有一个STAT3结合位点,STAT3可能在缺氧或氧化应激条件下负责诱导和维持Warburg效应。例如在人前列腺癌细胞系中,用IL-6诱导炎症反应,乳酸的产生明显增加,提示代谢向Warburg效应转移,同时发现SHMT2线粒体表达增加,活性增强,导致SHMT2的底物丝氨酸浓度下降,而丝氨酸是PKM2的变构阳性调节因子,有利于PKM2从四聚体向二聚体的转变,这种转化减慢了糖酵解通量,增加了乳酸/丙酮酸的比例,导致代谢变化,这种代谢变化是通过增加SHMT2的表达来维持的[16]。

SHMT2可以限制丙酮酸激酶(PKM2)的活性,从而降低氧的消耗,引发一种代谢改变,这种状态给处于血管分布较少的肿瘤区域细胞带来了巨大的生存优势。PKM2在糖酵解过程中催化磷酸烯醇丙酮酸转化为丙酮酸,可减缓肿瘤生长。降低PKM2的活性可以使糖酵解产生的碳以一种有利于肿瘤细胞增殖的方式重新分布在肿瘤中,SHMT2的表达可以抑制PKM2的活性,从而抑制碳通量进入TCA循环,在缺氧环境下促进胶质瘤细胞的存活[10]。

作为癌基因c-Myc的转录靶点,SHMT2的过表达可以刺激c-Myc缺陷细胞的快速增殖[17];相反,在Myc依赖的细胞中敲除SHMT2,降低了NADPH/NADP+的产率,结果导致活性氧含量升高,进而触发缺氧诱导的细胞死亡[18]。在非小细胞肺癌里(NSCLC),转录因子NRF2通过ATF4控制丝氨酸/甘氨酸代谢的关键酶PHGDH、SHMT2的表达,以支持谷胱甘肽和核苷酸的产生,并与NSCLC的临床侵犯性相关[19]。Celardo等[20]发现,ATF4调节单碳代谢基因SHMT2和线粒体亚甲基四氢叶酸脱氢酶(NMDMC)的表达,对线粒体起到的保护作用,而抑制SHMT2或NMDMC会导致线粒体功能缺陷。

在SHMT2的自身调节方面也取得了一定的进展,主要集中在SHMT2的表观修饰方面。由于蛋白自动琥珀酰化的非酶催化作用,新翻译的SHMT2可能被琥珀酰基团阻断,在没有酶活性的情况下保持其同源二聚体状态。但当细胞处于快速增殖状态或代谢应激状态时,SIRT5使SHMT2脱羧,并从K280中去除琥珀基,从而增强SHMT2四聚体的形成,激活其酶活性,使丝氨酸的分解代谢增强,提供一碳单位来促进肿瘤的快速增殖,从而促进肿瘤细胞生长[21]。与SIRT5相同,SIRT3也有类似的功能,SIRT3通过去乙酰化SHMT2在结直肠癌中发挥致癌作用,去乙酰化的SHMT2可以使丝氨酸消耗增加,促进肿瘤细胞生长,发挥其致癌功能[14]。

3 相关抑制剂的开发研究

除了已知的“Warburg effect”之外,肿瘤细胞为了满足其快速增殖的需求,会消耗大量的营养物质进入生物大分子合成的通路,并且会提供足够的ATP。几乎所有的肿瘤细胞都具有这种代谢变化,这些改变的代谢通路就可能会成为潜在的治疗靶点[22-23]。近年来人们针对肿瘤相关代谢通路的关键酶采取各种手段试图抑制其活性,减少其代谢物的产生,从而达到抑制肿瘤生长的目的。

SHMT2在肿瘤细胞的表达升高促进细胞代谢的转变,使细胞在缺血的肿瘤微环境中存活,因此SHMT2被认为是肿瘤发生发展过程中至关重要的一个酶。Gucker等[24]于2017年通过大量的实验得到了对SHMT1/2均有抑制活性的化合物,发现这些化合物在细胞水平作用明显,但由于其在体内快速清除,限制了其临床应用,需要后期投入更多的精力来进行结构改造以获得成药性更好的化合物。

丝氨酸/甘氨酸代谢是连接丝氨酸和一碳代谢的桥梁,针对丝氨酸合成和一碳代谢的小分子抑制剂的开发也得到了广泛的关注。磷酸甘油酸脱氢酶PHGDH是丝氨酸合成的关键酶,靶向PHGDH的小分子抑制剂(NCT503、CBR-5884)可以抑制肿瘤细胞的生长[25-26],尤其对于PHGDH高表达的肿瘤具有很好的临床应用前景,如胶质瘤、肺癌、前列腺癌等[27-29]。一碳代谢共涉及三个细胞途径:叶酸循环、甲硫氨酸循环和转硫途径,叶酸循环的关键酶是亚甲基四氢叶酸脱氢酶2(MTHFD2),其高表达与乳腺癌、肾癌和胰腺癌的不良临床预后显著相关[30-32],并且可以促进肿瘤细胞的干细胞转化、EMT化和多药耐药[31-32]。为了防止肿瘤治疗过程中耐药性的产生,促使了一些新的靶向于MTHFD2的抑制剂的产生[33]。BHMT(甜菜碱-同型半胱氨酸甲基转移酶)将同型半胱氨酸还原为甲硫氨酸,是甲硫氨酸循环的关键酶,其在小鼠体内的缺失促进了脂肪肝、肝癌和同型半胱氨酸的积累,还会导致某些组织中多胺和鞘脂类物质的消耗[34]。甲硫氨酸循环产生了S-腺苷甲硫胺酸(SAM),在甲基化反应中充当甲基供体[35],参与组蛋白、DNA和RNA的甲基化反应,针对甲基转移酶的抑制剂在肿瘤治疗中已经进入了临床前研究[36]。

4 展望

基于肿瘤组织和正常组织的代谢差异,代谢组学在肿瘤生物学研究中具有比较明显的优势。代谢通路是一系列基因和蛋白质的最终的共同通路,可以得到更多的整合分析信息。随着科学的进步和研究的深入,针对肿瘤的治疗方法越来越具有多样性。靶向肿瘤代谢是目前肿瘤治疗中很有前途的策略之一,位于线粒体中的同工酶SHMT2的表达在多种肿瘤中显著上调,且与预后不良相关。甚至有研究发现肿瘤细胞需要SHMT2的作用才能达到最佳的增殖和致瘤性。因此,探讨SHMT2代谢酶在肿瘤中的作用及其机制,将会为抗肿瘤药物的开发和生物标志物的发现带来更多新的机会。