代谢异常与肿瘤
(国家自然科学基金委员会) 第11期
国家自然科学基金委员会 2014年6月6日 政策局（总第177期） 代谢异常与肿瘤
——第106期双清论坛学术综述
一、肿瘤代谢研究的重要意义 二、肿瘤代谢的研究现状和热点问题 三、肿瘤代谢研究面临的挑战
四、我国在肿瘤代谢研究领域的主要方向
编者按：恶性肿瘤发病率在全球呈逐年递增趋势，且发病呈明显年轻化，成为威胁人类健康的最主要杀手之一。细胞代谢改变是肿瘤细胞异于正常细胞的重要特征之一，其与肿瘤的发生发展互为因果；这种异常的代谢依赖性也提供了一个可以用于特异性杀灭肿瘤细胞的生化基础。2014年1月医学科学部与政策局联合举办了主题为“代谢异常与肿瘤”的第106期双清论坛，来自海内外24所大学及科研院所的31位专家应邀出席。与会专家通过共同研讨，凝练了该领域的关键科学问题，探讨了前沿研究方向和科学基金资助战略。本期刊登此次论坛的学术综述。
一、肿瘤代谢研究的重要意义
恶性肿瘤已成为常见的严重威胁人类生命和影响人类生活质量的重大疾病之一。据世界卫生组织（WHO）统计，2010年全世界新增癌症病人1270万例，其中760万例已死于癌症；预计在2030年新诊断的癌症患者人数将达到2140万，其中1320万人将死于癌症。同国外相似，我国癌症每年新发病例和死亡人数都呈上升趋势，且发病呈明显年轻化。在过去几十年里，中
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国癌症致死率不断地快速增长，从1970年的74.2/100000人增加到2004-2005年的135.9/100000人。癌症患者人数剧增是我国医疗负担沉重的主要原因。
化疗是肿瘤治疗的主要手段之一，虽然近年来在肿瘤生物学研究和治疗领域有较大进展，但目前临床上用于化疗的药物仍有很大的局限性。大多数传统化疗药物在抑制肿瘤细胞的同时，对正常细胞有较大的毒性，副作用严重。而近年来研发的特异性靶向药物虽然毒性较小，但其应用范围相对狭窄，且许多患者治疗后肿瘤仍然复发。肿瘤靶向治疗失败的主要原因在于大部分癌细胞有多位点基因突变或异常，针对某个特定基因分子的靶向治疗在多数情况下并不能有效杀灭肿瘤细胞。因此，探索肿瘤细胞中普遍存在但又异于正常细胞的生物学特性，并针对该特性进行特异性干预，是提高肿瘤治疗疗效的关键。
细胞代谢的改变是肿瘤的重要特征之一，其与肿瘤的发生发展互为因果。三磷酸腺苷（ATP）是细胞中用于储存和传递化学能量的物质，是一种高能磷酸化合物，它与二磷酸腺苷（ADP）的相互转化实现了储能和放能。ATP主要通过在胞液中进行的糖酵解和线粒体中进行的氧化磷酸化（三羧酸循环）两种途径产生。正常组织中，90%ATP来源于氧化磷酸化，仅有10%源于糖酵解，且有氧条件下糖酵解受到抑制，称为巴斯德（Pasteur）效应。1924年德国著名生物化学家﹑诺贝尔生理医学奖获得者奥托·瓦伯格（Otto Warburg）发现：相比于正常成熟细胞，肿瘤细胞以更高的效率、吸收更多的葡萄糖来产生能量和满足快速生长的需求；即使在供养充足的情况下，约80%的葡萄糖在肿瘤细胞也主要是通过有氧糖酵解途径产生ATP，伴随产生大量的乳酸，而不通过氧化磷酸化途径。此即著名的瓦伯格效应。虽然瓦伯格效应早在上世纪 20年代就已提出，但很长的一段时间里，肿瘤的基因调控学说占了主导地位，瓦伯格效应并没有得到重视。直到近年，随着对肿瘤代谢分子生物学基础研究的深入，越来越多的证据表明，肿瘤相关基因（致癌基因的激活或抑癌基因的丢失、灭活）、细胞微环境（低氧状态）、转录因子、非编码RNA等，以及代谢酶自身的突变或代谢调控蛋白的活性变化，均可导致肿瘤细胞的代谢程序重编（metabolic reprogramming），使肿瘤细胞具有特征性的代谢模式。
肿瘤细胞代谢的改变和有利于肿瘤发生发展的过程密不可分。自给自足的生长信号、突破端粒的复制限制、重编程细胞内基因的表达、抵御细胞凋亡、实现免疫逃逸、促细胞迁移和浸润、增强血管新生等，都会不同程度地影响肿瘤细胞代谢。换言之，肿瘤的发生促进了细胞代谢的改变。然而，随着肿瘤生物学研究技术的发展，细胞代谢异常先于肿瘤发生的理论在实验中已逐步得到证实。近年来，发现葡萄糖缺乏可促进KRAS野生型的细胞获得KRAS及其信号通路分子的突变，首次表明细胞代谢异常可以导致原癌基因突变；13C标记的丙酮酸
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分子影像技术在动物体内也表明：糖酵解的代谢改变先于c-Myc-诱导的肿瘤形成；此外，a-羟基戊二酸竞争性抑制多种a-酮戊二酸依赖的双加氧酶活性，进而诱发癌症。这些前沿实验结果凸显了细胞代谢异常在肿瘤发生发展、治疗和预后中的重要地位，也完善了细胞代谢异常与肿瘤发生发展互为因果的概念。2011年，温伯格（Robert A. Weinberg）将代谢改变列为肿瘤细胞最为重要的十个特征之一，掀起了肿瘤细胞代谢领域新一轮的研究热潮。 尽管瓦伯格效应并不是在所有肿瘤中通用，但是，基于肿瘤细胞摄取更多葡萄糖的原理而设计的氟脱氧葡萄糖正电子发射体层摄影（FDG-PET）技术来标记肿瘤细胞葡萄糖的吸收，已在临床上广泛应用。更加引人注目的是，利用FDG-PET检测大多数种类的原发和转移的上皮性肿瘤的灵敏度和特异性都高达90%以上，成为肿瘤高效特异的诊断、分期和疗效监测的手段。此外，几十年的癌基因和抑癌基因的研究发现，其或多或少与代谢相关。现代分子生物学技术的广泛应用极大地推动了肿瘤代谢领域的进展，瓦伯格效应的内涵也被进一步扩充，已经不再局限于糖酵解和三羧酸循环的改变，脂肪酸代谢、谷氨酰胺代谢、丝氨酸代谢、一碳单位代谢、胆碱代谢等诸多代谢通路的改变，也被概括到瓦伯格效应中来，相信不久的将来会有更多的不曾受到关注的代谢分子/通路将成为肿瘤代谢中的重要成员。
循证医学证据也表明，代谢性疾病（如肥胖、糖尿病、心血管疾病等）与肿瘤的发生发展密切相关。研究细胞代谢重编程的机制及其与肿瘤发生发展的关系，不仅从代谢异常的角度阐明肿瘤发生的新机制，而且利用、干预和修正细胞代谢异常，正成为肿瘤诊断、预防和治疗的新思路。这需要肿瘤生物学、临床肿瘤学、代谢组学、生物信息学、分子影像学、流行病学等学科的交叉合作。肿瘤代谢异常已成为肿瘤研究的前沿热点。目前，对于肿瘤代谢改变的分子机制还不十分清楚，从而制约了临床有效干预措施的发展。其瓶颈主要是肿瘤细胞代谢调控的分子机制复杂，影响因素众多，对其调控网络的认识还远远不够。因此，开展肿瘤代谢异常的分子机制的深入研究，寻找有效的分子靶点，对于完善肿瘤发生发展的机制，探索早期诊断的手段、有效的干预和治疗策略，具有重要的理论意义和指导临床实践的价值。 二、肿瘤代谢的研究现状和热点问题 （一）肿瘤代谢的异常表现
1.肿瘤细胞有氧糖酵解与线粒体功能障碍
细胞糖代谢的第一步是糖酵解，通过糖酵解将葡萄糖转化成丙酮酸和ATP。在有氧条件下，丙酮酸在线粒体中脱氢形成乙酰辅酶 A 进入三羧酸循环，并通过呼吸链的氧化磷酸化产生能量；在无氧条件下丙酮酸则降解形成乳酸。糖酵解的缺点是代谢效率低，一个分子葡萄糖经线粒体氧化磷酸化可产生36 或38个分子ATP，而糖酵解仅产生2分子ATP。曾有人认为，
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肿瘤细胞三羧酸循环活力降低，是肿瘤细胞血管新生能力不足而引起的细胞低氧所致。但大量的研究表明：即使在氧浓度充足的环境下，肿瘤细胞也更倾向于通过糖酵解而不是氧化磷酸化进行糖代谢。肿瘤以增加葡萄糖摄取的方式来克服糖酵解效率低下的缺点，这种看似浪费的代谢方式在肿瘤发生发展过程中具有什么意义？
肿瘤细胞十大重要特征中的多个特征与其独特的代谢模式密切相关。肿瘤细胞为了更好地适应肿瘤生长环境中氧气供给的波动，提供肿瘤异常增殖分裂所需的原材料，抵抗氧化应激以及创造利于自己存活和转移的微环境，必须改变自己原来的代谢模式。一是原料供给。肿瘤细胞特征之一是无限分裂增殖，这需要竞争体内有限的营养物质，为其提供ATP及合成蛋白质、脂类、核酸等生物大分子所需要的前体物质。糖酵解的代谢中间物，如6-磷酸果糖、3-磷酸甘油醛等的堆积，提供了合成这些生物大分子的前体物质；也使得与糖酵解通路相连的磷酸戊糖通路（PPP）获得更高的底物浓度，通路活性提高，所产生的戊糖是合成核酸的原料；产生的大量烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）则为脂肪酸的合成提供了底物，而脂肪酸是细胞膜的重要成份—磷脂的前体物质。氨基酸则依赖糖酵解中间代谢产物3-磷酸甘油醛等的合成。二是抗氧化能力。PPP途径激活所产生的还原性的NADPH，保证了肿瘤细胞的抗氧化、抗细胞凋亡能力，对于控制细胞内活性氧（ROS）水平、耐受药物引起的氧化应激具有重要的意义。三是微环境改造。糖酵解产生大量的乳酸分泌至细胞周围，酸性环境有利于肿瘤细胞的侵袭转移；同时乳酸作为能量供体，以旁分泌的方式维系营养缺乏肿瘤细胞的生长。四是环境适应。肿瘤细胞常面临乏氧环境，依赖于线粒体的氧化磷酸化，则无法保证细胞生长所必需的ATP。而糖酵解不依赖于氧浓度的能量供给方式，使恶性增殖的肿瘤细胞具有更好的环境适应性。五是产生排它效应。肿瘤细胞摄取大量葡萄糖的同时，使周围正常细胞的葡萄糖需求受到抑制，以类似进化的方法淘汰周围正常细胞，为自身争取到更大的生存环境、获取更多的营养物，以支持其恶性进展。
瓦伯格提出肿瘤细胞瓦伯格效应的基础是线粒体功能障碍，但这一假说开始也存在争议。一些研究发现，肿瘤细胞线粒体呼吸率与正常细胞一样，不存在线粒体功能障碍和氧化磷酸化减少，且线粒体的活性和氧化磷酸化有利于肿瘤生长。但也有研究结果证实了肿瘤细胞存在线粒体功能障碍，其原因是线粒体复制异常；通过抑制DNA聚合酶造成线粒体呼吸功能缺陷，可以使细胞代谢从氧化磷酸化转化为糖酵解，ROS产量增多；并且NADPH氧化酶表达上调、活性亦增加。表明NADPH氧化酶对于维持高糖酵解细胞糖代谢的重要性。动物实验也表明，NADPH氧化酶抑制剂能明显抑制胰腺癌生长，且没有明显的毒副反应。越来越多的研究发现肿瘤细胞的线粒体的功能障碍，端粒酶反转录酶（hTERT）能与线粒体RNA、
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DNA结合，影响呼吸链电子传递。端粒功能紊乱会诱导线粒体功能异常、糖异生作用降低。癌基因、抑癌基因、转录因子等都可以影响到线粒体的生成和功能（详见下文）。线粒体可能为众多基因调控肿瘤细胞生物学功能的汇聚点。 2.肿瘤细胞的脂代谢、谷氨酰胺代谢异常
最大化合脂肪生成是肿瘤细胞的一个重要代谢特征。在胚胎生成过程中，脂肪酸的从头合成比较旺盛，但大多数成体细胞则是优先利用循环系统中的脂肪酸来合成功能性脂类。而对于肿瘤细胞而言，无论循环的脂肪酸是否充足，都有较多的内源性脂肪酸的合成。很多脂肪生成相关基因，如ATP柠檬酸裂合酶（ACL）、乙酰辅酶A羧化酶（ACC）、脂肪酸合成酶（FAS），都在肿瘤细胞中具有较高的表达和活性。肿瘤细胞通过大量的脂肪酸从头合成而获得新的膜结构，如：一些特殊的脂类成分形成脂筏结构，以促进细胞生长相关受体的活化；一些脂类的中间产物如单酰辅酶A还参与了生长因子受体的转录调控；一些循环脂类则直接促进肿瘤细胞的生长和转移。肿瘤细胞的脂肪酸从头合成还有助于产生参与调控原癌基因活性的脂类，如磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸、卵磷脂，它们在增殖、生长信号通路的激活和介导中具有重要作用，如P13K／AKT、Ras及Wnt等是肿瘤发生发展中的重要信号通路。总之，肿瘤细胞通过大量的合成脂类，一是促进细胞膜的形成，支持快速分裂；二是利用脂代谢中间产物或翻译后修饰，对增殖和生长信号通路进行正向调控。
肿瘤细胞对谷氨酰胺的吸收量是其它氨基酸的10 倍左右，通过对谷氨酸的不完全利用，肿瘤细胞获得合成核苷酸和非必须氨基酸的还原性氮源，同时将乳酸排出细胞外。2007 年汤普森（Craig B Thompson）首次报道谷氨酰胺代谢对胶质瘤细胞生长的重要性，发现在胶质瘤细胞，超过70%的谷氨酰胺代谢产物进入三羧酸循环，提供合成生物大分子所需的NADPH 和前体物质。随后他和 Chi Dang 研究组依次发现：癌基因MYC 对肿瘤细胞的谷氨酰胺代谢至关重要。癌基因c-Myc 和 N-Myc 能激活LAT1﹑SLC1A5、SLC1A7基因的表达，显著促进肿瘤细胞的谷氨酰胺代谢重编。SLC1A5作为谷氨酰胺转运蛋白，在谷氨酰胺代谢中起重要作用。SLC1A5在恶性程度高的肝癌和神经母细胞瘤中高表达，并且和MYC 的水平呈正相关。谷氨酰胺酶参与了谷氨酰胺代谢的第一步反应，将进入线粒体内的谷氨酰胺转化为谷氨酸。乳腺癌中谷氨酰胺酶活性比癌旁组织中增高，而癌旁组织又比正常乳腺组织高；乳腺癌细胞中谷氨酰胺酶表达没有显著变化，只是酶活性较正常明显增高。抑制谷氨酰胺酶活性，可以显著抑制乳腺癌细胞生长。一些在肿瘤发生发展中起重要作用的信号分子也参与调节谷氨酰胺酶的活性，如调控Rho GTPases（如 Cdc42、Rho C和 Rac）及NF-kB可以影响谷氨酰胺酶的活性。
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