劉康俊，張 弛，王 謙，彭 睿 綜述 柏斗勝 審校

（1.揚州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 揚州 225001；2.揚州大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，蘇北人民醫(yī)院肝膽胰外科，普通外科研究所，江蘇 揚州 225001）

腫瘤細胞可出現(xiàn)多種表型的改變，而代謝異常是腫瘤細胞的一項主要特征[1]。腫瘤細胞異常代謝機制的研究可為抗腫瘤治療提供新的潛在治療靶點和思路。谷氨酰胺可為細胞生長提供代謝所需的能量，為合成各種大分子物質(zhì)如脂肪、蛋白質(zhì)、核酸等提供原料，而異常代謝的腫瘤細胞消耗大量的谷氨酰胺，因而谷氨酰胺在腫瘤代謝過程中起到重要的作用[2]。谷氨酰胺酶（glutaminase，GA）催化谷氨酰胺向谷氨酸的轉(zhuǎn)化，是谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵步驟，而GA有腎型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 1（glutaminase 1，GLS1）]和肝型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 2（glutaminase 2，GLS2）]兩種同工酶[3]。GLS2在腫瘤代謝過程中發(fā)揮重要作用，可作為腫瘤治療的潛在靶點。本文概述GLS2的基礎(chǔ)和生理作用，GLS2與腫瘤關(guān)系研究進展，并對GLS2在腫瘤臨床診治過程中的應(yīng)用作了展望。

GLS2的概述

GA分為GLS1和GLS2。目前研究發(fā)現(xiàn)GLS2與GLS1在分子結(jié)構(gòu)、動力學(xué)、調(diào)節(jié)和免疫學(xué)特性上有顯著差異。人類GLS2位于12號染色體上，編碼肝型同工酶。GLS2基因長約18 kb，含18個外顯子[4]。目前已從哺乳動物GLS2基因表達中得到兩種剪接變異體：包含18個外顯子的長轉(zhuǎn)錄物谷氨酰胺酶B（glutaminase B,GAB），及缺乏外顯子 1的短轉(zhuǎn)錄物肝型谷氨酰胺酶（liver-type glutaminase,LGA）。最初，GLS2被認為只在人類肝臟中表達LGA，后來被證實在肝外組織如腦、胰腺、乳腺、結(jié)腸直腸癌中也表達GAB[5-6]。GLS1基因位于2號染色體。雖然人GLS1和GLS2基因位于不同的染色體中，但具有相當程度的序列相似性[7]。除人類GLS1基因中存在額外外顯子外，兩個基因編碼序列的主要差異位于外顯子1和18，人類GLS1與GLS2外顯子最顯著的差異位于涉及細胞器靶向和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的區(qū)域，這可能與功能差異和調(diào)節(jié)有關(guān)[4]。研究結(jié)果顯示，多數(shù)情況下GLS1的表達可隨著細胞增殖速率的增加而上調(diào)，GLS2的表達卻與細胞靜息狀態(tài)有關(guān)[8]。究其機制，研究發(fā)現(xiàn)GLS2啟動子區(qū)域在肝癌細胞中是高甲基化的，在不同轉(zhuǎn)移潛能的肝癌細胞系中也觀察到GLS2啟動子的高甲基化，提示GLS2啟動子高甲基化可能是導(dǎo)致肝癌中GLS2表達下調(diào)的重要機制[9]。一項新的研究同樣發(fā)現(xiàn)，GLS2在基底型乳腺癌中因其啟動子的高甲基化而表達下調(diào)，但在管腔型乳腺癌中，GLS2受GATA3調(diào)控而高表達。相反，GLS1在基底型乳腺癌高表達，在管腔型乳腺癌低表達[10]。雖然GLS1與GLS2多表達于不同種類的細胞中，但也可在同一細胞中表達，并在特定條件下可轉(zhuǎn)化[5]。故研究其表達應(yīng)具體到細胞的亞型。總之，無論是GLS1還是GLS2，在谷氨酰胺代謝中都發(fā)揮重要的作用。

谷氨酰胺是人血漿中最豐富的氨基酸，谷氨酰胺代謝可將谷氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸，并在三羧酸（tricarboxylic acid,TCA）循環(huán)中進一步代謝[11]。目前研究結(jié)果顯示，谷氨酰胺及其產(chǎn)物在細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，提示谷氨酰胺代謝與細胞存活和生長有重要關(guān)聯(lián)，其意義遠超出其單純在代謝中的作用[12]。GA是分解代謝中的一個關(guān)鍵酶，定位于線粒體內(nèi)膜的GLS2與尿素循環(huán)、糖異生和對抗抗氧化應(yīng)激密切相關(guān)[7]。GLS2同樣定位于細胞核中，且GLS2可直接參與或作為共調(diào)節(jié)因子參與調(diào)控基因表達。低磷酸鹽水平激活GLS2，而谷氨酰胺代謝產(chǎn)物谷氨酸對GLS2有輕微抑制作用[13]。由此可見，GLS2不僅在正常細胞，在腫瘤代謝及進展中也發(fā)揮關(guān)鍵作用。

GLS2與腫瘤的關(guān)系

一、GLS2與腫瘤代謝的關(guān)系

代謝重編程是腫瘤代謝的一項主要特征，腫瘤細胞為滿足其增殖過程中對能量的需求及生物合成，重新編碼與代謝有關(guān)的基因，從而利于能量產(chǎn)生及生物大分子合成以改變代謝的過程[14]。研究結(jié)果顯示，即使在氧氣充足的情況下，仍會有葡萄糖消耗增加和乳酸水平升高的有氧糖酵解（Warburg效應(yīng)）[15]。谷氨酰胺作為有氧糖酵解的主要底物可轉(zhuǎn)化為乳酸，通過TCA循環(huán)提供能量及癌細胞生長和增殖所需氮、碳骨架[15]。GA作為谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵酶及起始酶，可調(diào)控谷氨酰胺代謝，進而調(diào)控腫瘤細胞的增殖，其表達與多種癌癥的惡性程度和生長速度相關(guān)。且其代謝產(chǎn)物可為腫瘤代謝提供煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADPH）和抗氧化劑谷胱甘肽，從而降低活性氧自由基的表達水平[16]。GLS1在正常組織中廣泛地表達，并被認為在許多癌癥發(fā)生、進展中起關(guān)鍵作用，而GLS2則主要表達于肝臟、腦、垂體腺和胰腺癌等組織[17]。目前，已證實大多數(shù)腫瘤中GLS1高表達具有促進腫瘤細胞增殖作用，而GLS2高表達抑制癌細胞增殖作用[18]。GLS2不僅與腫瘤代謝的關(guān)系密切，還在多數(shù)腫瘤的進展中也可能起關(guān)鍵作用。

二、GLS2與腫瘤進展的關(guān)系

研究結(jié)果顯示，GLS2與多種腫瘤代謝基因及信號通路調(diào)控有關(guān)，如 p53、PI3K/AKT、Myc 等[19-20]。其相互作用，有著密切復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進而對腫瘤的進展發(fā)生影響。一方面，在大多數(shù)腫瘤中，GLS1高表達，GLS2低表達，如肝癌、結(jié)腸直腸癌[6]，且在肝癌進展過程中，GLS2可向 GLS1表達轉(zhuǎn)變[21]。GLS2的產(chǎn)生可受到p53基因的調(diào)控。p53是抑癌基因，在有、無應(yīng)激條件下均可誘導(dǎo)GLS2的產(chǎn)生，并通過增加谷氨酸和α-酮戊二酸的產(chǎn)生來調(diào)節(jié)細胞能量代謝，進而增強線粒體呼吸和ATP產(chǎn)生誘導(dǎo)的細胞凋亡，并進一步降低細胞中的活性氧防止氧化應(yīng)激[18]。GLS2在調(diào)節(jié)代謝的同時，可負調(diào)控PI3K/AKT信號通路，從而抑制肝癌細胞增殖和腫瘤進展[9]。另一方面，在少部分腫瘤，如人神經(jīng)母細胞瘤細胞中GLS2卻是高表達的[19]。MYCN是Myc家族成員，可通過選擇性上調(diào)GLS2（而不是GLS1），促進MYCN擴增的神經(jīng)母細胞瘤谷氨酰胺向谷氨酸的轉(zhuǎn)化。且與MYCN未擴增的神經(jīng)母細胞瘤相比，MYCN擴增的神經(jīng)母細胞瘤病人生存率降低。沉默GLS2后，體外、體內(nèi)試驗均可顯著降低腫瘤細胞的增殖和進展[18]。證明在某些特定腫瘤中GLS2也可發(fā)揮促癌作用。

研究證實，腫瘤細胞中GLS2除經(jīng)典代謝特征外，還可通過與一些特定的蛋白質(zhì)結(jié)合域相互作用而發(fā)揮功能[22]。如在大多數(shù)腫瘤中，GLS2過表達可抑制腫瘤細胞集落形成[20]。在肝細胞肝癌 （hepatocellular carcinoma,HCC）中，GLS2與Dicer（RNaseⅢ核糖核酸酶）相互作用并穩(wěn)定Dicer蛋白以促進miR-34a（miRNA）成熟，隨后以GA活性非依賴性方式抑制Snail表達，GLS2的非谷氨酸分解功能通過Dicer-miR-34a-Snai抑制上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，進而抑制HCC的遷移和侵襲[23]?？梢奊LS2可能通過上述途徑抑制HCC血管生成，而臨床病理也證實GLS2表達與HCC病人的血管侵襲呈負相關(guān)。此外，p53基因也可調(diào)控GLS2與Rac1蛋白質(zhì)的結(jié)合，然后，GLS2抑制Rac1激活劑鳥嘌呤-核苷酸交換因子的相互作用，進而抑制Rac1促進腫瘤轉(zhuǎn)移的作用[24]。以上這些抑癌作用均與GA活性無關(guān)。

p53家族成員TAp73也可促進GLS2的表達。TAp73在視黃酸誘導(dǎo)的神經(jīng)母細胞瘤細胞的終末神經(jīng)元分化期間調(diào)節(jié)GLS2，使GLS2過表達或抑制來調(diào)節(jié)神經(jīng)元分化和細胞內(nèi)ATP的水平[24]，并通過GLS2過表達和沉默實驗分別導(dǎo)致神經(jīng)元分化的增加和減少。說明GLS2在細胞，特別是神經(jīng)元的分化上，發(fā)揮重要作用[25]。以上研究表明，GLS2不僅在腫瘤的代謝上發(fā)揮作用，而且通過另外一些非代謝途徑影響腫瘤進展。

GLS2與腫瘤的治療

GLS2與腫瘤代謝及生物學(xué)特性有著密切關(guān)系，由此可見，GLS2可能成為腫瘤治療的潛在新靶點。為此，可先了解GLS2相關(guān)代謝重編程的分子基礎(chǔ)，并系統(tǒng)地分析代謝數(shù)據(jù)與基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的整合，從而加速癌癥研究治療。其次，GLS2是谷氨酰胺代謝的一個關(guān)鍵酶，而谷氨酰胺在腫瘤進展過程中起重要作用，GLS2可能是與一些腫瘤（如肝癌、乳腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤）代謝有關(guān)的藥物及作用靶點，進而可用于控制腫瘤的代謝及進展[15]。

一方面，由于在大多數(shù)腫瘤中GLS2低表達，如使GLS2過表達可對腫瘤的進展有抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，人膠質(zhì)母細胞瘤細胞系過表達GLS2可抑制O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（O6-methylguanine-DNA methyltransferase,MGMT）蛋白表達，而MGMT是一種DNA修復(fù)蛋白，其促進腫瘤細胞對烷化劑的抗性。故GLS2過表達可增加腫瘤細胞對烷化劑的敏感性[26]。雖然其機制目前尚不清楚，但可能為腫瘤治療提供一條新的思路。使用烷化劑治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的同時，使用靶向藥物過表達腫瘤細胞的GLS2，以增加烷化劑的抗腫瘤作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，胃癌化療藥物大黃素甲醚8-O-β-吡喃葡萄糖苷，通過下調(diào)miR-103a-3p對GLS2的抑制作用，從而提高GLS2的蛋白質(zhì)水平，抑制胃癌細胞增殖和轉(zhuǎn)移，并促進活性氧（reactive oxygen species，ROS）和丙二醛的產(chǎn)生[27]。另一方面，少部分腫瘤中GLS2過表達，如在 MYCN擴增的神經(jīng)母細胞瘤[19]、宮頸癌[28]、管腔型乳腺癌[10]，顯示出致癌作用。研究證明，具有放射抗性病人腫瘤組織中GLS2的表達顯著增強，沉默放射抗性宮頸癌細胞的GLS2，會降低細胞GSH和NADH并最終增加ROS水平，表現(xiàn)出顯著增強的放射敏感性[28]。對于管腔型乳腺癌，使用小分子抑制劑968靶向GLS2或敲低GLS2后，腫瘤細胞增殖速度明顯降低，且對化療藥物更敏感[10,29]。同樣，研究證實缺氧誘導(dǎo)因子1α可通過調(diào)控GLS2而影響谷氨酰胺代謝，最終引起結(jié)腸癌化療耐受[30]。此過程中GLS2為高表達，可能為逆轉(zhuǎn)耐藥找到新的靶點。

綜上所述，GLS2在不同腫瘤表達和作用可能各異，進行腫瘤的分子亞型研究，才能對腫瘤的個體化精準治療有幫助。另外，對GLS2與一些蛋白質(zhì)結(jié)合域結(jié)合發(fā)揮其經(jīng)典代謝特征之外的抗腫瘤作用進行研究，可為腫瘤治療提供一些新的潛在治療靶點和思路。

總結(jié)與展望

谷氨酰胺在腫瘤代謝中的作用是近年來的研究熱點，其包括腫瘤細胞增殖的多個核心代謝任務(wù)，如能量代謝，支持細胞防御氧化應(yīng)激，補充大分子生產(chǎn)過程中消耗的核苷酸、氨基酸等物質(zhì)。如何有效阻斷腫瘤中高谷氨酰胺代謝，是控制腫瘤進展的一個關(guān)鍵策略。近幾年發(fā)現(xiàn)，GLS2除經(jīng)典代謝特征外，還能影響腫瘤細胞對放、化療的敏感性。其可能通過與一些潛在的蛋白質(zhì)結(jié)合域作用，進而發(fā)揮抗腫瘤的功能。所以，GLS2的研究引起越來越多學(xué)者的關(guān)注。GLS2是谷氨酰胺代謝的關(guān)鍵酶和起始酶，進一步加強GLS2的臨床和基礎(chǔ)研究，并對GLS2有關(guān)的信號通路進行研究，可能找到與腫瘤治療相關(guān)的潛在新靶點，為放、化療手段協(xié)同治療腫瘤提供新思路。