劉雪柔，楊玉梅，趙 倩，榮翔宇，劉 偉，鄭瑞潔，龐金龍，李 嫻，李姍姍

1.蚌埠醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；

2.安徽省生化藥物工程技術(shù)研究中心，安徽 蚌埠 233030

腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移是由基因和蛋白表達(dá)或功能的改變引起的分子事件［1］，包含一系列復(fù)雜的動態(tài)過程，高侵襲性的腫瘤具有浸潤性，能夠向周圍間質(zhì)擴(kuò)散，經(jīng)過血液循環(huán)尋找遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的部位，且在轉(zhuǎn)移過程中還需適應(yīng)營養(yǎng)供給和氧化應(yīng)激的動態(tài)變化［2］，之后在轉(zhuǎn)移部位進(jìn)一步地增殖。癌組織與癌旁組織相比，代謝發(fā)生了顯著變化，且代謝變化成為驅(qū)動腫瘤轉(zhuǎn)移的主要因素。谷氨酰胺是人體血清中含量最豐富的非必需氨基酸，并在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中為癌細(xì)胞提供碳源和氮源，用于癌細(xì)胞的生物合成，為癌細(xì)胞提供能量，促進(jìn)腫瘤的生長。有研究［3］表明，谷氨酰胺代謝在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用。本文綜述近年來谷氨酰胺在腫瘤轉(zhuǎn)移中作用及其機制的研究進(jìn)展，并提出潛在的治療靶點，以期為臨床治療腫瘤轉(zhuǎn)移提供新的策略。

1 谷氨酰胺代謝概述

谷氨酰胺通過谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）生成谷氨酸和游離氨，接著谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫氫酶（glutamine dehydrogenase，GDH）催化生成α-酮戊二酸（α-ketoglutaric acid，α-KG），隨后α-KG可進(jìn)入三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid，TCA）參與糖代謝［4］。因此，谷氨酰胺可作為碳源補充TCA。此外，谷氨酰胺可經(jīng)完全氧化生成腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP），作為氮源合成核苷酸和其他非必需氨基酸［5-6］。其代謝產(chǎn)物谷氨酸可作為合成谷胱甘肽的原料之一，與NADPH一起作為還原劑參與維持細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)，利于細(xì)胞正常增殖（圖1）。谷氨酰胺代謝重編程可作為腫瘤的代謝特征之一，在惡性增殖的腫瘤細(xì)胞中，谷氨酰胺代謝具有成癮性，在沒有外源性谷氨酰胺存在時無法存活［7］。谷氨酰胺代謝參與腫瘤細(xì)胞的生物前體合成，維持腫瘤細(xì)胞氧化還原穩(wěn)態(tài)，并為腫瘤細(xì)胞提供能量，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖、遷移和侵襲。與谷氨酰胺代謝相關(guān)的酶，如GLS1/2［8］、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）［9］、GDH［10］和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶（glutamine transaminase，TG）［11］，以及參與谷氨酰胺轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運體，如SLC1A5［12］、SLC38A2［13］和SLC38A3［14］等，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)部或腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）中發(fā)揮調(diào)控腫瘤轉(zhuǎn)移的作用。

圖1 谷氨酰胺代謝的主要途徑Fig.1 The main pathway of glutamine metabolism

2 谷氨酰胺代謝影響腫瘤轉(zhuǎn)移的作用及機制

2.1 GLS與腫瘤轉(zhuǎn)移

GLS是一種線粒體酶，分為GLS1和GLS2兩種亞型，GLS1是一種線粒體基質(zhì)蛋白，在轉(zhuǎn)錄階段通過不同的剪切方式又可分為GAC（肝型）和KAG（腎型）兩種亞型，GAC只存在于線粒體中，通過對腫瘤代謝物水平的調(diào)控參與腫瘤轉(zhuǎn)移，而KAG主要在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮作用，KAG主要是通過介導(dǎo)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用，可能以非酶促的方式參與調(diào)控，因此GLS1在參與腫瘤細(xì)胞的代謝調(diào)控時，GAC亞型的表達(dá)抑制或促進(jìn)在腫瘤代謝功能改變中占據(jù)主要地位。GLS1和GLS2雖然都能催化谷氨酰胺生成谷氨酸和游離的氨，但兩者在腫瘤中的表達(dá)活性有明顯差別。

GLS1在腫瘤中表現(xiàn)出高活性，該蛋白表達(dá)與腫瘤進(jìn)展呈正相關(guān)［15］。GLS1在肝癌、胃癌、結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）、食管癌及肺癌等多種癌癥中表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和遷移，使用GLS1抑制劑BPTES、CB-893或經(jīng)siRAN沉默形成siGLS1后，GLS1在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)活性減弱，可明顯抑制腫瘤細(xì)胞遷移。最近研究［16-17］發(fā)現(xiàn)，在甲狀腺乳頭狀癌中，GLS1高表達(dá)，雷帕霉素復(fù)合物1介導(dǎo)的信號通路被激活，ULK1被磷酸化失活，從而抑制細(xì)胞自噬，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。多數(shù)情況下，細(xì)胞自噬水平增加不利于腫瘤發(fā)展，但是在腫瘤細(xì)胞后期，細(xì)胞自噬也可以通過清除破損細(xì)胞器，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定來應(yīng)對氧化應(yīng)激，有利于腫瘤細(xì)胞生存，例如，在CRC中，GLS1高表達(dá)導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞自噬水平增加，促進(jìn)腫瘤進(jìn)展，而GLS1缺失導(dǎo)致細(xì)胞自噬水平下降，與此同時細(xì)胞核中Nrf2蛋白表達(dá)降低，共同導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平升高，從而抑制腫瘤轉(zhuǎn)移，Nrf2蛋白作為一種轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)下游的抗氧化基因來維持氧化還原平衡［18］。此外，在CRC中，GLS1可以作為缺氧誘導(dǎo)因子-1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）的一個靶基因，HIF-1可與GLS1基因組中的一個位點結(jié)合，激活GLS1的表達(dá)來調(diào)節(jié)谷氨酰胺代謝，當(dāng)GLS1缺乏可抑制缺氧誘導(dǎo)的肺定植和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。還有研究［19］顯示，GLS1可與乳腺癌中的circHECTD1相互作用，促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移。GLS1還可以通過增加ROS積累和抑制Wnt/β-catenin信號通路減弱干細(xì)胞特性，從而減少癌癥干細(xì)胞（cancer stem cell，CSC）表型，CSC是一種能夠自我更新并分化為其他不同類型的腫瘤細(xì)胞，具有干細(xì)胞的特性，致瘤潛能大［20］。因此癌癥中存在CSC被認(rèn)為是導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移和獲得化療耐藥性的重要原因［21］，阻礙CSC表型形成能抑制腫瘤細(xì)胞增殖和遷移。

與GLS1不同的是，GLS2在多數(shù)情況下被認(rèn)為是一種腫瘤抑制因子，且在腫瘤中的表達(dá)活性較低［22］，其表達(dá)水平與腫瘤進(jìn)展呈負(fù)相關(guān)。如在肝癌轉(zhuǎn)移研究［23-24］中發(fā)現(xiàn)，GLS2的敲除導(dǎo)致肝癌細(xì)胞系發(fā)生肺轉(zhuǎn)移的概率顯著增加，GLS2主要是通過抑制小鳥苷三磷酸酶（guanosine triphosphatase，GTPase）Rac1的活性進(jìn)而抑制肝癌細(xì)胞遷移和侵襲。同樣有研究［25］報道，在肝癌中，GLS2表達(dá)通過穩(wěn)定Dicer活性，誘導(dǎo)miR-34a的表達(dá)，接著降低snail的表達(dá)從而抑制上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT），進(jìn)而抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。另外，在乳腺癌中，GLS2過表達(dá)可通過EGF-ERK-ZEB1-vimentin軸抑制EMT，從而抑制腫瘤進(jìn)展［26］。

EMT與腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移及耐藥密切相關(guān)，是腫瘤轉(zhuǎn)移的起始過程也是關(guān)鍵步驟［27］。在此階段，腫瘤上皮細(xì)胞喪失極性，成為間充質(zhì)細(xì)胞，且更具有運動性，加速腫瘤細(xì)胞向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，并使腫瘤獲得CSC的特性［28］。EMT受到多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，包括snail［29］、ZEB［30］、Slug［31］和TWIST［32］等。已有研究［33］證明，在胰腺癌細(xì)胞中，谷氨酰胺缺失引起的MEK/ERK信號通路和ATF4轉(zhuǎn)錄因子的激活能誘導(dǎo)Slug蛋白表達(dá)水平的增加，促進(jìn)EMT，增強侵襲性，而抑制Slug蛋白表達(dá)，可以降低胰腺癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移。

同樣也有研究［34］證明，GLS2在乳腺癌、食管鱗狀細(xì)胞癌（esophageal squamous cell carcinoma，ESCC）中作為致癌基因而存在，例如，甲基轉(zhuǎn)移酶樣因子3（methyltransferase like 3，METTL3）通過增強GLS2的表達(dá)促進(jìn)ESCC的轉(zhuǎn)移，下調(diào)GLS2可以減弱METTL3介導(dǎo)的腫瘤侵襲和遷移。與GLS1在多種癌癥中的作用水平類似，GLS2的高水平表達(dá)與乳腺癌患者的不良預(yù)后相關(guān)。

2.2 GS與腫瘤轉(zhuǎn)移

GS催化細(xì)胞內(nèi)谷氨酸和游離氨生成谷氨酰胺，因此在氮代謝、氨解毒方面發(fā)揮作用，GS可催化谷氨酰胺分解代謝逆過程，作為唯一從頭合成谷氨酰胺的酶，可以在細(xì)胞內(nèi)通過合成谷氨酰胺來滿足腫瘤細(xì)胞快速增殖的需求，因此在癌癥轉(zhuǎn)移中至關(guān)重要［35］。GS在膠質(zhì)瘤［36］、卵巢癌［37］和乳腺癌［38］等癌癥中表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)多種腫瘤的生長、增殖過 程。

GS在TME的調(diào)控中發(fā)揮重要作用，TME包括存在于腫瘤細(xì)胞外的細(xì)胞外基質(zhì)、成纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、脂肪細(xì)胞及T淋巴細(xì)胞等，還包括血管的生成［39］。有研究［40］顯示，腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化在多種類型腫瘤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用，并表現(xiàn)出EMT表型。肝癌細(xì)胞產(chǎn)生的抗炎因子促進(jìn)巨噬細(xì)胞的M2型極化，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移［41］。CRC細(xì)胞中，巨噬細(xì)胞同時存在M1和M2兩種表型，其中M2表型發(fā)揮主要作用，導(dǎo)致CRC細(xì)胞侵襲、遷移和轉(zhuǎn)移能力增強［42］。最近的研究［43］表明，GS活性下降能夠介導(dǎo)腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化，抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。

當(dāng)巨噬細(xì)胞處于M0表型時，在炎癥因子干擾素和其他激動劑的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)镸1表型，M1表型表現(xiàn)出炎癥反應(yīng)，抑制血管生成，妨礙腫瘤轉(zhuǎn)移過程，而GS的高表達(dá)促使M1表型巨噬細(xì)胞在白細(xì)胞介素（interleukin，IL）-4、IL-13和IL-10等作用下成為具有抗炎作用的M2表型［44］。GS增加細(xì)胞中琥珀酸水平，激活HIF-1使腫瘤細(xì)胞維持在M2表型，促進(jìn)血管生成，增加T淋巴細(xì)胞的毒性作用，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移（圖2）。此外在腫瘤細(xì)胞中，癌基因c-myc被證明與谷氨酰胺成癮有關(guān)，在口腔癌中，c-myc作為上游調(diào)節(jié)因子通過上調(diào)GLS和GS活性促進(jìn)EMT，抑制c-myc的表達(dá)后明顯減弱口腔癌細(xì)胞增殖和遷移能力［45］。

圖2 GS在TME的巨噬細(xì)胞活化中的作用Fig.2 The role of GS in macrophage activation in TME

2.3 GDH與腫瘤轉(zhuǎn)移

GDH用于催化谷氨酸生成α-KG，α-KG進(jìn)入TCA參與能量供應(yīng)和生物能合成。已有研究［46］表明，在腫瘤抑制因子LKB1缺失的肺癌細(xì)胞中，GDH1及下游產(chǎn)物α-KG通過CamKK2介導(dǎo)促進(jìn)AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）的磷酸化。AMPK被激活，觸發(fā)能量代謝，抑制下游mTOR信號通路，從而增強凋亡抵抗，促進(jìn)肺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移［47］。GDH1通過酪氨酸135的磷酸化被表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）激活，通過CaMKIV信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與RSK2一起增強cAMP響應(yīng)性元件結(jié)合蛋白活性，從而促進(jìn)肺癌轉(zhuǎn)移［48］。GDH還通過誘導(dǎo)STAT3介導(dǎo)的EMT來促進(jìn)CRC細(xì)胞遷移。鑒于GDH的高表達(dá)與較差的臨床結(jié)果有關(guān)，GDH可作為CRC轉(zhuǎn)移的預(yù)后標(biāo)志物之一［49］。有研究［50］顯示，具有腺苷二磷酸（adenosine diphosphate，ADP）-核糖基化活性的線粒體Sirtuin 4通過促進(jìn)GDH1的糖基化來抑制前列腺癌進(jìn)展中的谷氨酰胺代謝途徑。

2.4 TG與腫瘤轉(zhuǎn)移

TG能催化蛋白質(zhì)或多肽鏈內(nèi)谷氨酰胺殘基的水解和與其他氨基進(jìn)行酰胺基的交換。TG蛋白家族包括TG1、TG2、TG3、TG4、TG5和TG6，其中TG2在參與并調(diào)控腫瘤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮關(guān)鍵作用。TG2在多種癌癥中表達(dá)上調(diào)，如乳腺癌、CRC、肺癌、胰腺癌及卵巢癌等。

TG2同時具有酶促作用和非酶促作用，一方面TG2能催化Ca2+家族依賴蛋白的轉(zhuǎn)酰胺化，發(fā)揮轉(zhuǎn)氨酶的活性；另一方面，TG2具有GTPase、蛋白激酶和蛋白二硫化物異構(gòu)酶活性［51］，該活性在腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮主要作用。此外，TG2在細(xì)胞外部和細(xì)胞內(nèi)部都具有促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移的作用［52］。TG2與細(xì)胞膜表面的整聯(lián)蛋白及細(xì)胞基質(zhì)中的纖維連接蛋白相結(jié)合，誘導(dǎo)整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞黏附的產(chǎn)生，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移，然而大部分TG2在細(xì)胞內(nèi)部發(fā)揮作用，TG2可以與細(xì)胞內(nèi)的HIF-1結(jié)合，進(jìn)而刺激snail、Twist、ZEB等EMT調(diào)節(jié)因子的表達(dá)從而促進(jìn)EMT，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移能力增強。然而這些作用都依賴于TG2的GTPase活性，很少需要轉(zhuǎn)氨酶活性的參與。

在CRC中，TG直接調(diào)控EMT（snail和E-cadherin）和CSC（CD133和SOX2）相關(guān)蛋白的表達(dá)進(jìn)而影響干細(xì)胞特性和腫瘤遷移及侵襲［53］。在肝癌中，癌癥相關(guān)成纖維細(xì)胞（cancer-associated fibroblast，CAF）通過TG2誘導(dǎo)IL-6-IL6R-STAT3軸促進(jìn)EMT，加速肝癌細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移［54］。此外，也有研究［55］報道，真核延伸因子-2激酶通過上調(diào)TG2表達(dá)活性及整聯(lián)蛋白介導(dǎo)的通路來增強胰腺癌細(xì)胞的EMT和遷移。在胃癌中，TG2高表達(dá)，通過介導(dǎo)ERK1/2活性參與胃癌細(xì)胞增殖和遷移［56］。TG2也可作為口腔鱗狀細(xì)胞癌的生物標(biāo)志物，在原發(fā)性腫瘤和轉(zhuǎn)移性病灶中TG2的mRNA水平明顯升高［57］。

2.5 谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白與腫瘤轉(zhuǎn)移

腫瘤細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過程中，需要消耗大量的氨基酸進(jìn)入細(xì)胞，而其中包括許多外源性的非必需氨基酸，為滿足外源性氨基酸進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的要求，氨基酸轉(zhuǎn)運體發(fā)揮著關(guān)鍵作用。谷氨酰胺進(jìn)入細(xì)胞需要谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白的參與，如SLC1A5/ASCT2、SLC38A3等，其中SLC1A5是一種依賴Na+的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白，被認(rèn)為在多種腫瘤細(xì)胞中擔(dān)任主要的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運體角色，在胃癌、CRC、乳腺癌、非小細(xì)胞肺癌（nonsmall cell lung cancer，NSCLC）和肝癌等癌癥中表達(dá)上調(diào)，能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長、增殖、遷移和EMT。在NSCLC中，SLC1A5可作為腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的不良預(yù)后標(biāo)志，其表達(dá)水平與在原位瘤及轉(zhuǎn)移性腫瘤中的表達(dá)呈正相關(guān)［58］。此外，在黏液表皮樣癌所分離出來的一種具有高轉(zhuǎn)移性的腫瘤組織MC3中，腫瘤抑制因子NDRG2通過抑制蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）表達(dá)，減少對GSK3β的磷酸化，保持其活性，GSK3β通過誘導(dǎo)依賴Fbw7的c-myc的降解，導(dǎo)致c-myc活性降低，即從轉(zhuǎn)錄水平上抑制SCL1A5的表達(dá)，使腫瘤細(xì)胞依賴的谷氨酰胺分解減少，從而抑制EMT和腫瘤轉(zhuǎn)移［59］。SLC38A3同樣可通過激活PDK1/AKT信號通路減少EMT的上皮標(biāo)志物E-cadherin的表達(dá)，增加間充質(zhì)標(biāo)志物N-cadherin的表達(dá)，從而促進(jìn)EMT，導(dǎo)致NSCLC的細(xì)胞轉(zhuǎn)移［60］。與原發(fā)性腫瘤相比，SLC38A2在轉(zhuǎn)移性CRC組織中呈現(xiàn)高表達(dá)狀態(tài)，SLC38A2的缺失有利于抑制腫瘤進(jìn)展［61］，并且與臨床上三陰性乳腺癌患者的預(yù)后不良有關(guān)［62］。氨基酸逆向轉(zhuǎn)運蛋白SLC7A5也對晚期CRC中腫瘤的轉(zhuǎn)移和發(fā)展至關(guān)重要，在建立的轉(zhuǎn)移性實驗?zāi)Ｐ椭?，SLC7A5的缺失能顯著延長模型小鼠生存期且減少腫瘤轉(zhuǎn)移［63］。

3 靶向谷氨酰胺代謝干預(yù)腫瘤轉(zhuǎn)移的治療前景

目前處于臨床前研究的靶向GLS抑制劑包括CB-839、6-重氮-5-氧-L-正亮氨酸、968和BPTES等，但是由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)代謝的復(fù)雜性，不只有谷氨酰胺代謝的存在，各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間有重疊性，存在多個不同的靶點，因此谷氨酰胺代謝可以與其他臨床藥物聯(lián)合使用，通過對多個代謝通路的抑制，增加抑瘤作用。已有研究［64］表明，其他靶向藥物與GLS抑制劑聯(lián)用具有良好的抗腫瘤效果。在CRC的治療中，二甲雙胍與利巴韋林、奧沙利鉑和GLS抑制劑968聯(lián)用具有較好的療效［65］。968還可與自噬抑制劑氯喹聯(lián)用，氯喹抑制968引起的細(xì)胞自噬，增強968的靶向抗腫瘤作用［66］。因此，實際應(yīng)用中，可將谷氨酰胺代謝抑制劑與其他靶向抗腫瘤藥物聯(lián)合應(yīng)用，增加治療的可行性，為臨床研究提供理論和實驗基礎(chǔ)，有希望在未來開發(fā)更多的抗腫瘤藥物。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：

劉雪柔：前期文獻(xiàn)調(diào)研，文章初稿撰寫；

楊玉梅：文章框架整理；

趙倩：參考文獻(xiàn)收集和插入；

榮翔宇：文章校樣修改；

劉偉：文章返修內(nèi)容核對，文獻(xiàn)整理；

鄭瑞潔：文章返修內(nèi)容核對；

龐金龍：提供研究思路；

李嫻：提供基金支持；

李姍姍：提供基金支持，文章審閱和修改。