BJC | 癌症中脂肪酸代谢的重编程

来源: 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司   2020-7-30   访问量:645评论(0)

癌细胞的一个共同特征是它们能够通过重塑其新陈代谢,为细胞生长、分裂和生存提供所需的ATP和大分子。脂肪酸代谢在癌症中的重要性已经引起人们关注,因为它们除了作为膜基质结构成分外,还是重要的二级信使,同时可以作为生产能量的燃料来源。本综述分别从(1)脂肪酸来源;(2)脂肪酸代谢调控机制;(3)脂肪酸重要作用;(4)靶向肿瘤脂肪酸代谢治疗策略方面研究癌细胞脂肪酸代谢重塑的机制,深入研究致癌信号和脂肪酸代谢失调之间的复杂相互作用,相关成果发表在《British Journal of Cancer》。

Fig. 2 Cancer cells obtain fatty acids (FAs) from de novo lipogenesis and exogenous uptake.

脂肪酸来源

哺乳动物细胞中,FAs既可以通过周围微环境直接摄取(外源性),也可以通过营养物质(如葡萄糖或谷氨酰胺)从头合成。癌细胞的代谢特征之一是脂质组重编程,涵盖了FA转运,从头合成,以脂滴(LDs)储存和β-氧化生成ATP。

外源性脂肪酸摄取使癌细胞代谢更具灵活性

摄取外源性FA需要专门的转运蛋白来促进其有效跨膜,其中包括CD36(也称为脂肪酸转位酶,FAT),脂肪酸转运蛋白家族(FATP,也称为溶质载体蛋白家族27即SLC27)和质膜脂肪酸结合蛋白(FABPpm),肿瘤中这些基因和蛋白质表达均升高。特别是,CD36的高表达与多种类型肿瘤的不良预后相关。研究表明CD36在肿瘤微环境代谢中起着关键作用,最终改变肿瘤细胞对外源性脂质的依赖性。

外源性FAs摄取增加并并储存于LDs中,LDs是一种胞质细胞器,以TAGs和甾醇酯的形式隔离多余FAs。因此,癌细胞中LDs蓄积不仅可用于维持脂质稳态和防止脂毒性,而且还可在代谢应激下提供ATP和NADPH。这在很大程度上是由储存的脂质发生β-氧化来实现的,FAs氧化降解产生乙酰辅酶A。乙酰辅酶A随后进入三羧酸(TCA)循环为电子传递链提供NADH和FADH2,,最终合成的ATP大约是碳水化合物氧化生成的6倍。

脂肪从头合成生成多种脂肪酸

脂肪从头合成是利用碳水化合物(如葡萄糖)和氨基酸(包括谷氨酰胺)中的碳转化为FAs的过程。正常组织中,脂肪从头合成仅限于肝细胞和脂肪细胞;然而,即使存在外源性脂质源的情况下,癌细胞可以重新激活该代谢途径。FA合成的主要底物是柠檬酸盐或醋酸盐代谢生成细胞质乙酰辅酶A。葡萄糖或谷氨酰胺分别通过TCA循环中丙酮酸氧化或还原羧化作用生成柠檬酸盐。此外,在缺氧或脂质缺乏等代谢应激条件下,癌细胞中乙酰辅酶A合成酶2(ACSS2)表达上调通过醋酸盐生成乙酰辅酶A。柠檬酸盐可通过ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)转化为乙酰辅酶A,ACLY是乙酰辅酶A羧化酶(ACCs)的底物。乙酰辅酶A不可逆羧化生成丙二酰辅酶A是脂质从头合成的限速步骤,由脂肪酸合成酶(FASN)催化七个丙二酰辅酶A和一个乙酰辅酶A缩合生成饱和的棕榈酸(FA16:0)。随后经硬脂酰辅酶A去饱和酶(SCD)发生去饱和反应,生成Δ9位置单不饱和FAs,经FA延长酶(如ELOVL6)作用,棕榈酸增加两个碳基形成饱和硬脂酸。

棕榈酸(FA16:0)是脂肪酸从头合成的主要产物,可通过SCD、ELOVLs和FADs进行C链延申和去饱和,从而产生其他种类FA,包括硬脂酸(FA18:0)和油酸(FA18:1),这些FAs可用于生成更复杂的脂质。值得注意的是,油酸可通过3-磷酸甘油酰基转移酶1(GPAT1)和酰基-CoA:LPA酰基转移酶(LPAT)直接用于PA合成,也可以GPAT1依赖方式存储于TAGs。就PA而言,这类磷脂不仅具有重要的结构和信号作用,而且是Lipin1–3和AGPAT合成DAG的主要底物之一,也有助于复杂甘油脂合成。例如,PA可以通过CDP–DAG合成酶(CDS)与CTP缩合生成CDP–DAG,而CDP-DAG是甘油磷脂酰肌醇(PtdIns),磷脂酰丝氨酸(PSs),磷脂酰甘油(PGs)和磷脂酰胆碱(PCs)等复杂甘油脂从头合成的主要前体。

有研究已经阐明FAs代谢中的各种代偿途径,癌细胞利用这些代偿途径来提高其适应性。之前人们认为SCD酶是唯一能从棕榈酸生成单不饱和FAs的去饱和酶。然而,FADS2已被证明在癌细胞系和原发性肿瘤中的FAs去饱和中起着主导作用。这些细胞经FADS2发生去饱和反应生成sapienate(cis-6-C16:1),支持其增殖过程中的膜合成。

脂质代谢调控:分子异质性与致癌信号的融合

癌细胞的几种代谢过程直接受癌基因和抑癌基因的调控。其中磷酸肌醇3-激酶和AKT(PI3K–AKT)途径过度激活与特定代谢过程的重编程有关,包括通过葡萄糖转运体1(GLUT1)增加葡萄糖摄取,激活谷氨酸-丙酮酸转氨酶2(GPT2)增强谷氨酰胺回补以及细胞脂质重编程。因此,必须在特定的分子和代谢环境中考虑FA代谢的复杂调控网络。

分子异质性和脂质重编程

基因组相关研究表明,参与脂质代谢的几种酶表达上调是癌细胞的一个基本代谢特征。同时,也有研究结果表明不同类型肿瘤和分子亚型中脂酶表达存在差异。例如,长链酰基辅酶A合成酶3(ACSL3)在雄激素依赖性癌症(如前列腺癌)中过度表达以激活胆固醇和类固醇生成,但在三阴性乳腺癌中表达下调。因此,尽管脂代谢失调是癌症广泛的特征,但不同类型肿瘤可能表现出独特的代谢适应性以有利于脂质代谢重编程。

Fig.3 Regulation of lipid metabolism by PI3K–mTOR signalling.

致癌信号调节脂质代谢

致癌信号通路可直接调节脂质代谢相关酶,因此在肿瘤脂质代谢重塑中是必不可少的。PI3K–AKT信号是人类癌症中最常见的信号失调通路,它通过刺激人类表皮生长因子受体2(HER2)和胰岛素受体在内的生长因子受体酪氨酸激酶(RTK)来激活,或PIK3CA致癌突变来激活。AKT活化调控脂肪酸从头合成的两个过程:代谢中间体穿梭为合成代谢提供碳源,合成还原当量NADPH为脂质生成提供燃料。例如,AKT可以直接磷酸化并激活ACLY,从而增加乙酰辅酶A合成。此外,NADPH是合成代谢的重要辅助因子,尤其是FASN催化的乙酰辅酶A和丙二酰辅酶A的缩合反应。AKT可以通过激活Nrf2转录因子以增加涉及NADPH合成的相关基因转录(如6-磷酸葡糖酸脱氢酶、葡萄糖-6-磷酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶1)从而间接调控NADPH生成。

有研究表明,AKT通过急性激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸激酶(NADK)增加烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP+)的生成。而且,NADK是哺乳动物细胞中唯一可将NAD +转化为NADP +的酶,后者被还原为NADPH用于脂肪从头合成。

与PI3K激活密切相关的是哺乳动物雷帕霉素(mTOR)信号。mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,主要由mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)两个催化亚基构成。AKT是mTORC1的有效激活剂,通过磷酸化和灭活mTORC1的负调控因子结节性硬化症复合体1和2(TSC1/2)。mTORC1可激活多种代谢过程,包括促进线粒体生物合成诱导氧化磷酸化、维持核苷酸从头合成和脂质生成。脂质生成转录调节因子SREBP1转化为成熟活性形式的过程受PI3K-AKT-mTORC1依赖机制进行调控。其中一种机制为mTORC1依赖性lipin-1调节。mTORC1直接磷酸化并灭活脂蛋白-1使其留在细胞质中,而抑制mTORC1后,活性的lipin-1转运到细胞核并诱导显著的核重塑,最终导致SREBP转录活性降低。尽管尚未完全阐明,但该调节可能取决于特异性作用于PA的lipin-1的脂质磷酸酶活性。mTORC1还可以以不依赖于SREBPs的方式调节脂质生成基因的表达,这需要mTORC1-S6激酶1(S6K1)-丝氨酸/精氨酸蛋白激酶2(SRPK2)激活U1小核核糖核蛋白70 kDa(U1-70K),使参与脂质生成基因(如FASN、ACLY和ACSS2)的mRNA剪接增加。

除mTORC1外,PI3K信号过度激活也可以诱导mTORC2的活性。,尽管其激活特征不如mTORC1好,但研究者们已经意识到mTORC2也是癌细胞代谢重编程的重要介质。mTORC2是驱动FA代谢的关键信号中枢,不仅激活下游AGC激酶,包括AKT、血清和糖皮质激素调节激酶(SGK)和蛋白激酶Cs(PKCs),还可以通过Thr86上SIN1磷酸化与AKT相互刺激mTORC2。独立于mTORC1,AKT通过抑制糖原合酶激酶3(GSK3)来促进成熟SREBP1c的稳定性,该酶磷酸化并促进其泛素化和蛋白酶体降解。除AKT外,mTORC2还可以直接磷酸化和激活一些可以刺激脂肪生成的SGK和PKC亚型。

PI3K信号调节癌细胞代谢已经得到证实,但在FA代谢失调情况下如何整合这些过程仍然不清楚。PI3K–AKT途径通过激活GLUT1和己糖激酶直接促进葡萄糖摄取和糖酵解诱导Warburg效应。即使在有氧条件下,AKT仍以mTORC1依赖的方式促进HIF1αmRNA翻译,从而抑制丙酮酸脱氢酶,导致糖酵解和线粒体氧化磷酸化解偶联。如果单独考虑这种代谢重组,那么PI3K信号传导如何促进脂质代谢就变得不合常理,尤其是在脂肪生成和β-氧化过程中柠檬酸合成需要功能性氧化磷酸化。因此,癌细胞表现出高水平有氧糖酵解反应也必须伴有氧化磷酸化受损的观点有必要重新审视。过度激活的PI3K信号为癌细胞提供了明显的代谢优势,因为它不仅增加了合成代谢代谢所需的代谢中间体的合成,还促进了呼吸作用,导致乙酰辅酶A生成柠檬酸,从而促进新的脂肪生成。

此外,通常认为PI3K–AKT信号促进脂质合成,抑制脂肪分解和β-氧化。然而,PI3K在平衡FAs和葡萄糖氧化过程中精确参与表现出其更为复杂。而且,脂质信号失调可能会引起mTORC1-p70S6K激活及其磷酸化抑制IRS1而引发负反馈回路。

脂肪酸代谢调节致癌信号

目前为止,肿瘤脂质代谢重组在很大程度上被认为是致癌信号和基因异常诱导的结果。然而,肿瘤发生早期会出现几种脂质酶过度表达,其在增生性病变和侵袭前病变阶段均有观察到。因此,脂肪从头合成的上调和调节脂质的酶网络也可能在整个恶性转化中动态地相互增强致癌信号,而不是一种继发现象。激素依赖性乳腺癌相关研究探讨了FASN与雌激素受体α(ERα)信号之间的双向调控机制,研究发现FASN的遗传和药理抑制作用均会使ERα对雌激素依赖性反式激活作用高度敏感,从而导致雌激素受体元件(ERE)转录活性和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)-ERK信号发生协同诱导。有趣的是,FASN抑制后E2使MAPK-ERK信号过度活化,但PI3K-AKT活性却减弱了。因此,FASN除了在脂肪生成中发挥作用外,还在MAPK-ERK和PI3K-AKT信号通路整合及与E2-ERα信号相互作用中具有重要作用。

肿瘤表观基因组代谢调控

除了调控促癌基因信号网络外,越来越多研究表明,FA代谢对癌症表观基因组也具有深远影响,进而调节基因表达和细胞分化。即使在营养缺乏的情况下,ACLY和ACSS2持续合成乙酰辅酶A以维持组蛋白乙酰化促进促增殖和生长基因的转录。因此,当微环境条件变得有利时,癌细胞能够更快地诱导这些致瘤基因信号。总体而言,脂肪酶(例如FASN,ACLY和ACSS2)激活不仅是由过度活跃的致癌信号引起的继发事件,而且还存在于相互调节的复杂网络中。此外,这些酶产生的代谢副产物对基因表达和整个细胞生理学会产生进一步影响。因此,必须在这一大背景下考虑它们的功能。

Fig. 4 Fatty acids (FAs) regulate membrane architecture and oncogenic signalling pathways.

脂肪酸促进肿瘤发生发展

众所周知,FA对于癌细胞是必不可少的,因为它们在细胞快速增殖过程中维持膜生物合成,并在代谢应激条件下提供重要的能量来源。然而FAs及其副产物更为复杂的致癌作用正被发现。它们作为信号分子可以通过调节微环境来创造有利于肿瘤发展的条件,从而直接调节细胞的稳态。

膜结构和流动性

FAs是维持细胞膜结构和流动性的重要组成部分。癌细胞中脂质从头生成速率提高的优势之一是饱和和单不饱和FA的合成,它们比多不饱和FA稳定,因为它们含有较少的可作为过氧化目标的双键。细胞内胆固醇水平也可以显著调节膜结构从而影响细胞迁移和最终转移扩散。在膜中掺入胆固醇通常会降低流动性,因此可通过限制细胞改变形状的能力来抑制其转移,这是细胞从上皮-间充质转化(EMT)和血管内/外渗中必不可少的过程。

流行病学研究强调了胆固醇异常代谢在癌症中的作用,引起了人们对肿瘤如何利用胆固醇并进行治疗的关注。为了成功地利用胆固醇代谢作为癌症的治疗目标,首先要考虑疾病发展中癌细胞对胆固醇的依赖性如何变化。考虑到这一点,在疾病晚期阶段积极降低胆固醇可能会产生有限或不利的影响,因为癌细胞转移需要低水平的EMT。相反,当这些肿瘤更依赖胆固醇维持生长因子诱导的信号时,用他汀类药物阻断胆固醇合成可能会更有效地抑制早期癌症发生和扩散。

促癌信号分子

FAs被用于合成生物活性脂质,通过在信号转导途径中充当次级信使维持其细胞增殖和存活。PtdIns是最典型的信号脂质,由两个FA连接到肌醇和一个甘油骨架上。肌醇上3、4和5位羟基可被磷酸化生成多种磷酸化肌醇物,包括单磷酸化的PI(3)P、PI(4)P和PI(5)P、二磷酸化的PI(3,4)P2、PI(3,5)P2和PI(4,5)P2,三磷酸化PI(3-5)P3(也称为PIP3)。其中,PIP3研究最为广泛,因为它促进AKT在质膜上定位,导致其随后被激活的PI3K信号下游的磷酸肌醇依赖激酶1(PDK1)和mTORC2激活。磷酸肌醇对致癌信号的调节也可以通过脂类磷酸酶如PTEN和肌醇多磷酸-4-磷酸酶II(INPP4B)的活性介导。PTEN将PIP3脱磷酸生成PIP2,成为PI3K信号主要负调节因子。参与磷酸肌醇代谢的其他磷酸酶可以独立于AKT激活PI3K信号。例如,SHIP和INPP4B分别将PIP3依次转化为PI(3,4)P2和PI(3)P从而激活SGK3。由PI(3)P和INPP4B启动的PI3K-SGK3信号可驱动细胞增殖、侵袭和肿瘤生长,证明作为第二信使的磷酸肌醇可以动态调节不同信号轴从而提供代偿性促肿瘤效应。

除PtdIn外,PA也是一类信号传递分子。PAs主要通过磷脂酶D1/2(PLD1/2)对PC和PE水解生成,而甘油-3-磷酸(G3P)可以作为甘油-3-磷酸酰基转移酶(GPATs)底物用于合成PA。PA可以直接结合并稳定mTOR,从而导致mTORC1和mTORC2活性增加。抑制PA合成则降低Ser上AKT的mTORC2依赖性磷酸化,这表明mTOR除了感知营养成分(包括氨基酸)外,还可以整合脂质信号,最终协调细胞生长和增殖。

Fig.5 Remodelling of the tumour microenvironment by bioactive lipids.

具有生物活性的脂质还可通过激活G蛋白偶联受体(GPCR)的自分泌和旁分泌机制刺激细胞增殖(图5)。其中最有效的脂类是溶血磷脂酸(LPAs),它由一个附着在甘油主链上的磷酸头基团和一个单尾脂组成。LPA的产生受多种脂类丰度影响。LPA主要通过两种机制产生:通过磷脂酶(PLAs)在sn-2位置裂解现存磷脂释放溶血磷脂和FA;利用autotaxin(一种分泌型糖蛋白)的溶血磷脂酶D活性在细胞外将LPC转化为LPA。

几种LPA含有不同碳长度和不饱和度的FA尾,其中最常见的具有生物学功能的是LPA(16:0)和LPA(18:1)。人类细胞有六个LPA受体(LPAR)基因可表达编码LPAR1–6,LPA与之结合并发挥其促肿瘤作用。LPA也与自分泌和旁分泌信号网络有关,因此LPA是肿瘤细胞与微环境之间的重要介质。

类花生酸重塑肿瘤微环境

生物活性脂质分子中一个重要亚类是类花生酸。omega-6 类脂肪酸花生四烯酸(AA)是几种类花生酸的主要前体,包括前列腺素,血栓烷和白三烯,每种都具有促炎和促肿瘤作用。参与前列腺素生成的酶主要是前列腺素G/H合成酶COX1(PTGS1)和COX2(PTGS2)。前者具有组成性活性,可调节血管生成和凝血在内的正常细胞过程,而COX2的表达由生长因子和趋化因子选择性诱导,因此与炎症关系更密切。COX的环氧化酶和过氧化物酶将AA分别转换为前列腺素G2(PGG2)和前列腺素H2(PGH2)。其他类花生酸如PGE2、PGD2、前列环素和血栓烷类可从PGH2中衍生。前列腺素通过激活G蛋白偶联的前列腺素受体如EP1-4、DP1、PGF受体(FP)、PGI受体(IP)和TX受体(TP),以自分泌和旁分泌方式发挥促炎和促肿瘤作用。

前列腺素引发的肿瘤始发事件包括PGE2介导PI3K信号激活和与EP4受体结合后诱导ERK信号,从而通过稳定β-catenin和c-MET诱导刺激增殖和细胞迁移。除了对肿瘤细胞的直接作用外,前列腺素还可以调节肿瘤微环境,这在抑制抗肿瘤免疫反应研究中得到广泛证明。PGE2升高促进肿瘤免疫逃逸的一个机制是,PGE2与肿瘤细胞表达的细胞间黏附分子1 (ICAM-1)和淋巴细胞受体LFA-1结合,消除协同刺激并完全激活CD8+ T淋巴细胞。常规1型树突细胞(cDC1s)的积累是抗肿瘤免疫反应启动的必要条件,也需要肿瘤微环境自然杀伤细胞浸润。然而,在BRAFV600E突变黑素瘤模型中,cox2衍生的PGE2过量生成直接抑制了CXCL1和趋化因子,从而减弱cdc1向肿瘤部位的迁移。重要的是,NK和cDC1细胞的积累与黑色素瘤、乳腺癌的较好预后有关,这表明前列腺素的免疫调节特性可能具有重要的临床意义。

此外,花生四烯酸代谢生成的花生四烯酰辅酶A可以在酰基辅酶A合成酶ACSL4作用下继续代谢。花生四烯酰辅酶A可酯化生成甘油三酯并与磷脂结合,或被COX2当作底物以增强类花生酸合成。ACSL4升高诱导致癌作用具有双重性。首先,ACSL4激活导致线粒体AA积累从而影响白三烯生物合成,包括5-、12-和15-羟基二十碳酸(HETE)。这些代谢物可激活白三烯B4受体,并增强PI3K-AKT和Wnt-β-catenin等几种致癌信号通路从而促进乳腺癌和前列腺癌细胞迁移和增殖。其次,未酯化的多不饱和FAs (PUFAs)过量积累诱导ER应激反应、激活caspase-3和肿瘤坏死因子α(TNF-α)信号促进细胞凋亡。ACSL4通过产生花生四烯酰辅酶A来限制未酯化AA升高相关的细胞毒性,从而提高凋亡阈值和抗阉割前列腺癌(CRPC)细胞存活。需要注意的是,花生四烯酰辅酶A和AA在线粒体局部积累有助于膜去极化和电子传递链解偶连,导致ROS增加。ROS水平升高诱导铁死亡导致脂质过氧化和细胞死亡。因此,癌细胞中必须有足够的抗氧化反应,包括增加Nrf2活性和NADPH/谷胱甘肽生物合成,以利用ACSL4过表达的促肿瘤作用。

小结

目前研究者已经认识到癌细胞FA代谢重编程具有重要意义。除了作为膜基质结构主要成分外,脂肪酸代谢生成的产物还可作为重要的二级信使或燃料来源,在致癌信号通路、脂质稳态、肿瘤微环境重塑等方面发挥重要作用。治疗策略方面,抑制单一酶或途径不太可能充分利用FA代谢在癌症治疗中的全部潜力。有必要考虑FAs、及其副产物和其功能以及与肿瘤微环境、营养物质之间的相互作用,从而利用癌细胞对FAs的独特依赖性开发新型组合治疗策略。

参考文献

Koundouros N, et al,Reprogramming of fatty acid metabolism in cancer.2020.Br J Cancer. https://doi.org/10.1038/s41416-019-0650-z

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