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自從Otto Warburg開(kāi)創(chuàng)性研究 - 有氧糖酵解學(xué)說(shuō)發(fā)表以來(lái)，葡萄糖代謝一直是癌癥代謝研究的重中之重。而其他代謝產(chǎn)物的研究，如谷氨酰胺，一直被束之高閣，直到近幾十年才得以復(fù)蘇。
1935年，Hans Krebs提出了著名的三羧酸循環(huán)(TCA)，指出了谷氨酰胺在動(dòng)物體內(nèi)代謝的重要性。隨后研究陸續(xù)表明，谷氨酰胺在正常細(xì)胞和癌細(xì)胞生長(zhǎng)中發(fā)揮了重要的作用。
鑒于谷氨酰胺在能量生成和大分子合成中扮演的關(guān)鍵作用，針對(duì)谷氨酰胺開(kāi)發(fā)的相關(guān)藥物在抑制腫瘤方面具有非常大的潛力。下面我們將對(duì)于谷氨酰胺相關(guān)生理作用和抑制劑臨床進(jìn)展進(jìn)行介紹。
谷氨酰胺代謝
血液中高水平谷氨酰胺濃度提供了一個(gè)現(xiàn)成的碳、氮源，用于支持癌細(xì)胞的生物合成、能量代謝和細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)。
谷氨酰胺通過(guò)細(xì)胞中的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC1A5(溶質(zhì)載體家族1中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白成員5)運(yùn)送到細(xì)胞中。
在營(yíng)養(yǎng)匱乏的條件下，癌細(xì)胞可以通過(guò)分解大分子獲得谷氨酰胺。致癌基因RAS過(guò)度激活可以促進(jìn)胞飲作用，癌細(xì)胞清除胞外蛋白，降解為包括谷氨酰胺在內(nèi)的氨基酸，為癌細(xì)胞提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。
癌細(xì)胞吸收大量的葡萄糖，但大部分的碳源通過(guò)有氧糖酵解作用都生成了乳酸，而不是用于TCA循環(huán)中。
過(guò)度激活PI3K、Akt、mTOR、KRAS基因或MYC通路的腫瘤細(xì)胞，通過(guò)谷氨酸酶(GLUD)或者轉(zhuǎn)氨酶的催化，刺激谷氨酸代謝生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸進(jìn)入三羧酸(TCA)循環(huán)，可以為細(xì)胞提供能量。
谷氨酰胺在核酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成
谷氨酰胺可以作為細(xì)胞生長(zhǎng)、分裂時(shí)生物合成的原料。來(lái)自谷氨酰胺的碳可用于氨基酸和脂肪酸的合成，來(lái)自谷氨酰胺的氮直接作用于嘌呤和嘧啶的生物合成。
核酸的合成
通過(guò)TCA循環(huán)和轉(zhuǎn)氨基作用生成的天冬氨酸作為一個(gè)嘌呤和嘧啶合成關(guān)鍵的碳源。谷氨酰胺缺乏的癌細(xì)胞在細(xì)胞周期會(huì)停滯，不能通過(guò)TCA循環(huán)的中間體如草酰乙酸進(jìn)行用于核酸合成。但是補(bǔ)充的外源核苷酸或者天冬氨酸，能減輕谷氨酰胺缺乏引起的細(xì)胞周期阻滯。
此外，谷氨酰胺依賴的mTOR信號(hào)可激活酶氨甲酰磷酸合成酶2，天門冬氨酸轉(zhuǎn)移酶，和氨甲酰天冬氨酸脫水酶(CAD)，它催化谷氨酰胺衍生氮進(jìn)入嘧啶前體的合成。
脂質(zhì)合成
谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(GLS或者GLS2)的催化下生成谷氨酸，然后在谷氨酸酶(GLUD)或者轉(zhuǎn)氨酶的催化生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸通過(guò)催化逆向生成乙酰-CoA，后者可以用于脂質(zhì)的直接合成。
蛋白質(zhì)合成
除了谷氨酰胺中的碳用于氨基酸的合成，谷氨酰胺對(duì)于蛋白質(zhì)的合成也起到了關(guān)鍵的作用。谷氨酰胺的缺乏會(huì)導(dǎo)致不正確的蛋白質(zhì)折疊和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)。
谷氨酰胺可以通過(guò)尿苷二磷酸乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)的合成，UDP-GlcNAc是β- O-乙酰轉(zhuǎn)移酶(OGT)的底物，后者在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)折疊蛋白質(zhì)發(fā)揮著重要的作用。
GCN2，一個(gè)絲氨酸蘇氨酸激酶，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的片段，和組氨酸-tRNA合成酶相似。谷氨酰胺和組氨酸-tRNA合成酶相結(jié)合會(huì)抑制GCN2酶的活性。后者在綜合應(yīng)激反應(yīng)中起到了重要的作用。
谷氨酰胺和自噬
自噬和谷氨酰胺關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，這也反映在自噬在腫瘤發(fā)展中的作用。
自噬在腫瘤中的作用矛盾：在某些情況下，它通過(guò)抑制氧化應(yīng)激、導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定，抑制腫瘤的發(fā)展。自噬也可以通過(guò)促進(jìn)胞飲作用和抑制p53等應(yīng)激途徑支持癌細(xì)胞的存活。
谷氨酰胺抑制GCN2的激活和綜合壓力應(yīng)激，從谷氨酰胺生成的氨以自分泌和旁分泌方式都能促進(jìn)自噬過(guò)程的發(fā)展。
ROS可以誘導(dǎo)自噬作為應(yīng)激反應(yīng)，但會(huì)被谷氨酰胺代謝產(chǎn)生的谷胱甘肽和NADPH所中和。谷氨酰胺還可以間接刺激mTOR，通過(guò)復(fù)雜的機(jī)制反過(guò)來(lái)抑制自噬。
谷氨酰胺與ROS
活性氧簇(ROS)介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)在一定生理水平上可致促進(jìn)腫瘤發(fā)展，但當(dāng)水平過(guò)高時(shí)，活性氧會(huì)對(duì)細(xì)胞中的大分子造成極大的破壞。ROS從幾個(gè)途徑產(chǎn)生，其中線粒體電子傳遞鏈會(huì)產(chǎn)生超氧(O2?)負(fù)離子。
然而，腫瘤可以通過(guò)谷氨酰胺代謝途徑生成的產(chǎn)物控制ROS水平，防止高水平的ROS導(dǎo)致染色體不穩(wěn)定。其中谷氨酰胺控制活性氧最重要的途徑是合成谷胱甘肽。谷胱甘肽是一種三肽，可以用以中和過(guò)氧自由基。
谷氨酰胺也可以通過(guò)NADPH影響活性氧的平衡，谷氨酰胺經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)生成的蘋果酸，在蘋果酸酶催化下生成NADPH，用于調(diào)節(jié)ROS的平衡。
谷氨酰胺酶抑制劑在臨床的應(yīng)用
腫瘤細(xì)胞對(duì)谷氨酰胺代謝的依賴性，使其成為一種有潛力的抗癌靶點(diǎn)。許多針對(duì)于谷氨酰胺代謝的化合物，從最初的轉(zhuǎn)運(yùn)到后續(xù)轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸，都已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。
雖然其中大多數(shù)仍處于臨床前“工具合成”階段或被化合物毒性所限制，谷氨酰胺酶(GLS)變構(gòu)抑制劑在臨床前癌癥的模型表現(xiàn)出巨大的潛力，一個(gè)活性非常好的化合物，CB-839，已經(jīng)進(jìn)入了臨床試驗(yàn)。
人體中主要有兩種谷氨酰胺酶：腎型谷氨酰胺酶(GLS)和肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。
腫瘤細(xì)胞過(guò)度激活了腎型谷氨酰胺酶(GLS)，GLS2主要作用于在非癌細(xì)胞，催化谷氨酰胺的代謝。
谷氨酰胺在細(xì)胞功能中的多效性作用，如能量合成、大分子合成、mTOR活化和活性氧平衡，使得GLS抑制劑在組合治療發(fā)揮了協(xié)同作用。
谷氨酰胺酶基因的抑制可防止上皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變，這一步是腫瘤細(xì)胞侵襲和最終轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟，因此在谷氨酰胺代謝抑制的組合治療中，預(yù)防轉(zhuǎn)移可能是GLS抑制劑發(fā)揮抗癌作用的一個(gè)重要作用。
腫瘤免疫也成為了至今最富有希望的治療方式，如通過(guò)阻斷免疫檢查點(diǎn)PD-1單抗或使用工程嵌合抗原受體(CAR)T細(xì)胞。
這些方法需要免疫細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境內(nèi)發(fā)揮作用，體內(nèi)代謝抑制劑也可能廣泛影響免疫作用。最近的研究表明免疫細(xì)胞會(huì)與癌細(xì)胞競(jìng)爭(zhēng)葡萄糖，谷氨酰胺也可能是類似機(jī)制的。
事實(shí)上，谷氨酰胺代謝是在T細(xì)胞的活化和調(diào)節(jié)CD4+T細(xì)胞向炎癥亞型轉(zhuǎn)變具有重要的作用。
谷氨酰胺對(duì)于癌癥?殺傷T細(xì)胞的活化過(guò)程非常關(guān)鍵。通過(guò)阻斷癌細(xì)胞中谷氨酰胺通路來(lái)提高腫瘤微環(huán)境氨基酸的含量，增強(qiáng)免疫細(xì)胞的殺傷作用。
GLS抑制劑CB-839和腫瘤免疫的聯(lián)合用藥面前也進(jìn)入了臨床一二期了。
腫瘤微環(huán)境代謝產(chǎn)物和腫瘤免疫也成為了腫瘤代謝領(lǐng)域的香餑餑，最近火熱的IDO抑制劑便是其中的代表。
結(jié)語(yǔ)
九十年前，warburg發(fā)現(xiàn)許多動(dòng)物和人類腫瘤對(duì)于葡萄糖的親和力非常高，把大量的葡萄糖分解成乳酸，他還指出，癌癥是由代謝改變和線粒體功能丟失造成的。
人們對(duì)癌癥的生理線粒體氧化功能重要性的重新發(fā)現(xiàn)，除了葡萄糖的關(guān)鍵作用外，谷氨酰胺在腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)中發(fā)揮了重要的作用。某些武斷的觀點(diǎn)在過(guò)去幾十年已經(jīng)被取代和完善了。
谷氨酰胺在細(xì)胞功能中的多效性作用，如能量合成、大分子合成、mTOR活化和活性氧平衡。
腫瘤細(xì)胞過(guò)度激活了腎型谷氨酰胺酶(GLS)，而正常細(xì)胞催化谷氨酰胺的代謝是肝型谷氨酰胺酶(GLS2)。臨床上選擇性開(kāi)發(fā)GLS抑制劑成為了可能。
靶向抑制一些致癌基因讓腫瘤細(xì)胞變得依賴谷氨酰胺，因此靶向抑制劑和谷氨酰胺代謝的聯(lián)合用藥起到了合成致死作用。
由于腫瘤發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性、谷氨酰胺在人體生理機(jī)制的諸多不明朗，如13年清華大學(xué)施一公教授課題組指出谷氨酰胺代謝主要作用是生成的胺用于對(duì)抗腫瘤酸性環(huán)境。因此GLS抑制劑和其他靶點(diǎn)的組合用藥成為了發(fā)展的潮流。
