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谷氨酰胺代謝與癌癥治療

摘要:血液中高水平谷氨酰胺濃度提供了一個現成的碳、氮源,用于支持癌細胞的生物合成、能量代謝和細胞內穩(wěn)態(tài),促進腫瘤的生長。

自從OttoWarburg開創(chuàng)性研究-有氧糖酵解學說發(fā)表以來,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蘇。

1935年,HansKrebs提出了著名的三羧酸循環(huán)(TCA),指出了谷氨酰胺在動物體內代謝的重要性。隨后研究陸續(xù)表明,谷氨酰胺在正常細胞和癌細胞生長中發(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鍵作用,針對谷氨酰胺開發(fā)的相關藥物在抑制腫瘤方面具有非常大的潛力。下面我們將對于谷氨酰胺相關生理作用和抑制劑臨床進展進行介紹。
 
谷氨酰胺代謝
 
血液中高水平谷氨酰胺濃度提供了一個現成的碳、氮源,用于支持癌細胞的生物合成、能量代謝和細胞內穩(wěn)態(tài),促進腫瘤的生長。
 
谷氨酰胺通過細胞中的轉運蛋白SLC1A5(溶質載體家族1中性氨基酸轉運蛋白成員5)運送到細胞中。
 
在營養(yǎng)匱乏的條件下,癌細胞可以通過分解大分子獲得谷氨酰胺。致癌基因RAS過度激活可以促進胞飲作用,癌細胞清除胞外蛋白,降解為包括谷氨酰胺在內的氨基酸,為癌細胞提供營養(yǎng)物質。
 
癌細胞吸收大量的葡萄糖,但大部分的碳源通過有氧糖酵解作用都生成了乳酸,而不是用于TCA循環(huán)中。
 
過度激活PI3K、Akt、mTOR、KRAS基因或MYC通路的腫瘤細胞,通過谷氨酸酶(GLUD)或者轉氨酶的催化,刺激谷氨酸代謝生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸進入三羧酸(TCA)循環(huán),可以為細胞提供能量。
 
谷氨酰胺在核酸、脂質和蛋白質的合成
 
谷氨酰胺可以作為細胞生長、分裂時生物合成的原料。來自谷氨酰胺的碳可用于氨基酸和脂肪酸的合成,來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TCA循環(huán)和轉氨基作用生成的天冬氨酸作為一個嘌呤和嘧啶合成關鍵的碳源。谷氨酰胺缺乏的癌細胞在細胞周期會停滯,不能通過TCA循環(huán)的中間體如草酰乙酸進行用于核酸合成。但是補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胞周期阻滯。
 
此外,谷氨酰胺依賴的mTOR信號可激活酶氨甲酰磷酸合成酶2,天門冬氨酸轉移酶,和氨甲酰天冬氨酸脫水酶(CAD),它催化谷氨酰胺衍生氮進入嘧啶前體的合成。
 
脂質合成
 
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)或者轉氨酶的催化生成α-酮戊二酸。α-酮戊二酸通過催化逆向生成乙酰-CoA,后者可以用于脂質的直接合成。
 
蛋白質合成
 
除了谷氨酰胺中的碳用于氨基酸的合成,谷氨酰胺對于蛋白質的合成也起到了關鍵的作用。谷氨酰胺的缺乏會導致不正確的蛋白質折疊和內質網應激反應。
 
谷氨酰胺可以通過尿苷二磷酸乙酰葡糖胺(UDP-GlcNAc)的合成,UDP-GlcNAc是β-O-乙酰轉移酶(OGT)的底物,后者在內質網折疊蛋白質發(fā)揮著重要的作用。
 
GCN2,一個絲氨酸蘇氨酸激酶,調節(jié)結構域的片段,和組氨酸-tRNA合成酶相似。谷氨酰胺和組氨酸-tRNA合成酶相結合會抑制GCN2酶的活性。后者在綜合應激反應中起到了重要的作用。
 
谷氨酰胺和自噬
 
自噬和谷氨酰胺關系錯綜復雜,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,它通過抑制氧化應激、導致染色體不穩(wěn)定,抑制腫瘤的發(fā)展。自噬也可以通過促進胞飲作用和抑制p53等應激途徑支持癌細胞的存活。
 
谷氨酰胺抑制GCN2的激活和綜合壓力應激,從谷氨酰胺生成的氨以自分泌和旁分泌方式都能促進自噬過程的發(fā)展。
 
ROS可以誘導自噬作為應激反應,但會被谷氨酰胺代謝產生的谷胱甘肽和NADPH所中和。谷氨酰胺還可以間接刺激mTOR,通過復雜的機制反過來抑制自噬。
 
谷氨酰胺與ROS
 
活性氧簇(ROS)介導的細胞信號在一定生理水平上可致促進腫瘤發(fā)展,但當水平過高時,活性氧會對細胞中的大分子造成極大的破壞。ROS從幾個途徑產生,其中線粒體電子傳遞鏈會產生超氧(O2?)負離子。
 
然而,腫瘤可以通過谷氨酰胺代謝途徑生成的產物控制ROS水平,防止高水平的ROS導致染色體不穩(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,可以用以中和過氧自由基。
 
谷氨酰胺也可以通過NADPH影響活性氧的平衡,谷氨酰胺經過一系列反應生成的蘋果酸,在蘋果酸酶催化下生成NADPH,用于調節(jié)ROS的平衡。
 
谷氨酰胺酶抑制劑在臨床的應用
 
腫瘤細胞對谷氨酰胺代謝的依賴性,使其成為一種有潛力的抗癌靶點。許多針對于谷氨酰胺代謝的化合物,從最初的轉運到后續(xù)轉化為α-酮戊二酸,都已經成為了研究的熱點。
 
雖然其中大多數仍處于臨床前“工具合成”階段或被化合物毒性所限制,谷氨酰胺酶(GLS)變構抑制劑在臨床前癌癥的模型表現出巨大的潛力,一個活性非常好的化合物,CB-839,已經進入了臨床試驗。
 
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)。
 
腫瘤細胞過度激活了腎型谷氨酰胺酶(GLS),GLS2主要作用于在非癌細胞,催化谷氨酰胺的代謝。
 
谷氨酰胺在細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胞向間充質細胞轉變,這一步是腫瘤細胞侵襲和最終轉移的關鍵步驟,因此在谷氨酰胺代謝抑制的組合治療中,預防轉移可能是GLS抑制劑發(fā)揮抗癌作用的一個重要作用。
 
腫瘤免疫也成為了至今最富有希望的治療方式,如通過阻斷免疫檢查點PD-1單抗或使用工程嵌合抗原受體(CAR)T細胞。
 
這些方法需要免疫細胞在腫瘤微環(huán)境內發(fā)揮作用,體內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胞會與癌細胞競爭葡萄糖,谷氨酰胺也可能是類似機制的。
 
事實上,谷氨酰胺代謝是在T細胞的活化和調節(jié)CD4+T細胞向炎癥亞型轉變具有重要的作用。
 
谷氨酰胺對于癌癥?殺傷T細胞的活化過程非常關鍵。通過阻斷癌細胞中谷氨酰胺通路來提高腫瘤微環(huán)境氨基酸的含量,增強免疫細胞的殺傷作用。
 
GLS抑制劑CB-839和腫瘤免疫的聯合用藥面前也進入了臨床一二期了。
 
腫瘤微環(huán)境代謝產物和腫瘤免疫也成為了腫瘤代謝領域的香餑餑,最近火熱的IDO抑制劑便是其中的代表。
 
結語
 
九十年前,warburg發(fā)現許多動物和人類腫瘤對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。
 
人們對癌癥的生理線粒體氧化功能重要性的重新發(fā)現,除了葡萄糖的關鍵作用外,谷氨酰胺在腫瘤細胞生長中發(fā)揮了重要的作用。這些武斷的觀點在過去幾十年已經被取代和完善了。
 
谷氨酰胺在細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。
 
腫瘤細胞過度激活了腎型谷氨酰胺酶(GLS),而正常細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合用藥起到了合成致死作用。
 
由于腫瘤發(fā)病機制的復雜性、谷氨酰胺在人體生理機制的諸多不明朗,如13年清華大學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抗腫瘤酸性環(huán)境。因此GLS抑制劑和其他靶點的組合用藥成為了發(fā)展的潮流。
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