一作解读丨Oncogene支链氨基酸代谢与肿瘤
《Nature》子刊《Oncogene》于2020年9月在线发表了美国德州大学西南医学中心多位学者联合撰写的综述文章，标题为“Multifaceted role of branched-chain amino acid metabolism in cancer”。我们非常有幸邀请到第一作者彭慧博士，请她给我们带来这篇综述的全方位解读。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41388-020-01480-z。
摘要
代谢重编程不仅可以满足肿瘤细胞的营养需求，也调控了许多肿瘤发生过程，并最终导致其恶变。支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸及异亮氨酸，简称BCAA）不仅直接参与蛋白合成，为核酸等大分子的生成提供氮源，是人类肿瘤细胞生长不可或缺的物质，也可以通过降解产生的物质（例如谷氨酸）与其他参与肿瘤生成的代谢通路相联系。近期的研究表明了BCAA代谢重编程在许多种人类肿瘤中的重要性和必要性，包括恶性胶质瘤、胰腺导管腺癌（PDAC）、白血病、非小细胞肺癌（NSCLC）、乳腺癌、卵巢癌、肾透明细胞癌（ccRCC）、骨肉瘤、子宫内膜癌以及肝细胞性肝癌（HCC）等，同时提出了多种模型来解释BCAA代谢的改变在肿瘤发展、干细胞维持和抗药性中的作用，说明将BCAA代谢作为靶标是非常有吸引力的肿瘤治疗方法。这里我们总结了BCAA代谢重编程在肿瘤细胞中的调控方式，以及对癌症发生发展的影响及机理。
BCAA代谢网络
BCAA由L型氨基酸转运体（LAT）运进细胞，通过SLC25A44转运进线粒体。细胞内的BCAA在支链氨基酸转氨酶（BCAT）的作用下生成支链α-酮酸（BCKA），包括α-酮异己酸（KIC）、α-酮-β-甲基戊酸（KMV）和α-酮异戊酸（KIV），与此同时BCAA的氨基转移给α-酮戊二酸（α-KG），生成谷氨酸。BCAT有两个亚型——BCAT1和BCAT2，分别位于细胞质和线粒体中。BCAT2广泛表达，而BCAT1只在某些器官中表达，比如脑。BCAT催化的转氨基反应是可逆的，从而在一些组织中，BCKA可以重新被加上氨基生成BCAA，同时也发现单羧酸转运体1在恶性胶质瘤中可以帮助BCKA分泌到细胞外，由此细胞中BCAA和BCKA的平衡得到了维持。此外，BCAT对细胞中α-KG和谷氨酸的水平也有影响。α-KG是三羧酸（TCA）循环中的关键中间物，也是参与低氧应答、代谢以及表观遗传的α-KG依赖性双加氧酶的重要底物。谷氨酸可以影响正在增殖的肿瘤细胞的代谢，包括蛋白合成，以及核苷酸和其他非必需氨基酸的合成。因此，BCAA是肿瘤细胞的重要氮源。
图1. BCAA代谢在癌症发展中的功能
BCAA降解的第二步是BCKA不可逆脱羧，由线粒体中的支链α-酮酸脱氢酶（BCKDH）复合体催化。BCKDH复合体的活性取决于它的磷酸化状态，由支链α-酮酸脱氢酶激酶（BCKDK）和PPM1K磷酸酶共同调控。BCKA最终降解生成乙酰辅酶A和琥珀酸辅酶A，进入TCA循环。
BCAA代谢在肿瘤细胞中的调控方式以及影响肿瘤发展的机理
BCAA代谢在肿瘤细胞中的调控方式总结在Table 1中，大致包括转录水平调控、表观遗传调控以及直接改变蛋白质水平或酶活力等。目前已知的BCAA代谢在多种癌症中的改变及对肿瘤发展的影响总结在Table 2中。这里我们详细描述一下BCAA代谢改变影响肿瘤发生发展的机理。
与mTOR信号通路相关联
研究表明BCAA降解减慢可以促使某些癌症的发展，血浆和肿瘤组织中BCAA水平的升高出现在HCC、乳腺癌、白血病、早期PDAC和ccRCC中。亮氨酸可以与Sestrin2结合，从而激活mTORC1，mTORC1通过磷酸化其下游效应分子（例如eIF4E结合蛋白、p70S6K和SREBP）调控细胞自噬以及脂质、核苷酸和蛋白质的合成。mTOR信号通路的异常激活可能与肿瘤发展有关，因此，BCAA水平升高可以通过激活mTORC1来促进肿瘤生长。
影响肿瘤中α-KG依赖性的基因表达
在一些肿瘤细胞中，比如急性髓性白血病（AML）、胶质瘤和乳腺癌，BCAT1的大量表达造成了其底物之一的α-KG水平下降，由此影响了α-KG依赖性的双加氧酶的活力。这类酶在低氧应答和表观遗传方面有重要作用。例如，EGLN脯氨酰羟化酶催化HIF-α脯氨酸残基的羟基化，这个反应是常氧环境下HIF-α降解所必需的。而在低氧环境中，HIF-α通过与HIF-1β形成二聚体得以稳定存在，从而激活下游作用对象，促使肿瘤生长。α-KG水平的下降会减弱EGLN脯氨酰羟化酶的活性，使得HIF就算在常氧环境下也可以被激活。另外一个例子是TET2 DNA脱甲基酶，在AML中发现了低水平的α-KG最终导致DNA的高甲基化。
影响谷氨酸水平
与前面BCAA水平升高促进肿瘤生长不同，BCAA降解的增加可以为肿瘤细胞的增殖提供生物合成的原材料。谷氨酸是BCAA降解第一步的副产物，来源于BCAA的谷氨酸是蛋白质和DNA合成的后备资源。同位素追踪实验表明，在PDAC中，BCAA降解产生的谷氨酸为核苷酸以及一些非必需氨基酸（天冬氨酸、丝氨酸和丙氨酸）的合成提供氮源。
影响活性氧（ROS）水平
研究表明BCAT1可以抑制乳腺癌细胞中线粒体ROS的生成。BCAT1通过产生谷胱甘肽（GSH）来降低ROS的积累，从而调控表皮生长因子受体缺陷的肺癌细胞对酪氨酸激酶抑制剂吉非替尼的抗药性，不过GSH含量的增加是否来源于BCAA代谢产生的谷氨酸还有待研究。
BCKDH-BCKDK-PPM1K复合体对肿瘤发生的影响
敲低BCKDH复合体的E1α亚基（BCKDHA）显著抑制了PDAC细胞在体外和小鼠体内的增殖。虽然BCKDHA敲低对TCA循环中间物水平和氧消耗率无明显影响，却显著阻碍了PDAC细胞脂肪酸的合成，然而其碳源是否来自BCAA还有待研究。研究发现BCKDK表达上调促进了小鼠体内结直肠癌的生长和转移，BCKDK可以直接磷酸化MEK1，导致癌症相关的MAPK信号通路被激活。此外BCKDK也可以被Src磷酸化，磷酸化的BCKDK能够促进上皮间质转化，加快结直肠癌细胞的转移。另外，磷酸酶PPM1K在造血和白血病生成中也起到了关键作用。PPM1K的敲除不仅会导致细胞内BCAA水平的累积，也会通过减弱CDC20介导的泛素化和MEIS1/p21降解来使糖酵解变慢，并可唤醒造血干细胞。
BCAA代谢与肿瘤免疫
越来越多的证据表明BCAA代谢重编程可以潜在地影响肿瘤免疫。在体外模型中，恶性胶质瘤分泌到细胞外的BCKA可以被肿瘤相关的巨噬细胞摄取，并重新加氨基生成BCAA。此外，过多的暴露在BCKA的环境中会降低巨噬细胞的吞噬活力，说明肿瘤分泌的BCKA也许可以抑制肿瘤免疫。BCAA也能够通过氨基酸转运体SLC3A2进入Treg细胞，帮助维持其增殖状态，减弱免疫应答。此外，研究还发现T细胞中的BCAT1可以下调糖酵解通路。BCAA代谢重编程在免疫抑制方面发挥着重要作用。
饮食补充BCAA与肿瘤发展的关联
口服BCAA补充剂是最直接的调控体内BCAA代谢的方法，过去十年科学家们在动物模型和病人中研究了该方法对肝癌的影响。饮食BCAA补充可以延缓纤维化，抑制肿瘤生长，提高动物模型的肝硬化生存率。临床研究表明在放疗和用药（例如索拉菲尼、左肉毒碱）期间口服补充BCAA能够改善HCC病人的生化指标。食物中BCAA的摄入有助于在射频消融术后防止HCC的复发，保护肝脏功能。长期BCAA补充还能够防止HCC发生，延长肝硬化病人的生存期。然而，近期的一些研究发现，饮食中BCAA的水平与小鼠肝癌和PDAC的发生发展呈正相关，因此，控制饮食摄入的BCAA含量是否有益癌症治疗还有待全面研究。
结语与展望
BCAA代谢重编程改变了包括BCAA、α-KG、谷氨酸和ROS等一系列非常重要的代谢物水平，这些代谢物是生成营养物质的前体和细胞结构的构件分子，能够激活信号通路，重塑表观遗传图谱，提高细胞抗药性，最终帮助癌细胞存活以及快速发展。然而，BCAA代谢重编程对肿瘤发生发展的影响高度依赖组织类型、遗传突变以及肿瘤微环境。我们也要时时牢记代谢网络的复杂性，BCAA代谢的抑制或许可以通过其他通路补偿。因此，当把BCAA代谢做为潜在治疗靶点的同时，也应系统分析肿瘤细胞中与之相关联的代谢通路，开发更有效的治疗手段。
