谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢及意义

谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢及意义首席医学网2010年02月23日10:10:02Tuesday加入收藏夹官方投稿信息作者：毕胜，刘宏鸣作者单位：1.中国人民解放军第169中心医院普通外科，湖南衡阳421002;2.第三军医大学大坪医院肝胆外科，重庆400042)【关键词】谷氨酰胺;谷氨酰胺酶;肿瘤细胞;综述文献谷氨酰胺(Glutamine，Gln)作为人体内最丰富的一种氨基酸[1]，在各种哺乳动物组织中被认为是重要的氮源和呼吸燃料。肿瘤细胞的不断生长需要能量和大量营养物质的不断供应。研究表明，Gln也是肿瘤细胞最重要氮源和呼吸燃料[2]。由于谷氨酰胺在肿瘤细胞代谢过程中的关键作用，许多学者试图通过阻止或干扰肿瘤细胞的谷氨酰胺的代谢来达到抑制肿瘤细胞生长的目的，这也为肿瘤治疗开辟了一条新的途径。本文就谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢及其在肿瘤治疗方面的应用作一综述。1谷氨酰胺与谷氨酰胺酶Gln的相对分子量为147.1，是人体内游离氨基酸池中含量最为丰富的氨基酸，约占体内游离氨基酸的50%～60%，其75%在骨骼肌中，其余大多数储存在肝脏，正常血浆浓度为0.5～0.9mmol/L。有研究发现，Gln是培养细胞分化增殖所必需的营养物质，提出Gln可能具有重要而独特的代谢特性。大量的研究也发现，Gln具有重要的代谢和生理功能，主要有：(1)是合成核酸、类脂、嘌呤、嘧啶和其他氨基酸的前体[6]，是体内许多生化代谢途径的中间体，是肾产氨的最重要前体，对酸碱平衡的调节起着十分重要的作用;(2)因为Gln化学结构上有2个氨基氨基和酰氨基)，故其是体内各器官之间氮流动的重要载体;(3)对许多器官和组织有特殊的营养价值，它不仅是多种正常分化活跃细胞(如肠黏膜细胞、淋巴细胞等)，而且也是肿瘤细胞的主要能源物质，1mmol/LGln直接三羧酸循环可产生30mol/L的ATP;(4)Gln是一种生糖氨基酸，是肝糖原异生的重要底物，也是肝捕捉氨的主要载体和终末产物。尽管谷氨酰胺属非必需氨基酸，但对快速增殖的肿瘤细胞来说，则是“必需”氨基酸。谷氨酰胺酶(Glutaminase，GA)是肿瘤细胞利用Gln进行谷氨酰胺酵解的起始酶和关键酶(限速酶)[7]。GA把Gln分解成谷氨酸(Glu)和氨(NH3)。GA位于线粒体内膜，受饮食、糖皮质激素和胰高血糖素调节。2谷氨酰胺在肿瘤细胞中的代谢特点Gln是肿瘤生长所必需的氨基酸，是其重要氮源和能源物质，并优先为肿瘤细胞所摄取。肿瘤细胞内GA以及与核酸代谢有关的酶都异常活跃，肿瘤细胞消耗大量Gln，肿瘤的生长与血Gln浓度呈负相关。肿瘤细胞具有很高的Gln酶解率，即Gln的不完全氧化，产物有谷氨酸、乳酸、脯氨酸、氨等，为肿瘤合成大分子物质提供氮、碳和能量。大量荷瘤动物的实验研究证实，肿瘤和肝脏是Gln的主要消耗者。一般认为，随着肿瘤的生长，肿瘤细胞对Gln的摄取和利用逐渐增加，可导致血Gln浓度下降，机体通过上调肝细胞表面的Na+依赖的系统N来增加Gln摄取[8]，同时,急性细胞外Gln缺乏引起Gln合成酶表达上调,且Gln合成酶的蛋白稳定性增加，这样机体通过调动骨骼肌细胞内Gln合成酶的mRNA表达和酶活性增加，释放更多的Gln入血以维持血Gln浓度，到疾病中后期，肿瘤成为机体摄取Gln的主要器官，从循环Gln池中摄取约50%的Gln，最终导致Gln耗竭。另外，肿瘤通过改变宿主肝脏酶活性的方式，使肝脏从一个平衡Gln的器官转变为一个释放Gln的器官，以满足肿瘤生长的需要。具体改变是，位于肝门静脉细胞的GA活性逐渐下降，而位于肝静脉细胞的Gln合成酶活性逐渐增加。肝脏是通过GA作用，将Gln转化成Glu和NH3，NH3被合成为尿素，Gln合成酶则是作为清除剂从剩余的NH3中合成Gln，以维持Gln体内平衡。Collins等[9]检测人乳腺癌细胞对急性和慢性Gln缺乏的反应结果显示,急性Gln缺乏时,Gln合成酶水平上升,但Gln合成酶mRNA水平没有改变,而慢性Gln缺乏时,Gln合成酶和mRNA水平均上升,且大肿瘤细胞内Gln水平更高,Gln合成酶更高。Collins据此推测肿瘤生长可引起慢性、进行性的Gln缺乏,Gln合成酶蛋白上调是肿瘤对Gln缺乏的适应。Yoshida等[10]进一步研究发现,在荷瘤小鼠精氨酸(Arg)转化为Gln的数量提高，故可知其他氨基酸的氧化降解导致内源性Gln合成增加,以满足荷瘤机体的能量需求。Gln是肿瘤细胞的主要呼吸燃料和重要的氮源，是肿瘤细胞线粒体氧化的底物，肿瘤细胞的生长依赖于Gln及其中间代谢产物(如：谷氨酸、乳酸、脯氨酸、氨等)，肿瘤细胞的生长速度与细胞内Gln浓度密切相关。体外研究表明，补充Gln对恶性肿瘤细胞增殖有促进作用，如当Gln浓度为1mmol/L时，宫颈癌细胞增殖能力最大。各种肿瘤细胞离体培养时不一定绝对依赖于葡萄糖氧化供能，但必须依赖于生理浓度的Gln。肿瘤细胞对Gln的摄取速率远远大于其他氨基酸，对Gln摄取量占总氨基酸池的45%以上，并与肿瘤细胞所处介质中的Gln浓度相关。研究表明，肿瘤细胞运输Gln穿过血浆细胞膜的速度比非肿瘤细胞快，人肝癌细胞消耗Gln比正常细胞快5～10倍[11]，其机制不清楚，无论从能量消耗还是生物合成增加，都难以解释肿瘤细胞快速分化、增殖对Gln摄取和利用;同时，肿瘤细胞的糖酵解速率也很快，产生大量乳酸即无效循环。两方面灵敏和精确地调控产生大分子生物合成所需代谢中间产物的通路。肿瘤细胞内含有丰富的GA，且GA的活性很高，很多实验数据表明GA的活性与肿瘤消耗Gln呈相关性[12，13]。研究表明，GA的表达在肿瘤细胞生长的不同时期有所差异。在细胞增殖期，GA活性达到最高，相应GAmRNA含量也明显高于细胞静息期[14，15]，其中GA活性与线粒体内编码GA的poly(A)+RNAs水平是一致的。因此，GA活性可能与肿瘤细胞的生长和恶性程度相关。尽管如此，有关GA在肿瘤方面的研究至今仍不多。3谷氨酰胺代谢在肿瘤治疗方面的意义如上所述，随着肿瘤的生长，肿瘤细胞对Gln的摄取和利用逐渐增加，可导致血Gln浓度下降，而血中低水平Gln可导致所有依赖于Gln氧化供能和提供氮和碳前体的细胞(如肠黏膜上皮细胞、血管内皮细胞、T淋巴细胞、单核细胞、巨噬细胞等)的功能下降甚至衰竭，因此，补充外源性Gln在维持机体各器官代谢、结构和功能方面有重要作用。如补充Gln对机体免疫的影响：Gln是T细胞和自然杀伤细胞(NK)生长和功能发挥所必需。在体内和体外，细胞因子IL2可以激活人和动物的NK细胞活化和增殖，使NK细胞作用增强并同时使NK细胞的全部功能得到发挥来杀伤多种类型的肿瘤细胞，激活的NK细胞还可以通过产生细胞因子参与机体防御反应如产生干扰素。大量证据表明，NK细胞在肿瘤的监视中有重要作用。Gln在淋巴细胞中的作用是为细胞提供氮源合成嘌呤和嘧啶，在其他组织中，Gln还用于合成谷胱甘肽GSH。研究表明，在体外，IL2增强的NK细胞作用依赖于Gln和GSH的存在。Klimberg等[16]把植入乳癌的大鼠分成两组：Gln组和Freamine组(不含Gln的混合氨基酸)，结果表明，Gln组的肿瘤生长下降40%，NK细胞活性增强2.5倍，大鼠处死后，FA组有3例发生腋下转移，而Gln组无一例转移。因此，补充Gln可以上调GSH以改善抗肿瘤的NK细胞活性，抑制肿瘤生长。另一方面，由于肿瘤细胞的生长也依赖大量的Gln，所以干扰肿瘤细胞的Gln代谢成为肿瘤治疗的一个新的途径。Ahluwalia[17]等研究发现，几种Gln类似物具有抗肿瘤作用。和acivicin(ACV)是细胞增殖期Gln的竞争性底物，三者结构十分相似。抑制许多需要Gln的生化反应，acivicin抑制肿瘤细胞利用Gln的相关酶，尤其是嘌呤、嘧啶等生物合成中的限速酶(如GA)，但两者的Ⅰ期临床研究都表明毒性太大而未能推广使用[18]。另外，因为GA是肿瘤细胞利用Gln进行谷氨酰胺酵解的起始酶和限速酶，可使血中Gln水平下降，从而减少肿瘤对Gln的摄取，但动物实验研究表明GA的不良应(如腹泻、肠黏膜萎缩、黏膜溃疡和肠坏死等)太大[19]，故也未能在临床使用。目前在临床上，有用细菌源性GA或Gln拮抗剂降低循环Gln水平以治疗急性淋巴细胞白血病的方法。然而，细菌源性GA有明显毒副作用，它可抑制机体造血功能以及淋巴细胞转化率。Maity等人从细胞株中分离纯化出磷酸依赖性GA进行肿瘤治疗，其对外周血细胞的毒性相对减少。随着新近GA基因方面的深入研究，有些学者设想，既然GA活性直接影响肿瘤细胞内Gln代谢的活跃程度，而GA活性可能与肿瘤细胞的生长和恶性程度相关，那么封闭GA基因就完全有可能阻断肿瘤细胞内谷氨酰胺酵解，进而影响肿瘤细胞的生长和增殖等生物学特性。LoboC[20]等就利用反义DNA干预GA基因的表达，反义DNA可与GA基因的mRNA互相结合形成杂交分子，使其前体剪接和翻译受阻，进而达到阻断肿瘤细胞内谷氨酰胺酵解的目的，他们以Ehrlich腹水肿瘤细胞为对象，用包含有来阻断肿瘤细胞内谷氨酰胺酵解的源于鼠肾的谷氨酰氨酶的反义片段(0.28kb)的pcDNA3载体转染，实验结果显示，肿瘤细胞的生长率和扩散效率均有下降。他们的实验通过反义转染细胞可以逆转突变表型的能力证明，谷氨酰氨酶在细胞转化过程中的重要作用，这也为肿瘤基因治疗提供了一条新的途径。