论文ID
主要内容
1. 引言
癌症是一种对正常组织稳态的颠覆，其中细胞逃避或无法在空间和时间上获得其适当的身份，导致不受控制的增殖。越来越多的致癌基因和肿瘤抑制因子的突变会损害正常的发育途径，并导致异常增殖。然而，这种突变并非肿瘤所独有，正常的人体组织也可能存在与癌症相关的突变，单个细胞可以维持多种致癌突变，并在不引起任何明显病理的情况下进行克隆扩增。此外，癌性病变根据其表达的组织或细胞类型有不同的结果。因此，致癌突变并不一定足以启动肿瘤发生，基因组改变之外的因素，如细胞状态和环境压力，可能会影响引发肿瘤的潜力。
代谢正在成为引发癌症和肿瘤进展的潜在力量。为了启动和形成肿瘤，癌细胞必须扩张和/或自我更新、存活和分裂(图1)，这些过程需要代谢改变，以产生生长和增殖所需的生物量。代谢物还可以调节调节细胞状态的信号通路和基因表达程序，从而可能改变细胞对致癌基因突变的反应方式。识别或分离肿瘤起始细胞所固有的挑战限制了我们对肿瘤起始过程中代谢变化的时间以及代谢变化如何支持肿瘤进展的理解。尽管如此，已有的肿瘤研究揭示了代谢网络如何使癌细胞在面临选择压力的情况下生长，为理解代谢如何促进肿瘤启动提供了一个框架。本综述旨在利用对癌症生长的代谢决定因素的研究，以及对肿瘤起始代谢驱动因素的研究，以深入了解代谢物可能决定肿瘤起始的早期阶段的机制，并探索代谢干预控制癌症发病率和进展的潜力。我们首先讨论可能受代谢控制影响的肿瘤发生的主要障碍，然后提供实例，证明癌细胞在肿瘤进展中固有的代谢网络的作用，并突出环境因素如何影响肿瘤发病率的示例。
图1 肿瘤起始阶段的挑战
细胞必须克服多重障碍才能形成肿瘤。a，尽管负责引发肿瘤的原代细胞在肿瘤类型之间甚至在肿瘤类型内可能有所不同，但起源的癌细胞通常是干细胞或祖细胞，或具有重新进入细胞周期并经历异常增殖能力的细胞。b，为了形成肿瘤，这些癌症起始细胞必须避免分化和衰老，并在经历连续的群体倍增之前抵抗诸如免疫识别或组织结构或局部代谢变化引起的细胞死亡等挑战。c，在已建立的肿瘤中，具有干性特征的肿瘤起始细胞亚群具有重新起始肿瘤的潜力，这些细胞通常具有抗药性，并导致治疗后癌症复发。
2. 肿瘤起始的代谢障碍
迄今为止，很少有研究直接评估代谢在肿瘤起始中的作用。肿瘤起始细胞很少见，因此很难分离和研究。此外，许多肿瘤类型的细胞来源不明确，使建模变得复杂。肿瘤起始所需的几个关键过程，包括持续的自我更新、存活和增殖。在本节中，我们旨在强调代谢如何影响这些关键过程，以说明代谢可能形成肿瘤起始的潜在机制。
2.1 调节癌细胞命运
调节细胞特性的基因表达程序的改变促进了肿瘤的启动，一般来说，有利于分化而非自我更新的方法将拮抗肿瘤启动。对癌细胞和干细胞的研究越来越多地涉及代谢控制细胞命运程序，这一主题在其他地方已被广泛回顾。通常，代谢和细胞命运控制之间的联系围绕着代谢物调节DNA和组蛋白化学修饰的潜力。
尽管转录因子是转录网络的最终守护者，但染色质组织在控制DNA可及性和基因表达方面也至关重要。DNA和某些组蛋白赖氨酸残基的甲基化通常与基因抑制相关；相反，组蛋白乙酰化通常与允许基因表达的环境共同发生。与基因表达程序的异常调节一致，癌细胞经常表现出紊乱的染色质组织，约50%的人类肿瘤中发现编码染色质调节蛋白的基因突变。
这些化学加合物的沉积和清除与细胞代谢密切相关，代谢物既是许多控制染色质修饰的酶的关键底物，也是其产物。DNA甲基转移酶和组蛋白甲基转移酶都使用s –腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，产生s –腺苷同型半胱氨酸，后者又可以竞争性地抑制甲基转移酶。组蛋白乙酰转移酶使用乙酰辅酶a作为底物，反过来又被辅酶a抑制。α-酮戊二酸依赖的双加氧酶家族，包括负责组蛋白去甲基化和甲基化胞嘧啶的酶，消耗α-酮戊二酸和分子氧作为底物，并被其产物琥珀酸以及结构相似的代谢物如富马酸和2-羟基戊二酸抑制。因此，这些代谢物水平的波动可能会潜在地改变染色质格局，并形成控制细胞身份的基因表达程序 (图2)。上述大多数代谢物是三羧酸(TCA)循环的中心中间产物或来自TCA循环中间产物，这表明TCA循环动态的改变可能向细胞核发出信号，以控制基因表达程序。相对于该代谢物和其他可能竞争酶活性位点的类似代谢物的浓度，这些代谢物影响染色质格局的能力取决于酶对特定代谢物的亲和力。
图2 代谢物具有调节染色质修饰酶的潜力
a， S-腺苷甲硫氨酸（SAM）是DNA和组蛋白甲基转移酶（MT）的专性甲基供体。该反应产生S-腺苷同型半胱氨酸（SAH），它可以作为甲基转移酶的竞争性抑制剂。乙酰辅酶a被组蛋白乙酰转移酶（HAT）用于在组蛋白上沉积乙酰化标记，这是一种被辅酶a（CoA）抑制的反应。组蛋白脱乙酰酶（HDAC）可以通过水解来脱乙酰组蛋白。组蛋白去甲基化是由含有Jumonji结构域的（JHDM）α-酮戊二酸（α-KG）依赖性双氧酶介导的，而α-KG依赖性10-11易位（TET）酶通过氧化促进DNA去甲基化（5-甲基胞嘧啶至5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC））。b，肿瘤代谢产物琥珀酸盐、富马酸盐和2-羟基戊二酸盐（2-HG）与α-KG具有结构相似性，并作为α-KG依赖性酶的竞争性抑制剂。IDH1/IDH2的功能获得突变或琥珀酸脱氢酶（SDH）和富马酸水合酶（FH）的功能丧失分别导致2-羟基戊二酸盐、琥珀酸盐和富马酸盐的积累。TCA，三羧酸。
代谢产物是否控制影响肿瘤发生的染色质程序，在很大程度上尚不清楚，尽管新的证据支持这一观点。在多种人类恶性肿瘤中，编码代谢酶异柠檬酸脱氢酶1和2（IDH1/IDH2）的基因中发现了频繁、反复的点突变。这些突变型IDH1/IDH2催化α-酮戊二酸还原为D-2-羟基戊二酸，这是一种通常存在于细胞中的微量代谢产物。高水平的D-2-羟基戊二酸与α-酮戊二酸依赖性双氧酶的抑制、组蛋白和DNA的甲基化以及异常的自我更新有关。重要的是，对染色质和细胞命运的代谢影响不限于突变导致代谢产物病理性积累的情况。例如，内源性代谢网络支持α-酮戊二酸的产生，其促进分化并拮抗多个谱系中的肿瘤形成。这些发现与以下观点一致，即代谢改变改变了α-酮戊二酸依赖性双加氧酶底物和抑制剂之间的平衡，直接调节染色质可及性和与细胞命运和肿瘤发生相关的基因表达程序。
更广泛地说，代谢和染色质调节之间的联系提高了一种可能性，即代谢可以促进或对抗允许肿瘤发生的染色质环境的建立。并不是所有的细胞都能同样适应命运的变化。例如，“可塑性”细胞，如干细胞和祖细胞，通常是导致癌症发生的细胞。然而，某些条件允许分化细胞恢复到祖细胞样状态（去分化）或进入有利于肿瘤生长的可塑性状态。因此，有利于肿瘤发生的染色质状态可能因起源细胞甚至转化癌基因的不同而不同。细胞类型特异性代谢谱研究将有助于揭示内源性代谢网络在塑造染色质中的调节作用。
尽管染色质调节是代谢与癌症细胞命运控制之间的一种联系，但代谢产物可以以许多其他方式改变基因表达程序。事实上，无数的信号通路可以调节控制细胞命运的基因表达程序，其中许多通路本身容易受到细胞内代谢产物的调节。值得注意的是，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）或AMP激活蛋白激酶是营养物质可用性和能量状态的关键整合者，对最终调节基因表达的信号网络进行直接或间接控制。例如，活性氧（ROS）诱导多种细胞类型的分化。从线粒体电子传输链泄漏的电子是细胞ROS（包括过氧化氢、羟基自由基、超氧化物自由基阴离子和脂质氢过氧化物）的主要来源，这种泄漏因代谢改变而加剧。例如，在皮肤中，线粒体来源的ROS对于notch依赖的转录和β-catenin激活都是必需的，它们分别控制表皮分化和毛囊大小。因此，抑制ROS可能有利于促肿瘤程序的维持。代谢和癌细胞命运之间的联系围绕着生理相关性和特异性。代谢物的生理变化通过特定效应物控制肿瘤细胞命运的程度可能需要将体内代谢物定量和单细胞测序分析与时间基因组编辑技术相结合。
2.2 促使癌细胞存活
细胞死亡，无论是内在控制的还是由免疫系统介导的，都是肿瘤抑制的一种有效机制。代谢是细胞生存的关键，代谢失调会引发多种形式的细胞死亡。将代谢与细胞死亡联系起来的一个中心机制是ROS的产生。低剂量的ROS可以改变细胞信号级联，高剂量的ROS可以破坏包括蛋白质和DNA在内的大分子。这种适度的损伤可以促进肿瘤的发生，因此抗氧化剂可以在一些小鼠模型中防止ROS诱导的癌症(图3)。然而，在高水平，特别是脂质氢过氧化物，ROS可以阻碍细胞的适应性，甚至引发ROS依赖和铁依赖形式的细胞死亡，称为铁死亡。其特征是细胞膜中的脂质过氧化增强(图3)。尽管死亡的抑制与肿瘤启动没有直接联系，但癌细胞可能对铁死亡细胞表现出高度敏感性，一些肿瘤上调了防止铁死亡的通路。在这种情况下，增强抗氧化防御以抵消ROS的破坏作用为癌细胞提供了优势。
图3 与肿瘤进化相关的ROS调控过程
a，干细胞维持自我更新能力需要低水平的活性氧（ROS）。ROS水平的增加会导致DNA和蛋白质中的大分子损伤，并导致肿瘤的发生。自由基形式的过量ROS积累可引发脂质过氧化，最终导致细胞凋亡。b， ROS以过氧化氢或O2−的形式离开线粒体（通过超氧化物歧化酶将其转化为过氧化氢）。过氧化氢部分通过蛋白质中半胱氨酸残基的氧化来改变细胞信号。过氧化氢也可以转化为羟基自由基(⋅OH），其参与脂质过氧化物（LOOH）的生成，最终引发细胞铁死亡。ROS可以进一步损害DNA和蛋白质，这也可能导致细胞凋亡。细胞外应激，包括缺氧和营养缺乏，也会引发细胞凋亡，细胞凋亡是在细胞色素c从线粒体释放到胞浆中后发生的，营养缺乏也会导致自噬。NRF2诱导抗氧化基因死亡表达，维持氧化应激稳态。NRF2水平由KEAP1控制，KEAP1促进NRF2泛素化和降解。
抗氧化剂还可以通过抑制失巢凋亡(一种由基质脱离引起的细胞死亡形式，与增强的ROS水平有关)对癌细胞有利。从机制上讲，上皮细胞基质脱离后葡萄糖摄取的减少降低了葡萄糖依赖性NADPH的产生，这对维持内源性抗氧化程序很重要。因此，外源性抗氧化剂允许上皮细胞维持不依赖于锚定的细胞生长，这是早期肿瘤发生的一个标志。抗氧化剂还可以通过促进在高氧化环境中的生存来促进肿瘤进展的后期，如转移。因此，有利于NRF2(一种调节抗氧化蛋白表达的转录因子)组成激活的体细胞突变在人类癌症中很常见，遗传研究已经证实NRF2促进多种肿瘤类型的发生和发展。综上所述，ROS在代谢和细胞存活之间提供了强有力的联系，但ROS在肿瘤起始中的确切作用可能是复杂的和环境特异性的。
代谢和细胞死亡也通过线粒体复杂地联系在一起，线粒体是产生能量和诱导细胞凋亡(一种程序性细胞死亡)所必需的。某些代谢触发因子，包括营养饥饿、缺氧和氧化应激，可以激活细胞凋亡，其特征是细胞色素c从线粒体内膜空间释放到细胞质中，激活死亡介导的caspases。虽然仅抑制细胞凋亡并不足以诱导致癌，但许多常见的癌基因和肿瘤抑制因子调节细胞凋亡的易感性，这表明细胞凋亡与其他途径共同控制肿瘤进展。
营养缺乏也可以通过自噬诱导细胞死亡。尽管短期自噬可以帮助细胞应对营养供应的短暂中断，但长期的营养限制会导致自噬细胞死亡。因此，与通常被认为是肿瘤抑制机制的凋亡不同，自噬可以同时具有促肿瘤和抗肿瘤功能，这取决于环境。其他营养获取策略，如大型胞饮作用和受体介导的内吞，也可以促进癌细胞在不同微环境中的生存。同样，大细胞淋巴瘤细胞通过低密度脂蛋白受体介导的内吞作用获得胆固醇，以及随后细胞脂质组成的变化使细胞能够抵抗铁蛋白细胞死亡。因此，深入了解癌细胞类型和突变特征如何形成癌细胞营养素获取的首选途径，可能会暴露出新的靶向脆弱性，从而导致癌细胞死亡。
非细胞自主形式的细胞死亡是肿瘤抑制的另一种机制。与恶性细胞不断被检测和清除的概念一致，免疫缺陷和免疫抑制与人类肿瘤易感性的增强相关。肿瘤通过下调抗原呈递和建立免疫抑制肿瘤微环境(TME)来阻止免疫识别。癌症和免疫细胞之间的代谢相互作用越来越被认为是抗肿瘤免疫的关键(框1)。在免疫抑制TME建立之前，癌细胞如何在起始的早期阶段避免被发现和消除尚不清楚。具有肿瘤起始能力的干细胞通过进入缓慢循环的静止状态来逃避先天免疫的检测。静止的成体干细胞也可以抑制MHC I类抗原的表达，以避免被CD8+ T细胞检测。静止这种独特的代谢状态是否有助于免疫逃避，引发癌症的细胞是否可以选择这种代谢状态，仍有待探索。
框1 癌症和免疫细胞之间的代谢相互作用
2.3 支持异常细胞增殖
为了实现增殖，恶性细胞必须满足细胞增殖的生物合成要求(图4)。迄今为止，大多数确定癌细胞如何重新重组代谢以进行异常增殖的工作都是在培养的细胞中进行的，通常是非生理浓度的营养物质。因此，目前研究的一个主要途径是阐明肿瘤中生长的细胞与组织培养中生长的细胞的代谢需求有何不同。当然，同位素追踪研究揭示了体外生长的癌细胞与体内生长的肿瘤在代谢偏好上的重大差异。同样，简单地改变培养基的组成就可以诱导培养细胞发生大规模的代谢改变，这意味着营养的可获得性是决定代谢表型的主要因素。这些特定于环境的偏好可以转化为代谢需求的改变。基因筛选显示，在体外2D中生长的胰腺癌细胞或在小鼠体内生长的胰腺癌细胞对代谢的需求总体上相似。其中一些相似之处可能是因为对细胞生长施加了特定的限制，用于体内肿瘤形成实验。然而，也出现了一些关键的差异，例如，参与血红素合成的基因在体内比在体外更重要，可能是因为体内血红素降解增加。此外，3D细胞培养物在体内保存的依赖性优于2D细胞培养物。这些发现表明，尽管在一系列环境条件下，细胞生长的许多基本原理是相似的，但局部条件可以调节支持生长的代谢策略。
