肿瘤分子生物学课程说明考核方式--四位授课老师，每人准备一套题目

肿瘤分子生物学课程描述 评估方法： 试题形式：论文（1000-1500字），或开卷题。说明：四位老师，每人准备一套题，学生可以在四位老师的题目中选择一个，在老师讲课后的一周内，通过电子邮件发送到老师的邮箱细胞代谢中心，并将纸质版的题目交出给辅导员（赵小曼）。最后一堂课的问题应在星期五之前提交，否则将不计入成绩。本节题目是写一篇课程论文，题目是：肿瘤细胞代谢异常对个体化肿瘤治疗的意义。提交截止日期：2014 年 7 月 14 日下午 5:00 之前。邮箱：肿瘤细胞代谢与肿瘤微环境，陈龙副教授，北京化工大学生命科学与技术学院，北京化工大学分子肿瘤生物学系，利用分子生物学方法研究肿瘤细胞增殖、分化、转移、凋亡等生物从微观层面学习行为。通过对肿瘤发生发展机制的研究，寻找并确认对恶性肿瘤的早期诊断、治疗和预后具有指导意义的分子标志物。通过与正常细胞的对比研究，发现肿瘤细胞的特异性，指导靶向药物的设计和开发。细胞代谢细胞代谢是指通过化学反应将营养物质和外源分子转化为生命所必需的能量和物质（蛋白质、核酸、脂肪）的过程。在糖代谢中将葡萄糖转化为乳酸的过程包括十个步骤。前五步消耗两分子 ATP，后五步产生 4 分子 ATP。因此，糖酵解过程总共产生了 2 分子的 ATP。

葡萄糖代谢产生 30 个 ATP 分子。一分子葡萄糖被完全分解以产生更多的ATP？肿瘤细胞的细胞代谢相关信号通路特征由于代谢的变化，肿瘤细胞迅速增殖。营养物质，尤其是葡萄糖和谷氨酰胺，被肿瘤细胞用来产生 ATP 并促进生长。 Ras、PI3K 或 myc 等致癌途径促进糖酵解，而肿瘤抑制因子抑制糖酵解。致癌作用增加了对某些代谢途径抑制的敏感性（合成致死性）。细胞生长需要营养物质，营养物质不仅用于提供能量，还用于代谢合成细胞生长所需的大分子的原料。肿瘤细胞的快速增殖使它们需要大量的营养。这些细胞的新陈代谢与正常细胞不同。它们需要大量葡萄糖，但很少使用氧化磷酸化途径。 80%的肿瘤细胞能量来自糖酵解。 Warburg 效应 1902 年诺贝尔化学奖获得者 Otto Warburg 肿瘤细胞吸收更多的葡萄糖并产生更多的乳酸。肿瘤细胞的葡萄糖代谢肿瘤细胞非常浪费地利用营养。即使在有足够氧气的情况下，肿瘤细胞也倾向于使用糖酵解途径代谢葡萄糖，即 Valsalva 效应。肿瘤细胞的代谢被重新编程。肿瘤细胞代谢的重编程增殖细胞对葡萄糖和谷氨酰胺的摄取水平较高，葡萄糖通过糖酵解代谢生成丙酮酸进入三羧酸循环或以乳酸的形式排出体外。丙酮酸转化为乳酸是糖酵解中NAD+再生所必需的，并且与肿瘤发生有关。

肿瘤细胞代谢的重新编码 葡萄糖和氨基酸也用于通过戊糖磷酸途径生成核酸。糖酵解中间体可用于生长细胞以产生脂肪酸和非必需氨基酸。糖酵解和脂质合成水平升高是使用的快速增殖细胞的共同特征。肿瘤细胞也是如此。因此，导致增殖水平增加的信号必须同时使细胞适应新的代谢需求。重新编码肿瘤细胞代谢的生长因子激活 Ras 以传递增殖信号。在肿瘤细胞中，Ras 蛋白经常突变为过度活化状态。 Ras 介导多种效应通路的激活，例如：PI3K/Akt 和 MAPK 通路。 PI3K/Akt 通路也可以被生长因子激活，以多种方式导致糖酵解增加。 Akt 促进葡萄糖转运蛋白的表达及其在细胞膜上的定位，增加磷酸果糖激酶的活性，并促进己糖激酶 1 和 2 与线粒体的结合。在 Akt 的下游，哺乳动物雷帕霉素激酶靶标 (mTOR) 也刺激多种代谢途径。 PI3K/Akt/mTOR 和 MAPK 通路通过 SREBP 依赖性转录几种关键酶参与脂质合成，例如：ACL（ATP 柠檬酸裂解酶）、FAS（脂肪酸合酶）。肿瘤细胞代谢的重新编码的MYC被生长因子激活，调节数千个基因的转录和参与细胞增殖的miRNA的转录。在各种肿瘤细胞中发现了 Myc 基因的过度表达。 Myc蛋白可以调节谷氨酰胺的摄取和应用。

例如：可以抑制miR-23a和miR-23b，两者都可以诱导线粒体谷氨酰胺酶的合成。谷氨酰胺酶催化谷氨酰胺进入线粒体中的 TCA 循环。此外，Myc 可以通过增加 GLUT1 的表达和乳酸脱氢酶 A (LDHA) 的表达来促进糖酵解。葡萄糖作为前体可以合成丙氨酸、丝氨酸和赖氨酸等，这表明葡萄糖的代谢不仅提供能量，而且是肿瘤细胞生物合成的原料。 PKM2调控的糖酵解肿瘤细胞的快速增殖不仅需要大量的能量，还需要合成更多的大分子。丙酮酸激酶（PK）在这个过程中起着非常重要的作用。 PK 是糖酵解最后一步所需的酶，它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸和 ATP。 PK有四种形式（L、R、M1和M2），由两个基因编码。PKM1和PKM2由同一个基因编码，由不同的切割形成。PKM2的切割是由三个异质核核糖核蛋白介导的。 （hnRNP1、hnRNPA1 和 hnRNPA2），所有三种异质核糖核蛋白均受 c-myc 调节。PKM2 调节糖酵解 PKM2 是肿瘤细胞中 PK 的主要形式。PKM1 被持续激活，而 PKM2 可以在高位和高位之间切换。低活性取决于细胞需要。因此，促有丝分裂的信号，如磷酸酪氨酸结合或 FGFR1 磷酸化，可以降低 PKM2 活性并促进肿瘤生长。

PKM2的效率不如PKM1，PKM2的低活性对肿瘤细胞更有利，因为它可以促进糖酵解中间体在生物合成途径中的应用。 mTOR 可以上调 PKM2，后者由缺氧诱导因子 HIF-1a 介导，HIF-1a 是一种控制肿瘤细胞代谢的转录因子。并且PKM2可以促进HIF1的转录活性。总之，PKM2 看似矛盾的较低糖切割活性可以通过增加的 HIF-1 转录活性得到补偿，并在多个水平上促进糖酵解。 PKM2调节糖酵解活性低的PKM对肿瘤细胞有益的另一个原因是，通过表达PKM2，肿瘤细胞可以积累几种中间体，例如：磷酸烯醇丙酮酸（PEP），一种细胞丙酮酸激酶的底物。因此，PEP 中的磷酸基团可以转移到磷酸甘油变位酶 1 (PGAM1）)，从而提高变位酶的活性。这提供了一种有效的 PK 非依赖性丙酮酸产生途径。肿瘤细胞使用这种方法的原因之一可能是因为这种反应不产生抑制上游糖酵解的 ATP。因此，通过使用低效的 PK 异构体，肿瘤细胞可以激活其他途径，使 ATP 产生和合成途径分离，以促进细胞分裂。缺氧与肿瘤代谢 肿瘤细胞常处于缺氧状态，其能适应这种环境的原因之一是稳定的转录因子HIF-1.HIF -1控制着数百个基因在多种细胞中的表达，包括糖酵解所需的酶、葡萄糖转运蛋白、LDH等。

在稳定的 HIF-1a 条件下，肿瘤细胞进行糖酵解的能力增加。 HIF-1 能够激活丙酮酸脱氢酶激酶 1 (PDK1）。PDK1 是线粒体丙酮酸脱氢酶复合物的负调节剂，可减少丙酮酸进入 TCA 循环。合成致死的肿瘤细胞与增殖细胞的使用有关相同的代谢途径，因此造成了常规化疗的一个共同问题，对正常组织的毒性。然而，我们仍然可以将希望寄托在肿瘤生物学的两个方面：（1）肿瘤细胞赖以生存的营养物质贫乏，低氧代谢环境使其对代谢靶点更加敏感；（2）通路过度激活或失活，例如mTOR和p53，可以使肿瘤对某些疗法更加敏感。合成致死率是指当两个基因同时发生突变时时间，但只有一个是不致死的。化学致死是指：当一个细胞发生突变时，另一个基因产物的抑制会导致细胞死亡。代谢抑制会导致肿瘤细胞产生 合成致死，不仅因为过度活跃和致癌基因使肿瘤细胞依赖葡萄糖和谷氨酰胺，还因为肿瘤细胞中不存在能量应激诱导的“代谢检查点”，例如：p53。代谢检查点 p53、mTOR、AMPKp53 蛋白质突变是肿瘤中最常见的突变。 p53 是一种四聚体转录因子，可诱导数百个参与细胞凋亡、细胞周期和 DNA 修复的靶基因。 p53 的缺失会导致 Valsalva 效应的产生，例如：TIGAR 的调节（TP-53 诱导糖酵解和细胞凋亡的调节剂的转录）细胞代谢中心，或 SCO2 蛋白的合成（细胞色素 c 的组装所必需的）氧化酶复合物）。

此外，p53还通过上调谷氨酰胺酶2促进谷氨酰胺的利用，从而参与抗氧化反应，因为谷氨酰胺参与谷胱甘肽的合成。另一方面，当细胞暴露于代谢压力和缺氧压力时，p53 会被激活。缺乏p53的细胞，例如许多肿瘤细胞，在葡萄糖饥饿的情况下无法进行代谢检查，导致细胞死亡。 p53 上游参与代谢检查点的另一种蛋白质是 ATP 传感器，AMPK（AMP 激活的蛋白激酶）。当面临代谢应激时，蛋白质下调合成途径，促进降解途径，通过终止细胞周期促进细胞存活。此外，许多肿瘤中也不存在 AMPK 激活剂 LKB1，这使得这些细胞对营养缺乏更加敏感。 AMPK 还通过使 mTOR 失活而参与，mTOR 是许多蛋白质翻译和细胞增殖的主要调节剂。蛋白质与 mTORC1 复合以感知细胞的营养状态。如果没有营养，细胞就不会合成蛋白质并停止生长。但是当 mTOR 被过度激活时，例如在肿瘤抑制因子 TSC 发生突变的肿瘤细胞中，细胞对葡萄糖消耗变得非常敏感。这些细胞将尝试合成途径，因为它们无法匹配营养供应和需求，从而导致 mTOR 介导的能量压力和细胞死亡。乳酸的作用 乳酸合成途径，或由于乳酸合成引起的 pH 变化，也是合成致死率的一个简单目标。由于肿瘤细胞摄取的大部分葡萄糖转化为乳酸，形成了肿瘤的酸性微环境。

这种微环境给肿瘤带来了一系列好处：更有利于侵袭、抑制抗肿瘤免疫效应等。乳酸抑制细胞毒性T淋巴细胞增殖、细胞因子产生和溶细胞活性。异柠檬酸脱氢酶和癌症代谢物异柠檬酸脱氢酶（IDH1 和 IDH2） 的变化与肿瘤发生有关。IDH1 和 IDH2 是同型二聚体酶，分别存在于细胞质和线粒体中，作用是控制细胞所必需的一步反应TCA 循环中的呼吸作用。这些酶将异柠檬酸转化为 α-酮戊二酸 (α-KG) 并产生二氧化碳、NADH 和 NADPH。但是有一个 IDH 突变体可以进一步将 α-KG 代谢为 2-氢戊二酸 (2- HG)，被鉴定为癌症代谢物。在胶质瘤和急性髓性白血病 (AML) 中，这种癌症代谢物的浓度增加了 100 倍，因此可用作临床生物标志物。异柠檬酸脱氢酶与癌症代谢物 2HG 尚不清楚，但几乎所有的 IDH1 和 IDH2 突变都与特征性甲基化有关，这可能与 le 降低导致组蛋白去甲基化酶活性受到抑制有关。 α-KG 水平和 2-HG 水平升高。此外，2-HG 是 α-KG 的类似物，可以抑制 TET2，TET2 是一种催化将碱基胞嘧啶转化为 5-氢甲基胞嘧啶的酶，其功能未知，但可能影响染色质结构，导致碱基切除修复和产生未甲基化的胞嘧啶。 IDH1突变，HIF-1a水平也随着2-HG水平的升高而升高。

也有相反的研究，这是有争议的。 IDH1 和 IDH2 首次将代谢物与肿瘤发生联系起来。活跃的新陈代谢抑制细胞死亡糖酵解促进肿瘤细胞增殖，同时还保护细胞免于死亡。例如，白血病细胞过度表达己糖激酶 1 和 GLUT1，允许 Akt 在去除 IL-3 后保护细胞。在正常葡萄糖水平下，IL-3 去除会靶向抗凋亡蛋白 Mcl-1，使其水解，导致细胞死亡。但是，当葡萄 Ang 水平较高时，Mcl-1 更稳定。此外，如果糖酵解被抑制，AMPK/mTOR 通路会抑制 Mcl-1 翻译，使细胞对死亡配体更敏感。因此，抑制 Mcl-1 翻译可以作为使细胞对 BH3 模拟物更敏感的策略。活性代谢抑制细胞死亡 糖酵解增加可抑制一些促凋亡 BH3 蛋白的表达和活性。例如，在去除生长因子的情况下，GLUT1 过表达抑制 p53 和 Puma 诱导。此外，己糖激酶 1/GLUT1 的过表达也抑制了细胞对 Bim DNA 转染的敏感性。除了线粒体凋亡途径外，葡萄糖剥夺还导致一些肿瘤细胞中 cFLIP 水平的降低和对死亡受体的敏感性。通过维持线粒体活性、维持 ATP 产生或过表达糖酵解酶 GAPDH，可以促进肿瘤细胞的存活。活性代谢抑制细胞死亡 谷氨酰胺代谢 谷氨酰胺代谢 “谷氨酰胺代谢”是肿瘤细胞除Warburg效应外的另一种重要的能量代谢方式。

快速增殖的肿瘤细胞消耗谷氨酰胺（Gln）为生长和增殖提供能量和生物大分子原料，维持细胞内氧化还原稳态并参与细胞内信号通路的转导。谷氨酰胺对细胞生长非常重要。肿瘤细胞合成核苷酸和非必需氨基酸需要稳定的还原氮源。此外，谷氨酰胺对必需氨基酸的摄取也很重要，在葡萄糖水平低时维持三羧酸循环，并确保对脂质和核苷酸合成很重要的 NADPH 的合成。致癌的 MYC 突变促进谷氨酰胺的使用，但使细胞依赖谷氨酰胺。血液中谷氨酰胺的作用 Gln通过细胞膜上的谷氨酸转运蛋白（SLC1A5/SLC7A5)）进入细胞，被谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS1/2)）催化生成Glu；Glu由XC催化）转运蛋白将细胞外胱氨酸交换到细胞内提供半胱氨酸，Glu、Gly和Cys合成谷胱甘肽（Glutathione，GSH）； Gln进入线粒体在GLS1/2的作用下产生Glu，而谷氨酸在脱氢酶（谷氨酸脱氢酶，GDH）或谷草酰乙酸转氨酶（GOT）的作用下产生α-酮戊二酸（α-KG），提供凋亡TCA 底物；在 Gln 代谢中产生的 NADPH 也是生物合成和 GSH 所必需的； Gln通过多种转氨作用参与核酸合成。

Glu 代谢为蛋白质/脂质/核酸合成提供原料，维持氧化还原稳态，并提供细胞能量。肿瘤细胞中的代谢差异 肿瘤代谢变化的检测 质谱法可用于检测和量化细胞提取物中的小分子有机代谢物。核磁共振监测某些高水平的代谢物以及整个细胞的代谢通量。一些成像方式，例如 MRI，也可以检测到肿瘤细胞中代谢的改变。常用的如PET（正电子发射断层扫描）。针对肿瘤细胞代谢的疗法 肿瘤细胞糖酵解能否成为肿瘤治疗的靶点？在临床实践中，直接抑制糖酵解不起作用。例如，糖酵解第一步中的己糖激酶抑制剂 2-脱氧葡萄糖和洛尼达明，由于其非特异性毒性，已从临床试验中终止。其他抑制剂仍在研究中，但受到很多怀疑。这主要是因为葡萄糖是红细胞和大脑的主要能量来源。已经提出间接作用于糖酵解途径的药物，例如 mTOR 抑制剂，可以降低 HIF-α 及其家族的水平，从而损害糖酵解。这些药物抑制肿瘤生长和促进细胞死亡的机制是否是由于代谢改变尚不清楚。靶向肿瘤细胞代谢的疗法靶向肿瘤细胞代谢依赖性？氨蝶呤用于治疗恶性白血病，可抑制二氢叶酸还原酶的活性，二氢叶酸还原酶在核酸合成中起重要作用，可被糖酵解或谷氨酰胺降解引起的高氧化还原状态激活。

其他干扰核酸合成的“抗代谢物”药物包括：氟尿嘧啶、阿糖胞苷、吉西他滨、硫鸟嘌呤等。针对肿瘤细胞代谢的疗法其他潜在疗法：乳酸脱氢酶，介导乳酸的产生和分泌，是糖酵解的一部分，并抑制其活性可能具有抗肿瘤作用。参与丙酮酸转化为乳酸的PDK也是一种潜在的肿瘤药物靶点。在进入 TCA 循环之前，谷氨酰胺必须通过谷氨酰胺酶转化为谷氨酸。表达 MYC 癌基因的肿瘤细胞经常过度表达谷氨酸，因此谷氨酸也可能是肿瘤治疗的靶点。另一个可能的靶点是脂肪酸合酶，它通常在肿瘤细胞中过度表达。此外，单酰基甘油酯酶也在多种恶性肿瘤中过表达，抑制其活性可抑制肿瘤生长。