代謝重編程的化學本質——李兵輝教授

李兵輝

(首都醫科大學基礎醫學院生物化學與分子生物學系，北京 100069)

1 個人簡介

李兵輝教授(圖1)，首都醫科大學基礎醫學院生物化學系主任、教授、博士研究生導師。2006年獲中國科學院大學生物化學與分子生物博士學位；2006-2010年在美國西北大學及芝加哥大學分別接受博士后訓練；2011年回國，任天津醫科大學腫瘤醫院教授；2017年入職首都醫科大學，擔任首都醫科大學基礎醫學院生物化學系教授；2012年獲亞洲癌癥基金優秀學者獎；2016年獲國家自然優秀青年科學基金資助；擔任國家基金委函審和二審專家；主持國家自然科學基金6項，獲授權專利1項；在CancerCell、NatureCommunications、JournalofExperimentalMedicine及MolecularTherapy等國際學術刊物發表研究論文20余篇。

圖1 李兵輝教授

自2017年作為人才引進，加入首都醫科大學以來，在學校和學院的大力支持下，建立了腫瘤代謝實驗室，組建了包括教授、副教授、講師、技術員及研究生在內的研究團隊。近幾年研究團隊主要致力于揭示代謝驅動的微環境和細胞生命活動之間的關系及相互調控機制，從葡萄糖、脂肪酸及氨基酸的異常代謝入手，尋找腫瘤細胞得以生長轉化的化學本質。目前的研究興趣在于揭示腫瘤代謝重編程的化學機制、乏氧調控腫瘤代謝的分子機制及營養物質協同代謝的分子機制。

2 主要學術貢獻

李兵輝教授課題組近年來主要圍繞腫瘤細胞代謝開展研究，在以下幾方面取得了重要研究進展：①代謝對細胞死亡的調控——代謝調控細胞內外微環境能決定細胞死亡的方式；②揭示了谷酰胺在乏氧條件下代謝的分子機制——碳和氮的協同代謝；③腫瘤代謝重編程的化學機制——代謝反應中的電子傳遞驅動了代謝重編程。

2.1 闡述代謝對細胞死亡調控的分子機制

李兵輝教授團隊發現打破代謝平衡能特異誘導腫瘤細胞死亡[1]。為了方便地監測細胞死亡，首先通過分子生物學技術對熒光蛋白進行基因工程改造，開發出一個經過改造的嵌合熒光蛋白，它平時并不發熒光只有在凋亡時被Caspases水解激活后才能發熒光，因此能實時監測細胞凋亡[2]。進一步，建立了監測細胞壞死的方法和凋亡指示劑聯合使用，組成一個理想的實時監測細胞如何死亡的研究平臺：壞死的細胞發紅色熒光(propidium iodide，PI)，而凋亡發綠色熒光[3]?？捎糜诤Y選影響細胞死亡及如何死亡的代謝途徑。并利用此平臺相繼發現了葡萄糖主要通過維持細胞內的質子平衡調控細胞的死亡方式；提出了代謝維持細胞質子平衡的化學模型，理清了代謝、質子平衡和細胞生長之間的關系[4]；鑒定Caspase-8是響應代謝微環境決定細胞死亡方式的關鍵分子[5](圖2)。

圖2 Caspase-8介導的溶酶體依賴的細胞死亡

在經典凋亡途徑中，Caspase-8作為啟動凋亡的上游水解酶，可介導線粒體依賴和非依賴的凋亡。當Caspase-8快速表達，導致未完全成熟時，Caspase-8會和溶酶體上的質子泵V-ATPase相互作用，阻止溶酶體內酸性環境的維持，最終導致溶酶體依賴的細胞死亡。此外Caspase-8的構象變化還會相應細胞內酸堿變化，從而啟動溶酶體依賴的細胞死亡。

2.2 揭示了谷酰胺在乏氧條件下代謝的分子機制

腫瘤細胞有活躍的有氧糖酵解，其中一個重要的代謝酶是PKM，它有兩個同工酶PKM1和PKM2，腫瘤細胞通常高表達PKM2。李兵輝教授團隊發現PKM1和PKM2都可以使有氧糖酵解進行，但是PKM2 比PKM1更能有效地將葡萄糖轉化為乳酸，維持細胞外微環境。因此PKM2減少了細胞內葡萄糖的利用，特別是用于檸檬酸產生的部分，從而增加了α-酮戊二酸/檸檬酸的比例，進而促進谷氨酰胺通過還原途徑生成乙酰輔酶A，給脂質合成提供碳源。因此，PKM2在維持質子平衡和促進谷氨酰胺還原代謝方面發揮著關鍵作用，把葡萄糖的有氧酵解代謝和谷氨酰胺的還原代謝有機地協調起來，對腫瘤細胞中高表達PKM2的生理意義提供了一種很好的解釋[6]。

在乏氧條件下，腫瘤細胞中的葡萄糖主要代謝成乳酸并被排出細胞外，因此谷氨酰胺就成了腫瘤細胞生物合成的主要碳源，主要是通過還原代謝合成脂類。一個谷氨酰胺分子含5個碳和2個氮(氨基)，當碳被腫瘤細胞過度利用時，與之相應的氮(氨基)長期以來一直被認為是代謝成氨。然而氨在腫瘤細胞中蓄積，有潛在毒性，不利于腫瘤生長。在人體中，氨一般代謝成無毒的尿素排出體外，該過程主要發生在肝臟，但腫瘤細胞中并不存在活躍的尿素合成途徑。因此，腫瘤細胞是如何代謝谷氨酰胺的氮而避免氨的積累是一個值得探索的科學問題。

李兵輝教授團隊通過對乏氧條件下兩種腫瘤細胞含氮化合物進行靶向代謝組學分析，發現含氮化合物(核苷酸合成的前體)在腫瘤細胞中大大積累，主要包括氨甲酰天冬氨酸、二氫乳清酸和乳清酸。進一步的同位素標記代謝流實驗顯示谷氨酰胺的氮在乏氧條件下主要富集在二氫乳清酸和乳清酸中。正常情況下乳清酸會被用于合成下游產物尿苷一磷酸(uridine monophosphate,UMP)，進而合成核苷酸。但在乏氧條件下，富集的二氫乳清酸會被排出細胞外。同時，在乏氧條件下，谷氨酰胺的碳經還原代謝途徑產生的草酰乙酸用于合成門冬氨酸，同時產生乙酰輔酶A用于合成脂質。由于門冬氨酸是合成二氫乳清酸的前體，因此，二氫乳清酸實際上富集了谷氨酰胺的氮和除了用于合成乙酰輔酶A以外的碳。由于體內腫瘤細胞經常處于乏氧環境中，因此它們的碳源主要依賴谷氨酰胺，這種特異的代謝途徑可能對體內腫瘤細胞生長有重要生理意義：使谷氨酰胺的碳源主要用來合成脂類物質，而把多余的碳和氮安全地排出細胞外，從而避免氨的產生和積累(圖3)。通過進一步的動物實驗，證實了阻斷這條代謝途徑的確能有效抑制體內腫瘤的生長[7]。

圖3 乏氧促進谷氨酰胺的氨合成二氫乳清酸并分泌出去

在正常情況下，葡萄糖提供碳源合成脂肪酸，谷氨酰胺的氨用于合成核苷酸和氨基酸，碳源利用從屬與氨的利用；在乏氧條件下，細胞依賴谷氨酰胺的還原代謝提供碳源合成脂質，由此導致的多余的氨和碳合成二氫乳清酸并分泌出去。

2.3 揭示了腫瘤代謝重編程的化學本質

代謝本質上是一群整合的化學反應，因此必須遵循化學反應的基本法則。如果能找出不斷生長的腫瘤細胞遵循的化學法則，就有可能圍繞這個基本法則設計雞尾酒靶點從而克服異質性帶來的補償途徑(即提前屏蔽所有潛在的補償途徑)?；瘜W反應本質上就是新的化學鍵的形成和舊的化學鍵的斷裂，而化學鍵是原子之間外層電子的重排，有的重排導致電子多余，有的重排又需要更多電子參與。因此，細胞內化學反應之間便會有潛在的電子傳遞[通常由NAD(P)H/NAD(P)+介導]。對于哺乳動物細胞來說，鐵的事實是整個細胞代謝釋放出的電子最終會通過線粒體呼吸鏈傳遞給氧氣(O2)，同時把能量轉換成通用能量貨幣ATP。因此，呼吸鏈不僅是產生ATP的動力源泉，更是最主要的電子“受體”以確保細胞內的化學反應順利發生。然而，當細胞缺乏最終電子受體O2(處于乏氧條件下)或呼吸鏈被抑制(生理或病理條件)時，電子如何傳遞以保證代謝化學反應的順利進行呢？

為了解決這個問題，李兵輝教授團隊提出了一個新概念稱之為“potential of electron transfer(PET)”，用以表征一個代謝物(CCHHOONN)在細胞內完全氧化時釋放電子(電子傳遞)的潛能，用符號Y表示，并給出了公式(NC、NH,、NN和NO分別代表代謝物分子式中碳、氫、氮及氧的原子數)：

Y=4NC+NH-3NN-2NO

(1)

4、1、-3和-2分別為各元素的還原度，即價電子。并進一步推導出化學反應釋放電子的公式：

(2)

即一個化學反應釋放電子的數目等于產物的Y值總和減去底物的Y值總和，如果為正值代表消耗電子，負值代表釋放電子，而且這個值和代謝途徑(不同代謝途徑或消耗ATP或產生ATP)無關，只取決于起始物和終產物。

在這兩個公式的基礎上，根據化學反應的電子守恒法則，進一步構建出生長細胞的電子傳遞模型：

ΔYCell= ∑ΔYETC+ + ∑ΔYMetab-=0

(3)

將公式(3)置于邊界條件：∑ΔYETC=0(乏氧或呼吸鏈抑制)，并通過等價變化將∑ΔYMetab-具體化。細胞必須重新選擇代謝途徑(代謝重編程)，以確保代謝反應電子守恒，并且要生成目的代謝物(保證生長)。在此過程中，公式可推導出腫瘤細胞的各種代謝重編程現象，如葡萄糖酵解成乳酸、轉向非氧化磷酸戊糖途徑、促進3-磷酸甘油的合成、提高脯氨酸的合成、偏好谷氨酰胺合成脂肪酸等，所有這些代謝變化或符合已報道[7-8]的現象或被實驗[9]證實。進一步對代謝途徑整合，得出在乏氧條件下，生長細胞遵循的電子傳遞模型：

(4)

即在乏氧條件下，重編程后的代謝反應釋放的電子主要流向由谷氨酰胺起始合成脂質和脯氨酸的代謝途徑。因此，如果同時抑制脯氨酸合成和脂質合成能協同抑制腫瘤細胞(體內通常處于乏氧條件下)的生長，并在動物模型上得到證實(圖4)。更重要的是，根據該模型，還能進一步優化抑制腫瘤細胞在乏氧條件下生長的聯合靶點的雞尾酒方案。

圖4 乏氧條件下腫瘤細胞生長依賴的關鍵代謝途徑

該研究清晰地證明了，電子堆積驅動了乏氧條件下代謝重編程。這個過程并不依賴低氧誘導因子HIFs，但HIFs(以及Myc、Ras等癌基因)調控的基因表達能讓細胞更好地執行本研究中揭示的電子傳遞，更好地適應代謝重編程狀態！

此外，該模型經擴展后還能從化學本質上解釋Warburg效應和腫瘤細胞對絲氨酸、丙氨酸、分支氨基酸及醋酸等代謝物的偏好和需求。此電子傳遞模型幾乎整合和解釋了過去幾十年觀察到的各種腫瘤代謝現象、澄清了一些有爭議的代謝現象并預測了一些新的代謝現象，為腫瘤代謝提供了一種重要的研究工具！

基于電子傳遞理論重編程后的代謝：葡萄糖酵解成乳酸，減少電子的產生；谷氨酰胺還原代謝合成脂質，提高電子的消耗；谷氨酰胺合成分泌的脯氨酸，帶走電子。在有氧條件下，代謝釋放的電子主要通過線粒體呼吸鏈ETC傳遞給氧氣；在乏氧條件下，重編程后的代謝反應釋放的電子主要流向由谷氨酰胺起始合成脯氨酸和脂質的代謝途徑。抑制脯氨酸合成(敲除P5CS)，脂肪酸合成關鍵酶ACC1抑制劑(PF-05175157)和膽固醇合成關鍵酶HMGR抑制劑(Lovastatin)聯合運用可以顯著抑制腫瘤細胞的增生。如果同時抑制乳酸脫氫酶和血管增生(提供氧)可協同加強腫瘤抑制效果。

為了適應復雜多變的微環境，腫瘤細胞發展出動態變化的代謝異質性。因此，即使抑制了某些特異代謝途徑，腫瘤細胞也很快會發展新的替代途徑來補償。這嚴重打擊了靶向特異代謝途徑來控制腫瘤生長的信心。在多年研究腫瘤代謝的工作基礎上，李兵輝教授團隊提出了新的概念，建立了一個基于化學本質(電子轉移)的理論體系，給大多數代謝重編程現象提供了化學機制上的解釋，同時也澄清了一些有爭議的代謝現象、預測了一些腫瘤細胞可能優先利用的新的代謝物質和代謝途徑，能夠指導腫瘤代謝的分子機制研究。根據李兵輝教授團隊的理論模型，可發現腫瘤細胞在乏氧條件下(腫瘤組織普遍存在的一種生理條件)生長的必需條件，并找出具體的聯合靶點，可用于開發腫瘤治療的雞尾酒療法。圍繞李兵輝教授團隊構建的理論框架，闡述代謝重編程在腫瘤發生發展過程中的作用是將來的主要研究方向。