IF=53.03|从代谢组学入手研究神经胶质瘤

      神经胶质瘤是中枢神经系统的原发肿瘤，起源于大脑的固有组成细胞，胶质母细胞瘤（GBM）是胶质瘤的最高级别形式。不幸的是，GBM也是成人中最常见的胶质瘤，也是最致命的癌症之一。细胞代谢改变是神经胶质瘤的一个特征。在一系列最新技术进步的推动下，对胶质瘤代谢的分子机制的新见解正在迅速出现。

      今日诺米代谢为您分享2020发表在Nature Reviews Cancer上题为Altered cellular metabolism in gliomas an emerging landscape of actionable co-dependency targets的相关文章。本文讨论了近年来整合代谢组学和基因组学的进展，为驱动胶质瘤发病机制提供了新的见解。研究阐明了神经胶质瘤的相关代谢、肿瘤微环境和肿瘤基因型之间的相互作用，以及如何通过代谢途径研究为临床提供靶向药物的思路。

文章题目

Altered cellular metabolism in gliomas an emerging landscape of actionable co-dependency targets

发表期刊

Nature Reviews Cancer

（IF=53.03）

发表时间：2020

胶质瘤代谢组学研究

    大脑是一个代谢高度活跃的器官，依赖葡萄糖作为主要的能量底物。然而，乳酸、脂肪酸和氨基酸也可以用作能量来源。大脑的组成细胞，包括星形胶质细胞、神经元和小胶质细胞，也影响彼此的营养摄取，表明不同类型的细胞之间的相互作用对大脑代谢稳态很重要（图1a）。神经胶质瘤发生在这种复杂且经常缺氧的代谢环境中，这种环境影响了神经胶质瘤细胞促进肿瘤生长所做出的代谢选择（图1b）。因此，研究胶质瘤的代谢环境是至关重要的。幸运的是，先进的体内代谢分析技术已经开发出来，包括同位素标记代谢物示踪（代谢流技术）和非侵入性代谢成像，允许在体内测量小鼠脑部肿瘤细胞的代谢通量和丰度，更重要的是，可以在患者体内测量代谢通量和丰度（BOX1）。

    脑组织环境、生化环境和脑细胞之间的代谢相互作用有助于神经胶质瘤细胞的营养可用性。血脑屏障是由专门的大脑内皮细胞形成的，它导致了神经胶质瘤不同于其他癌症类型的生化环境。大脑的特殊细胞组成和结构也导致了一个独特的组织微环境（图1a）。图1.神经胶质瘤营养的吸收和利用。1. 葡萄糖和乙酸    葡萄糖和醋酸盐是大脑中两种最常见的营养物质，很容易被肿瘤细胞吸收（图1b）。与许多其他类型的癌症一样，胶质瘤细胞表现出从微环境中快速摄取葡萄糖和加速糖酵解。在恶性肿瘤生长过程中，胶质瘤细胞可以利用线粒体中的糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS）。乙酰辅酶a是能量生产和生物合成的中心代谢物，可以通过丙酮酸脱氢酶（PDH）或脂肪酸氧化在线粒体中产生丙酮酸，从而在线粒体TCA循环和胞质代谢物库之间建立关键的代谢联系。柠檬酸裂解酶（ACLY）也能在胞质中产生乙酰辅酶a。重要的是，在给予13C标记葡萄糖的GBM患者或小鼠的GBM异种移植中，已经揭示大多数乙酰辅酶a不是来源于葡萄糖，这表明额外的，非葡萄糖碳源可能有助于GBM的发展。

2. 氨基酸

    谷氨酰胺是一种氮和碳源，用于细胞生物合成核苷酸和氨基酸，这对胶质瘤的生长至关重要（图1b）。与正常小鼠脑组织相比，GBM异种移植中谷氨酰胺的总量有所增加。有趣的是，当GBM细胞缺乏谷氨酰胺时，它们通过上调谷氨酰胺合成酶（GS）上调谷氨酸转化为谷氨酰胺。然而，谷氨酸也可以用于谷氨酰胺的合成，这表明肿瘤可以利用这种互补途径获得胶质瘤生长所需的谷氨酰胺。

    在体内，同位素示踪研究表明，GBM细胞系和GBM异种移植都是优先使用葡萄糖，而不是谷氨酰胺，来提供三羧酸循环中间体，而且葡萄糖衍生碳可以用于支持谷氨酸合成谷氨酰胺。许多来自体外研究，提出了这样一个问题：癌细胞在体外对谷氨酰胺的依赖是否是对培养基中的高谷氨酰胺浓度的代谢适应。

3. 脂质

    脂质是正常大脑的基本结构和功能成分，约占大脑干重的50%。事实上，大脑是胆固醇含量最高的器官，含有全身20%的胆固醇。由于血液循环中脂蛋白中的胆固醇不能有效地通过血脑屏障，大脑中几乎所有的胆固醇都是由星形胶质细胞局部合成的，神经元和胶质瘤细胞的胆固醇来源（图2）。重要的是，胶质瘤细胞比正常的人类星形胶质细胞明显吸收更多的细胞外胆固醇。同样丰富的游离脂肪酸可以穿过血脑屏障，被包括神经元和星形胶质细胞在内的各种脑细胞所吸收，在那里它们是许多脂质的前体和能量代谢的潜在底物。虽然有些脂肪酸可以在大脑中从头合成，但必需脂肪酸必须由循环供应。胶质瘤细胞可以利用葡萄糖、乙酸和TCA循环衍生的乙酰辅酶a从头合成非必需脂肪酸（图1b）。阻断关键酶，如脂肪酸合成酶（FASN）、棕榈酸酯的合成所需的乙酰辅酶a、ELOVL脂肪酸延长酶（ELOVL2），从而抑制神经胶质瘤肿瘤生长，表明神经胶质瘤生长和存活所需的脂肪酸。

BOX1 研究脑瘤代谢的工具

1. 同位素标记代谢物通量示踪（代谢流）

    除了同位素标记代谢物体外示踪外，磁共振波谱(MRS)结合同位素标记可用于检测肿瘤和非恶性组织体内的代谢路线和通量，包括¹H、³¹P、¹⁵N和¹³C。例如，使用MRS追踪¹³C标记的代谢物，如葡萄糖和乙酸，为研究异种移植小鼠模型和胶质瘤患者的代谢通路提供了思路。BOX1研究脑瘤代谢的工具

2. 代谢成像

    神经胶质瘤的代谢重编程可以通过非侵入性代谢成像进一步直观呈现。例如，无法代谢且在细胞内积累的¹⁸F标记葡萄糖类似物示踪剂2-[¹⁸F]氟-2-脱氧-d-葡萄糖（¹⁸F- FDG），已被开发用来指示Warburg效应导致脑肿瘤细胞对葡萄糖的高需求。

代谢和基因的关联

图2 RTK信号通路调节胶质瘤代谢

1. 受体酪氨酸激酶扩增影响胶质瘤代谢重编程

    在癌症中，生长因子信号系统的功能会被改变，包括关键肿瘤抑制因子的丢失，会导致营养吸收和利用的系统控制短路，导致细胞生长不受限制，这是癌症的必要条件。    生长因子受体信号系统的功能获得性改变是胶质瘤中最常见的遗传改变之一，补充端粒酶逆转录酶（TERT）启动子突变作为该疾病的标志性病变。受体酪氨酸激酶（RTKs），特别是表皮生长因子受体（EGFR），在胶质母细胞瘤中经常被放大，改变营养吸收和利用。RTK信号通路通过PI3K-AKT和mTORC1和mTORC2通过多种互补的分子机制增加MYC的表达和稳定性。些扩增的致癌基因会增加生长因子受体信号通路，并可与编码PI3K的基因的功能增益突变和PTEN缺失共存，通过激活AKT mTOR信号通路重新编程细胞代谢，驱动胶质瘤发病（图2a）。表明糖酵解和脂肪生成在EGFR介导GBM发病中起到核心作用。2. MYC：神经胶质瘤代谢重编程的核心角色    原癌基因（MYC）也成为胶质瘤代谢改变的中央调控因子（图2a）。MYC在调节葡萄糖运输、糖酵解、谷氨酰胺解、脂肪生成和核苷酸合成方面的影响早已被证实。MYC直接控制葡萄糖代谢基因的表达，以葡萄糖转运体GLUT1、己糖激酶2（HK2）、肌磷酸果糖激酶（PFKM）和烯醇化酶1（ENO1）为主，刺激Warburg效应。MYC增加糖酵解通量，提高GBMs瘤内谷氨酰胺水平，最近被证明通过表观遗传机制通过驱动NAD+生物合成，产生对生存所需的代谢物的依赖。3. EGFR扩增可以使MYC重新编程胶质瘤代谢

    EGFR扩增和突变通过三种互补机制改变了GBM代谢（图2a）。首先，EGFRvIII通过AKT-mTORC1导致异构核核糖核蛋白A1（HnRNPA1）依赖于MYC相互作用的MAX的选择性剪接，产生功能蛋白Delta MAX，以促进糖酵解代谢。同时，EGFRvIII通过mTORC 2依赖的叉头蛋白O1（FOXO1）的乙酰化和随后MYC蛋白表达促进GBM肿瘤中的糖酵解。最后，过度激活的EGFRvIII重塑了GBM细胞的增强因子，通过SOX9和FOXG1驱动转录调控网络来调控MYC的转录，促进小鼠GBM异种移植模型的肿瘤发生。总之，这些不同的证据表明EGFR-PI3K-AKT-mTOR信号通路控制MYC转录、水平和活性。

4. 致癌基因改变和环境之间的相互作用    胶质瘤中的代谢重编程不仅仅是遗传病变或大脑微环境的结果，还有因为基因组的改变驱动细胞生长、进展和耐药性的独特组织环境之间相互作用的结果（图3a）。这种相互作用也是双向的，因为胶质瘤细胞的代谢重编程通过表观遗传、转录和翻译后修饰导致癌症基因组和致癌途径的修饰。乙酰辅酶a的产生受到葡萄糖和乙酸水平的影响，将肿瘤细胞所经历的外部生化环境与其中的表观遗传和翻译后修饰联系起来（图2）。在GBM细胞系中，乙酰辅酶a：辅酶a的比例对葡萄糖含量敏感，调节组蛋白乙酰化。ACLY和ACSS2也可在脑胶质瘤局部产生乙酰辅酶a，促进组蛋白乙酰化和基因表达（图2a）。正如我们之前提到的，葡萄糖和乙酸盐通过乙酰辅酶a介导的RICTOR乙酰化促进mTORC2信号通路，这有助于GBM耐药性。    此外，胶质母细胞内加速的葡萄糖分解代谢通过SREBP解理激活蛋白（SCAP）的n -糖基化激活SREBP介导的脂质合成。来自微环境的营养素还通过营养传感器（如mTORC1和AMP激活蛋白激酶（AMPK））调节信号通路，支持胶质瘤细胞的生物能量和生物合成需求。在胶质瘤中，致癌基因改变和环境之间的相互作用可能选择了有利的代谢依赖，促进了肿瘤遗传和代谢的异质性，以适应微环境。图3 在恶性神经胶质瘤中寻找可操作的代谢依赖的路线图

以代谢角度寻找治疗的机会

    由于肿瘤基因型、细胞系谱系和环境背景之间的相互作用，可能潜在地产生可操作的代谢性胶质瘤依赖性（图3a）。因此，确定新颖的药物靶点可能需要考虑基因型和环境之间的交互作用，而这些靶点在单独研究时不太可能出现（图3b）。作为首要原则，这种类型的分析不仅需要细胞系的遗传和药理学筛选，还需要整体外和原位异种移植中患者来源细胞系模型的研究，以及最终用于临床试验的患者研究（图3b）。

1. 针对胶质瘤EGFR代谢依赖性    胶质母细胞瘤细胞通过低密度脂蛋白受体（LDLR）从星形胶质细胞中获取胆固醇，而LDLR受EGFR信号调节（图2b）。星形胶质细胞重新合成胆固醇，内源性肝脏X受体(LXR)配体的高水平激活LXR磷脂转运ATP酶的ABCA1轴，导致胆固醇通过ABCA1流出。最近，临床上可行的高脑通透性激动剂LXR-623已被证明能在体内选择性地杀死GBM细胞。    如上所述，胶质瘤细胞，包括EGFR扩增或突变的GBM细胞，已被证明在生物动力学和膜脂质组成方面发生了显著变化。LPCAT1耗损可抑制EGFR信号传导并杀死GBM肿瘤细胞，这表明在EGFR驱动的胶质瘤中，LPCAT1介导的膜脂重塑具有重要的临床意义（图2c）。总之，EGFR驱动的胶质瘤细胞对胆固醇和磷脂代谢的依赖表明，膜脂代谢可能是胶质瘤患者临床可操作的靶点。2. 以神经胶质瘤中的生物能量通路为目标    正如我们上面所讨论的，胶质瘤细胞同时上调多条能量代谢途径。在这些途径中，许多潜在的药物靶点已经被鉴定出来。重要的是，有广泛的抑制剂，其中一些药物，包括二甲双胍和苯双胍，已用于临床治疗非癌症适应症，为靶向生物能量途径的胶质瘤提供了可行的治疗方法（图4）。

图4 恶性胶质瘤的代谢性药物靶点

结论

    恶性胶质瘤的代谢是一个不稳定的领域。它正从由基因型或环境形成的静态图像转变为一种动态视图，在这种视图中基因型和组织环境相互作用，限制肿瘤细胞的代谢系统，暴露出适合临床利用的弱点。这方面的研究是困难的，因为它不适合简单的静态检测，而是需要对背景下的基因改变有微妙的变化，特别是在脑肿瘤暴露于各种变化的环境中。幸运的是，新的检测手法成为了有力的推进器（图4、BOX1）。通过下一代测序研究病人、动物模型的基因组景观来发现分子通路和强大的新代谢检测技术包括成像和同位素示踪，更有力的推动神经胶质瘤相关研究。此外，寻找由肿瘤基因型、组织环境或两者产生的相互依赖性模型的发展，为潜在的药物靶点开辟了新的前景。

诺米代谢相关检测服务

1、同位素示踪（代谢流）

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参考文献

Bi J, Chowdhry S, Wu S, et al. Altered cellular metabolism in gliomas — an emerging landscape of actionable co-dependency targets[J]. Nature Reviews Cancer, 2020.

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