近10年内，『代谢重编程』这一方向都是国自然申请中的重中之重，在资助项目中数量以及占比增势显著，2022年国自然中标数飙升至第九名（325项）。
那么，代谢重编程的研究方向又有哪些呢？
1. 前浪-糖酵解：自warburg效应被发现以来，糖酵解这一代谢途径就成了肿瘤研究的主流方向，今天我们将以一篇高分综述“Tumor glycolysis, an essential sweet tooth of tumor cells”看一下肿瘤细胞必不可少的“甜食”的作用。
2. 后浪-脂质代谢：近年来，除能量代谢外，脂肪酸的代谢也逐渐被大家所重视。尤其是，由于脂肪酸代谢具有较复杂的代谢途径，所以“只许成功，不许失败”的靶向策略在癌症治疗中至关重要。
01 前浪——糖酵解
肿瘤细胞必不可少的甜食
一、摘要
癌细胞需要代谢适应以满足对能量、增殖和氧化还原反应的巨大需求。即使在有氧气存在的情况下，肿瘤也表现出葡萄糖亲和和乳酸分泌行为，这一过程称为有氧糖酵解。
作为癌细胞代谢的支柱，癌细胞会通过多种途径增强糖酵解的速度和效率，且葡萄糖代谢与其他代谢途径交织在一起，使癌症代谢多样化和异质性，其中糖酵解起着核心作用。致癌信号加速糖酵解酶的代谢活性，主要是通过增强其表达或通过翻译后修饰。有氧糖酵解将葡萄糖发酵成乳酸，乳酸通过各种机制支持肿瘤生长和转移。
这篇综述重点研究了肿瘤糖酵解与磷酸戊糖途径、谷氨酰胺代谢、一碳代谢和线粒体氧化在肿瘤进展中的相互作用，并总结了糖酵解的终产物乳酸在肿瘤生长中的作用，以及转移过程中的代谢适应。
二、背景
癌症进展是一个复杂的多步骤过程，伴随着多个肿瘤抑制因子和癌基因的遗传改变，以消除细胞施加的屏障（细胞凋亡和衰老），进而导致不受控制的细胞增殖。1920年，奥托·沃伯格（OttoWarburg）观察到肿瘤组织即使在氧气存在的情况下，癌细胞也会消耗更多的葡萄糖并将其发酵成乳酸而不是线粒体氧化，即Warburg效应。癌细胞更喜欢有氧糖酵解来满足不受控制的生长的生物合成和生物能量需求，并将葡萄糖向乳酸的高速转化与葡萄糖转运蛋白（GLUTs）对葡萄糖的摄取增加相结合以促进肿瘤进展。
癌细胞需要通过有氧糖酵解的方式产生乳酸，并通过单羧酸转运蛋白（MCT）将乳酸从癌细胞中转运出，而运出的乳酸则会改变肿瘤微环境（TME）的pH值，形成免疫抑制性微环境。总之，糖酵解介导的葡萄糖分解代谢可通过多种途径维持细胞无限增殖（图1）。
图1. 肿瘤糖酵解代谢途径
三、癌症患者体内，有氧糖酵解优先于线粒体呼吸
在健康细胞中，糖酵解为线粒体提供丙酮酸，并通过TCA循环和OXPHOS进行氧化，糖酵解与线粒体呼吸相结合是一种有效的能量产生过程，可完全氧化葡萄糖并提取约38个ATP。然而，癌细胞更喜欢有氧糖酵解这种效率较低的代谢途径（Warburg效应）。
虽然大多数癌细胞都具有功能完善的线粒体，但由于以下原因，相比于线粒体呼吸途径，癌细胞更喜欢糖酵解代谢：
癌细胞更喜欢能量产生较快的途径，而不是能量产生效率高的途径；
肿瘤组织是乏氧的，而这种乏氧对糖酵解代谢更为有利；
线粒体代谢会产生较多的ROS促进癌细胞死亡；
肿瘤糖酵解是一种独立的反应，不需要线粒体来维持氧化还原平衡；
糖酵解过程中产生的代谢中间体可作为氨基酸，核苷酸，脂肪酸合成的前体，有利于癌细胞增殖；
糖酵解产生的乳酸可形成有利于肿瘤生长的微环境。
四、癌细胞主要代谢途径与糖酵解的联系
（1）糖酵解和磷酸戊糖途径（PPP）
PPP是癌症物质生产的必需途径，是葡萄糖氧化的替代代谢途径，PPP的前体是葡萄糖6-磷酸，PPP过程中还会产生还原等效的NADPH和核糖5-磷酸，是合成核苷酸，辅酶和必需氨基酸的前体。葡萄糖6-磷酸的命运取决于各种糖酵解和PPP酶的活性，抑制糖酵解酶或激活PPP酶会将葡萄糖代谢转移到PPP途径。磷酸果糖激酶（PFK-1）和丙酮酸激酶M2（PKM2）是催化糖酵解的两个限速酶，对于糖酵解和PPP途径的调控具有重要作用。
（2）葡萄糖和谷氨酰胺代谢之间的相互作用
葡萄糖和谷氨酰胺是癌细胞主要的营养来源。肿瘤微环境中的肿瘤和免疫细胞对谷氨酰胺和葡萄糖的偏好存在差异。癌细胞以谷氨酰胺摄取为主，而谷氨酰胺的抑制可增强葡萄糖摄取糖酵解酶PKM2可同时调节葡萄糖和谷氨酰胺代谢，PKM2的二聚体（糖酵解非活性形式），在生长条件下可上调GLS-1的表达并促进谷氨酰胺代谢。丙酮酸脱氢酶A1（PDHA1）催化癌症中丙酮酸转化为乙酰辅酶A。肿瘤细胞可利用葡萄糖合成谷氨酰胺等多种氨基酸，葡萄糖和谷氨酰胺的代谢满足了高度增殖的癌细胞的能量和生物质前体需求，且癌细胞可在不同条件下实现不同代谢途径的切换。
（3）糖酵解的线粒体调节
线粒体是细胞的动力源泉，它通过正常细胞中的TCA和OXPHOS途径使得细胞以ATP的形式产生能量，其中葡萄糖通过糖酵解和线粒体呼吸完全氧化。丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）将丙酮酸转化为乙酰辅酶A用于TCA循环，在癌细胞中，HIF-1α和MYC通路升高会增加PDC抑制剂丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）的表达。然而， ATP产生的中断并不抑制体内肿瘤的生长，这表明糖酵解驱动的ATP可能支持肿瘤生长，TCA中间体的作用是为生物合成途径提供前体，总之，线粒体在大多数肿瘤中都会保持功能，并且对肿瘤生长至关重要。
五、糖酵解途径在癌症中受到哪些关键蛋白质的影响呢？
——这对于我们开展糖酵解代谢研究很重要
（1）癌基因和抑癌基因：致癌信号通路Ras-PI3K-AKT-mTOR信号传导会激活HIF-1α将代谢转向糖酵解，而HIF-1α的高表达则导致肿瘤生长所必需的GLUT和糖酵解酶的表达增强；肿瘤抑制因子p53可通过拮抗HIF-1α和G6PD以及下调GLUT1和糖酵解酶的表达来抑制有氧糖酵解；抑癌基因PTEN可抑制AMPK信号通路的激活，而AMPK信号通路在糖酵解代谢中又起到不可或缺的作用。
（2）糖酵解酶的翻译后修饰（当下研究的热点，寻找限速酶的翻译后修饰酶）
2.1 己糖激酶（HK）：将葡萄糖转化为葡萄糖6-磷酸（G6P）是由己糖激酶（HK）催化的限速步骤。最近的研究表明，HectH9泛素化HK2并调节其与线粒体的结合，而HK2的N端保守结构域附近的SUMO化阻止了HK2与线粒体的结合。然而，在缺氧时，HIF-1α介导了SENP1的去SUMO化和HK2的过表达，并有助于与线粒体结合。总之，针对己糖激酶的泛素化修饰将是以后几年研究的热点问题。
2.2 磷酸果糖激酶（PEK）：PFK催化糖酵解的第一步，有两种亚型，PFK1和PFK2，两者都使用果糖6-磷酸和ATP，并分别将它们转化为ADP和F16BP或F26BP。PFK1和PFK2在癌症期间都会进行翻译后修饰，PFKP是各种癌症的主要亚型，突变的EGFR磷酸化并激活赖氨酸乙酰转移酶5（KAT5）用于乙酰化PFKP，乙酰化的PFKP易位到质膜，EGFR将其磷酸化并激活PI3K-AKT信号传导。此外，PFKP也可通过多泛素化被TRIM21降解，以调节正常细胞中的糖酵解。因此，PEK的乙酰化及泛素化或可成为未来研究的主流。
2.3 甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）：GAPDH通过将甘油醛-3-磷酸代谢为1，3-二磷酸甘油酸酯，并将NAD +还原为NADH，催化糖酵解中的可逆反应。GAPDH主要调节癌症、内吞作用、胞吐作用和细胞凋亡等过程。甘油醛-3-磷酸和GOSPEL亚硝基化抑制NADH与SIAH1的结合，以防止癌细胞凋亡，从而增加细胞增殖；AKT介导的GAPDH磷酸化可防止癌细胞中的核进入和凋亡；Src激酶和PKC的磷酸化有助于膜通过Rab2介导的融合和募集。
2.4 丙酮酸脱氢酶（PDH）：PDH酶是称为丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）的多酶线粒体复合物的一部分，其催化丙酮酸不可逆脱羧为乙酰辅酶A。PDH是PDC中的限速酶，其催化活性受磷酸酶（PDP）和激酶（PDK）调节。线粒体RTK如EGFR，FGFR1，FL3和JAK2通过磷酸化PDK1和PDP1来调节PDH1活性；乙酰转移酶与磷酸化的PDP1-PDH复合物结合，并通过乙酰化抑制PDH1活性。
2.5 乳酸脱氢酶（LDH）：LDH催化可逆反应，将丙酮酸转化为乳酸，并再生NAD+。在应激期间，h-CINAP与LDHA结合，并通过FGFR介导的途径磷酸化各种酪氨酸残基上的LDHA，Y-10磷酸化增加了酶活性后LDHA四聚体的形成，并维持细胞内的NAD+水平。
六、总结
综上所述，代谢酶的翻译后修饰（如磷酸化、乙酰化、甲基化和泛素化）可上调糖酵解代谢，糖酵解代谢激活后，糖酵解酶易位到细胞核，促进上皮-间充质转化（EMT），并与线粒体结合以防止细胞凋亡，这些改变的糖酵解酶通过产生NADPH上调谷氨酰胺代谢并维持ROS稳态。糖酵解和PPP升高会增加核苷酸形成、细胞增殖、DNA断裂修复和ROS清除。糖酵解酶的翻译后修饰增加了与不同代谢途径的串扰并塑造了癌症代谢（图2），会成为未来研究的主流方向。
图2. 癌症中的翻译后修饰（PTM）和糖酵解代谢
02 后浪——脂肪酸代谢
太复杂而不允许失败
一、摘要
脂肪酸代谢作为潜在抗肿瘤疗法的开发已获得广泛关注，迄今为止，已经鉴定了几种针对脂肪酸代谢的天然和合成化合物。本综述将讨论针对九种相互关联的脂肪酸代谢相关过程中最具临床可行性的抑制剂或药物的作用。
二、背景
脂肪酸合成增强是癌症所表现出的关键代谢特征之一，这种增加的从头合成为快速增殖的癌细胞提供用于膜生物发生、能量产生和蛋白质修饰的脂肪酸。最近的研究结果表明，除了从头合成外，调节癌细胞中脂肪酸代谢和稳态的多种其他途径也可能在不同的代谢条件下和肿瘤发展的不同阶段发挥独特的促癌作用：细胞外脂肪酸摄取、脂肪酸氧化、脂肪酸活化、细胞内脂质分解、甘油三酯合成、磷脂修饰和合成，而通过操纵这些途径，癌细胞获得可塑性，帮助它们在代谢应激的肿瘤微环境中生存。
近年来，该领域的研究主要聚焦于靶向脂肪酸合成的抑制剂开发上，主要包括以下途径：（1）从头脂肪酸（FA）合成；（2）FA去饱和；（3）FA摄取；（4）FA活化；（5）FA氧化；（6） 细胞内FA转运；（7）细胞内脂肪分解；（8）磷脂（PL）重塑；（9）靶向转录因子SREBP（图3）。
图3. 癌症中的翻译后修饰（PTM）和糖酵解代谢
三、靶向脂肪酸合成
脂肪酸合酶（FASN）是脂肪酸合成途径的限速酶，在支持合成代谢和致癌信号传导方面发挥着多方面作用，是癌细胞中脂肪酸代谢失调的调节剂中最广泛研究的治疗靶点。FASN的抑制已显示出对各种类型的癌细胞的巨大抗肿瘤潜力。FASN抑制通过多种机制导致癌细胞死亡，包括改变膜合成，蛋白质修饰以及与其他致癌信号通路的相互作用、及丙二酰辅酶A的积累（图4）。
图4. FASN抑制剂的作用机制
四、靶向脂肪酸去饱和
从头合成的脂肪酸最初是完全饱和的，这些脂肪酸的很大一部分将需要通过硬脂酰辅酶A去饱和酶-1（SCD1）的活性去饱和度，SCD1是一种将饱和脂肪酸转化为D9-单不饱和脂肪酸的酶。饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸之间的特定平衡对癌细胞的进展至关重要，这种平衡对于促进细胞存活，同时限制脂毒性和铁死亡至关重要，且SCD1的抑制可通过消耗单不饱和脂肪酸导致癌细胞死亡。
五、靶向脂肪酸摄取
研究表明，癌细胞还通过上调不同的脂肪酸摄取机制来获得外源性脂肪酸，外源性摄取可能是被富含脂质的环境包围的肿瘤细胞中的重要脂肪酸获取模式。除遗传背景外，肿瘤微环境在确定癌细胞对脂肪酸摄取与内源性合成的相对依赖性方面起着重要作用，例如，癌细胞在缺氧下从内源性脂肪酸合成转变为增加外源性脂肪酸摄取，其中基于葡萄糖的乙酰辅酶A生成受到抑制。另一方面，营养/脂质剥夺使癌细胞完全依赖于内源性脂肪酸合成，脂质摄取途径中最有希望的靶标之一是CD36（外源性脂肪酸进入细胞的主要转运蛋白）。靶向CD36在多项临床前研究中对各种癌症类型（如胶质母细胞瘤、黑色素瘤和前列腺癌）均有效，此外，靶向CD36还会抑制黑色素瘤、乳腺癌和口腔癌细胞的转移。
六、靶向脂肪酸氧化
最近的研究表明，脂肪酸氧化也是许多癌症中至关重要的生物能量途径。该通路已被证明可促进不同类型癌症的增殖、转移和治疗耐药性。肉碱棕榈酰转移酶（CPT）在脂肪酸氧化过程中起主要作用，CPT系统由位于线粒体外膜（CPT1）和内膜（CPT2）的两种独立蛋白质组成，具有三种亚型，CPT1A、CPT1B、CPT1C，且CPT1C在调节癌细胞脂毒性和细胞衰老中起着关键作用，而抑制CPT1C可能是一种新的治疗策略。
七、靶向脂肪酸活化
在细胞中，游离脂肪酸被引导到合成代谢脂质生物合成途径或分解代谢脂肪酸氧化中，在进入这些代谢途径之前，脂肪酸首先通过转化为脂肪酰基辅酶A来激活。这种常见的初始脂肪酸活化是由酰辅酶A合成酶（ACS）催化的。研究表明，癌细胞会出现ACSL的失衡表达，ACSL1在乳腺癌、骨髓瘤、肝癌和结肠癌等多种类型的癌症中过表达，ACSL1和4的过表达与结肠癌预后不良相关，此外，ACSL4的上调表达也与肝癌的不良临床结局有关。相反，肺鳞状细胞癌细胞在ASCL1表达中表现出下调，ACSL4在胃癌中也出现下调。
八、靶向脂肪酸的细胞内转运
脂肪酸是不同细胞器中多种代谢过程的一部分，包括ER、高尔基体、过氧化物酶体和线粒体，需要相应的转运机制。脂肪酸的这种密集运输是由脂质结合蛋白的超家族脂肪酸结合蛋白（FABP）介导的。且多种癌症类型中FABP表达呈异常改变，且已鉴定出多种FABP抑制剂用于癌症治疗。
九、靶向磷脂合成和膜重塑
磷脂（PLs）是细胞膜的重要组成部分，也是许多信号分子的前体。在哺乳动物细胞中，PLs通过脂肪酰基脱酰基化和再酰化内源性合成和动态重塑，这一途径称为Lands循环（近两年的研究热点）。参与Lands循环的重要酶是溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶（LPCAT1），它在酰基辅酶A存在下催化1-酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（溶血磷脂酰胆碱或LPC）转化为1，2-二酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱（磷脂二酰胆碱或PC），LPCAT1在维持细胞质膜上的生长因子受体方面起着至关重要的作用，并支持多种肿瘤类型的细胞增殖，而LPCAT1敲低可显著减少多种癌细胞系的增殖并抑制体内肿瘤的生长。
十、靶向脂肪酸代谢的转录调节因子
甾醇调节元件结合蛋白-1（SREBP-1）调节许多成脂基因的表达，SREBP被翻译为内质网膜中的前体，在那里它们与SREBP切割激活蛋白（SCAP）结合。当甾醇丰富时，SCAP与胰岛素诱导基因（INSIG）结合，并将SREBP保留在ER中。在低细胞内甾醇水平下，SREBP-SCAP复合物易位到高尔基体，其中两种蛋白酶释放SREBP的N末端区域。SREBP的N-末端区域移动到细胞核，与靶基因启动子中的甾醇反应元件（SRE）结合并激活其转录。桦木素是一种富含桦树皮的天然化合物，可增强SCAP与INSIG的相互作用，从而促进ER中SREBP的保留（图5），减少SREBP介导的脂肪生成和减少炎症反应来减少肝细胞癌的发展和进展。
图5. SREBP抑制的作用机制
综上所述，不管是代谢领域的“前浪”糖酵解还是“后浪”脂肪酸代谢，都在肿瘤发生及进展中扮演了至关重要的角色，而靶向这两种途径的治疗策略也成为了肿瘤代谢研究的主要方向！！！
此外，在糖酵解中，未来的研究主流将主要聚焦于对于糖酵解限速酶的翻译后修饰，而对于脂肪酸代谢，我们可能需要更加关注其转录调控。
参考文献：
[1] PaulS, Ghosh S, Kumar S. Tumor glycolysis, an essential sweet tooth of tumor cells.Semin Cancer Biol. 2022 Nov;86(Pt3):1216-1230. doi: 10.1016/j.semcancer.2022. 09.007.
[2] MunirR, Lisec J, Swinnen JV, et al. Too complex to fail? Targeting fatty acidmetabolism for cancer therapy. Prog Lipid Res. 2022 Jan;85:101143. doi:10.1016/j.plipres.2021.101143.
撰写：TS