肿瘤细胞脂肪酸合成酶的研究进展

肿瘤细胞脂肪酸合成酶的研究进展

蓝英张哲

(广西医科大学第一附属医院耳鼻咽喉头颈外科，广西南宁530021)

关键词〔〕脂肪酸合成酶；肿瘤；能量代谢；治疗靶点

中图分类号〔〕R73〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家基金面上项目(No.81272983)；973项目子课题(No.2011CB504300)

通讯作者：张哲(1975-)，男，博士，主任医师，主要从事鼻咽癌的肿瘤生物学研究。

第一作者：蓝英(1988-)，女，在读硕士，主要从事鼻咽癌的肿瘤生物学研究。

肿瘤的特征性标志除了自我增殖能力、对生长信号不敏感性、抵抗凋亡、促进血管生成、无限的复制潜能和活跃的组织侵袭转移能力外，还具有逃避免疫破坏和能量代谢重新编程〔1〕。不论有氧还是缺氧环境，肿瘤细胞更倾向于将大量的葡萄糖代谢为乳酸，即为著名的Warburg效应。进一步的，肿瘤细胞通过增强脂肪酸氧化磷酸化途径利用其氧化底物来进行生物合成和能量产生，参与肿瘤的发生发展过程。脂类是生物体内三大营养物质之一，它在细胞膜的合成、能量储蓄、信号传导等方面有重要作用。生理状态下，肝细胞和脂肪细胞是脂肪酸主要的合成和存储场所。大部分人体正常细胞倾向于摄取外源性脂肪酸，而肿瘤细胞则主要依赖于内源性脂肪酸〔2〕，并最终以脂滴的形式储存在细胞内。对比相应正常组织，脂肪酸合成酶(FASN)在多种人类肿瘤组织中普遍存在表达异常，为肿瘤细胞提供充分的内源性脂肪酸，以实现肿瘤的恶性生物学行为。肿瘤脂肪酸代谢的异常受到越来越多研究者的关注。本文将对肿瘤FASN的研究进展作一综述。

1FASN的基本结构及功能

FASN基因位于人类17号染色体长臂2区5帯(17q25)上，FASN基因DNA全长约20kb，由43个外显子和42个内含子组成。FASN基因只有一种剪切型，包含12个保守结构域。FASN基因的43个外显子融合形成8 481bp的mRNA，编码由2 511个氨基酸组成的分子量约为270kD的蛋白。FASN是一种具有包括缩合、转酰、还原、脱水等7种催化酶活性结构域的多肽链二聚体，在脂肪酸的代谢过程中主要负责内源性脂肪酸的合成，并将乙酰CoA、丙二酰单酰CoA聚合成长链脂肪酸。而且，FASN具有多种催化功能，以头尾相连的方式结合形成催化中心：包括N端的β-酮酯酰合成区域，乙酸/丙二酰单酸转移和脱水区域；以及C端的烯醇还原区域，β-酮酯酰还原区域，酰基载体蛋白和硫酯区域。其中，乙酰/丙二酰转移区域参与底物负荷反应，β-酮酯酰合成区域参与合成反应，硫酯区域参与碳链终止反应〔3〕。FASN的主要产物是软脂酸，既是细胞膜结构的主要成分，又是细胞能量代谢的重要底物，具有储存能量、合成磷脂、参与细胞膜结构和肺表面的活性物质、参与细胞内信号转导和蛋白质酰化等功能。

2FASN在肿瘤组织中的异常表达及其调控机制

对比正常细胞，FASN在乳腺癌、前列腺癌、黑色素瘤、膀胱癌、肺癌、卵巢癌等多种肿瘤中处于高表达水平〔4～9〕，且与患者的不良预后密切相关。例如在乳腺癌中，FASN阳性患者5年无病生存率只有51.3%，而阴性的患者则高达89%〔4〕。FASN的过度表达与前列腺癌的发生和恶性演变相关〔5〕。此外，一些病毒感染也能改变FASN的表达状态，例如感染EB病毒和丙肝病毒的细胞中低密度脂蛋白和FASN表达明显上调〔10,11〕，提示病毒感染也可能影响细胞脂质的代谢。

肿瘤FASN异常表达的调节机制多集中在转录水平。甾醇调控元件结合蛋白(SREBPs)是FASN基因表达调控的关键转录因子。其作为膜结合蛋白前体穿过高尔基复合体，释放氨基末端区域进入细胞核，与启动子上的甾醇调控元件结合，能够上调一系列参与胆固醇与脂肪酸合成的基因的转录表达〔12〕。H-ras转化的乳腺细胞(MCF-10a)可通过激活MAP激酶和PI3K激酶信号，进而使SREBP-1a表达上调，促进FASN表达和脂肪酸合成〔12〕。另外，在乳腺癌细胞MDA-MB-231和BT-474中，HER2过表达的同时也伴随着FASN水平的升高〔4〕，并证实了HER2可通过PI3K/Akt通路激活mTOR而调控FASN。

翻译后的修饰对FASN表达调控也有重要作用。Graner等〔13〕发现在前列腺癌中，FASN与泛素特异性蛋白酶USP2a相互作用，通过减少泛素化导致的蛋白降解来增加FASN的稳定性。敲除USP2a后FASN表达明显减少，导致细胞增殖能力降低。反之，FASN的过表达会抑制细胞凋亡的发生。进一步利用基因组富集分析技术发现，前列腺癌中参与脂肪酸代谢的基因与肿瘤中USP2a高表达显著相关，细胞凋亡相关基因在USP2a低表达的肿瘤中富集，从基因型研究结果很好的验证了表现型的结果〔14〕。SH2-酪氨酸磷酸酶Shp2在体内广泛存在，既可以通过磷酸酶的催化活性来正向调控下游信号转导通路，也可以作为磷酸酶非依赖性的接头蛋白发挥正向调控作用。研究发现Shp2可以通过降解FASN来调控脂质代谢，P38磷酸化的泛素化途径E3连接酶COP1累积在细胞中，借助于Shp2结合FASN，形成FASN-Shp2-COP1复合物，并通过泛素化途径降解FASN〔15〕。

此外，在一些肿瘤中雌激素、孕激素和雄激素对FASN的表达及活性具有一定的调控作用。例如雌、孕激素可促进激素敏感的乳腺癌细胞中FASN的表达〔16〕。又如雄激素(10-8MR1881)导致前列腺癌细胞LNCaP中FASN的mRNA表达增加3～4倍。相反，抗雄激素药物比卡鲁胺能够抑制FASN的活性〔17〕。

3FASN在肿瘤中的功能

肿瘤细胞增殖迅速，其恶性生物学行为是基于充足的物质和能量代谢基础。FASN不仅参与脂肪酸氧化供能，还在肿瘤组织中参与细胞周期调控过程。Pizer等〔18〕用早幼粒细胞性白血病细胞株HL60细胞当作研究脂肪酸合成活性的模型，发现HL-60细胞生长依赖于脂肪酸产物，当使用不含脂肪酸血清的培养基时，脂肪酸合成和DNA复制严重受限。FASN在整个细胞周期中的表达水平不断变化，G1峰的细胞亚群显示出较弱的FASN染色。FASN促进G1期细胞增殖，用浅蓝菌素抑制其表达后细胞停滞在G1期〔19〕。浅蓝菌素是一种FASN抑制剂，它通过与FASN中的β-酮脂酰合成酶末端丝氨酸上的-SH基结合，形成羟基内酰胺环而使FASN失活，低浓度的浅蓝菌素能够不可逆地抑制内源性脂肪酸合成〔20〕。

上皮间质转化(EMT)是上皮细胞来源的恶性肿瘤获得迁移和侵袭能力的重要生物学过程，FASN在EMT中扮演着重要角色〔21〕。Jiang等〔9〕发现在发生EMT的细胞中FASN表达上调，使用shRNA沉默FASN可逆转EMT的表型。FASN抑制剂浅蓝菌素可抑制MEK5转化的乳腺癌细胞MCF-7的细胞增殖、迁移，并阻断FASN、L-FABP和VEGF的表达，从而达到抑制肿瘤的作用。这些结果表明FASN可能是EMT的重要调控因素之一〔4〕。

FASN可通过改变VEGF的分泌及活性实现肿瘤新生血管的调节。研究发现敲除FASN后结直肠癌细胞在原位癌模型和鸡胚绒毛尿囊膜模型中的血管密度降低，VEGF和MMP-9的表达与活性降低，血管生成趋于正常化〔22〕。FASN抑制剂可下调黑色素瘤细胞中VEGFA的表达，减少黑色素瘤的转移和血管生成〔23〕。

此外，FASN还与肿瘤细胞凋亡有关。辣椒素促进细胞凋亡并将其阻滞于G0/G1期，FASN抑制剂调控辣椒素诱导的凋亡，并使脂肪酸从头合成活性降低〔24〕。TOFA是一种长链脂肪酸衍生物，是乙酰CoA羧化酶的别构抑制剂。Pizer等〔25〕利用TOFA阻止乙酰CoA羧化成丙二酰CoA，用FASN抑制剂阻止乙酰CoA和丙二酰CoA合成长链脂肪酸。结果显示，同等程度抑制下TOFA对肿瘤细胞无毒性，而FASN抑制剂有明显的细胞毒性。表明细胞毒性是由抑制FASN造成，与抑制乙酰CoA羧化酶无关，即脂肪酸缺乏不是引起凋亡的主要原因。单纯抑制FASN后胞内丙二酰CoA水平上升明显，用TOFA降低丙二酰CoA积聚水平后却可以避免细胞凋亡。因此推测胞内丙二酰CoA浓度升高能够抑制FASN，导致肿瘤细胞发生凋亡。

4FASN是肿瘤治疗的潜在靶点

选择性抑制FASN，从而切断肿瘤增殖的能量来源已成为目前肿瘤治疗的一种新思路。研究〔26〕发现，利用靶向抗血管生成药物舒尼替尼或索拉非尼治疗肿瘤，停药后复发的肿瘤细胞恶性程度增加，并且脂质合成的能力显著增强。在动物实验中，再利用FASN抑制剂可明显抑制肿瘤的复发和转移。这提示干扰肿瘤FASN足以克服肿瘤侵袭性。

目前针对FASN的治疗手段有RNA干扰和FASN抑制剂，包括浅蓝菌素、C75和奥利司他。RNA干扰作为导致转录水平基因沉默的有效手段，被广泛应用于抑制FASN基因的表达。研究〔27〕表明当采用针对FASN的RNA干扰技术可导致乳腺癌和卵巢癌细胞中HER2的表达显著降低，从而诱发细胞淍亡。奥利司他是一种强效和长效胰脂肪酶抑制剂，与FASN硫酯酶领域的活性丝氨酸形成共价键能有效地抑制FASN。因其可直接阻断人体对食物中脂肪的吸收，常适用于肥胖症人群。奥利司他能够减少口腔鳞状细胞癌增殖迁移、促进细胞凋亡〔28〕。但是，奥利司他对肿瘤组织的低选择性、低渗透性等缺点也限制其成为抗肿瘤药物。浅蓝菌素是一种真菌的天然抗菌药物，Murata等〔20〕发现，浅蓝菌素能够抑制结直肠癌肝转移的发生，并通过诱导凋亡来抑制老鼠结直肠癌细胞的生长，是一种潜在的选择性抗肿瘤物质。C75是在浅蓝菌素结构基础上设计、合成的小分子化合物，它是3-羧基-4-烷基-2-亚甲丁酸内酯衍生物，该化合物克服了浅蓝菌素环氧结构的高毒性，并且表现出比浅蓝菌素更优的FASN抑制特异性。Pizer等〔18〕在裸鼠皮下植入人乳腺癌细胞系MCF7细胞并用C75处理后，发现植入的肿瘤细胞的脂肪酸合成受到抑制并开始凋亡，而且肿瘤的生长也受到了抑制，但C75对正常组织的毒性不明显。因此，C75有可能成为一种新的抗肿瘤药物。

5总结

目前，人们对FASN的生理功能及其基因表达的调控有了更深入的认识，FASN作为细胞脂质代谢中主要的一种酶，参与了肿瘤的发生和发展。FASN在控制肿瘤细胞能量代谢、细胞周期调节、上皮间质转化等方面起着重要作用，有望成为肿瘤诊断的标志物和治疗靶点。FASN抑制剂通过抑制肿瘤细胞内源性脂肪酸的生物合成从而有效控制癌症的发生、发展。FASN抑制剂浅蓝菌素、奥利司他能导致多种癌细胞的凋亡，但由于低效、毒性高、性能不稳定等因素限制了其临床应用，因此开发高效、低毒、性能稳定的FASN抑制剂成为当前该领域研究的热点。随着对脂肪酸合成途径与肿瘤发生发展的内在联系及其机制的研究的不断深入，相信人们会从肿瘤生物学、代谢角度设计出癌症诊断与治疗的新策略。

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〔2013-04-15修回〕

(编辑曲莉)