肿瘤异常脂肪酸代谢研究进展*

朱仲玲 阎昭

·国家基金研究进展综述·

肿瘤异常脂肪酸代谢研究进展*

朱仲玲 阎昭

肿瘤细胞具有不同于正常细胞的生物学性状和能量代谢机制。最初发现的肿瘤细胞特殊代谢表型称为Warburg效应，后来研究发现恶性肿瘤生长增殖所需的脂肪酸主要来源于从头合成途径，且脂肪酸合成和氧化代谢相关的重要酶类在肿瘤组织中过度表达而在正常组织中不表达或低表达。异常脂肪酸代谢与肿瘤生长、存活及侵袭相关，表明异常脂肪酸代谢为肿瘤生长提供了至关重要的物质和能量来源。近年来，肿瘤细胞异常脂肪酸代谢特异性表型逐渐引起人们高度重视，探索异常脂肪酸代谢在肿瘤生物学中的作用，以及通过靶向脂肪酸代谢途径治疗恶性肿瘤的策略正备受关注。本文就异常脂肪酸代谢对肿瘤形成、发展的意义及特异性抑制剂研发进展作一综述。

肿瘤 脂肪酸 代谢 抑制剂

上世纪50年代，Medes等［1］采用14C-葡萄糖示踪技术首次发现，恶性肿瘤生长增殖所需的脂肪酸主要来源于从头合成途径。脂肪酸从头合成是恶性肿瘤普遍具有的特异性表型之一［2］。脂肪酸是构成生物膜脂质和信号分子的必需组成成分，同时也是能量代谢的重要底物［3］。本文重点介绍肿瘤细胞异常脂肪酸代谢特征及特异性抑制剂开发应用进展。

1 肿瘤细胞脂肪酸合成

1.1肿瘤细胞脂肪酸从头合成途径

肿瘤细胞摄取的葡萄糖经糖酵解产生丙酮酸，绝大部分丙酮酸转化为乳酸，小部分丙酮酸进入线粒体经氧化脱羧生成乙酰辅酶A（acetyl-CoA，乙酰CoA），进一步形成柠檬酸转运出线粒体，经ATP-柠檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACL）作用，释放出乙酰CoA。乙酰CoA经乙酰CoA羧化酶（acetyl-CoA carboxylation，ACC）作用形成丙二酸单酰CoA。在NADPH存在时，乙酰CoA和丙二酸单酰CoA经脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，FAS）作用合成脂肪酸［3］。肿瘤细胞合成的脂肪酸以含有16个碳原子的饱和软脂酸为主，一方面不间断地为快速增殖的肿瘤细胞提供膜结构性磷脂，其代谢产物还可作为信号分子，广泛参与肿瘤细胞内信号转导通路。另一方面参与蛋白质翻译后的脂修饰。

1.2肿瘤细胞脂肪酸合成过程中关键酶高表达

大量文献报道，高水平的脂肪酸合成是恶性肿瘤重要的生化特征，免疫组化分析证实与脂肪酸合成有关的关键酶在很多肿瘤细胞/组织中高表达［3］。

ACL可催化柠檬酸生成乙酰辅酶A和草酰乙酸，是关联糖代谢和脂代谢的关键酶。研究发现，ACL在膀胱癌、乳腺癌、肺癌、肝癌、胃肠道肿瘤及前列腺癌中高表达，是维持肿瘤细胞生长和转化的关键因素之一。ACC是内源性脂肪酸合成的限速酶，在肿瘤组织诸如乳腺癌、肝癌和前列腺癌组织中ACC表达增高。近年来备受关注、研究最多的合成酶FAS则是脂肪酸生物合成过程中将小分子碳单位聚合成长链脂肪酸的关键酶［4］。大量研究显示，FAS在前列腺癌、黑色素瘤、结肠癌、非小细胞肺癌、卵巢癌、膀胱癌及胃癌等多种类型肿瘤中过度表达，而在正常组织中（脂肪组织、肝脏、泌乳期乳腺等组织除外）不表达或低表达［5］。在乳腺癌、非小细胞肺癌、卵巢癌、胰腺癌、膀胱癌等肿瘤中FAS高表达与预后差、进展快、生存期短相关。最近研究表明，FAS除参与肿瘤细胞增殖存活之外，还参与细胞粘附、迁移、浸润、伪足形成及血管生成［6-7］。目前，FAS作为潜在的抗肿瘤治疗靶点受到肿瘤学家们极大关注。

1.3脂肪酸合成关键酶抑制剂

1.3.1ACL由Pearce等［8］研发的ACL特异性抑制剂SB-204990，最初用于低脂血症的治疗。后来研究发现，SB-204990在体内外均能显著抑制肿瘤细胞生长增殖，促进细胞分化。同样地，敲除ACL基因能显著抑制A549皮下移植瘤生长，促进K562白血病细胞分化［9］。

1.3.2ACCACC负责催化乙酰CoA合成丙二酸单酰CoA，后者既是脂肪酸合成的底物，又是肉毒碱棕榈酰基转移酶（carnitine palmitoyltransferase，CPT-1）的别构抑制剂。ACC抑制剂Soraphen A在nmol水平即可阻断前列腺癌细胞脂肪酸合成，导致细胞死亡［10］。另一种ACC变构抑制剂TOFA能促进肺癌、结肠癌及前列腺癌细胞凋亡［11］，其作用机制可能为TOFA降低促凋亡基因NRP-1和Mcl-1的表达，从而启动凋亡途径。

1.3.3FASFAS抑制剂的开发为肿瘤治疗开辟了一条新途径，但是目前多停留在临床前实验阶段。最早研究的FAS抑制剂是浅蓝菌素（cerulenin），是一种蓝色头孢霉的天然代谢产物，化学名为2，3-环氧-4-氧-7，10-十二碳二烯酰胺，可通过与脂肪酸合成酶中的β-酮酯酰合成区域中末端丝氨酸上的-SH基共价结合，形成羟基酰胺环使FAS蛋白失活，不可逆抑制生物体的内源性脂肪酸合成。Pizer等［12］首次报道cerulenin可通过抑制乳腺癌细胞内源性脂肪酸合成，诱导癌细胞凋亡从而抑制细胞增殖，并发现其仅对肿瘤细胞有抑制作用，对正常细胞无影响。C75是第一个以浅蓝菌素的结构为模板人工合成的FAS抑制剂，它是3-羧-4-烷基-2亚甲丁酸内酯衍生物，因无cerulenin高活性的环氧部分，故稳定性和特异性有所增加，但抑制作用较弱且毒副作用较大。C93（FAS93）和C247是在C75基础上合成的新一代FAS抑制剂，疗效和安全性均优于C75，可显著抑制荷瘤裸鼠肿瘤生长而不引起动物厌食和体重减轻等不良反应［13］。最近，FAS93的研发团队研制出一种可口服的FAS抑制剂FAS31。目前研究发现FAS31能抑制裸鼠卵巢癌肿瘤生长，而对正常组织没有毒性［14］。此外，许多天然植物提取多酚如绿茶提取物表没食子儿茶素没食子酸酯（Epigallocatechin-3-gallate，EGCG）、黄酮类化合物木犀草素、他莫昔芬、白藜芦醇、山奈酚、槲皮素及芹菜素均能抑制FAS活性［4］。FDA批准上市的减肥药Orlistat也是FAS的强抑制剂，在体内外能抑制多种肿瘤细胞生长增殖［15，16］。

1.4肿瘤细胞为何从头合成脂肪酸

尽管近年来肿瘤学家们针对脂肪酸合成的关键酶进行了大量的研究，发现了众多肿瘤治疗的潜在靶点，但是对于肿瘤细胞为什么不摄取外源性脂肪酸，而是消耗大量ATP和NADPH从头合成脂肪酸（合成1分子脂肪酸需消耗14分子ATP和7分子NADPH）这个问题仍不完全清楚。脂肪酸合成对肿瘤形成及发展的意义尚未明了。抑制脂肪酸合成关键酶究竟通过何机制抑制细胞增殖、促进细胞死亡也尚待进一步研究。脂肪酸合成途径不间断地为肿瘤细胞提供膜磷脂和信号分子，这些物质为肿瘤细胞生存所必需。Menendez等［17］认为，肿瘤细胞始终自主合成脂肪酸，是维持肿瘤细胞快速增殖，使肿瘤细胞获得生存优势的一种方式。另外，脂肪酸合成途径通过消耗还原当量NAPDH平衡细胞氧化还原水平，保护细胞免受氧自由基和化疗药物的攻击。

2 肿瘤细胞脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO）

2.1脂肪酸氧化过程

肿瘤细胞合成的脂肪酸除了为细胞提供生长增殖所必需的磷脂和信号分子，还有一个重要的去处就是进入线粒体进行β氧化。脂肪酸首先由脂酰CoA合成酶（acyl-CoA synthetase，ACS）催化生成脂酰CoA。脂酰CoA借助线粒体膜上CPT-1进入线粒体内，在脂肪酸β氧化酶系催化下，进行脱氢、加水，再脱氢及硫解4步连续反应，最后使脂酰基断裂生成一分子乙酰CoA和一分子减少了两个碳原子的脂酰CoA。1分子软脂酸经7次β氧化共生成129分子

ATP。

2.2脂肪酸氧化关键酶

2.2.1ACS哺乳动物长链ACS（long-chain acyl-CoA synthetase，ACSL）共有五种异构体，分别是ACSL1、ACSL3、ACSL4、ACSL5和ACSL6。它们的亚细胞定位不同，催化的底物也不尽不同，从而介导各种脂肪酸进入不同的代谢途径［3］。ACSL4定位于过氧化物酶体和线粒体，可能介导脂肪酸β氧化。研究发现，65%雌激素受体（ER）阴性的乳腺癌中ACSL4过表达；89%雌激素受体阳性的乳腺癌则不表达ACSL4，表明ACSL4蛋白质水平与ER受体状态呈负相关，而前列腺癌中ACSL4蛋白质水平亦与雄激素受体状态呈负相关［18］。特异性抑制剂Triacsin C能显著抑制ACSL1、ACSL3和ACSL4的活性，而对ACSL5、ACSL6作用较弱。研究证实，Triacsin C能抑制多种肿瘤细胞增殖，促进肿瘤细胞凋亡［19］。敲除ACSL4后，MDA-MB-231人乳腺癌细胞对Triacsin C敏感性提高了3倍，提示所有ACSL中ACSL4对于维持肿瘤细胞存活发挥着重要的作用。ACSL5定位于线粒体，在人恶性胶质瘤中过表达。后来研究证实，抑制ACSL5能促进肿瘤细胞凋亡，还可促进人恶性胶质瘤细胞在低pH微环境中存活［20］。目前，ACSL在肿瘤发生、发展中的作用尚不明确。

2.2.2CPT-1CPT-1是脂肪酸氧化的限速酶。CPT1A位于肝脏和大多数其他组织，CPT1B主要位于肌肉组织，CPT1C则位于脑［21］。最近研究发现CPT1C在肿瘤中过度表达，参与调节能量平衡，且在能量应激状态下维持肿瘤细胞生长和存活，逆转mTOR复合物1（mTORC1）抑制剂耐药［22］。

2.3肿瘤细胞进行FAO的意义

肿瘤细胞消耗大量ATP和NADPH从头合成脂肪酸，为何又进行FAO？FAO对肿瘤的形成及发展有何意义？对此问题，文献报道相对较少。Liu等［23］研究发现，前列腺癌糖代谢水平低，脂肪酸氧化成为前列腺癌细胞主要的ATP产能途径。Zaugg等［22］报道CPT-1及FAO参与AMPK介导的能量平衡调节。Pike等［24］报道，CPT-1选择性抑制剂etomoxir抑制脂肪酸β氧化可使活性氧ROS产生增加，从而促进细胞死亡，提示脂肪酸β氧化对于维持细胞ROS、NADPH及能量平衡具有重要作用。Caro等［25］报道，FAO为胞浆内脂肪酸合成提供原料—乙酰CoA，提示肿瘤细胞内脂肪酸合成过程与脂肪酸氧化过程相互依存、互为因果。亦有文献报道，FAO参与肿瘤失巢条件下的ATP产能途径，避免肿瘤细胞发生失巢凋亡［26-27］。

3 脂肪酸合成与脂肪酸氧化代谢平衡对肿瘤形成及发展的意义

脂肪酸从头合成及氧化代谢活跃是恶性肿瘤普遍具有的特异性之一。脂肪酸是构成生物膜脂质的必需组成成分，同时也是能量代谢的重要底物。目前，两方面实验表明脂质代谢对肿瘤发展、维持及恶性转化起重要作用，但具体机制仍不清楚。首先，脂肪酸合成及氧化代谢酶受抑制均能抑制肿瘤细胞增殖和存活。再次，脂肪酸代谢关键酶可调控肿瘤相关的关键信号通路。例如，据文献报道FAS抑制剂可调控E2-ER信号通路活性，还可抑制ERBB2基因扩增和ERBB2蛋白过表达。肿瘤形成早期，肿瘤细胞往往处于缺氧、低pH和营养缺乏的微环境中。为适应外周组织缺氧，肿瘤细胞逐渐形成糖酵解占优势的代谢特征。糖酵解产生大量乳酸，抑制线粒体呼吸链，脂肪酸合成途径作为一种线粒体氧化能力削弱的补偿机制，通过消耗还原当量NADPH而维持肿瘤细胞氧化还原平衡。癌前病变标本中发现FAS活性增高，也提示脂质代谢在肿瘤形成早期即发挥一定的作用。糖酵解产生大量乳酸也利于肿瘤细胞适应低pH环境，而酸性环境促进FAS启动子活性上调，FAS表达增高，有助于肿瘤细胞抵抗化疗损伤。HIF-1α是糖/脂代谢的重要调节因素之一。Menendez等［17］报道，FAS抑制剂C75可触发Her2/neu过表达乳腺癌和卵巢癌细胞产生低氧样效应，激活MAPK-HIF-1α-VEGF级联反应，是肿瘤发生发展过程中维持氧稳态的机制之一。

4 小结

既往研究显示，脂肪酸合成和脂肪酸氧化可能组成脂肪酸代谢循环，抑制脂肪酸合成或脂肪酸氧化代谢中的任一关键酶均能抑制体内外肿瘤细胞生长，延缓疾病进程，提示脂肪酸代谢为肿瘤生长增殖所必需，且在肿瘤发生发展中发挥重要作用［28］。近年来，肿瘤学家陆续发现FAS、ACC、ACL、ACS及CPT-1可能成为肿瘤治疗的潜在靶点，各类抑制剂临床研发也备受关注。然而，由于水溶性差、生物利用度低抑或毒副反应严重等问题，此类抑制剂尚停留在临床前阶段。因此，明确肿瘤特异性脂肪酸代谢异常，阐明此类药物对肿瘤细胞和正常细胞的差异及分子机制将为开发新一代高效低毒药物开拓新思路。

1Medes G，Thomas A，Weinhouse S.Metabolism of neoplastic tissue. IV.A study of lipid synthesis in neoplastic tissue slices in vitro［J］.Cancer Res，1953，13（1）：27-29.

2Santos CR，Schulze A.Lipid metabolism in cancer［J］.FEBS J，2012，279（15）：2610-2623.

3Currie E，Schulze A，Zechner R，et al.Cellular fatty acid metabolism and cancer［J］.Cell Metab，2013，18（2）：153-161.

4Pandey PR，Liu W，Xing F，et al.Anti-cancer drugs targeting fatty ac-

id synthase（FAS）［J］.Recent Pat Anticancer Drug Discov，2012，7（2）：185-197.

5Yoshii Y，Furukawa T，Saga T，et al.Acetate/acetyl-CoA metabolism associated with cancer fatty acid synthesis：Overview and application［J］.Cancer Lett，2015，356（2）：211-216.

6Yoshii Y，Furukawa T，Oyama N，et al.Fatty acid synthase is a key target in multiple essential tumor functions of prostate cancer：uptake of radiolabeled acetate as a predictor of the targeted therapy outcome［J］. PLoS One，2013，8（5）：e64570.

7Zaytseva YY，Elliott VA，Rychahou P，et al.Cancer cell-associated fatty acid synthase activates endothelial cells and promotes angiogenesis in colorectal cancer［J］.Carcinogenesis，2014，35（6）：1341-1351.

8Pearce NJ，Yates JW，Berkhout TA，et al.The role of ATP citrate-lyase in the metabolic regulation of plasma lipids.Hypolipidaemic effects of SB-204990，a lactone prodrug of the potent ATP citrate-lyase inhibitor SB-201076［J］.Biochem J，1998，334（Pt 1）：113-119.

9Migita T，Narita T，Nomura K，et al.ATP citrate lyase：activation and therapeutic implications in non-small cell lung cancer［J］.Cancer Res，2008，68（20）：8547-8554.

10 Jump DB，Torres-Gonzalez M，Olson LK.Soraphen A，an inhibitor of acetyl CoA carboxylase activity，interferes with fatty acid elongation［J］. Biochem Pharmacol，2011，81（5）：649-660.

11 Guseva NV，Rokhlin OW，Glover RA，et al.TOFA（5-tetradecyl-oxy-2-furoic acid）reduces fatty acid synthesis，inhibits expression of AR，neuropilin-1 and Mcl-1 and kills prostate cancer cells independent of p53 status［J］.Cancer Biol Ther，2011，12（1）：80-85.

12 Pizer ES，Jackisch C，Wood FD，et al.Inhibition of fatty acid synthesis induces programmed cell death in human breast cancer cells［J］.Cancer Res，1996，56（12）：2745-2747.

13 Orita H，Coulter J，Tully E，et al.Inhibiting fatty acid synthase for chemoprevention of chemically induced lung tumors［J］.Clin Cancer Res，2008，14（8）：2458-2464.

14 Zhou W，Han WF，Landree LE，et al.Fatty acid synthase inhibition activates AMP-activated protein kinase in SKOV3 human ovarian cancer cells［J］.Cancer Res，2007，67（7）：2964-2971.

15 Agostini M，Almeida LY，Bastos DC，et al.The fatty acid synthase inhibitor orlistat reduces the growth and metastasis of orthotopic tongue oral squamous cell carcinomas［J］.Mol Cancer Ther，2014，13（3）：585-595.

16 Seguin F，Carvalho MA，Bastos DC，et al.The fatty acid synthase inhibitor orlistat reduces experimental metastases and angiogenesis in B16-F10 melanomas［J］.Br J Cancer，2012，107（6）：977-987.

17 Menendez JA，Vellon L，Oza BP，et al.Does endogenous fatty acid metabolism allow cancer cells to sense hypoxia and mediate hypoxic vasodilatation？Characterization of a novel molecular connection between fatty acid synthase（FAS）and hypoxia-inducible factor-1alpha（HIF-1alpha）-related expression of vascular endothelial growth factor（VEGF）in cancer cells overexpressing her-2/neu oncogene［J］.J Cell Biochem，2005，94（5）：857-863.

18 Monaco ME，Creighton CJ，Lee P，et al.Expression of Long-chain Fatty Acyl-CoA Synthetase 4 in Breast and Prostate Cancers Is Associated with Sex Steroid Hormone Receptor Negativity［J］.Transl Oncol，2010，3（2）：91-98.

19 Mashima T，Sato S，Okabe S，et al.Acyl-CoA synthetase as a cancer survival factor：its inhibition enhances the efficacy of etoposide［J］.Cancer Sci，2009，100（8）：1556-1562.

20 Mashima T，Sato S，Sugimoto Y，et al.Promotion of glioma cell survival by acyl-CoA synthetase 5 under extracellular acidosis conditions［J］. Oncogene，2009，28（1）：9-19.

21 Lee J，Wolfgang MJ.Metabolomic profiling reveals a role for CPT1c in neuronal oxidative metabolism［J］.BMC Biochem，2012，13：23.

22 Zaugg K，Yao Y，Reilly PT，et al.Carnitine palmitoyltransferase 1C promotes cell survival and tumor growth under conditions of metabolic stress［J］.Genes Dev，2011，25（10）：1041-1051.

23 Liu Y.Fatty acid oxidation is a dominant bioenergetic pathway in prostate cancer［J］.Prostate Cancer Prostatic Dis，2006，9（3）：230-234.

24 Pike LS，Smift AL，Croteau NJ，et al.Inhibition of fatty acid oxidation by etomoxir impairs NADPH production and increases reactive oxygen species resulting in ATP depletion and cell death in human glioblastoma cells［J］.Biochim Biophys Acta，2011，1807（6）：726-734.

25 Caro P，Kishan AU，Norberg E，et al.Metabolic signatures uncover distinct targets in molecular subsets of diffuse large B cell lymphoma［J］. Cancer Cell，2012，22（4）：547-560.

26 Carracedo A，Cantley LC，Pandolfi PP.Cancer metabolism：fatty acid oxidation in the limelight［J］.Nat Rev Cancer，2013，13（4）：227-232.

27 Carracedo A，Weiss D，Leliaert AK，et al.A metabolic prosurvival role for PML in breast cancer［J］.J Clin Invest，2012，122（9）：3088-3100.

28 Menendez JA，Lupu R.Fatty acid synthase and the lipogenic phenotype in cancer pathogenesis［J］.Nat Rev Cancer，2007，7（10）：763-777.

（2014-08-26收稿）

（2015-01-19修回）

（编辑：郑莉）

Research progress on abnormal fatty acid metabolism in cancer cells

Zhongling ZHU,Zhao YAN

Zhao YAN;E-mail:yanzhaotj@126.com

Cancer cells frequently share biological characteristics and energy metabolic processes distinct from normal cells.The specific metabolic phenotype was originally known as the Warburg effect.Researchers later discovered that cancer cells prefer to synthesize fatty acid de novo.Moreover,key enzymes involved in fatty acid synthesis and β-oxidation are overexpressed in tumor tissues,with low or without expression in normal tissues.Abnormal fatty acid metabolism is related to the survival and invasiveness of cancer cells,indicating that abnormal fatty acid metabolism provides the crucial components and energy sources of cancer cells.In recent years,the specific phenotype of abnormal fatty acid metabolism and the exploration of the role of this metabolic alteration in cancer biology and therapeutic strategies targeting the fatty acid metabolic pathways have become attractive focuses in cancer research. The role of active fatty acid metabolism in tumorigenesis and development,as well as the research progress in the development of the specific inhibitors,is reviewed in this paper.

cancer,fatty acid,metabolism,inhibitors

10.3969/j.issn.1000-8179.20141456

天津医科大学肿瘤医院临床药理室，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市肿瘤防治重点实验室（天津市300060）

*本文课题受十二五“重大新药创制”科技重大专项课题（编号：2013ZX09303001）资助

阎昭yanzhaotj@126.com

Department of Clinical Pharmacology,Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,National Clinical Research Center for Cancer,Key Laboratory of Cancer Prevention and Therapy,Tianjin 300060,China

This work was supported by the National Science and Technology Major Project(No.2013ZX09303001)

朱仲玲专业方向为肿瘤药理学。

E-mail：zzl0958@163.com