谷氨酰胺酶2在肿瘤中作用的研究现状和进展

刘康俊，张 弛，王 谦，彭 睿 综述 柏斗胜 审校

（1.扬州大学医学院，江苏 扬州 225001；2.扬州大学临床医学院，苏北人民医院肝胆胰外科，普通外科研究所，江苏 扬州 225001）

肿瘤细胞可出现多种表型的改变，而代谢异常是肿瘤细胞的一项主要特征[1]。肿瘤细胞异常代谢机制的研究可为抗肿瘤治疗提供新的潜在治疗靶点和思路。谷氨酰胺可为细胞生长提供代谢所需的能量，为合成各种大分子物质如脂肪、蛋白质、核酸等提供原料，而异常代谢的肿瘤细胞消耗大量的谷氨酰胺，因而谷氨酰胺在肿瘤代谢过程中起到重要的作用[2]。谷氨酰胺酶（glutaminase，GA）催化谷氨酰胺向谷氨酸的转化，是谷氨酰胺代谢的关键步骤，而GA有肾型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 1（glutaminase 1，GLS1）]和肝型谷氨酰胺酶[谷氨酰胺酶 2（glutaminase 2，GLS2）]两种同工酶[3]。GLS2在肿瘤代谢过程中发挥重要作用，可作为肿瘤治疗的潜在靶点。本文概述GLS2的基础和生理作用，GLS2与肿瘤关系研究进展，并对GLS2在肿瘤临床诊治过程中的应用作了展望。

GLS2的概述

GA分为GLS1和GLS2。目前研究发现GLS2与GLS1在分子结构、动力学、调节和免疫学特性上有显著差异。人类GLS2位于12号染色体上，编码肝型同工酶。GLS2基因长约18 kb，含18个外显子[4]。目前已从哺乳动物GLS2基因表达中得到两种剪接变异体：包含18个外显子的长转录物谷氨酰胺酶B（glutaminase B,GAB），及缺乏外显子 1的短转录物肝型谷氨酰胺酶（liver-type glutaminase,LGA）。最初，GLS2被认为只在人类肝脏中表达LGA，后来被证实在肝外组织如脑、胰腺、乳腺、结肠直肠癌中也表达GAB[5-6]。GLS1基因位于2号染色体。虽然人GLS1和GLS2基因位于不同的染色体中，但具有相当程度的序列相似性[7]。除人类GLS1基因中存在额外外显子外，两个基因编码序列的主要差异位于外显子1和18，人类GLS1与GLS2外显子最显著的差异位于涉及细胞器靶向和蛋白质-蛋白质相互作用的区域，这可能与功能差异和调节有关[4]。研究结果显示，多数情况下GLS1的表达可随着细胞增殖速率的增加而上调，GLS2的表达却与细胞静息状态有关[8]。究其机制，研究发现GLS2启动子区域在肝癌细胞中是高甲基化的，在不同转移潜能的肝癌细胞系中也观察到GLS2启动子的高甲基化，提示GLS2启动子高甲基化可能是导致肝癌中GLS2表达下调的重要机制[9]。一项新的研究同样发现，GLS2在基底型乳腺癌中因其启动子的高甲基化而表达下调，但在管腔型乳腺癌中，GLS2受GATA3调控而高表达。相反，GLS1在基底型乳腺癌高表达，在管腔型乳腺癌低表达[10]。虽然GLS1与GLS2多表达于不同种类的细胞中，但也可在同一细胞中表达，并在特定条件下可转化[5]。故研究其表达应具体到细胞的亚型。总之，无论是GLS1还是GLS2，在谷氨酰胺代谢中都发挥重要的作用。

谷氨酰胺是人血浆中最丰富的氨基酸，谷氨酰胺代谢可将谷氨酸转化为α-酮戊二酸，并在三羧酸（tricarboxylic acid,TCA）循环中进一步代谢[11]。目前研究结果显示，谷氨酰胺及其产物在细胞信号转导中发挥重要调节作用，提示谷氨酰胺代谢与细胞存活和生长有重要关联，其意义远超出其单纯在代谢中的作用[12]。GA是分解代谢中的一个关键酶，定位于线粒体内膜的GLS2与尿素循环、糖异生和对抗抗氧化应激密切相关[7]。GLS2同样定位于细胞核中，且GLS2可直接参与或作为共调节因子参与调控基因表达。低磷酸盐水平激活GLS2，而谷氨酰胺代谢产物谷氨酸对GLS2有轻微抑制作用[13]。由此可见，GLS2不仅在正常细胞，在肿瘤代谢及进展中也发挥关键作用。

GLS2与肿瘤的关系

一、GLS2与肿瘤代谢的关系

代谢重编程是肿瘤代谢的一项主要特征，肿瘤细胞为满足其增殖过程中对能量的需求及生物合成，重新编码与代谢有关的基因，从而利于能量产生及生物大分子合成以改变代谢的过程[14]。研究结果显示，即使在氧气充足的情况下，仍会有葡萄糖消耗增加和乳酸水平升高的有氧糖酵解（Warburg效应）[15]。谷氨酰胺作为有氧糖酵解的主要底物可转化为乳酸，通过TCA循环提供能量及癌细胞生长和增殖所需氮、碳骨架[15]。GA作为谷氨酰胺代谢的关键酶及起始酶，可调控谷氨酰胺代谢，进而调控肿瘤细胞的增殖，其表达与多种癌症的恶性程度和生长速度相关。且其代谢产物可为肿瘤代谢提供烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADPH）和抗氧化剂谷胱甘肽，从而降低活性氧自由基的表达水平[16]。GLS1在正常组织中广泛地表达，并被认为在许多癌症发生、进展中起关键作用，而GLS2则主要表达于肝脏、脑、垂体腺和胰腺癌等组织[17]。目前，已证实大多数肿瘤中GLS1高表达具有促进肿瘤细胞增殖作用，而GLS2高表达抑制癌细胞增殖作用[18]。GLS2不仅与肿瘤代谢的关系密切，还在多数肿瘤的进展中也可能起关键作用。

二、GLS2与肿瘤进展的关系

研究结果显示，GLS2与多种肿瘤代谢基因及信号通路调控有关，如 p53、PI3K/AKT、Myc 等[19-20]。其相互作用，有着密切复杂的调控网络，进而对肿瘤的进展发生影响。一方面，在大多数肿瘤中，GLS1高表达，GLS2低表达，如肝癌、结肠直肠癌[6]，且在肝癌进展过程中，GLS2可向 GLS1表达转变[21]。GLS2的产生可受到p53基因的调控。p53是抑癌基因，在有、无应激条件下均可诱导GLS2的产生，并通过增加谷氨酸和α-酮戊二酸的产生来调节细胞能量代谢，进而增强线粒体呼吸和ATP产生诱导的细胞凋亡，并进一步降低细胞中的活性氧防止氧化应激[18]。GLS2在调节代谢的同时，可负调控PI3K/AKT信号通路，从而抑制肝癌细胞增殖和肿瘤进展[9]。另一方面，在少部分肿瘤，如人神经母细胞瘤细胞中GLS2却是高表达的[19]。MYCN是Myc家族成员，可通过选择性上调GLS2（而不是GLS1），促进MYCN扩增的神经母细胞瘤谷氨酰胺向谷氨酸的转化。且与MYCN未扩增的神经母细胞瘤相比，MYCN扩增的神经母细胞瘤病人生存率降低。沉默GLS2后，体外、体内试验均可显著降低肿瘤细胞的增殖和进展[18]。证明在某些特定肿瘤中GLS2也可发挥促癌作用。

研究证实，肿瘤细胞中GLS2除经典代谢特征外，还可通过与一些特定的蛋白质结合域相互作用而发挥功能[22]。如在大多数肿瘤中，GLS2过表达可抑制肿瘤细胞集落形成[20]。在肝细胞肝癌 （hepatocellular carcinoma,HCC）中，GLS2与Dicer（RNaseⅢ核糖核酸酶）相互作用并稳定Dicer蛋白以促进miR-34a（miRNA）成熟，随后以GA活性非依赖性方式抑制Snail表达，GLS2的非谷氨酸分解功能通过Dicer-miR-34a-Snai抑制上皮间质转化，进而抑制HCC的迁移和侵袭[23]。可见GLS2可能通过上述途径抑制HCC血管生成，而临床病理也证实GLS2表达与HCC病人的血管侵袭呈负相关。此外，p53基因也可调控GLS2与Rac1蛋白质的结合，然后，GLS2抑制Rac1激活剂鸟嘌呤-核苷酸交换因子的相互作用，进而抑制Rac1促进肿瘤转移的作用[24]。以上这些抑癌作用均与GA活性无关。

p53家族成员TAp73也可促进GLS2的表达。TAp73在视黄酸诱导的神经母细胞瘤细胞的终末神经元分化期间调节GLS2，使GLS2过表达或抑制来调节神经元分化和细胞内ATP的水平[24]，并通过GLS2过表达和沉默实验分别导致神经元分化的增加和减少。说明GLS2在细胞，特别是神经元的分化上，发挥重要作用[25]。以上研究表明，GLS2不仅在肿瘤的代谢上发挥作用，而且通过另外一些非代谢途径影响肿瘤进展。

GLS2与肿瘤的治疗

GLS2与肿瘤代谢及生物学特性有着密切关系，由此可见，GLS2可能成为肿瘤治疗的潜在新靶点。为此，可先了解GLS2相关代谢重编程的分子基础，并系统地分析代谢数据与基因组学、转录组学和蛋白质组学的整合，从而加速癌症研究治疗。其次，GLS2是谷氨酰胺代谢的一个关键酶，而谷氨酰胺在肿瘤进展过程中起重要作用，GLS2可能是与一些肿瘤（如肝癌、乳腺癌、神经胶质瘤）代谢有关的药物及作用靶点，进而可用于控制肿瘤的代谢及进展[15]。

一方面，由于在大多数肿瘤中GLS2低表达，如使GLS2过表达可对肿瘤的进展有抑制作用。研究发现，人胶质母细胞瘤细胞系过表达GLS2可抑制O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（O6-methylguanine-DNA methyltransferase,MGMT）蛋白表达，而MGMT是一种DNA修复蛋白，其促进肿瘤细胞对烷化剂的抗性。故GLS2过表达可增加肿瘤细胞对烷化剂的敏感性[26]。虽然其机制目前尚不清楚，但可能为肿瘤治疗提供一条新的思路。使用烷化剂治疗神经胶质瘤的同时，使用靶向药物过表达肿瘤细胞的GLS2，以增加烷化剂的抗肿瘤作用。另有研究发现，胃癌化疗药物大黄素甲醚8-O-β-吡喃葡萄糖苷，通过下调miR-103a-3p对GLS2的抑制作用，从而提高GLS2的蛋白质水平，抑制胃癌细胞增殖和转移，并促进活性氧（reactive oxygen species，ROS）和丙二醛的产生[27]。另一方面，少部分肿瘤中GLS2过表达，如在 MYCN扩增的神经母细胞瘤[19]、宫颈癌[28]、管腔型乳腺癌[10]，显示出致癌作用。研究证明，具有放射抗性病人肿瘤组织中GLS2的表达显著增强，沉默放射抗性宫颈癌细胞的GLS2，会降低细胞GSH和NADH并最终增加ROS水平，表现出显著增强的放射敏感性[28]。对于管腔型乳腺癌，使用小分子抑制剂968靶向GLS2或敲低GLS2后，肿瘤细胞增殖速度明显降低，且对化疗药物更敏感[10,29]。同样，研究证实缺氧诱导因子1α可通过调控GLS2而影响谷氨酰胺代谢，最终引起结肠癌化疗耐受[30]。此过程中GLS2为高表达，可能为逆转耐药找到新的靶点。

综上所述，GLS2在不同肿瘤表达和作用可能各异，进行肿瘤的分子亚型研究，才能对肿瘤的个体化精准治疗有帮助。另外，对GLS2与一些蛋白质结合域结合发挥其经典代谢特征之外的抗肿瘤作用进行研究，可为肿瘤治疗提供一些新的潜在治疗靶点和思路。

总结与展望

谷氨酰胺在肿瘤代谢中的作用是近年来的研究热点，其包括肿瘤细胞增殖的多个核心代谢任务，如能量代谢，支持细胞防御氧化应激，补充大分子生产过程中消耗的核苷酸、氨基酸等物质。如何有效阻断肿瘤中高谷氨酰胺代谢，是控制肿瘤进展的一个关键策略。近几年发现，GLS2除经典代谢特征外，还能影响肿瘤细胞对放、化疗的敏感性。其可能通过与一些潜在的蛋白质结合域作用，进而发挥抗肿瘤的功能。所以，GLS2的研究引起越来越多学者的关注。GLS2是谷氨酰胺代谢的关键酶和起始酶，进一步加强GLS2的临床和基础研究，并对GLS2有关的信号通路进行研究，可能找到与肿瘤治疗相关的潜在新靶点，为放、化疗手段协同治疗肿瘤提供新思路。