3-磷酸甘油酸脱氢酶与肿瘤关系的研究进展

崔畅婉，孙峥嵘

(中国医科大学附属盛京医院生物样本库，沈阳 110001)

近年来，吸烟、缺乏锻炼和肥胖等危险因素导致肿瘤的发生率逐年上升[1]。肿瘤细胞中存在代谢的改变，许多肿瘤细胞即使在有氧环境中仍存在糖酵解代谢活跃的现象，为其快速增殖提供所需的物质和能量，肿瘤细胞代谢途径的转变是癌症的生物标志物。人体内存在两种利用葡萄糖代谢物合成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的途径：戊糖磷酸途径和丝氨酸合成途径。丝氨酸合成途径是通过3-磷酸甘油酸脱氢酶(3-phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH)、磷酸丝氨酸氨基转移酶1(phosphate serine aminotransferase 1，PSAT1)和磷酸丝氨酸磷酸酶(phosphoserine phosphatase，PSPH)催化的三步反应将3-磷酸甘油转化为丝氨酸的过程。PHGDH作为丝氨酸合成途径限速酶在一些正常组织中存在高表达的现象，尤其是在神经系统发育过程中具有重要作用。在多种肿瘤细胞(如乳腺癌、肺癌、黑色素瘤、肝细胞癌、胰腺癌)中，PHGDH在转录和蛋白水平呈高表达，并与肿瘤发生发展有关。有研究表明，肿瘤细胞中糖酵解中间产物进入丝氨酸合成途径，包括PHGDH基因拷贝数增加，信使RNA转录水平增高，蛋白翻译水平增强，酶活性增强，参与调控肿瘤细胞的增殖、凋亡及侵袭等过程[2]。在PHGDH高表达的乳腺癌、黑色素瘤细胞中，沉默PHGDH后，细胞增殖、转移特性受到抑制。现就PHGDH与肿瘤关系的研究进展进行综述。

1 PHGDH基因表达和功能

1.1PHGDH基因表达 PHGDH基因位于人类染色体1p12，其编码蛋白分子量为56 600，与大鼠和小鼠的同源性分别为88%和94%，近端启动子区(700 bp)的序列相似性分别为42%和40%[3]。小鼠Phgdh基因全长约27 kb，其中包括12个外显子、11个内含子，且外显子与内含子的交界处遵循GT/AG规律，但起始转录位点不含TATAATAAT序列，而是Sp1识别序列[4]。PHGDH核苷酸结合结构域包含一个由Gly-Xaa-Gly-Xaa-Xaa-Gly-Xaa17-Asp组成的同源序列，参与结合辅酶1的腺苷部分[5]。在人类组织中存在不同的PHGDH mRNA转录本，肾脏、卵巢、脑、肝和胰腺中高表达2.1 kb转录本，在心脏和骨骼肌还存在一种710 bp转录本，其转录水平受组织特异性以及细胞增殖能力的调控[5]。在正常大鼠器官(如肾脏、大脑和睾丸)组织中，通过核酸分子杂交技术可检测到2.1 kb的Phgdh信使RNA。但当喂食无蛋白质、富含碳水化合物的饮食时，肝脏中还能检测到另一种转录本，表明大鼠肝脏中Phgdh的转录调控取决于饮食摄取的蛋白质[6]。

1.2PHGDH的功能 丝氨酸是蛋白质合成的基石，可以从饮食中获得，也可以从糖酵解中间体合成，用于不同代谢途径中合成细胞生长必需的化合物，包括甘氨酸、半胱氨酸、丝氨酸磷脂、鞘磷脂和脑苷等[7]。PHGDH是丝氨酸从头合成途径中涉及的3种关键酶之一，并且PHGDH对于DNA和RNA的合成是必需的，抑制PHGDH能够减少五碳糖途径中核糖以及三羧酸循环中碱基的产生，进而影响核苷酸代谢。据报道，人体中PHGDH活性缺乏导致的丝氨酸生物合成障碍是神经综合征和生长迟缓的诱因[8]。丝氨酸合成途径作为糖酵解途径的分支，给叶酸池提供一碳单位，丝氨酸直接转化为甘氨酸参与核苷酸前体嘌呤、嘧啶的形成，有利于生物合成及核苷酸甲基化，从而影响细胞复制[9-10]。以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸为辅因子，PHGDH催化3-磷酸甘油酯氧化生成3-磷酸羟基丙酮酸，氧化型辅酶Ⅰ转化为还原型进而影响氧化还原状态，这是丝氨酸生物合成途径中的第一步限速反应。随后谷氨酸提供氮，3-磷酸羟基丙酮酸在PSAT1作用下转氨基形成磷酸丝氨酸和α-酮戊二酸。线粒体中α-酮戊二酸合成三羧酸循环提供谷氨酰胺。最后，磷酸丝氨酸由PSPH催化脱磷酸形成丝氨酸[11]。癌症进展中癌细胞为了保持快速增殖，改变其新陈代谢途径，增强糖酵解能力进而提供细胞增殖所需的物质基础，而较高水平的PHGDH可促进这种代谢变化，进而促进癌细胞的增殖和转移。

2 PHGDH与肿瘤

2.1乳腺癌 肿瘤发生发展过程中存在代谢重编程现象，以支持肿瘤细胞快速增殖所需的物质和能量，而这种代谢适应在多种肿瘤研究中被报道。肿瘤细胞代谢改变是肿瘤的生物标志物之一，不同的肿瘤类型表现出不同的代谢适应。研究发现，乳腺癌中PHGDH所在的基因组区域拷贝数增加，PHGDH在信使RNA转录和蛋白翻译水平均升高，且PHGDH高表达与三阴性及基底亚型相关，而与转移情况、肿瘤大小无相关性[12]。基于RNA干扰的功能筛查技术可用于识别新的癌症靶点和抑癌基因。Possemato等[13]通过RNA干扰筛选技术在人类乳腺癌异种移植小鼠模型的原位位点中发现了与乳腺癌干细胞侵袭作用相关的基因。其中，PHGDH基因拷贝数增加，70%的雌激素受体阴性乳腺癌中PHGDH蛋白水平升高。体外和体内实验证明，抑制乳腺癌细胞中的PHGDH表达可导致细胞增殖下降，丝氨酸合成减少，三羧酸循环中间体α-酮戊二酸水平下降，肿瘤生长受到抑制。乳腺癌细胞存活可能依赖于PHGDH过表达引起的丝氨酸合成通量的增加[12]。研究证明，PHGDH是促进还原型谷胱甘肽维持氧化还原稳态的关键酶，缺氧条件能够诱导缺氧诱导因子1和缺氧诱导因子2介导的PHGDH和其他丝氨酸代谢通路酶的高表达，而瘤内缺氧是晚期乳腺癌的一个常见症状[14]。敲除PHGDH后，低氧条件下还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸水平降低，线粒体活性氧类水平升高，细胞凋亡增加[14]。代谢组学分析表明，PHGDH基因敲除导致PHGDH底物3-磷酸甘油酸下游的糖酵解中间体浓度增加，PHGDH高表达还与乳腺癌维持干细胞特性和肺转移有关[15]。多种与肿瘤进展相关的因子(包括核因子红系2、c-MYC、内质网应激转录激活子4、缺氧诱导因子1)可上调PHGDH蛋白水平，而抑癌基因p53可抑制PHGDH的表达。由丝氨酸羟甲基转移酶催化的丝氨酸转化为甘氨酸，并在转化过程中为四氢叶酸合成提供一碳单位，以产生亚甲基四氢叶酸，用于胸苷合成。叶酸作为组蛋白甲基化反应的甲基供体，参与甲硫氨酸再生，进一步促进S-腺苷甲硫氨酸合成。PHGDH基因表达由组织特异性和细胞增殖活跃水平决定，PHGDH可能成为肿瘤诊断和治疗的重要靶点。由此证明，PHGDH可能是乳腺癌细胞增殖、转移、侵袭能力的关键，为临床治疗提供新靶点。

2.2肺癌 在肿瘤细胞中，存在葡萄糖有氧氧化能力下降，而糖酵解能力增强的现象，这种代谢适应往往是由癌基因和肿瘤抑制因子所驱动的。肺癌是癌症相关死亡的主要病因之一，而肺腺癌占40%～50%，肺癌细胞的分子特征成为肺腺癌治疗选择的决定性因素。研究发现，在非小细胞肺癌细胞系的代谢和转录谱中，丝氨酸/甘氨酸生物合成途径的活性增强，并受核因子红系2相关因子2调控[16]。核因子红系2相关因子2是一种转录因子，其在非小细胞肺癌细胞系中通过内质网应激转录激活子4调节丝氨酸/甘氨酸生物合成酶PHGDH、PSAT1和丝氨酸羟甲基转移酶2的表达，以支持谷胱甘肽和核苷酸的产生。有研究显示，PHGDH高表达肺癌患者的生存率低于PHGDH低表达者，这可能与PHGDH通过促进谷胱甘肽合成，从而修复肺腺癌细胞的DNA损伤有关；体外细胞实验证明，肺癌细胞系PHGDH蛋白含量高于正常细胞系，过表达PHGDH能够促进肺癌细胞增殖、迁移能力，此外免疫荧光结果证明，PHGDH沉默导致DNA损伤，而这种损伤能够通过补充嘌呤和嘧啶进行挽救[17]。异种移植实验证明，PHGDH高表达瘤株成瘤性更好，瘤体体积更大[18]。泛素连接酶E3介导底物的泛素化和降解，从而发挥抑癌作用。肿瘤细胞中的泛素连接酶缺乏导致PHGDH稳定累积，丝氨酸合成增加，促进细胞的增殖和肿瘤的发生。然而，这种现象能够通过PHGDH小干扰RNA或PHGDH抑制剂靶向消除[19]。由此证明，泛素化可能是PHGDH调控的关键机制，泛素连接酶通过下调PHGDH发挥抑癌作用。

2.3黑色素瘤和多发性骨髓瘤 目前研究已从动物实验到人体组织学验证多角度分析了PHGDH在黑色素瘤中的作用。Phgdh过表达的小鼠细胞中丝氨酸生物合成增加，皮肤组织学检查显示，黑色素颗粒存在于早期毛囊，其合成与毛囊周期密切相关，其过表达使黑色素在毛囊周期早期即存在异常丰度的增加[20]。在患者黑色素瘤样本中，PHGDH基因位点拷贝数增益为39%，免疫组织化学实验显示 PHGDH在肿瘤中表达，在间质中不表达[21]。PHGDH控制丝氨酸合成通量，丝氨酸对鞘脂和大多数磷脂头部基团的合成至关重要，是细胞膜的重要组成部分，也参与细胞信号传递。丝氨酸羟甲基转移酶催化丝氨酸转化为甘氨酸，同时将四氢叶酸转化为5，10-亚甲基-四氢叶酸，该反应是细胞四氢叶酸池的一碳单位的重要来源，构成碳骨架。丝氨酸生物合成是维穆拉非尼和甲氨蝶呤治疗黑色素瘤细胞耐药性形成的关键，耐药细胞丝氨酸生物合成酶PHGDH、PSPH和PSAT1蛋白表达增强，通过小干扰RNA能够降低耐药细胞对维穆拉非尼的耐药性[22]。多发性骨髓瘤细胞丝氨酸代谢增强可促进肿瘤细胞生长和硼替佐米抗药性形成。有研究发现，多发性骨髓瘤细胞中PHGDH过表达导致G2/M期百分比增加，S期百分比降低，表明PHGDH可促进S期向G2/M期的细胞周期转移；该研究结果还显示PHGDH过表达通过增加丝氨酸代谢衍生的甘氨酸而促进谷胱甘肽合成，从而降低硼替佐米诱导的活性氧类形成，同时降低氧化应激效应和自噬来促进细胞生长和药物抗性[23]。PHGDH在复发的多发性骨髓瘤患者中高表达，且与患者生存率降低有关，说明PHGDH在多发性骨髓瘤疾病进程中有重要作用[24]。

2.4肝癌和胰腺癌 临床相关代谢基因在肿瘤细胞系中的独特表达模式可以识别和治疗不同分期的肿瘤细胞。Li等[25]检测临床组织样本发现驱动蛋白成员(kinesin family member，KIF)15在肝癌细胞中高表达，且与肝癌患者预后不良有关。异种移植实验表明，KIF15促进肝癌肿瘤的发生、生长和转移。KIF15的这些效应是通过PHGDH介导的，KIF15可促进PHGDH蛋白酶体降解，导致细胞PHGDH累积，维持肝癌干细胞自我更新和多能性。抑制PHGDH可以诱导肝癌细胞株球体形成减少，肝癌细胞活性氧类失衡。对晚期肝细胞癌的标准治疗方法是应用化疗药索拉非尼，但其耐药性较常见。有研究通过全基因组规律成簇间隔短回文重复相关蛋白核酸酶9文库筛选，鉴定出PHGDH是索拉非尼耐药的关键因素，该研究利用基因敲除模型发现PHGDH的失活导致丝氨酸合成通量降低，α-酮戊二酸、丝氨酸和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的产生减少，细胞氧化应激水平升高，最终促进细胞凋亡，同时PHGDH抑制剂与索拉非尼协同作用可以逆转耐药株的药物抗性[26]。磷酸甘油醛脱氢酶通过上调PHGDH，增加组蛋白甲基化水平，促进糖酵解向丝氨酸生物合成的转移，从而加速肝癌的发展[27]。核因子红系2相关因子2糖基化能够通过清除细胞内线粒体活性氧类和上调PHGDH表达来促进肝癌中丝氨酸从头合成。外源丝氨酸缺乏可增加核因子红系2相关因子2糖基化水平，导致肝癌细胞持续增殖[28]。因此，PHGDH可能成为肝癌的治疗靶点。

有研究显示，与正常组织相比，胰腺癌中PHGDH的表达增加，并与肿瘤大小、淋巴结转移和疾病进展有关，PHGDH低表达的胰腺癌患者整体生存率较高，且PHGDH是独立的预后指标，表明胰腺癌细胞PHGDH敲除能够通过下调细胞周期蛋白B1、细胞周期蛋白D1、基质金属蛋白酶2和基质金属蛋白酶9表达抑制细胞的增殖、迁移和侵袭[29]。除催化丝氨酸合成激活蛋白激酶B通路外，PHGDH还与翻译起始因子相互作用，促进翻译起始因子在5′端结构上的组装，进而促进相关蛋白表达[30]。PHGDH的非竞争性抑制剂IoxA以PHGDH作为直接靶点，具有较高的靶向性和较低的毒性，可抑制胰腺癌细胞增殖和异种移植小鼠模型的肿瘤生长[31]，提示其可能成为靶向PHGDH治疗癌症的候选药物。

3 小 结

肿瘤细胞对营养物质和代谢物的强烈依赖为靶向肿瘤代谢治疗提供了依据。肿瘤细胞葡萄糖代谢中间产物进入丝氨酸合成途径，为肿瘤生长提供能量[32]。PHGDH高表达与丝氨酸合成通量增加是肿瘤细胞快速增殖、迁移、转移和耐药的基础[33-34]。由于血脑屏障的生理作用，外部氨基酸无法进入，在丝氨酸的从头合成过程中为中枢神经系统提供所需的氨基酸[35-36]。为了避免潜在的神经不良反应，PHGDH抑制剂不能跨越血脑屏障，阻碍中枢神经系统中丝氨酸的产生。许多PHGDH抑制剂在血浆中不稳定，为确定PHGDH依赖和非依赖的肿瘤设置阈值也尚待研究。肿瘤细胞的代谢改变受到越来越多的关注，PHGDH作为丝氨酸从头合成途径的关键酶为探究肿瘤的临床治疗手段提供了新方向。

参参考文献

[1] Hanahan D,Weinberg RA.Hallmarks of cancer:The next generation[J].Cell,2011,144(5):646-674.

[2] Gao X,Lee K,Reid MA,etal.Serine Availability Influences Mitochondrial Dynamics and Function through Lipid Metabolism[J].Cell Rep,2018,22(13):3507-3520.

[3] Nano J,Ghanbari M,Wang W,etal.Epigenome-Wide Association Study Identifies Methylation Sites Associated With Liver Enzymes and Hepatic Steatosis[J].Gastroenterology,2017,153(4):1096-1106.

[4] Mitoma J,Furuya S,Shimizu M,etal.Mouse 3-phosphoglycerate dehydrogenase gene:Genomic organization,chromosomal localization,and promoter analysis[J].Gene,2004,334:15-22.

[5] Wierenga RK,Terpstra P,Hol WG.Prediction of the occurrence of the ADP-binding beta alpha beta-fold in proteins,using an amino acid sequence fingerprint[J].J Mol Biol,1986,187(1):101-107.

[6] Achouri Y,Rider MH,Schaftingen EV,etal.Cloning,sequencing and expression of rat liver 3-phosphoglycerate dehydrogenase[J].Biochem J,1997，323(Pt 2)(Pt 2):365-370.

[7] Snell K,Fell DA.Metabolic control analysis of mammalian serine metabolism[J].Adv Enzyme Regul,1990,30(2):13-32.

[8] Jaeken J,Detheux M,Van Maldergem L,etal.3-Phosphoglycerate dehydrogenase deficiency:An inborn error of serine biosynthesis[J].Arch Dis Child,1996,74(6):542-545.

[9] Snell K,Natsumeda Y,Eble JN,etal.Enzymic imbalance in serine metabolism in human colon carcinoma and rat sarcoma[J].Br J Cancer,1988,57(1):87-90.

[10] Snell K.Enzymes of serine metabolism in normal and neoplastic rat tissues[J].Biochim Biophys Acta,1985,843(3):276-281.

[11] Snell K,Walker DG.Regulation of hepatic L-serine dehydratase and L-serine-pyruvateaminotransferase in the developing neonatal rat[J].Biochem J,1974,144(3):519-531.

[12] Li M,Wu C,Yang Y,etal.3-Phosphoglycerate dehydrogenase:A potential target for cancer treatment[J].Cell Oncol(Dordr),2021,44(3):541-556.

[13] Possemato R,Marks KM,Shaul YD,etal.Functional genomics reveal that the serine synthesis pathway is essential in breast cancer[J].Nature,2011,476(7360):346-350.

[14] Samanta D,Park Y,Andrabi SA,etal.PHGDH Expression Is Required for MitochondrialRedox Homeostasis,Breast Cancer Stem Cell Maintenance,and Lung Metastasis[J].Cancer Res,2016,76(15):4430-4442.

[15] Li Q,Gao H,Zhou S,etal.LncRNA PlncRNA-1 overexpression inhibits the growth of breast cancer by upregulating TGF-β1 and downregulating PHGDH[J].Breast Cancer,2018,25(5):619-625.

[16] DeNicola GM,Chen PH,Mullarky E,etal.NRF2 regulates serine biosynthesis in non-smallcelllung cancer[J].Nat Genet,2015,47(12):1475-1481.

[17] Zhang B,Zheng A,Hydbring P,etal.PHGDH Defines a Metabolic Subtype in Lung Adenocarcinomas with Poor Prognosis[J].Cell Rep,2017,19(11):2289-2303.

[18] Rinaldi G,Pranzini E,Van Elsen J,etal.In Vivo Evidence for Serine Biosynthesis-Defined Sensitivity of Lung Metastasis,but Not of Primary Breast Tumors,to mTORC1 Inhibition[J].Mol Cell,2021,81(2):386-397.

[19] Liu J,Zhang C,Wu H,etal.Parkin ubiquitinates phosphoglyce-rate dehydrogenase to suppress serine synthesis and tumor progression[J].J Clin Invest,2020,130(6):3253-3269.

[20] Mullarky E,Mattaini KR,Vander Heiden MG,etal.PHGDH amplification and altered glucose metabolism in human melanoma[J].Pigment Cell Melanoma Res,2011,24(6):1112-1115.

[21] Mattaini KR,Sullivan MR,Lau AN,etal.Increased PHGDH expression promotes aberrant melanin accumulation[J].BMC Cancer,2019,19(1):723.

[22] Ross KC,Andrews AJ,Marion CD,etal.Identification of the Serine Biosynthesis Pathway as a Critical Componentof BRAF Inhibitor Resistance of Melanoma,Pancreatic,and Non-Small Cell Lung Cancer Cells[J].Mol Cancer Ther,2017,16(8):1596-1609.

[23] Wu X,Xia J,Zhang J,etal.Phosphoglycerate dehydrogenase promotes proliferation and bortezomib resistance through increasing reduced glutathione synthesis in multiple myeloma[J].Br J Haematol,2020,190(1):52-66.

[24] Elsaadi S,Steiro I,Abdollahi P,etal.Targeting phosphoglycerate dehydrogenase in multiple myeloma[J].Exp Hematol Oncol,2021,10(1):3.

[25] Li Q,Qiu J,Yang H,etal.Kinesin family member 15 promotes cancer stem cell phenotype and malignancy via reactive oxygen species imbalance in hepatocellular carcinoma[J].Cancer Lett,2020,482:112-125.

[26] Wei L,Lee D,Law CT,etal.Genome-wide CRISPR/Cas9 library screening identified PHGDH as a critical driver for Sorafenib resistance in HCC[J].Nat Commun,2019,10(1):4681.

[27] Liu S,Sun Y,Jiang M,etal.Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase promotes liver tumorigenesis by modulating phosphoglyce-rate dehydrogenase[J].Hepatology,2017,66(2):631-645.

[28] Guo H,Xu J,Zheng Q,etal.NRF2 SUMOylation promotes de novo serine synthesis and maintains HCC tumorigenesis[J].Cancer Lett,2019,466:39-48.

[29] Song Z,Feng C,Lu Y,etal.PHGDH is an independent prognosis marker and contributes cell proliferation,migration and invasion in human pancreatic cancer[J].Gene,2018,642:43-50.

[30] Ma X,Li B,Liu J,etal.Phosphoglycerate dehydrogenase promotes pancreatic cancer development by interacting with eIF4A1 and eIF4E[J].J Exp Clin Cancer Res,2019,38(1):66.

[31] Zheng M,Guo J,Xu J,etal.Ixocarpalactone A from dietary tomatillo inhibits pancreatic cancer growth by targeting PHGDH[J].Food Funct,2019,10(6):3386-3395.

[32] Snell K.Enzymes of serine metabolism in normal,developing and neoplastic rat tissues[J].Adv Enzyme Regul,1984,22:325-400.

[33] Reid MA,Allen AE,Liu S,etal.Serine synthesis through PHGDH coordinates nucleotide levels by maintaining central carbon meta-bolism[J].Nat Commun,2018,9(1):5442.

[34] Murphy JP,Giacomantonio MA,Paulo JA,etal.The NAD+Salvage Pathway Supports PHGDH-Driven Serine Biosynthesis[J].Cell Rep,2018,24(9):2381-2391.e5.

[35] Neame S,Safory H,Radzishevsky I,etal.The NMDA receptor activation by d-serine and glycine is controlled by an astrocytic Phgdh-dependent serine shuttle[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2019,116(41):20736-20742.

[36] Tabatabaie L,Klomp LW,Berger R,etal.L-serine synthesis in the central nervous system:A review on serine deficiency disorders[J].Mol Genet Metab,2010,99(3):256-262.