特异性氨基酸代谢在前列腺癌中的研究进展

付成伟，张勇，董金凯，张景云，周礼，李学超，左世栋，孔令生，陈立军

(1.解放军总医院第三医学中心泌尿外科医学部，北京 100853； 2.解放军总医院第五医学中心泌尿外科，北京 100071；3.陆军军医大学军事预防医学系，重庆 400038)

前列腺癌细胞具有高度异质性和可变性，表现为良性生长、致命侵袭性生长以及介于两者之间的生长方式[1-2]。据美国癌症协会统计，2020年美国新增前列腺癌病例191 930例，死亡约33 330例[3]。目前前列腺癌筛查手段主要包括经直肠前列腺指检、直肠超声检查和血清前列腺特异性抗原定量测定等，虽然其检出率有所提高，但假阳性、假阴性结果仍较常见，且目前的检查手段并不能鉴别前列腺癌的良、恶性程度[4]。我国约60%前列腺癌患者入院时已处于晚期，丧失了根治性手术的机会[5]。对于晚期前列腺癌患者，目前临床常应用抗雄激素、化疗等方法治疗[6-7]，但会出现治疗抵抗。因此，寻找更精准的诊断前列腺癌的方法迫在眉睫。随着代谢组学在肿瘤研究领域的发展，研究者开始通过分析肿瘤细胞自身的代谢变化探究前列腺癌的发病机制[8-11]。肿瘤细胞可通过代谢重组适应自身的快速生长，且高度依赖特定的代谢途径，因此明确这些特定的代谢途径即可开发基于前列腺癌代谢的靶向治疗[12-15]。前列腺癌中存在大量蛋白质原性、非蛋白质原性氨基酸代谢以及生物合成的差异，而代谢变化可反映前列腺癌细胞在缺氧、氧化应激以及应对高代谢等不利条件下的生存能力[16]。因此，氨基酸的代谢异常与前列腺癌的疾病进展密切相关。现就特异性氨基酸代谢在前列腺癌中的研究进展予以综述。

1 谷氨酰胺与前列腺癌

1.1谷氨酰胺(glutamine，Gln)的生理功能 Gln是一种非必需的蛋白原氨基酸，在某些生理条件下，Gln是条件性必需氨基酸，尤其在代谢途径和细胞信号转导中具有重要作用；同时，Gln也是嘌呤和嘧啶核苷酸合成以及其他氨基酸的氮供体，由Gln转化生成的谷氨酸的代谢过程受细胞因子的密切调节，如Myc、p53和Ras等，这些细胞因子对肿瘤细胞的生长、维持起重要作用，是致癌的重要诱因之一[17]。在Gln代谢过程中，Gln转化为谷氨酸是Gln分解的第一步，然后谷氨酸再转化为酮戊二酸进入三羧酸循环，生产柠檬酸盐和苹果酸盐，用于合成脂肪酸和核苷酸[18]。

1.2Gln在前列腺癌代谢调控中的作用 线粒体DNA突变频繁可导致前列腺癌患者三羧酸循环和(或)氧化磷酸化受损，迫使肿瘤细胞通过替代途径代谢[19]。而这一过程受多种癌基因的调控，如Myc、雄激素受体、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)等，这些癌基因可通过上调Gln转运蛋白的表达增加Gln的摄取，表明致癌驱动因素对Gln摄取及代谢影响显著，Gln对前列腺癌细胞的增殖具有重要作用[20]。研究发现，高侵袭性、转移性前列腺癌PC-3细胞系可显著增加Gln的利用，表明侵袭性、转移性前列腺癌细胞需要Gln分解[21-22]。

2 丝氨酸与前列腺癌

2.1丝氨酸对前列腺癌合成、代谢的影响 研究证实，丝氨酸生物合成和代谢途径对前列腺癌代谢非常重要，谷胱甘肽、核苷酸、磷脂及其他代谢产物均由丝氨酸和甘氨酸组成，其中丝氨酸合成增加是前列腺癌患者预后不良的标志[11]。研究显示，磷酸甘油酸脱氢酶是从头合成丝氨酸途径的第一种酶，在不同类型的肿瘤中可扩增[20]，因此磷酸甘油酸脱氢酶被认为是开发小分子抑制剂的另一个药物靶点。Pacold等[23]的研究也证实，磷酸甘油酸脱氢酶抑制剂可通过直接靶向作用抑制葡萄糖来源的丝氨酸的合成。

2.2丝氨酸在前列腺癌代谢调控中的作用 研究发现，Myc及其下游靶标的表达、跨膜丝氨酸蛋白酶2-成红细胞病毒E26致癌物融合以及Gleason评分均与前列腺癌细胞的信号通路呈正相关；四氢叶酸在丝氨酸转化为甘氨酸的过程中被消耗，应用四氢叶酸抗代谢药甲氨蝶呤可抑制丝氨酸向甘氨酸的转化，进而导致转移性前列腺癌细胞的剂量依赖性抗增殖效应[12]。此外，丝氨酸/精氨酸富有剪接因子1(serine and arginine rich splicing factor 1，SRSF1)可通过影响肿瘤细胞转导通路中相关基因的剪接方式促进肿瘤细胞的异常转录和肿瘤细胞核DNA的分裂，在前列腺癌组织中SRSF1阳性表达率较高，且SRSF1表达与前列腺癌TNM分期、淋巴结转移以及Gleason评分相关[24]。因此，SRSF1有可能成为评估前列腺癌患者预后的潜在指标。

3 脯氨酸与前列腺癌

脯氨酸是一种非必需氨基酸，在碳和氮的最初代谢、抗渗透以及氧化应激保护、细胞信号转导、细胞凋亡和营养适应中起重要作用。脯氨酸代谢可影响动、植物的许多调控靶点，同时也是蛋白质、氨基酸和多胺的生物合成以及伤口愈合、活性氧清除、免疫反应中所必需的[25]。脯氨酸分解代谢途径发生在线粒体中，通过脯氨酸脱氢酶/脯氨酸氧化酶和吡咯啉-5-羧酸脱氢酶催化发生酶促反应而被氧化为葡萄糖；而吡咯啉-5-羧酸合成酶和吡咯啉-5-羧酸还原酶则可将葡萄糖转化为脯氨酸，因此该途径既可通过启动活性氧介导的细胞凋亡抑制前列腺癌进展，又可通过产生ATP或活性氧诱导的自噬使肿瘤存活[26]。此外，脯氨酸生物合成被认为是维持吡啶核苷酸水平的关键，可能成为前列腺癌治疗的靶点[27]。脯氨酸还是一种高效的活性氧清除剂，可抑制氧化诱导的细胞凋亡[28]。

4 精氨酸与前列腺癌

4.1精氨酸的生理功能 精氨酸是一种半必需氨基酸，由Gln、谷氨酸和脯氨酸经肠-肾轴合成。精氨酸降解通过精氨酸酶、甘氨酸脒基转移酶和精氨酸脱羧酶启动的多种途径实现，在此过程中产生的一氧化氮、多胺、脯氨酸、谷氨酸、肌酸以及胍丁胺等均具有重要的生物学作用。精氨酸被一氧化氮合酶代谢，可产生自由基一氧化氮和瓜氨酸，其中一氧化氮对前列腺平滑肌张力和正常分泌功能均具有至关重要的生理作用[27]。因此，刺激前列腺肿瘤组织中的精氨酸代谢，有助于肿瘤的生长、血管生成、转移以及肿瘤相关的免疫抑制[29]。与前列腺增生相比，前列腺肿瘤中的诱导型一氧化氮合酶和精氨酸酶水平均上调[30]。因此，诱导型一氧化氮合酶高表达可作为前列腺癌患者生存率低的预测因素[31]。

4.2精氨酸剥夺在前列腺癌中的作用 近年，随着对聚乙二醇修饰的精氨酸脱亚胺酶研究的深入，肿瘤中精氨酸剥夺的可能性逐渐增大[32]。研究证实，前列腺癌组织缺乏精氨酸琥珀酸合成酶的表达，精氨酸琥珀酸合成酶是一种普遍存在的酶，参与瓜氨酸两步合成精氨酸；由于不能合成自身的精氨酸，精氨酸琥珀酸合成酶缺陷型细胞只能依赖相对低效的氨基酸转运蛋白合成精氨酸[33]。此外，由于缺乏精氨酸琥珀酸合成酶，聚乙二醇修饰的精氨酸脱亚胺酶不依赖细胞凋亡蛋白酶也可诱导CWR22Rv1细胞凋亡，但在体外则不会诱导LNcap细胞死亡[34]。2018年聚乙二醇修饰的精氨酸脱亚胺酶在肝细胞癌中的Ⅲ期临床试验显示，精氨酸成功耗竭的患者总生存期显著延长[35]。

5 亮氨酸与前列腺癌

5.1亮氨酸的生理功能 亮氨酸是一种必需氨基酸，对蛋白质合成非常重要[34]。亮氨酸可通过激活mTOR信号通路控制信使RNA翻译、核糖体生物发生、自噬以及细胞代谢，抑制mTOR信号通路可导致前列腺癌进展和去势抵抗的发生[36]。线粒体代谢异常可促进前列腺癌的发生发展和药物抵抗，富含亮氨酸的三角状五肽重复结构蛋白是一种主要定位于线粒体的核编码蛋白质，可通过调控细胞色素氧化酶基因的表达促进氧化磷酸化、抑制线粒体自噬，维持细胞正常能量代谢[37-39]。

5.2亮氨酸在前列腺癌治疗中的作用 亮氨酸属于L型氨基酸转运蛋白(L-type amino acid transporters，LATs)家族一员，LATs基因敲除可抑制前列腺癌细胞周期进程和肿瘤生长，并导致肿瘤转移的自发消退[40]。经亮氨酸类似物2-氨基双环-[2，2，1]-庚烷-2-羧酸处理的转移性前列腺癌细胞的细胞生长和生存能力均显著降低，且出现G0～G1期细胞周期停滞；给予2氨基双环-[2，2，1]-庚烷-2-羧酸可导致前列腺癌细胞系细胞周期检查点基因(如泛素结合酶E2C、细胞分裂周期蛋白20和细胞周期蛋白依赖性激酶1)表达下调，而转移性前列腺癌标本中的细胞周期检查点基因表达却上调[41]。以上研究表明，靶向LAT1/3可通过抑制mTOR活性治疗转移性、去势抵抗性前列腺癌。

6 甲硫氨酸与前列腺癌

6.1甲硫氨酸的生理功能 甲硫氨酸是哺乳动物细胞生长、发育和体内平衡所需的一种必需氨基酸。甲硫氨酸是在甜菜碱辅因子和5-甲基-四氢叶酸存在下，通过同型半胱氨酸甲基化内源性合成或通过多胺生物合成途径合成。甲硫氨酸的分解代谢产物是肌氨酸，而肌氨酸是一种非侵入性前列腺癌生物标志物和代谢产物[41]。甲硫氨酸可参与多种生化途径，为蛋白质合成、染色质和蛋白质甲基化以及谷胱甘肽合成提供分子化合物[42]。研究证实，甲硫氨酸可抑制雄激素不敏感的前列腺癌细胞增殖并诱导其凋亡[43]。甲硫氨酸代谢物在前列腺切除术后快速生化复发的多变量预测模型中具有较高的灵敏度和特异度，且甲硫氨酸分解代谢产物的数量与前列腺癌进展状态相关[44]。因此，将甲硫氨酸代谢物定量分析作为预测前列腺癌疾病进展的生物标志物，可显著提高临床预测侵袭性前列腺癌及早期复发风险的能力。

6.2甲硫氨酸在前列腺癌治疗中的作用 与正常细胞不同，肿瘤细胞大多不能利用同型半胱氨酸作为甲硫氨酸前体，甲硫氨酸可阻断细胞周期并诱导转移性前列腺癌细胞凋亡[44-45]。Poirson-Bichat等[46]证实，在无甲硫氨酸培养基中，PC-3细胞增殖速率显著降低，而DU-145细胞的增殖速率仅受到轻微影响；加入同型半胱氨酸则PC-3细胞的增殖率轻度增加、DU-145细胞的增殖率完全恢复。给予异种移植模型小鼠富含同型半胱氨酸且无甲硫氨酸饮食或应用甲硫氨酸类似物乙硫氨酸替代甲硫氨酸喂养发现，小鼠前列腺癌细胞生长较慢，表明甲硫氨酸剥夺饮食疗法可用于去势抵抗性前列腺癌的治疗[44]。

7 色氨酸与前列腺癌

7.1色氨酸的生理功能 色氨酸是一种用于蛋白质合成的必需氨基酸，也是血清素生物合成的前体分子。色氨酸参与多种生理过程，包括神经元功能、免疫和肠道稳态等。在人类中，色氨酸通过犬尿氨酸和血清素途径代谢，并产生生物活性化合物，如血清素、褪黑激素和烟酸等。血清素可作为促有丝分裂因子参与肿瘤细胞的生长、血管生成以及细胞迁移等[46]。产生血清素的神经内分泌细胞主要存在于正常前列腺组织和前列腺癌标本中，且更常见于高级别前列腺癌中，尤其是去势抵抗性前列腺癌[47]。

7.2色氨酸在前列腺癌诊断中的作用 除内源性色氨酸代谢外，常驻肠道菌群也有助于产生特定的色氨酸代谢产物，并间接影响宿主生理。由色氨酸调节的各种生理功能可反映与体内平衡改变相关的复杂疾病模式。色氨酸代谢产物合成失衡与慢性免疫激活以及肿瘤免疫逃逸的病理生理机制有关[48]。色氨酸缺乏可导致T淋巴细胞增殖停滞[49]。因此，多种人类肿瘤产生的吲哚胺2，3-双加氧酶对色氨酸的降解被认为是一种有利于肿瘤逃避免疫反应的机制[50]。与良性前列腺增生相比，前列腺癌患者的吲哚胺2，3-双加氧酶表达升高，且与血清犬尿素/色氨酸比值相关，这种分子机制有助于前列腺癌的诊断[51]。

8 肌氨酸与前列腺癌

肌氨酸是甘氨酸合成和降解途径中的中间体，也是一种差异代谢物，在前列腺癌进展至转移期间肌氨酸的表达显著增加；此外，与良性前列腺上皮细胞相比，浸润性前列腺癌细胞系中的肌氨酸水平也增加[41]。肌氨酸广泛存在于尿液中，被认为是非侵入性的前列腺癌标志物，但这一结论目前尚存在争议[52]。

调节肌氨酸代谢的酶主要包括甘氨酸N-甲基转移酶、肌氨酸脱氢酶和L-哌啶酸氧化酶。肌氨酸的生成由甘氨酸N-甲基转移酶催化，甘氨酸N-甲基转移酶在哺乳动物肝脏、外分泌胰腺和前列腺中均高水平表达[53]。肌氨酸代谢酶肌氨酸脱氢酶和L-哌啶酸氧化酶均可催化肌氨酸氧化脱甲基，将其转化为甘氨酸[54]。而甘氨酸是一种肿瘤相关代谢物，可显著影响前列腺细胞的氨基酸模式，前列腺癌患者尿液中的甘氨酸水平与肌氨酸水平呈负相关[28]，表明前列腺癌细胞需要利用甘氨酸进行肌氨酸生物合成。产生和分解肌氨酸的酶失调，可导致有非侵袭性前列腺癌且肌氨酸产生能力较低的老年患者肌氨酸水平显著降低[55]。以上研究表明，细胞内肌氨酸聚集是影响前列腺癌发展以及向更具侵袭性表型进展的关键，但具体分子机制目前尚未明确。

9 羟脯氨酸与前列腺癌

9.1羟脯氨酸的生理功能 羟脯氨酸是脯氨酸的翻译后代谢产物，对维持细胞结构和功能至关重要。由于具有独特的环结构，因此脯氨酸和羟脯氨酸在化学稳定性以及生化反应方面不同于其他氨基酸。羟脯氨酸是合成甘氨酸、丙酮酸和葡萄糖的底物，也可清除氧化剂、调节细胞的氧化还原状态[56]。既往研究证明，尿羟脯氨酸较其他标志物更可靠，尿羟脯氨酸水平升高提示前列腺癌存在骨转移[57]。前列腺癌侵入骨骼后，羟脯氨酸被释放入循环，并经肝脏代谢或通过尿液排出[58]。在前列腺癌骨转移中，不仅肿瘤组织附近有类骨质形成，而且骨吸收也加快。骨吸收加速可通过尿羟脯氨酸排泄增加、骨组织形态计量学以及X线片上溶解骨的存在证明，为临床将尿羟脯氨酸指数作为转移性前列腺癌的生物标志物提供了理论依据[59]。

9.2羟脯氨酸在前列腺癌治疗中的作用 研究表明，在转移性前列腺肿瘤的一个子集中脯氨酰4-羟化酶1拷贝数增加，且脯氨酰4-羟化酶1表达受miR-124调节，而miR-124又受果蝇zeste基因增强子同源物2和C端结合蛋白1的负调控，果蝇zeste基因增强子同源物2和C端结合蛋白1在侵袭性前列腺癌中均过表达[60]。此外，鸡胚绒毛尿囊膜测定和小鼠异种移植研究表明，脯氨酰4-羟化酶1为肿瘤生长和转移所必需[61]。以上研究表明，脯氨酰4-羟化酶1在前列腺癌进展中起关键作用，可作为一个可行的治疗靶点。

10 牛磺酸与前列腺癌

牛磺酸参与生物体胆汁酸的结合、抗氧化、渗透调节、膜稳定以及钙信号调节等，对心血管功能、发育以及骨骼系统、视网膜、中枢神经系统的功能至关重要。Madhu等[62]应用醋酸地加瑞克治疗前列腺癌，结果发现，随着睾酮水平降低，牛磺酸水平也显著降低。此外，Tang等[63]研究证实，牛磺酸可通过降低前列腺特异性抗原和转移相关蛋白的表达抑制细胞迁移。虽然诱导肿瘤细胞凋亡和前列腺特异性抗原的机制仍需进一步研究，但N-酰基牛磺酸是一种具有广泛生物活性的信号分子，对转移性前列腺癌细胞具有抗肿瘤和抗增殖作用[64]。以上研究为前列腺癌的辅助治疗提供了坚实的理论基础，摄入牛磺酸可延缓前列腺癌进展，但还需进一步研究证实。

11 小 结

特异性氨基酸代谢的差异改变在前列腺癌诊断、治疗、预后中的应用已取得一定进展。饮食、药物抑制或氨基酸代谢剥夺等均可抑制前列腺癌细胞的增殖，但对非恶性细胞却无影响。抑制氨基酸代谢在体外抗癌药物研发方面已获得成功，但在体内研究中仍面临诸多问题。为了加强饮食剥夺疗法的疗效，还可采用体外化学去除代谢物结合标准化疗的方法。总之，前列腺癌是一种特异性氨基酸代谢异常的高度异质性疾病，未来深入了解其代谢特征、鉴定出更多的治疗靶标，可以为前列腺癌患者的治疗提供新的思路，实现肿瘤的精准治疗。