【前沿科普】广谱抗肿瘤靶标的选择——靶向甲硫氨酸代谢途径抗肿瘤（二）
【前沿科普】广谱抗肿瘤靶标的选择——靶向甲硫氨酸代谢途径抗肿瘤（二）
甲硫氨酸（Met）是哺乳动物的一种必需氨基酸，是一种含硫蛋白质氨基酸，是蛋白质合成起始所必需的氨基酸[1]。
1、甲硫氨酸在体内的作用
在细胞中，甲硫氨酸（Met）主要通过甲硫氨酸循环代谢。甲硫氨酸循环可产生甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）参与细胞甲基化反应，具有广泛的生理功能[2]。甲硫氨酸的摄取和代谢涉及多种细胞功能，包括甲基化反应、氧化还原维持、多胺合成和与叶酸代谢的偶联，从而协调核苷酸和氧化还原状态（图1-1）。它是细胞中的主要甲基供体，可甲基化多种大分子，例如DNA、RNA、蛋白质和脂质[3]。尽管驱动生物级联合成的酶存在差异，但是甲硫氨酸在大多数的原核生物中都是从头合成的[4]。脊椎动物无法在体内自主合成甲硫氨酸，它们必须通过外部来源获得这种氨基酸，例如饮食和肠道菌群[5]。从饮食中获得甲硫氨酸对细胞内甲硫氨酸的代谢有很大的影响。
图1-1 甲硫氨酸在生物过程中的作用[6]
2、甲硫氨酸代谢
甲硫氨酸是一种特殊的必需氨基酸，因为它的长期剥夺并不会不可避免地损害有机体的生命。而许多恶性细胞系，如肺癌、乳腺癌、结肠癌、肾癌等并没有呈现出一个完整的、功能上能够合成甲硫氨酸的机制。由于肿瘤细胞比正常细胞分裂的更快，它们对甲硫氨酸的需求非常高，这使得甲硫氨酸成为氨酸耗竭疗法的最佳选择。Hoffman和Erbe[7]证明了肿瘤细胞虽能够内源性合成甲硫氨酸，但仍不足以维持肿瘤细胞的生长。
除了外源性的供应，细胞可以通过回收途径获得甲硫氨酸。这种回补途径需要依赖甲基硫腺苷磷酸化酶和甲硫氨酸合酶，与多胺代谢密切相关。甲硫氨酸代谢产生SAM参与多胺合成，同时多胺合成副产物甲硫腺苷，可在甲硫腺苷磷酸化酶催化下重新生成甲硫氨酸，该过程同时有腺嘌呤生成。
甲硫氨酸依赖性肿瘤细胞中的甲硫氨酸消耗可导致细胞周期停滞在S/G2晚期，而停滞在S/G2晚期的细胞易发生自发性死亡并对化疗药物更加敏感[8]。这种肿瘤特异性代谢缺陷在体外与化学治疗剂阿霉素和长春新碱联合使用，可选择性地杀死与正常细胞共培养的肿瘤细胞[9]。此外，在裸鼠中生长的MX-1人乳腺癌细胞对缺乏甲硫氨酸的饮食和顺铂的组合高度敏感，但小鼠对单独的每一种都有一定的抵抗力[10]。Machover等人的一项研究，证明了重组甲硫氨酸酶与5-氟尿嘧啶和亚叶酸在人白血病细胞中的细胞毒性协同作用[11]。
研究表明，肿瘤起始细胞（TICs）具有由甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT2A）驱动的高度升高的甲硫氨酸循环活性和转甲基化率。高甲硫氨酸循环活性导致甲硫氨酸消耗远远超过其再生，导致外源性甲硫氨酸成瘾。因此针对肿瘤细胞内不正常的甲硫氨酸代谢开发新型抗肿瘤疗法具有很大潜力，迄今为止，多个靶向甲硫氨酸代谢途径的抗肿瘤药物进入临床阶段。
与正常组织相比，肿瘤细胞的生存广泛依赖外源性甲硫氨酸，这一现象被称为甲硫氨酸依赖或霍夫曼效应[12]。在甲硫氨酸耗竭的条件下，肿瘤细胞的增殖受到损害，部分原因是有许多肿瘤细胞的细胞周期停滞，包括肺腺癌、纤维肉瘤和肾癌。甲硫氨酸通过甲硫氨酸循环代谢，与核苷酸生物合成、谷胱甘肽合成和核苷酸/组蛋白甲基转移酶反应有关。必需氨基酸甲硫氨酸对肿瘤细胞的生长和新陈代谢很重要。越来越多的证据表明，限制甲硫氨酸可抑制肿瘤细胞生长，并可能增强化疗药物的功效[13]。在前列腺癌细胞异种移植模型及转移性肿瘤动物模型中，通过饮食限制甲硫氨酸均可导致小鼠的肿瘤减退。有临床试验表明饮食限制甲硫氨酸和化疗联合使用治疗胃癌患者，比单独使用化疗的效果要好。但饮食限制甲硫氨酸含量的方法只能短期实施，成效甚微；如若长期实施，容易引发机体营养不良。由于患者的饮食限制通常不被患者所接受，使用甲硫氨酸酶的酶替代疗法可能比饮食限制更有效，耐受性更好。相比于单纯的饮食限制甲硫氨酸，用甲硫氨酸酶特异性消耗甲硫氨酸更有临床应用潜力。
3、针对甲硫氨酸代谢治疗恶性肿瘤的发展现状
根据甲硫氨酸在肿瘤中的代谢特点，目前甲硫氨酸相关的肿瘤治疗方法主要集中于甲硫氨酸耗竭疗法和靶向治疗两个方向。
a.甲硫氨酸耗竭疗法
从甲硫氨酸的代谢特点来看，甲硫氨酸耗竭疗法的理论依据主要有两点：首先，甲硫氨酸是人体必需氨基酸，因而甲硫氨酸摄入的限制能够降低体内甲硫氨酸水平。其次，肿瘤细胞对外源性甲硫氨酸存在依赖性，甲硫氨酸的缺乏能够抑制肿瘤生长与增殖。在动物实验中，有研究发现，甲硫氨酸耗竭疗法对恶性肿瘤的生长和转移具有良好的抑制效果。除单独发挥抗肿瘤作用外，甲硫氨酸还与5-氟尿嘧啶等多种化疗药物存在协同作用。除了限制甲硫氨酸摄入，口服重组甲硫氨酸酶是甲硫氨酸耗竭疗法的又一方法，并已在晚期前列腺癌、乳腺癌、耐药骨肉瘤、膀胱癌等多种恶性肿瘤开展研究。
甲硫氨酸酶无论是单独使用或是联合化疗，都能有效的抑制小鼠或者大鼠肿瘤的生长。研究发现，甲硫氨酸酶还能够有效抑制患者来源的肿瘤组织原位异种移植瘤（PDX模型）的生长。重组甲硫氨酸酶和化疗方案减缓了Daoy、SWB77和D-54脑瘤在无胸腺小鼠中的生长，这与小鼠血浆中甲硫氨酸的消耗有关，小鼠在治疗后血浆中的甲硫氨酸浓度连续几天下降到5mmol以下，甲硫氨酸酶耗竭甲硫氨酸也导致肿瘤组织广泛坏死。在2017年，Robert M Hoffman课题组用重组甲硫氨酸酶处理BRAF-V600E突变的黑色素瘤原位异种移植模型，结果发现处理组的肿瘤生长均被抑制，并且替莫唑胺与重组甲硫氨酸酶的联合用药组比单独用重组甲硫氨酸酶的组效果更好，结果表明重组甲硫氨酸酶联合一线化疗对黑色素瘤非常有效，具有一定的临床潜力[14]。
1996年RM Hoffman课题组针对晚期乳腺癌患者进行了一项I期试验，确定了静脉输入甲硫氨酸酶是安全的可以消耗血清中甲硫氨酸且无任何副作用迹象[15]，1997年一项Ⅰ期试验证明了针对晚期乳腺癌、肺癌、肾癌和淋巴瘤患者，重组甲硫氨酸酶通过静脉输注是安全的，并且有效地消耗了血清中的甲硫氨酸，表明甲硫氨酸酶在未来的临床试验中潜在的功效[16]。但是从最初的Ⅰ期试验到现在已经过去20多年，并未有进一步的研究。
甲硫氨酸酶存在于细菌和真菌细胞内，哺乳动物中不存在。细菌来源的甲硫氨酸酶的主要缺点之一是其在血清中的稳定性差，外源性给予在人体内易引起机体免疫反应[17]。且甲硫氨酸酶在动物体内的半衰期较短，一次给药往往不能达到治疗所需，多次给药又增加风险。无论是静脉注射还是腹腔注射，甲硫氨酸酶降低都代表全身甲硫氨酸酶水平的降低，对肿瘤的治疗作用有限，因此，利用载体表达甲硫氨酸酶基因的给药途径可以成为有效的解决方案。
b.靶向甲硫氨酸体内代谢通路
在肿瘤发生过程中，甲硫氨酸代谢酶的基因表达调控常发生各种改变，恢复这些酶的正常功能，有望成为相关肿瘤治疗的又一方案。目前，一些新的靶向甲硫氨酸的治疗策略正在研究中，分别是靶向甲硫氨酸拯救途径、靶向多胺代谢途径、靶向甲硫氨酸循环途径。如在甲硫氨酸循环中起重要作用的PRMT5和MAT2A；在多胺代谢途径，鸟氨酸脱羧酶是多胺代谢中的关键酶，其功能是控制细胞内多胺的合成速率，对细胞的生长有直接的调控作用，该酶被作为抗肿瘤分子靶点。二氟甲基尿酸（DFMO）是一种鸟氨酸脱羧酶抑制剂，有研究表明其与多胺转运抑制剂AMXT-1501的联合使用可能通过阻止T细胞免疫抑制而发挥抗肿瘤作用[18]。然而，目前该领域尚未在临床研究中取得成功进展，可能还需要更多相关的临床前研究，以提供更为精准的药物设计方向。
这两种药物开发的思路，都有一定的临床前疗效，同时也有各自的优劣势。
表1-1 甲硫氨酸耗竭治疗方式优劣分析
注：以上主要内容摘自药渡调研报告
参考文献
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