以免疫检查点抑制剂为代表的肿瘤免疫治疗方法,在多种肿瘤治疗中取得突破性进展
[1]。但临床应用中疗效提升和耐药性问题凸显
[2]。肿瘤微环境(tumor micro-environment,TME)代谢改变是限制肿瘤免疫治疗的重要因素
[3-5],肿瘤细胞通过快速增殖和代谢重编程,重塑自身及周围环境,导致TME中营养匮乏、代谢产物积累和微环境改变
[4,6-7],既影响肿瘤细胞的生长,又影响免疫细胞的分化和功能,导致免疫治疗耐受和不良反应增多
[4,6,8]。
甲硫氨酸(methionine,Met)代谢改变是肿瘤免疫代谢的重要特征。Met作为必需氨基酸,是多种生物合成途径的起点和关键底物,深刻影响TME的免疫抑制特性及抗肿瘤免疫应答
[9]。大多数肿瘤细胞因内源性Met合成不足,对外源性Met存在成瘾性
[9],因此需要通过其他途径如多胺代谢补充Met,以适应TME中的代谢压力,但这会导致肿瘤免疫治疗耐受
[10]。研究表明,Met代谢还可通过调控肿瘤细胞表面程序性死亡配体-1(programmed cell death ligand 1,PD-L1)的甲基化水平影响免疫检查点分子功能。研究发现,蛋白质精氨酸甲基转移酶5(protein arginine methyltransferase 5,PRMT5)可介导PD-L1甲基化,增强其蛋白稳定性,但损害了CD8
+ T细胞的抗肿瘤免疫,这为Met代谢与免疫检查点调控的交叉机制提供新证据
[11]。
1 甲硫氨酸的代谢途径
Met在大多数植物和微生物中的合成途径已完全解析,主要涉及从头合成途径和硫同化过程
[12]。哺乳动物缺乏从头合成Met的完整酶系,主要依赖饮食摄入和体内的代谢循环获取Met。Met代谢主要通过甲硫氨酸循环(methionine cycle)和转硫途径(transsulfuration pathway)进行(
图1)。首先,Met由甲硫氨酸腺苷转移酶(methionine adenosyltransferase,MAT)催化,生成S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)。SAM是重要的甲基供体,在提供甲基后,生成S-腺苷高半胱氨酸(S-adenosylhomocysteine,SAH),其在S-腺苷高半胱氨酸水解酶(S-adenosylhomocysteinase,SAHH)的催化下生成高半胱氨酸(homocysteine,Hcy)。Hcy在甲硫氨酸合成酶(methionine synthetase,MS)的催化下,再生成Met,完成循环。在转硫途径中,Hcy在胱硫醚-β-合成酶(cystathionine-β-synthase,CBS)的催化下,与丝氨酸生成胱硫醚,再经胱硫醚-γ-裂解酶(cystathionine-γ-lyase,CSE)的作用裂解生成半胱氨酸(cysteine,Cys)和α-酮丁酸(α-ketobutyric acid)。Cys可进一步参与谷胱甘肽(glutathione,GSH)的合成,或分解生成硫化氢(hydrogen sulfide,H
2S)等物质。参与Met代谢的关键酶活性异常会导致Met代谢紊乱,影响细胞的甲基化状态、氧化还原平衡和能量代谢等,在肿瘤发生发展过程中起到重要的作用。
2 肿瘤发生发展过程中甲硫氨酸代谢改变
Met作为一种必需氨基酸,在细胞的多种生理过程中扮演着至关重要的角色。越来越多的研究表明,Met代谢重编程是肿瘤发生发展和免疫逃逸的关键特征之一,对肿瘤免疫治疗产生深远影响
[8]。不同类型肿瘤的甲硫氨酸代谢改变见
表1。
2.1 脑瘤中甲硫氨酸代谢改变
胶质母细胞瘤等恶性脑瘤通过高表达氨基酸转运蛋白(如SLC7A5/SLC43A2复合物)来增强Met摄取
[13]。SLC43A2等转运蛋白影响免疫细胞的代谢功能
[14],在Met摄取和蛋白质甲基化修饰中发挥重要作用
[15]。脑瘤细胞异常的甲基化模式与肿瘤的恶性进展直接相关,如H3K27M突变驱动的弥漫性中线胶质瘤对甲硫氨酸腺苷转移酶2A(methionine adenosyltransferase 2A,MAT2A)高度依赖,抑制该酶可降低SAM水平,干扰表观遗传调控并抑制肿瘤生长
[16]。
2.2 肺癌中甲硫氨酸代谢改变
非小细胞肺癌(non⁃small cell lung cancer,NSCLC)通过上调转运蛋白高效跨膜摄取Met,高表达MAT2A使SAM水平升高,支持通过甲基化沉默抑癌基因,促进肿瘤进展
[17]。高表达的异柠檬酸脱氢酶1(isocitrate dehydrogenase 1,IDH1)激活丝氨酸生物合成途径,为一碳单位循环提供原料,间接支持Met再生,维持肺癌干细胞特性及化疗耐药性
[18]。
2.3 甲状腺癌中甲硫氨酸代谢改变
甲状腺癌细胞依赖于MYC-SLC7A5轴的激活,高表达SLC7A5,增加细胞外Met的摄取,尤其是在酸性TME中,SLC7A5的高表达与甲状腺癌的恶性程度和转移潜能密切相关
[19]。有报道显示,甲状腺癌中MAT2A过表达促进SAM生成和甲基化反应,这与甲状腺乳头状癌的侵袭能力相关,MAT2A的间接调控也影响甲状腺癌细胞的甲基化能力
[20]。
2.4 食管癌中甲硫氨酸代谢改变
大部分Met代谢相关通路中的关键酶和SLC43A2基因在食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)中高表达,限制Met或敲减SLC43A2可抑制ESCC细胞的迁移和侵袭
[21],增强免疫治疗效果。
2.5 乳腺癌中甲硫氨酸代谢改变
不同的乳腺癌细胞系对Met的依赖性不同,其中磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸 3-激酶催化亚基α(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase catalytic subunit α,PIK3CA)突变株对Met依赖性最强。乳腺癌细胞高表达SLC7A11,增加细胞外Met的摄取
[22]。研究表明,TME缺氧与三阴性乳腺癌(triple-negative breast cancer,TNBC)的进展及治疗耐药密切相关
[23]。TNBC中EMSY蛋白促进Met摄取支持肿瘤干细胞的自我更新
[24]。
2.6 胃癌中甲硫氨酸代谢改变
胃癌细胞上调SLC7A5的表达增加Met摄取,表现出显著的Met依赖性。胃癌组织中MAT2A高表达,其活性受转录因子和翻译后修饰调控
[25]。胃癌患者的血浆中SAM水平上调,SAH下调,SAM/SAH的比值随疾病的进展而升高,这种失衡可能促进甲基化反应,影响基因表达
[26]。
2.7 肝癌中甲硫氨酸代谢改变
肝癌细胞中存在MAT1A向MAT2A的特异性转换,即肝脏特异性的MAT1A 表达下调,非肝脏特异性的MAT2A表达上调
[27-28]。这种转换导致催化Met生成SAM的酶活性增强,SAM水平升高。MAT2A的启动子在肝癌中呈现低甲基化状态,这使得其转录活性进一步增强
[28]。
2.8 胰腺癌中甲硫氨酸代谢改变
胰腺癌通过上调SLC7A11增强Met摄取,促进GSH合成,抵抗铁死亡,而SLC7A11的高表达与化疗耐药及免疫逃逸相关
[29]。胰腺癌中MAT2A高表达,催化Met生成SAM的酶活性增强,SAM水平升高,SAH水平下降,影响甲基化反应
[30]。
2.9 结直肠癌中甲硫氨酸代谢改变
结直肠癌细胞上调SLC7A5增加Met的跨膜摄取。SLC7A5的功能依赖于CD98细胞表面抗原,两者共同介导Met的跨膜转运,激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)信号通路,促进肿瘤细胞增殖和侵袭
[31]。结直肠癌组织中,MAT2A高表达,其活性受SAM和甲基硫代腺苷(methylthioadenosine,MTA)的负反馈调控
[32]。
2.10 肾癌中甲硫氨酸代谢改变
肾癌细胞在缺氧微环境中上调SLC7A5增加Met的跨膜摄取
[33]。烟酰胺N-甲基转移酶(nicotinamide N-methyltransferase,NNMT)在肾癌细胞中高表达,其活性依赖于SAM,NNMT消耗SAM而降低整体甲基化潜力,且NNMT高表达与不良预后显著相关
[34]。
2.11 膀胱癌中甲硫氨酸代谢改变
膀胱癌上调SLC7A5增加Met的跨膜摄取,因此SLC7A5高表达
[35]。2023年8月,研究发现在顺铂耐药的膀胱癌细胞(如T24-CR)中,MAT2A表达上调,SAM水平升高,促进DNA甲基化及GSH合成,增强肿瘤细胞的抗氧化能力和化疗耐药性
[36]。
2.12 卵巢癌中甲硫氨酸代谢改变
癌相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts,CAFs)中NNMT的高表达是卵巢癌代谢重编程的核心事件。高级别浆液性癌(high-grade serous carcinoma,HGSC)中,CAFs中NNMT的异常激活消耗SAM,降低SAM/SAH比值,直接削弱细胞整体的甲基化能力
[37]。研究表明,卵巢癌转移灶基质中的NNMT表达水平与患者预后呈负相关,抑制NNMT活性可逆转CAFs的促肿瘤表型
[37]。
2.13 宫颈癌中甲硫氨酸代谢改变
HPV16两个主要的癌基因,E6和E7,通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1),促进Met代谢,导致SAM水平下降。研究显示,宫颈癌患者的叶酸水平显著低于健康对照,叶酸缺乏与宫颈癌风险增加相关
[38]。DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)活性升高导致SAM过度消耗,如宫颈癌中抑癌基因启动子区的高甲基化与SAM水平下降直接相关
[39]。
2.14 前列腺癌中甲硫氨酸代谢改变
在前列腺癌中,MAT2A和MAT2B高表达,促使Met被MAT代谢生成SAM,导致SAM水平升高
[40]。同时,CBS和CSE的活性可能影响GSH的合成,调节细胞的抗氧化应激能力,这在前列腺癌的微环境适应中起重要作用。前列腺癌细胞释放的Hcy可促进基质成纤维细胞活化,增强肿瘤的侵袭能力
[41]。
2.15 黑色素瘤中甲硫氨酸代谢改变
黑色素瘤是一种高度侵袭性的皮肤癌,约50%的患者携带BRAF V600E突变,该突变异常激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)/细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)信号通路,促进癌细胞增殖
[42]。在携带BRAF V600E突变的黑色素瘤中,抑制MAT2A可以显著降低SAM水平,减缓肿瘤细胞增殖。其次,BRAF抑制剂治疗后,黑色素瘤细胞上调CSE活性,促进Hcy向Cys转化,同时抑制CBS,生成H
2S和多硫化物,帮助细胞抵抗氧化应激和药物诱导的凋亡
[43]。
2.16 淋巴瘤中甲硫氨酸代谢改变
淋巴瘤细胞中MAT2A的表达下调,SAM合成减少
[44]。叶酸-甲硫氨酸代谢通路中关键酶的基因多态性与滤泡性淋巴瘤风险相关,可能影响甲基供体供应以促进肿瘤发生
[45]。
2.17 白血病中甲硫氨酸代谢改变
白血病细胞MAT2A的表达和活性发生异常,表现为急性髓系白血病抑制MAT2A的RNA剪接,增加SAM合成,影响DNA和组蛋白甲基化
[46]。在急性早幼粒细胞白血病中,抑制SAM依赖的甲基转移酶,诱导白血病细胞凋亡
[47]。
3 甲硫氨酸代谢改变对免疫细胞的影响
TME中Met代谢改变不仅影响肿瘤细胞,还深刻影响浸润其中的免疫细胞的功能。免疫细胞的激活、增殖、分化及效应功能的发挥,都高度依赖自身的代谢状态及对TME中营养的获取。当Met被肿瘤细胞大量消耗或其代谢产物失衡时,可能抑制免疫细胞功能,引发免疫逃逸和免疫治疗抵抗。Yang LM等
[8]强调,氨基酸代谢改变与肿瘤生长、转移和治疗耐药性紧密相关,因为其控制着各种免疫细胞的命运,其中游离氨基酸浓度、膜结合转运蛋白、关键代谢酶及mTOR、一般性调控阻遏蛋白激酶2(general control non-derepressible 2,GCN2)等传感器对免疫细胞分化和功能起着关键作用。Met在TME中的水平直接影响免疫细胞,特别是T细胞的代谢健康和效应功能。
3.1 甲硫氨酸代谢改变对单核/巨噬细胞的影响
肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAMs)是TME中最丰富的免疫细胞之一,易被诱导为免疫抑制性M2表型,促进肿瘤生长、血管生成和免疫逃逸
[48]。Met缺乏或其代谢异常可能驱动巨噬细胞向M2表型极化。此外,巨噬细胞分泌多种细胞因子和趋化因子来塑造TME。Met代谢失衡可能影响蛋白质的合成和分泌,改变TME的免疫抑制性。如Chang J等
[49]发现铜沉积在聚多巴胺纳米结构中可以促进TAMs的重极化,缓解肿瘤免疫抑制微环境。
3.2 甲硫氨酸代谢改变对抗原递呈细胞的影响
Met代谢重编程通过调控表观遗传修饰、细胞代谢活性和免疫信号通路,影响抗原递呈细胞(antigen-presenting cells,APCs)。Met缺乏会影响SAM依赖的甲基化反应,抑制浆细胞样树突状细胞(plasmacytoid dendritic cells,pDCs)的发育。如Met缺乏导致小鼠脾脏中pDCs比例下降,补充SAM可逆转这一现象。从机制上看,pDCs的发育依赖于特定基因区域的高甲基化状态,Met缺乏降低SAM水平,导致关键基因去甲基化,抑制pDCs分化。在树突状细胞(dendritic cells,DCs)中,Met缺乏抑制T细胞激活
[50]。
3.3 甲硫氨酸代谢改变对NK细胞的影响
自然杀伤细胞(natural killer cell,NK)在肿瘤免疫监视和清除中发挥重要作用,无需预先致敏即可识别并杀伤肿瘤细胞,但在TME中面临代谢挑战
[51]。Met代谢与碳代谢和氧化磷酸化过程相关,其缺乏可能导致NK能量不足,抑制细胞毒性。NK通过释放含有穿孔素和颗粒酶的细胞溶解颗粒来杀伤靶细胞,这些颗粒的合成和运输需要蛋白质和脂质的精确调控,而Met参与脂质代谢途径,所以Met不足可能会影响这些关键效应分子的合成和包装。此外,Met缺乏可能会限制NK分泌细胞因子协调适应性免疫反应的能力。
3.4 甲硫氨酸代谢改变对MDSCs的影响
骨髓来源抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)在TME中具有强大的免疫抑制功能,其上调精氨酸酶1(arginase 1,ARG1)和一氧化氮合酶2(nitric oxide synthase 2,NOS2)的活性,消耗L-精氨酸,抑制T细胞的活化,及分泌趋化因子、炎性因子等募集调节性T细胞(regulatory T cells,Tregs),促进肿瘤免疫逃逸
[52]。Lu Q等
[3]指出,纳米颗粒可以通过抑制MDSCs来重塑TME,增强免疫治疗效果。Wang Z等
[53]发现,重编程细胞衰老可以减少TME中的MDSCs。
3.5 甲硫氨酸代谢改变对CD8+ T淋巴细胞的影响
CD8
+ T淋巴细胞通过分泌干扰素-γ(interferon-γ,IFN-γ)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等细胞因子以及表达穿孔素和颗粒酶等效应分子来杀伤肿瘤细胞
[54]。Met供应不足可能限制T细胞产生这些免疫效应分子的能力。Huang MY等
[55]发现,CD155/TIGIT免疫检查点抑制磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)/mTOR信号通路来破坏CD8
+ T淋巴细胞的葡萄糖代谢,减少细胞因子产生。PI3K/PKB/mTOR通路受到Met水平的影响,因此,Met代谢异常可能通过类似机制影响T淋巴细胞产生细胞因子的能力。
3.6 甲硫氨酸代谢改变对CD4+T淋巴细胞的影响
Met代谢改变通过表观遗传和代谢重编程双重机制调控CD4
+ T淋巴细胞的分化与功能。CD4
+T细胞可以通过与共刺激分子的相互作用或分泌细胞因子,为CD8
+T细胞提供关键支持,增强其细胞毒性功能和存活时间,并调节TME。此外,细胞毒性CD4
+T细胞已被证实能够通过颗粒酶和穿孔素介导的途径,直接诱导肿瘤细胞的凋亡
[56]。高水平的Hcy可激活T细胞分泌促炎细胞因子如IFN-γ。相反,Met缺乏则会抑制mTOR通路,减少CD4
+ T细胞的增殖及其IFN-γ等细胞因子的分泌
[57]。在TME中,转硫途径失调导致GSH水平下降,活性氧(reactive oxygen species,ROS)积累,抑制T细胞功能并促进衰竭表型
[58]。
3.7 甲硫氨酸代谢改变对B淋巴细胞的影响
浆细胞高表达氨基酸转运体CD98,通过Met循环生成SAM支持抗体分泌,Met缺乏或抑制MAT2A会减少浆细胞数量及抗体分泌。B细胞抗原受体(B-cell receptor,BCR)的Igα精氨酸甲基化是由蛋白质精氨酸甲基转移酶1(protein arginine methyltransferase 1,PRMT1)催化的,这一过程依赖于SAM,其抑制PI3K通路,促进B细胞分化,因此Met代谢可通过调控BCR信号强度影响B细胞活化方向
[59]。
4 甲硫氨酸代谢改变及其靶点研究
4.1 SHMT及其靶点药物研究
丝氨酸羟甲基转移酶(serine hydroxymethyltransferase,SHMT)作为叶酸代谢的限速酶,支持核苷酸合成和甲基化反应,在肿瘤发生发展和免疫调控中发挥重要作用。研究发现SHMT2在多种恶性肿瘤中高表达
[60],促进核苷酸合成,加速肿瘤细胞增殖。目前针对SHMT的靶向药物研发已取得重要进展,SHIN1和SHIN2等特异性抑制剂能有效阻断SHMT1/2的酶活性,在临床前研究中显示出显著的抗肿瘤效果。此外,传统化疗药物培美曲塞通过间接影响SHMT通路发挥治疗作用
[61]。
4.2 MTHFD及其靶点药物研究
亚甲基四氢叶酸脱氢酶(methylenetetrahydrofolate Dehydrogenase,MTHFD)家族是一碳代谢的关键酶,在核苷酸合成和甲基化反应中发挥核心作用。该家族包括MTHFD1(胞质型)、MTHFD2(线粒体型)和MTHFD1L等亚型,其中MTHFD2在多种恶性肿瘤中异常高表达,与肿瘤增殖、转移和不良预后密切相关,为嘌呤和胸苷酸合成提供必需的一碳单位,维持氧化还原平衡。近年研究发现,MTHFD2在肿瘤干细胞和化疗耐药细胞中表达显著上调
[62],可能通过调控表观遗传修饰和氧化应激反应促进肿瘤进展。针对MTHFD的靶向药物研发已取得重要突破,如小分子抑制剂TH9619和DS44960156能特异性抑制其活性
[63],在动物模型中显示出显著的抗肿瘤效果且毒性较低,在克服化疗耐药和增强免疫治疗方面展现出重要潜力
[63]。
4.3 TYMS及其靶点药物研究
胸苷酸合成酶(thymidylate synthase,TYMS)是DNA合成补救途径中的关键酶,在肿瘤靶向治疗领域具有重要研究价值。TYMS催化脱氧尿苷酸(deoxyuridylic acid,dUMP)甲基化生成脱氧胸苷酸(deoxythymidylic acid,dTMP),为DNA复制和修复提供必需的胸腺嘧啶核苷酸。TYMS在结直肠癌、胃癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤中过表达,其表达水平与肿瘤增殖活性、化疗耐药性和不良预后显著相关
[64]。基于TYMS的靶向药物研发有直接酶抑制剂(如5-FU),其疗效与TYMS表达水平、表观遗传调控和基因多态性相关
[65]。
4.4 DNMT1及其靶点药物研究
DNMT1是表观遗传调控的核心酶,是催化DNA甲基化的关键酶,在肿瘤发生发展和靶向治疗中具有关键作用。DNMT1在多种恶性肿瘤中异常高表达,导致抑癌基因启动子区异常高甲基化而失活
[66]。针对DNMT1的靶向药物有核苷类似物(如5-氮杂胞苷和地西他滨)和非核苷类小分子抑制剂(如GSK-3484862和GSK-3685032)
[67]。
4.5 GNMT及其靶点药物研究
甘氨酸N-甲基转移酶(glycine N-methyltransferase,GNMT)是Met代谢的关键调节酶,催化SAM与甘氨酸反应生成肌氨酸和SAH,调控SAM/SAH比值,影响叶酸代谢和表观遗传修饰。GNMT在肺癌中低表达,其缺失导致SAM/SAH比值升高,促进DNA甲基化及癌基因激活
[68];其在前列腺癌等部分肿瘤中高表达,可能是通过调控氧化应激反应支持肿瘤进展。靶向GNMT的基因治疗和小分子调节剂有待深入研究。
5 结语
本文聚焦于Met代谢重编程在肿瘤免疫治疗中的研究进展,描述了肿瘤细胞通过上调Met转运蛋白和关键酶,增强Met摄取的过程,影响肿瘤及其治疗的相关因素,并说明了不同肿瘤细胞中Met代谢的改变。Met代谢重编程通过限制免疫细胞的营养供给及抑制T淋巴细胞功能等方式,共同构建了免疫抑制微环境。目前,针对SHMT、MTHFD等一碳代谢酶及DNMT1等甲基转移酶的抑制剂研发已取得进展。未来应继续深入解析Met介导肿瘤-免疫代谢相互作用,攻克其在促进肿瘤代谢异质性、信号通路交叉调控等方面的机制难题,开发基于Met代谢的精准免疫治疗药物和临床诊疗策略。
国家自然科学基金面上资助项目(82272925)
上海交通大学医学院研究型医师双百人资助项目(20240815)