谷氨酰胺代谢重编程调控骨肉瘤发生和发展

Glutamine metabolic reprogramming in regulating the occurrence and development of osteosarcoma

摘要

细胞过度增殖和代谢重编程是癌细胞的重要特征。癌细胞通过改变共同作用的代谢途径促进自身过度增殖和生长。对于糖代谢而言， 即使在有氧条件下多数癌细胞也呈现出葡萄糖摄取增强和乳酸生成增多的现象，即Warburg效应。葡萄糖的高摄取不仅提供能量，还为核苷酸、脂质和蛋白质的生物合成提供必要的碳源。在这一过程中，丙酮酸脱氢酶活性降低，导致三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)受阻，从而加剧癌细胞对其他营养物质的依赖。除了葡萄糖，谷氨酰胺(glutamine，Gln)也是癌细胞生长和增殖所必需的关键代谢底物，既为细胞提供碳源，也提供氮源，支持核糖、非必需氨基酸、柠檬酸盐和甘油的合成，并补偿因Warburg效应导致的氧化磷酸化途径减弱。在人类血浆中，Gln是最丰富的氨基酸之一。正常细胞通过谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)合成Gln，但癌细胞合成的Gln不足以满足其快速增殖的需求，从而导致“Gln依赖”现象。大多数癌症，包括骨肉瘤，对Gln的需求显著增加。代谢重编程帮助癌细胞在维持氧化还原稳态和生物合成中获取生存优势，同时形成独特的代谢表型。聚焦骨肉瘤中Gln代谢的关键酶和转运体，挖掘具有潜力的靶点，可为新药研发提供新的思路与方向。

Abstract

Excessive cellular proliferation and metabolic reprogramming are important characteristics of cancer cells. Cancer cells promote excessive proliferation and growth by altering coordinated metabolic pathways. In terms of glucose metabolism, most cancer cells exhibit increased glucose uptake and lactate production even under aerobic conditions, known as the Warburg effect. Increased glucose uptake not only provides energy but also supplies essential carbon sources for the biosynthesis of nucleotides, lipids, and proteins. During this process, decreased pyruvate dehydrogenase activity leads to disruption of the tricarboxylic acid cycle (TCA), thereby increasing tumor cell dependence on other nutrients. In addition to glucose, glutamine (Gln) is also a key metabolic substrate required for cancer cell growth and proliferation. It provides both carbon and nitrogen sources to support the synthesis of ribose, non-essential amino acids, citrate, and glycerol, and compensates for the reduced oxidative phosphorylation caused by the Warburg effect. In human plasma, Gln is one of the most abundant amino acids. Normal cells synthesize Gln through glutaminase (GLS), but the Gln synthesized by tumor cells is insufficient to meet the demands of rapid proliferation, resulting in “Gln dependence”. Most cancers, including osteosarcoma, show significantly increased demand for Gln. Metabolic reprogramming enables tumor cells to gain survival advantages in maintaining redox homeostasis and biosynthesis while forming unique metabolic phenotypes. Focusing on key enzymes and transporters involved in Gln metabolism in osteosarcoma and identifying potential targets may provide new ideas and directions for drug development.

Graphical abstract

关键词

骨肉瘤 / 谷氨酰胺代谢 / 氨基酸转运体 / 谷氨酰胺酶 / 代谢重编程

Key words

osteosarcoma / glutamine metabolism / amino acid transporters / glutaminase / metabolic reprogramming

骨肉瘤(osteosarcoma，OS)是最常见的原发性恶性骨肿瘤，通常发生于儿童和青少年群体四肢长骨的干骺端，包括股骨远端、胫骨近端、股骨近端和肱骨近端^[1-3]。OS具有较高的肺转移倾向，目前常规治疗效果和预后较差^[4]。尽管采用手术切除和新辅助化疗相结合的治疗方案已在局限性OS患者中取得显著的临床疗效，但化疗耐药和免疫逃逸仍是临床治疗失败的主要原因^[5]。因此，深入探讨OS的机制并寻找更有效的治疗方法具有重要的研究意义和临床价值。

近年来，代谢重编程已成为肿瘤研究的核心议题之一。谷氨酰胺(glutamine，Gln)作为一种非必需氨基酸，在维持细胞代谢稳态和应对应激反应中发挥关键作用^[6]。在多数肿瘤中，尤其是在快速增殖的OS细胞中，Gln不仅作为蛋白质合成的底物，更成为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)中补充中间代谢物、支持核苷酸与脂质合成的重要碳源和氮源，表现出明显的“Gln依赖”现象^[7]。这种代谢适应性变化，即Gln代谢重编程，有助于癌细胞在营养受限的微环境中维持存活与增殖，并与化疗抵抗、免疫逃逸等恶性表型密切相关。

研究^[8]发现，Gln代谢涉及的Gln转运蛋白、谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)、Gln转氨酶和氧化应激等与OS的发生、发展密切相关。因此，针对上述Gln代谢途径和相关机制开展靶向治疗有望为OS治疗提供新的治疗靶点和靶向治疗策略。本文系统梳理OS中Gln代谢的分子机制，重点分析转运蛋白、酶和氧化还原等方面的研究进展，深入探讨Gln代谢在OS中的作用，旨在为进一步理解OS的代谢特征提供理论依据，并为未来研究提供新的思路。

1 癌细胞中Gln代谢的作用和调控

Gln是血浆中最丰富的氨基酸，为细胞提供必需碳/氮源，调控糖、脂、氨基酸及核苷酸代谢，并参与能量代谢，对细胞生长发育起关键作用^[9]。Gln在乳腺癌、结直肠癌、肺癌等多种实体瘤中代谢异常^[10-13]，近年研究^[14]证实该异常同样驱动OS发生、发展。癌细胞中，细胞外的Gln首先通过细胞膜上表达的Gln转运体转运到细胞质内^[15]，随后胞质Gln通过线粒体Gln转运蛋白[溶质载体家族1成员5(solute carrier family 1 member 5，SLC1A5)变体]跨线粒体内膜转运进入线粒体基质(图1)^[16]。Gln在GLS的催化作用下代谢生成谷氨酸，其通过谷氨酸脱氢酶1(glutamate dehydrogenase 1，GLUD1)或线粒体转氨酶[丙氨酸转氨酶2(glutamate pyruvate transaminase 2，GPT2)、天冬氨酸转氨酶1/2(glutamic-oxaloacetic transaminase 1/2，GOT1/2)]直接转化为α-酮戊二酸

(alpha-ketoglutarate，α-KG)参与TCA，为癌细胞异常生长和增殖提供充足的代谢物和能量。线粒体的Gln代谢一方面通过GLUD1途径产生的α-KG直接进入TCA，被氧化成琥珀酸继而生成延胡索酸，促进TCA的运转，并经代谢脱氢进入线粒体呼吸链中氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)产能；另一方面，通过转氨酶途径，将谷氨酸代谢产生丝氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和天冬酰胺等其他氨基酸，这些氨基酸可执行细胞的多种功能。另外，在这些过程中，Gln衍生的氮在核苷酸前体的合成中发挥作用^[17]。已有研究^[18]发现，OS细胞代谢过程中Gln的异常消耗与癌基因表达异常关系密切。Myc是一种常见的致癌基因，它通过转录调控细胞内Gln代谢所需的基因，促进线粒体中Gln的分解。具体而言，Myc上调Gln转运体的表达，并通过调节信使RNA(messenger RNA，mRNA)和蛋白质水平，诱导GLS的表达，从而增强癌细胞分解Gln的能力^[19-20]。在Myc依赖性的OS细胞中，当Myc被抑制时，Gln显著影响细胞的氧气消耗率(oxygen consumption rate，OCR)，Gln代谢受抑制；而当Myc被激活时，这些癌细胞则更加依赖Gln作为主要能量来源^[21]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)是一个丝氨酸/苏氨酸激酶，作为Gln代谢中的关键调控因子，mTORC1通过调节Myc活性促进Gln的分解。Gln的分解又能激活mTORC1，形成一个正反馈环^[22-23]。mTORC1通过降解cAMP响应元件结合蛋白-2(cAMP response element-binding protein 2，CREB2)，抑制去乙酰化酶4(sirtuin4，SIRT4)表达，使得GLUD1不再受到SIRT4的抑制，从而促进癌细胞中线粒体内Gln的氧化脱氢分解代谢，促进肿瘤发生、发展^[24]。因此，SIRT4的表达缺失增强Gln的分解，导致基因组不稳定和肿瘤发生、发展^[25]。但有趣的是，也有实验^[26]证明阻断OS细胞中Gln代谢可导致mTORC1/2信号失衡，从而抑制癌细胞增殖。在小儿OS中，研究人员^[27]分析糖酵解[磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)和乳酸脱氢酶 A(lactate dehydrogenase A，LDHA)]、氧化磷酸化[ATP合酶β亚基(ATP synthase subunit β，ATPB)]、磷酸戊糖途径[葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PDH)]、Gln酵解(GLS)、脂肪酸β氧化[脂肪酸合酶(fatty acid synthase，FASN)]和长链脂肪酸合成[肉碱棕榈酰转移酶1A(carnitine palmitoyltransferase 1A，CPT1A)]中发挥作用的关键酶的表达与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin，mTOR)活性之间的相关性，发现GLS、PFK和ATPB表达与磷酸化mTOR(phosphorylated mTOR，pmTOR)的活性呈正相关，表明mTOR通路的激活与Gln分解代谢和相关的糖脂代谢增强有关。近年研究^[28]表明，转运RNA（transfer RNA，tRNA)除了参与蛋白质翻译过程以外，在细胞代谢稳态调控中也扮演多种重要角色。例如，tRNA Gln(CUG)作为Gln的转运分子，可通过动态感知氨基酰化状态并响应细胞内氨基酸代谢水平的变化。在肿瘤代谢重塑过程中，tRNA的翻译后修饰能通过调控关键代谢酶的表达驱动癌细胞恶性进展。例如，肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)中TAR (HIV-1) RNA 结合蛋白 1[TAR (HIV-1) RNA-binding protein 1，TARBP1]作为tRNA Gm18甲基转移酶，通过增强SLC1A5/ASCT2 mRNA的翻译效率，显著提升癌细胞对Gln的摄取能力，进而激活下游TCA及氧化还原稳态维持通路，最终促进HCC的增殖与侵袭^[29]。与此相类似，在OS中，由甲基转移酶样蛋白1(methyltransferase-like 1，METTL1)和WD重复结构域4(WD repeat domain 4，WDR4)组成的METTL1/WDR4复合物介导的tRNA m7G修饰通过选择性促进致癌mRNA的翻译，不仅可以加速肿瘤增殖，还可以诱导多柔比星耐药性的产生^[30]。这些发现共同揭示了tRNA修饰-翻译-调控代谢重编程轴在肿瘤发生和治疗抵抗中的核心作用。

癌细胞依赖氧化还原稳态抵抗活性氧(reactive oxygen species，ROS)损伤。谷胱甘肽(glutathione，GSH)作为核心抗氧化剂，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸经谷氨酸半胱氨酸连接酶和谷胱甘肽合成酶催化合成，可清除ROS以维持稳态^[31-35]。在抑癌基因p53缺失的OS中，Myc与γ-谷氨酰环转移酶(Gamma-glutamyltransferase，GGCT)启动子结合直接上调GGCT表达，促进GSH合成，增强细胞抗氧化防御能力，驱动OS恶性进展^[36]。谷氨酸和甘氨酸在细胞中含量丰富，而半胱氨酸作为限制性氨基酸需依赖溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11，SLC7A11)/xCT介导的逆向转运系统(以谷氨酸为交换底物)，其转运效率与Gln代谢密切相关，这使得SLC7A11成为调控GSH生物合成的关键因素^[37]。铁死亡是一种由铁依赖性脂质过氧化引发的细胞死亡形式，近年来被广泛认为是调控癌细胞生存和药物耐受的重要机制^[38]。多项研究^[39-45]表明，OS细胞通过调节SLC7A11表达以抑制铁死亡，从而增强其增殖和转移能力。环状RNA驱动蛋白家族成员 4A(circular RNA kinesin family member 4A，circKIF4A)通过海绵化吸附miR-515-5p上调SLC7A11表达，促进OS的生长和转移^[39]。组蛋白去甲基化4A(lysine demethylase 4A，KDM4A)通过控制SLC7A11启动子区的H3K9me3去甲基化调节SLC7A11转录和OS细胞铁死亡^[40]；长非编码RNA lncSNHG14靶向下调miR-206的表达，进一步影响SLC7A11转录，显著提升OS细胞对Nutlin-3a等化疗药物的耐药性^[41]；葡萄球菌核酸酶和tudor结构域1在OS中高表达，可能通过上调SLC7A11表达抑制铁死亡，从而提高OS细胞的活力^[42]；miR-26b-5p通过下调蛋氨酸腺苷转移酶2A(methionine adenosyltransferase 2A，MAT2A)，抑制信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)/SLC7A11轴，诱导铁死亡，从而促进癌细胞的生存和迁移^[43]；超级增强子驱动的Max样蛋白X(Max-like protein X，MLX)转录因子可以上调SLC7A11表达，增加GSH的合成，从而使OS细胞具有更强的抗氧化防御能力^[44]；ZFP36通过调控E2F1/激活转录因子4(activating transcription factor 4，ATF4)信号轴，影响SLC7A11介导的胱氨酸摄取与GSH合成过程，进而促进OS细胞铁死亡和线粒体功能障碍，最终抑制OS恶性进展^[45]。铜死亡是一种依赖铜离子的细胞死亡方式，其机制涉及铜离子在细胞内的积累及其对细胞内重要酶类的毒性作用。在OS中，融合基因RPS27-RPS24增强GLS介导的Gln代谢并抑制铜诱导的细胞死亡，从而促进癌细胞化疗耐药^[46]。此外，抑制Gln代谢后，癌细胞通过GSH转运体和多重耐药性相关蛋白将氧化谷胱甘肽(oxidized glutathione，GSSG)排出细胞外^[47]，并在细胞外降解GSSG^[48]，从而减少GSH的含量。Gln代谢可通过维持还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP)比率以防止GSSG外排，因此Gln是控制细胞GSH平衡的主要氨基酸。最新生物力学研究^[49]表明，机械拉伸刺激人SAOS-2细胞可升高Gln水平进而调节OS细胞的氧化应激稳态，使其对化疗药物阿霉素诱导的死亡变得更加敏感。

2 OS中的氨基酸转运蛋白

必需氨基酸是指人体无法自行合成，必须通过饮食直接获取的氨基酸^[50]。这类氨基酸是构成蛋白质的基本单位，对维持生命活动至关重要。然而癌细胞对必需氨基酸的摄取不足以支撑其代谢需求，需通过大量表达Gln转运蛋白以高效摄取胞外Gln。L型氨基酸转运蛋白(L-type amino acid transporter，LAT)家族是一类钠离子非依赖性氨基酸转运蛋白，主要包括4种亚型：SLC7A5(solute carrier family 7 member 5，LAT1)、SLC7A8(solute carrier family 7 member 8，LAT2)、SLC43A1(solute carrier family 43 member 1，LAT3)及SLC43A2(solute carrier family 43 member 2，LAT4)。在OS细胞中，Gln转运蛋白(SLC7A5、SLC7A8、SLC43A1和SLC1A5)的表达水平与Gln代谢息息相关。研究^[51]表明，这些转运蛋白的高水平表达不仅为癌细胞提供了充足的营养支持，促进其快速增殖，还与OS患者的临床预后不良密切相关。因此，深入研究这些转运蛋白的分子调控机制，已成为探索癌症干预新策略的重要途径。

2.1 SLC7A5(LAT1)

LAT1和LAT2需与辅助亚基4F2hc(也称为CD98)形成异二聚体，才能行使生物学功能，即介导多种中性氨基酸在细胞膜内外的双向转运^[52-53]。在OS中，LAT1显著高表达，主要介导亮氨酸等中性氨基酸的跨膜转运，而LAT2则更常在正常细胞中发挥作用^[54]。这种在转运蛋白表达上的差异，提示LAT1在OS细胞中可能通过调控氨基酸跨膜运输参与癌细胞代谢重编程，是维持其快速增殖的重要分子基础。机制上，Myc转录因子能够直接结合并激活LAT1基因的启动子区域，促进其表达，有助于更多Gln进入细胞^[55]。LAT1作为重要的氨基酸转运体，参与Gln的外排，同时与胞外亮氨酸进行交换转运，从而激活mTORC1信号通路，促进细胞生长与增殖^[56]。例如，在宫颈癌HeLa细胞中，Gln和亮氨酸的协同摄取可有效激活mTORC1信号，抑制细胞自噬过程，表明LAT1在维持肿瘤代谢稳态中起关键作用^[57-58]。研究^[59]显示，LAT1功能受抑时，癌细胞内葡萄糖和Gln的摄取能力显著下降，导致有氧糖酵解效率降低，TCA紊乱，脂质和核酸合成受限，从而抑制细胞的生长、增殖及存活。微RNA(microRNA，miRNA)在LAT1调控中的作用亦日益受到关注。研究^[60]发现，miR-328-3p可通过结合LAT1 mRNA的3'非翻译区(3' untranslated region，3'UTR)，抑制其表达，从而下调mTOR通路活性，提示LAT1参与调控OS细胞的代谢和信号转导，而该过程受到miRNA调控。然而，尽管LAT1表达受到抑制，但其对细胞内外氨基酸整体稳态的影响并不显著，表明癌细胞可能存在代偿机制，以维持氨基酸代谢的动态平衡^[61]。更值得注意的是，LAT1被报道调控肿瘤免疫微环境。LAT1的高表达与程序性死亡受体配体1(programmed death-ligand 1，PD-L1)水平上调密切相关，其沉默不仅抑制PD-L1表达，还可能增强癌细胞对免疫治疗的敏感性^[62]。因此，将LAT1抑制与免疫检查点抑制剂[如程序性死亡受体1(programmed death-1，PD-1)抗体]联合应用，可能为OS临床治疗提供新的治疗策略。

2.2 SLC7A8(LAT2)

SLC7A8是一种双向转运的轻链亚基，通过与重链CD98hc(SLC3A2)形成异二聚体发挥功能^[52]。与LAT1的芳香族氨基酸选择性不同，LAT2的底物谱更为广泛，尤其擅长介导肿瘤微环境中极性氨基酸(如丝氨酸)和小分子中性氨基酸(如丙氨酸)的跨膜运输^[63]。Oncomine数据库的泛癌分析显示，SLC7A8在乳腺癌、结直肠癌等高代谢性肿瘤中显著上调，提示其可能通过支持癌细胞氨基酸代谢重编程参与肿瘤恶性进展^[56]。研究^[64]发现LAT2在OS患者中高表达，其高表达与OS的早期疾病进展显著相关，是预后不良的独立标志物。LAT2能够主动转运多柔比星进入细胞，提示其除氨基酸转运功能外，可能还具有药物转运的潜力。但在某些情况下，LAT2过表达的OS细胞可能通过外排泵激活或DNA损伤修复增强机制诱导耐药。此外，化疗可激活肿瘤相关巨噬细胞分泌白细胞介素-18(interleukin-18，IL-18)，经STAT3信号通路上调LAT2表达，促进Gln和亮氨酸摄取并激活mTORC1-c-Myc轴，诱导免疫检查点CD47高表达。高表达的CD47与巨噬细胞表面的信号调节蛋白α(signal regulatory protein alpha，SIRPA)结合，抑制巨噬细胞的吞噬作用，介导免疫逃逸，导致化疗后LAT2高表达患者5年生存率显著降低^[65]。

2.3 SLC7A1(CAT-1)

SLC7A1(又称CAT-1)是溶质载体家族7成员1，属于阳离子氨基酸转运蛋白，主要介导精氨酸、赖氨酸等阳离子氨基酸的跨膜转运^[66-67]。Liao等^[68]通过单细胞转录组学分析发现，SLC7A1在OS恶性细胞中高度表达，且其表达水平与患者的不良预后密切相关。在构建的SLC相关预后模型中，SLC7A1显示出最高的风险比，提示其在OS的进展中具有关键作用。在分子机制层面，SLC7A1通过促进胞外精氨酸的摄取，激活mTORC1信号通路，增强癌细胞的增殖和侵袭能力。精氨酸营养缺陷型OS在精氨酸饥饿状态下通过上调CAT-1转运蛋白增加氨基酸摄取，这种代谢适应可通过新型分子影像探针[¹⁸F]AFETPPET实现无创动态监测^[69]。高水平的胞内精氨酸有助于GSH的合成，增强癌细胞的抗氧化能力，从而导致对顺铂等化疗药物的耐药性。在OS中，环状RNA hsa_circ_0032462通过吸附miR-488-3p，解除其对SLC7A1的转录抑制，形成hsa_circ_0032462-miR-488-3p/SLC7A1调控轴，从而驱动精氨酸代谢依赖性的恶性肿瘤表型^[70]。此外，SLC7A1的高表达还与肿瘤免疫微环境的免疫抑制状态相关。研究^[68]表明，表达SLC7A1的癌细胞通过与肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages，TAMs)的相互作用，促进其向M2型免疫抑制表型的极化，抑制T细胞的免疫功能，形成有利于肿瘤生长的免疫抑制微环境。深入研究SLC7A1在OS中的作用机制，有望为OS的诊断和治疗提供新的思路和靶点。

2.4 SLC1A5

SLC1A5(又称ASCT2)是中性氨基酸的强制性钠依赖性转运蛋白，可交换天冬酰胺、苏氨酸或丝氨酸^[71]。SLC1A5对Gln具有高亲和力，尤其是在酸性环境中^[72]，可以更有效地将Gln转运到生长于酸性微环境中的癌细胞^[73]。SLC1A5可以与癌基因和/或肿瘤抑制基因相互作用以介导肿瘤进展。癌基因c-Myc作为一种转录因子，可直接结合SLC1A5基因启动子区域，促进其转录表达；而肿瘤抑制基因Rb，可通过抑制E2F转录因子活性，间接下调SLC1A5表达^{[18-19, 74]}。值得注意的是，在143B OS细胞中敲除ASCT2并未显著影响Gln分解或mTORC1信号通路活性，其机制与代偿性上调SLC38A1(SNAT1)和SLC38A2(SNAT2)密切相关^[75]。这一现象与Nicklin等^[57]的研究一致，支持癌细胞通过调控不同氨基酸转运系统以维持其代谢稳态的观点。然而，当细胞面临低Gln压力时，ASCT2缺失的143B细胞表现出Gln依赖性增强、线粒体呼吸抑制及迁移能力显著受损，提示ASCT2在代谢应激下可能通过调控整合素β1-黏着斑激酶(focal adhesion kinase，FAK)信号轴影响细胞运动性。此外，ASCT2在体内和体外的功能可能存在差异。这一现象可能是体内异种移植模型中微环境的复杂性所致，突显了ASCT2在调控细胞迁移和适应微环境中的作用，而在体外培养条件下，这种作用并不明显。

2.5 其他SLC

除了上述几种氨基酸转运蛋白外，SLC7A3、SLC1A1、SLC38A5、SLC3A2和SLC25A22在OS中也有所报道。SLC7A3(也称CAT-3)是一种阳离子氨基酸转运蛋白。SIRPA是一种主要在巨噬细胞和树突状细胞中表达的跨膜蛋白。在OS细胞中，SIRPA通过激活细胞外信号调节激酶通路，抑制特异性蛋白1(specificity protein 1，SP1)的蛋白酶体降解，从而稳定SP1水平。稳定的SP1转录因子结合至SLC7A3基因的启动子区域，促进其转录表达。SLC7A3表达的上调增强了细胞对胞外精氨酸的摄取。值得注意的是，胞内精氨酸反过来也能稳定SP1，形成一个正反馈环路，即“SP1稳态维持环”，该环路在促进OS细胞的迁移过程中发挥关键作用^[76]。

SLC1A1又称兴奋性氨基酸转运体3，是一种高亲和力谷氨酸转运体，负责将谷氨酸从突触间隙转运到神经元中。在一项基于整合基因表达谱鉴定人OS转移相关关键基因的研究^[77]中，SLC1A1的表达在转移性OS组织中显著上调，且高表达与较差的生存预后相关。Cox回归分析提示其可能是OS转移的风险因素。

SLC38A5是钠偶联中性氨基酸转运体家族的一员，其选择性地跨细胞膜转运Gln、天冬氨酸和组氨酸等氨基酸。在OS中，SLC38A5可通过转运Gln激活磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/mTOR信号通路，进而增强固醇调节元件结合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1，SREBP1)/硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-CoA desaturase 1，SCD-1)信号通路，最终抑制OS细胞的铁死亡过程，同时促进细胞的增殖、迁移和侵袭，导致肿瘤在体内生长加速，患者预后不良^[78]。

SLC3A2(也称CD98)通常与SLC7家族的氨基酸转运蛋白形成异二聚体，在细胞膜上发挥作用。在OS中，SLC3A2呈现高表达状态，实验^[79]证实其通过PI3K/Akt信号通路促进癌细胞增殖，降低其表达可抑制OS细胞生长，导致细胞周期停滞在G₂/M期，同时抑制细胞的集落形成能力。

SLC25A22是线粒体转运蛋白家族的成员之一，其在OS组织中高表达，并与患者预后不良相关。SLC25A22通过抑制磷酸酶和张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog，PTEN)表达促进OS细胞的增殖、侵袭和转移^[80]。

综上所述，SLC7A3、SLC1A1、SLC38A5、SLC3A2和SLC25A22等转运蛋白在OS的发生和发展中发挥复杂而重要的作用，研究这些转运蛋白的功能及其机制可能为OS的研究提供新的方向。

3 OS中的Gln相关酶

癌细胞通过上调多种氨基酸转运蛋白(如SLC1A5、SLC7A5等)从血浆中主动吸收Gln，随后Gln在细胞内被转运至线粒体，通过GLS催化脱氨反应转化为谷氨酸^[81]。GLS主要包括肾型GLS1和肝型GLS2两种亚型，二者在组织分布、酶学性质及肿瘤中的功能表现上存在差异。GLS介导的Gln脱氨反应是Gln分解的第1步，也是限速步骤^[82]。其产物谷氨酸不仅可以转化为α-KG进入TCA供能，还可作为合成GSH、非必需氨基酸和核苷酸的重要原料。鉴于其多重代谢功能，GLS在癌细胞代谢中占据核心地位，近年来已成为备受关注的药物研发靶点之一。在机制上，致癌基因Myc通过下调miRNA-23a/23b促进GLS1的表达^[19]。相比之下，GLS2更多参与氧化应激反应的调控，其表达受肿瘤抑制因子p53的正向调节^[83]。在OS中，已有研究^[14]证实GLS表达上调，但其表达水平与临床病理特征(如肿瘤分化程度、转移能力、分期)及患者预后之间的确切关联仍有待更深入的系统性研究。值得注意的是，miRNA作为转录后调控的重要因子，在调节肿瘤代谢中发挥关键作用。研究^[14]发现，miR-141-3p通过直接靶向GLS mRNA，降低其表达，抑制Gln代谢，从而增强OS细胞对顺铂的敏感性。这一机制提示，通过上调miR-141-3p或靶向GLS，可以显著提高顺铂的抗肿瘤效果，为OS化疗提供了新的分子靶点和治疗策略。另一方面，TCA是细胞能量产生与代谢物合成的核心枢纽，在癌细胞中呈现显著的重编程特征。TCA关键中间产物α-KG既是Gln代谢的产物，又是连接多个代谢通路的关键枢纽，参与能量代谢、氨基酸合成等多种重要的生物化学过程。II型Gln转氨酶(transglutaminase 2，TG2)以α-KG为底物，介导其脱酰胺或转氨基反应。通过这些反应，TG2可能会改变细胞内α-KG的代谢流向，进而影响TCA中关键中间代谢物(如草酰乙酸)的供应量，最终影响癌细胞的能量代谢与代谢稳态^[84]。研究^[85]表明，TG2在MG-63细胞中呈高表达，且在低氧条件下通过抑制关键凋亡因子细胞色素c和胱天蛋白酶-3的转运显著降低细胞凋亡率，提示TG2可能是OS治疗中的一个潜在靶点。

4 靶向Gln代谢治疗OS

4.1 靶向Gln转运蛋白

Gln转运蛋白在癌细胞代谢重编程、增殖调控和生存机制中扮演关键角色，成为药理学研究的重要靶点，特别是在阐明其在肿瘤发生、发展中的作用机制及开发针对性干预策略方面。新型酪氨酸类似物JPH203能够选择性地抑制LAT1，而不影响其他类型的LAT。研究^[86]表明，JPH203显著抑制Saos2细胞对L-亮氨酸的摄取，进而抑制细胞增殖和集落形成，并诱导线粒体依赖性凋亡。另一种LAT1抑制剂BCH(Bristol-Myers Squibb)同样表现出显著的抗肿瘤活性，它能够浓度依赖性地抑制OS细胞对L-亮氨酸的摄取，进一步强调了LAT1在癌细胞生长中的关键作用^[54]。值得注意的是，LAT1特异性显像剂3-氟-L-α-甲基酪氨酸(3-fluoro-L-alpha-methyltyrosine，FAMT)在低生理性摄取区域(如脑、骨髓)的恶性肿瘤中呈现选择性浓聚，提示LAT1可作为肿瘤代谢成像的精准生物标志物，在临床前研究中展现出独特的诊断优势^[87]。除了LAT1，靶向其他Gln转运蛋白的药物也显示出治疗潜力。研究^[66]揭示，靶向LAT2可能通过非经典途径调控免疫检查点分子CD47。LAT2的小分子抑制剂(如BCH)在消除CD47介导的肿瘤免疫逃逸中展示了显著的潜力，提示LAT2抑制剂可能在加强免疫系统识别并清除癌细胞方面发挥重要作用。近年来，借助AlphaFold2程序预测的SLC7A1蛋白结构，结合虚拟筛选技术，Liao等^[68]发现小檗碱类生物碱头孢碱(cepharanthine，CPE)具有作为潜在SLC7A1抑制剂的潜力，体外实验表明CPE能够有效抑制SLC7A1介导的精氨酸摄取，抑制OS细胞的增殖，并阻断其诱导M2型巨噬细胞极化的能力。CPE可能通过调节肿瘤免疫微环境，在OS的治疗中发挥潜在的积极作用。此外，利用RNA干扰(RNA interference，RNAi)技术抑制ASCT2、SNAT1、SNAT2和SNAT4等Gln转运蛋白的表达，也可有效抑制OS细胞的增殖^[61]。总而言之，针对Gln转运蛋白的靶向策略，包括开发特异性抑制剂和将其作为诊断标志物，为研究OS的代谢机制提供了新的思路和可能性。OS中提及的氨基酸转运蛋白的选择性抑制剂如表1所示。

4.2 靶向Gln酶

GLS在肿瘤代谢重编程过程中呈现异常高表达，并通过催化Gln水解参与癌细胞增殖调控及恶性进展，已成为肿瘤治疗领域备受关注的药物靶点。尽管单用GLS1选择性抑制剂CB-839对OS细胞增殖的抑制效能存在局限性，但临床前研究^[88]表明，其与代谢调节剂二甲双胍联合应用可产生显著的协同抗肿瘤效应：二甲双胍通过抑制线粒体电子传递链功能，阻断氧化磷酸化途径，从而限制能量供应。为了应对这一能量短缺，OS细胞通过上调Gln分解途径维持能量平衡。然而，在GLS抑制剂CB-839的作用下，这一代谢适应通路被有效阻断，导致TCA中间代谢物供应不足，最终抑制细胞的增殖和存活。该联合治疗策略不仅能有效控制肿瘤的局部生长，还能显著延缓肿瘤的转移进程，提示其具有临床应用前景，尤其是可能使高转移风险的患者获益。基于高通量药物筛选，研究人员^[89]发现YAP1(Yes-associated protein 1)抑制剂CIL56可作为与二氟甲基鸟氨酸(eflornithine，DFMO)联合应用的有前景的候选药物。DFMO虽能通过抑制多胺合成通路发挥抗肿瘤作用，但其亦可诱导YAP1去磷酸化和核转位，继而激活YAP1介导的Gln代谢通路，提升细胞抗氧化能力并降低ROS水平，从而部分削弱其抗癌效应。联合应用YAP1抑制剂CIL56或GLS抑制剂CB-839，有助于进一步增强DFMO的抗肿瘤效应，在体内外实验中均表现出良好的协同治疗效果。此外，手术前的新辅助化疗可显著降低OS中GLS1的表达，有效改善OS患者的保肢治疗效果^[46]。GLS1表达水平越高，患者的生存时间就越短。这些发现为OS的代谢联合靶向治疗提供了新的方向和理论基础。

4.3 靶向氧化还原稳态

在肿瘤代谢调控领域，氧化还原稳态的维持已成为恶性癌细胞生存适应及治疗抵抗的核心机制。作为细胞内最重要的抗氧化防御系统，GSH通过清除ROS帮助癌细胞适应微环境。SLC7A11(xCT)调控细胞内胱氨酸的摄取，进而限制GSH的合成，其表达异常与肿瘤的恶性进展及化疗耐药密切相关。近年来，针对SLC7A11的靶向干预策略在OS研究中取得显著进展，其调控的多条信号通路机制也逐步被揭示。

在天然产物靶向调控方向，紫草素可通过诱导OS细胞线粒体ROS累积，激活缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor 1-alpha，HIF-1α)/血红素氧合酶-1(heme oxygenase-1，HO-1)信号轴，进而抑制SLC7A11介导的胱氨酸摄取与GSH合成，最终诱导OS细胞铁死亡^[90]；重楼总皂苷则依赖SPI1/LCN2(lipocalin-2)信号轴的调控，干预SLC7A11介导的胱氨酸摄取及GSH合成过程，诱导OS细胞铁死亡并抑制其恶性进展^[91]；藤黄酸通过激活P53信号通路、改变铁代谢并扰乱细胞氧化还原平衡，靶向干预SLC7A11功能，最终诱导人OS细胞死亡^[92]；羟红花黄A通过HIF-1α/六碳糖激酶2(hexokinase 2，HK2)代谢轴和SLC7A11的协同调控，实现双通路致死效应，有效抑制OS细胞增殖^[93]；鸦胆子苦醇通过调节Keap1/核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2)/SLC7A11信号通路，诱导OS细胞中的铁死亡^[94]；萝卜硫素通过p62介导的选择性自噬途径，促进SLC7A11蛋白经溶酶体途径降解，从而特异性触发癌细胞铁死亡程序^[95]；天然黄酮类化合物Bavachin则揭示了STAT3/p53信号轴与SLC7A11之间的调控关联^[96]，为氧化还原靶向治疗提供全新思路。

在化学药物与临床候选药物研究层面，丁酸盐可通过转录因子ATF3依赖性调控增强erastin诱导的铁死亡敏感性，显著提升化疗药物对OS的杀伤效应^[97]；抗炎药磺唑吡啶通过Nrf2/SLC7A11/谷胱甘肽过氧化物酶4(glutathione peroxidase 4，GPX4)信号轴触发铁死亡，进而抑制OS细胞的生物活性^[98]；替拉帕扎明可通过SLC7A11介导的脂质过氧化途径诱导铁死亡^[99]，为OS的临床转化研究提供了重要靶点支撑。在OS中靶向SLC7A11的药物如表2所示。

5 结 语

目前，OS代谢靶向相关临床试验严重匮乏，研究与临床转化远滞后于乳腺癌、肺癌等常见实体瘤。因OS在代谢通路和微环境适应机制上具有独特性，其代谢靶向适应证评估与机制探索尚处于初步阶段，现有研究多为Ⅰ/Ⅰb期探索性试验或观察性研究，核心聚焦于Gln代谢靶点(如GLS1抑制剂CB-839单药/联合用药)的OS患者安全性与初步活性评估，而SLC7A11/铁死亡等潜在靶点尚未开展OS特异性临床试验；在观察性/转化研究(如NCT04735289)中，研究者正通过多组学分析解析OS代谢特征与预后关联，为个体化治疗提供依据，但当前试验存在靶点单一、缺乏OS特异性设计及生物标志物缺失等核心问题。未来需聚焦4个方向：一是多组学驱动精准治疗，整合多组学数据解析OS代谢异质性，识别Gln代谢依赖亚型以制定个体化方案；二是创新技术赋能靶点发现与药物开发，利用成簇规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR)-半胱天冬蛋白酶-9筛选代谢依赖靶点，结合AI驱动技术设计多靶点抑制剂；三是调控代谢微环境，深入探究肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associated fibroblasts，CAF)通过转化生长因子β(transforming growth factor-beta，TGF-β)/外泌体非编码RNA重编程OS Gln代谢的机制，开发靶向CAF-肿瘤代谢互作的联合策略；四是加速临床转化，优化天然产物纳米递送系统以提升靶向性与安全性，探索中西医结合辅助治疗的协同价值。综上，通过跨学科合作与技术创新，靶向Gln代谢有望成为OS精准治疗新范式，为患者提供更高效安全的个性化治疗选择，开拓肿瘤治疗新方向。

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基金资助

湖南省自然科学基金(2022JJ30441)

湖南省教育厅优秀青年项目(21B0383)

湖南省卫生健康委一般科研项目(202202023751)

长沙市自然科学基金(kq2202270)

湖南中医药大学“十四五”一级学科基础医学建设项目(202302┫。This work was supported by the Hunan Provincial Natural Science Foundation ┣2022JJ30441)

the Excellent Youth Project of Hunan Provincial Education Department(21B0383)

the General Research Project of Hunan Provincial Health Commission(202202023751)

the Changsha Natural Science Foundation(kq2202270)

the “14th Five-Year Plan” First-Level Discipline Construction Project in Basic Medicine of Hunan University of Chinese Medicine(202302)

RIGHTS & PERMISSIONS

开放获取(Open access)：本文遵循知识共享许可协议，允许第三方用户按照署名-非商业性使用-禁止演绎4.0(CC BY-NC-ND 4.0)的方式，在任何媒介以任何形式复制、传播本作品(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。