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代謝改變是癌癥細(xì)胞的一個(gè)主要特征，核苷酸三磷酸的增加合成和使用是不同癌癥類型和遺傳背景下癌癥細(xì)胞的關(guān)鍵和普遍的代謝依賴性。癌癥細(xì)胞的許多攻擊行為，包括不受控制的增殖、化療抵抗、免疫逃避和轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重依賴于增強(qiáng)的核苷酸代謝。小編今天就通過這篇月前才發(fā)表在nature reviews cancer（IF:69.8）上的文章，為大家介紹核苷酸代謝在腫瘤免疫、轉(zhuǎn)移以及耐藥中的重要作用。
三磷酸核苷酸（NTP）及其脫氧對(duì)應(yīng)物（dNTP）的過度合成和使用是癌癥細(xì)胞的一個(gè)普遍特征，具有高度的藥物敏感性。細(xì)胞內(nèi)核苷酸的超生理豐度有助于癌癥細(xì)胞行為的許多方面，包括不受控制的增殖、免疫逃避、轉(zhuǎn)移和治療抵抗。許多致癌驅(qū)動(dòng)因子已被證明上調(diào)核苷酸生物合成，這表明該表型對(duì)癌基因激活下游的癌癥啟動(dòng)和進(jìn)展至關(guān)重要。癌癥細(xì)胞對(duì)超活性核苷酸合成的依賴反映了這樣一個(gè)事實(shí)，即(d)NTPs對(duì)癌癥細(xì)胞中自身超活性的幾個(gè)基本生物過程起著速率調(diào)節(jié)作用，包括DNA復(fù)制和修復(fù)、轉(zhuǎn)錄、核糖體生物生成和翻譯后蛋白糖基化。
嘌呤和嘧啶核苷酸的合成通過兩種不同的途徑進(jìn)行：從頭途徑和核苷/核堿基挽救途徑，從頭途徑涉及在能量密集的多步酶促反應(yīng)中將小的前體摻入核苷酸中，其中核苷或核堿基分別在單一磷酸化或磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為其同源核苷一磷酸（NMP）。嘧啶和嘌呤的從頭合成和挽救合成存在重大差異，對(duì)于哪些底物可以被挽救以繞過從頭合成的阻斷具有重要意義（圖1）。
核苷酸代謝
嘧啶和嘌呤的合成
嘧啶從頭途徑首先構(gòu)建芳香堿基（乳清酸鹽），然后在磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）依賴性反應(yīng)中添加核糖5-磷酸部分，而嘌呤從頭途徑始于PRPP，并以逐步的方式將芳香堿基構(gòu)建到核糖骨架上。然而，這兩種從頭途徑都需要ATP、谷氨酰胺衍生的氮和天冬氨酸。
嘧啶核苷挽救途徑通過（脫氧）核苷的磷酸化在尿苷-胞苷激酶1（UCK1）和UCK2、脫氧胞苷激酶（DCK）和胸苷激酶1（TK1）和TK2催化的單一ATP依賴性步驟中形成(d)NMP。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，嘧啶核堿基——尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶——不能被PRPP依賴性磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶反應(yīng)挽救，也不能轉(zhuǎn)化為乳清酸鹽進(jìn)入從頭途徑，因此游離嘧啶核堿基不能有效挽救。
嘌呤核糖核苷-腺苷，鳥苷和肌苷-不能轉(zhuǎn)化為其同源NMP，必須首先通過嘌呤核苷磷酸化酶分解代謝為其同源核堿基（腺嘌呤、鳥嘌呤和次黃嘌呤），然后在腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶或次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶催化的PRPP依賴性磷酸核糖轉(zhuǎn)移反應(yīng)中轉(zhuǎn)化為NMP。然而，嘌呤脫氧核苷脫氧腺苷和脫氧鳥苷可以被DCK磷酸化，分別形成dAMP和dGMP——這組反應(yīng)被認(rèn)為是嘌呤核苷-核堿基挽救途徑（圖1）。
核苷酸水平的生理控制
為了進(jìn)行細(xì)胞分裂，靜息細(xì)胞必須將其dNTP和NTP池分別顯著增加5-10倍和至少10倍。盡管就碳和能量而言，從頭核苷酸合成遠(yuǎn)比核苷回收昂貴，但需要迅速擴(kuò)大核苷酸庫以滿足這些需求。增殖細(xì)胞中NTP的濃度約為100?μM至幾毫摩爾，而dNTP濃度通常在10-100的數(shù)量級(jí)?μM，相對(duì)dNTP濃度通常在給定的細(xì)胞類型內(nèi)保持平衡。從頭途徑活性在非增殖細(xì)胞中通常非常低或不存在，并且必須被誘導(dǎo)以產(chǎn)生足夠的(d)NTP用于增殖。許多典型的細(xì)胞增殖驅(qū)動(dòng)因素，如哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶點(diǎn)（mTOR）信號(hào)傳導(dǎo)，增加了關(guān)鍵從頭途徑酶的表達(dá)和活性，包括氨基甲?；姿岷铣擅?、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酰酶和二氫乳清酶復(fù)合物（CAD）。為了確保各種(d)NTP的相對(duì)豐度平衡，關(guān)鍵的從頭途徑酶，如核糖核苷酸還原酶和CAD復(fù)合物組分，在負(fù)反饋環(huán)中被其(d)NTP終產(chǎn)物變構(gòu)下調(diào)。此外，核苷酸合成通過核苷酸分解代謝來平衡，核苷酸分解代謝由核苷酸磷酸化酶啟動(dòng)。這種復(fù)雜的相互作用使細(xì)胞能夠動(dòng)態(tài)地微調(diào)其核苷酸庫，以滿足細(xì)胞分裂的需求。
核苷酸代謝與癌癥
核苷酸合成的致癌激活
(d)NTPs的精確細(xì)胞內(nèi)濃度因細(xì)胞類型、細(xì)胞環(huán)境和培養(yǎng)條件的不同而有很大差異，癌癥細(xì)胞的dNTPs濃度平均比非惡性增殖細(xì)胞高6-11倍，而NTPs含量則高1.25-5倍。許多眾所周知的致癌基因已被證明能促進(jìn)過度活躍的(d)NTP合成，例如，突變型KRAS、PI3K和MYC都是人類癌癥的常見驅(qū)動(dòng)因素，它們促進(jìn)了關(guān)鍵從頭途徑酶的活性和表達(dá)，并通過增加細(xì)胞對(duì)葡萄糖和其他營養(yǎng)素的吸收間接支持從頭途徑流量，以提供所需的ATP、核糖和氨基酸。
相反，據(jù)報(bào)道，功能缺失突變或核苷酸分解代謝酶沉默，如SAM結(jié)構(gòu)域和含HD結(jié)構(gòu)域1，其將dNTP轉(zhuǎn)化為脫氧核苷，可通過防止核苷酸降解增加核苷酸庫。鑒于人類癌癥中普遍存在的核苷酸水平上調(diào)，以及它在各種惡性細(xì)胞行為中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，以及從頭開始的途徑活性對(duì)于大多數(shù)哺乳動(dòng)物組織的體內(nèi)平衡是不必要的，從頭開始的路徑酶是癌癥治療的合理靶點(diǎn)。
抑制(d)NTP合成對(duì)生長(zhǎng)和增殖的影響
核苷酸和脫氧核苷酸是許多合成代謝過程的重要底物，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖至關(guān)重要。因此，使用從頭途徑抑制劑的(d)NTP耗竭會(huì)損害促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的幾個(gè)過程，包括DNA復(fù)制/修復(fù)、核糖體生物發(fā)生和蛋白質(zhì)翻譯、致癌mRNA轉(zhuǎn)錄、翻譯后蛋白質(zhì)糖基化和維持穩(wěn)態(tài)細(xì)胞氧化還原平衡（圖2）。
NTP合成抑制對(duì)DNA復(fù)制和修復(fù)的影響
脫氧胸苷三磷酸（dTTP）是合成DNA所必需的。通過抑制胸苷合酶消耗dTTP導(dǎo)致脫氧尿苷三磷酸（dUTP）的積累和dUTP與dTTP比率的增加。由于DNA聚合酶不能區(qū)分dUTP和dTTP，這導(dǎo)致尿嘧啶的廣泛錯(cuò)誤結(jié)合和大規(guī)模的DNA損傷反應(yīng)，最終導(dǎo)致“無胸腺死亡”。
由從頭途徑抑制引起的dNTP不足導(dǎo)致停滯的DNA復(fù)制叉的積累，這被稱為復(fù)制應(yīng)激。復(fù)制應(yīng)激反應(yīng)和核苷酸合成的聯(lián)合抑制已顯示出對(duì)p53缺陷型實(shí)體瘤、B細(xì)胞急性淋巴細(xì)胞白血病、急性髓細(xì)胞白血病和磷酸酶和緊張素同源物缺陷型乳腺癌的合成致死性。
NTP合成抑制對(duì)核糖體生物發(fā)生和蛋白質(zhì)翻譯的影響
雖然核糖體RNA（rRNA）在所有細(xì)胞中占絕大多數(shù)RNA質(zhì)量，但在癌癥細(xì)胞中經(jīng)常觀察到rRNA質(zhì)量增加和核仁肥大，這有助于過度活躍的蛋白質(zhì)翻譯。盡管DNA合成需要dNTP，但NTP是RNA轉(zhuǎn)錄所必需的，并且使用阻斷dNTP和NTP形成的抑制劑（如DHODH或IMPDH抑制劑）來消耗它們，預(yù)計(jì)會(huì)限制rRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯能力（圖2b）。最近報(bào)道，在多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤腫瘤異種移植物中，需要IMPDH1和IMPDH2的基因缺失或它們使用MPA的藥理學(xué)抑制來抑制rRNA和tRNA的轉(zhuǎn)錄，從而使核仁質(zhì)量和形態(tài)正常化，并抑制腫瘤生長(zhǎng)。
NTP合成抑制對(duì)mRNA轉(zhuǎn)錄和癌癥細(xì)胞分化控制的影響
核苷酸饑餓顯著影響癌癥細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組特征。在一項(xiàng)使用黑色素瘤起始的斑馬魚模型的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)DHODH抑制的效果與Spt5基因缺失引起的效果相似，Spt5是一種RNA聚合酶II（Pol II）相關(guān)因子，對(duì)Pol II從啟動(dòng)子近端暫停狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)性延伸至關(guān)重要（圖2b）。來氟米特對(duì)嘧啶核苷酸的消耗在體外總體上破壞了Pol II的延伸并抑制了關(guān)鍵黑色素瘤驅(qū)動(dòng)基因的表達(dá)，來氟米特對(duì)小鼠的治療抑制了黑色素瘤異種移植物腫瘤的生長(zhǎng)。這些發(fā)現(xiàn)還有待推廣到其他惡性腫瘤。
NTP合成抑制對(duì)翻譯后蛋白糖基化的影響
三磷酸尿苷或三磷酸胞苷是糖基化反應(yīng)中糖部分活化所必需的。因此，嘧啶NTPs的缺失可能會(huì)損害糖基化反應(yīng)。盡管嘧啶缺失下游對(duì)蛋白質(zhì)（和脂質(zhì)）糖基化的總體影響仍有待表征，但這種關(guān)系已被證實(shí)與O-連接的N-乙酰葡糖胺（O-Glc-NAc）的糖基化有關(guān)（圖2c）。O-Glc-NAc修飾發(fā)生在絲氨酸和蘇氨酸殘基上，通常與磷酸化修飾直接競(jìng)爭(zhēng)，并且已經(jīng)證明可以調(diào)節(jié)直接調(diào)節(jié)癌癥進(jìn)展的蛋白質(zhì)的功能和穩(wěn)定性，如MYC。鑒于癌癥中O-Glc-NAcylation的全面上調(diào)以及關(guān)鍵代謝酶、轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳修飾物的調(diào)節(jié)，嘧啶缺乏下游受損的癌癥細(xì)胞O-Glc-NAcylation可能具有多效性后果。
核苷酸代謝改變調(diào)節(jié)ROS穩(wěn)態(tài)
癌癥細(xì)胞必須通過將活性氧（ROS）水平保持在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)來管理氧化應(yīng)激。許多不同的代謝紊亂或基因毒性紊亂的下游，或微環(huán)境的改變的下游，通常是細(xì)胞抗氧化劑NADPH和還原型谷胱甘肽的耗盡，都會(huì)破壞癌癥細(xì)胞ROS的穩(wěn)態(tài)。有趣的是，嘧啶核苷尿苷和脫氧尿苷已經(jīng)成為氧化應(yīng)激的強(qiáng)大緩解劑。最近的研究表明，胞苷脫氨酶（CDA）產(chǎn)生脫氧尿苷會(huì)減弱用他普司加林或吉西他濱處理的胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞中ROS的積累并減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。CDA或DHODH的抑制耗盡了細(xì)胞內(nèi)脫氧尿苷并加重了thapsigargin介導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而補(bǔ)充脫氧尿苷通過減輕氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，使細(xì)胞免于他普司加京毒性（圖2d）。這些發(fā)現(xiàn)表明，核苷庫的重新編程是在治療誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和ER應(yīng)激中存活的重要適應(yīng)機(jī)制。
核苷酸代謝改變導(dǎo)致癌癥細(xì)胞免疫逃避
越來越多的臨床前證據(jù)表明，錯(cuò)亂的癌癥細(xì)胞代謝通過改變腫瘤微環(huán)境的代謝景觀促進(jìn)免疫逃避。例如，增加癌癥細(xì)胞對(duì)葡萄糖和谷氨酰胺的攝取可以剝奪免疫效應(yīng)細(xì)胞的這些營養(yǎng)素，從而抑制其抗癌活性。相反，癌癥細(xì)胞分泌的乳酸或犬尿蛋白可以直接抑制免疫細(xì)胞效應(yīng)器功能。有證據(jù)表明，癌癥細(xì)胞對(duì)核苷酸的改變通過各種機(jī)制促進(jìn)其免疫逃逸。
嘌呤能信號(hào)傳導(dǎo)在免疫和自身免疫中的作用
嘌呤核苷腺苷是一種抗癌免疫抑制劑。腺苷通過細(xì)胞表面腺苷受體的信號(hào)傳導(dǎo)抑制TME中T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、先天免疫細(xì)胞和樹突細(xì)胞的抗癌活性（圖3）。腺苷的產(chǎn)生是一個(gè)有吸引力的治療靶點(diǎn)，因?yàn)樵诟鞣N實(shí)體瘤中都觀察到腺苷在TME中的積聚，并與不良的患者預(yù)后相關(guān)。腺苷的積累可以通過5′-外核苷酸酶CD39和CD73的順序作用分解細(xì)胞外ATP來發(fā)生，CD39將ATP或ADP轉(zhuǎn)化為AMP，CD73將AMP轉(zhuǎn)化為腺苷；這些酶在人類癌癥中經(jīng)常上調(diào)，并與預(yù)后不良有關(guān)。
細(xì)胞外ATP本身是一種強(qiáng)烈的促炎信號(hào)，通常以極高的水平存在于TME中。高濃度的細(xì)胞外ATP通常表明細(xì)胞裂解，因?yàn)锳TP只能在壞死或其他形式的免疫原性細(xì)胞死亡時(shí)大量進(jìn)入細(xì)胞外環(huán)境。凋亡調(diào)節(jié)性T細(xì)胞已被證明釋放大量ATP，然后通過其自身的細(xì)胞表面CD39和CD73將其轉(zhuǎn)化為腺苷，從而通過其自身細(xì)胞死亡引起免疫抑制。這些發(fā)現(xiàn)表明，除了產(chǎn)生細(xì)胞外腺苷外，CD39和CD73還通過清除TME中的ATP來抑制免疫。
轉(zhuǎn)移中的核苷酸代謝
轉(zhuǎn)移是實(shí)體瘤患者大多數(shù)癌癥相關(guān)死亡的主要原因。與轉(zhuǎn)移相關(guān)的轉(zhuǎn)錄特征已經(jīng)得到了很好的研究；然而，癌癥細(xì)胞代謝，特別是核苷酸代謝的作用仍在顯現(xiàn)。這里介紹了這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展（圖4）。
單體GTPase蛋白是最顯著的是RHO GTPase家族成員，在癌癥細(xì)胞轉(zhuǎn)移所必需的幾個(gè)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括遷移、侵襲和細(xì)胞外基質(zhì)降解。研究表明，通過過表達(dá)GMP還原酶（GMPR）或通過抑制IMPDH來消耗GTP庫會(huì)在體外損害黑色素瘤的遷移和侵襲，并可以損害腫瘤異種移植物模型中的轉(zhuǎn)移。相對(duì)于原發(fā)性腫瘤組織，人類轉(zhuǎn)移性黑色素瘤病變經(jīng)常表現(xiàn)出GMPR下調(diào)和IMPDH2上調(diào)，這表明GTP庫增加驅(qū)動(dòng)黑色素瘤轉(zhuǎn)移。
在結(jié)直腸癌小鼠模型中，嘧啶從頭途徑的抑制被證明可以消除肝轉(zhuǎn)移，嘧啶從頭途徑中間體在轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌患者來源的異種移植物組織中大量富集，使用來氟米特治療對(duì)DHODH的抑制持續(xù)減少了該系統(tǒng)中的肝轉(zhuǎn)移。
核苷酸代謝與治療耐藥性
核苷酸合成抑制劑是最早發(fā)現(xiàn)的抗腫瘤藥物之一，仍然是許多癌癥適應(yīng)癥的治療支柱。最近，核苷酸合成在各種大規(guī)模、無偏見的功能基因組和化學(xué)篩選方法以及基于代謝組學(xué)的特定癌癥研究中被多次“重新發(fā)現(xiàn)”為關(guān)鍵的癌癥易損性。但是，癌癥抗藥性是指醫(yī)療干預(yù)無法根除腫瘤或控制腫瘤生長(zhǎng)，可被視為大多數(shù)癌癥死亡的原因。核苷酸代謝與許多癌癥治療的耐藥性有關(guān)，目前其機(jī)制主要包括：
1.內(nèi)源性核苷酸與核苷類似物化療藥物的分子競(jìng)爭(zhēng)；
2.嘧啶dNTP缺失損害DNA修復(fù)對(duì)基因毒性化療的反應(yīng)；
3.(d)NTPs促進(jìn)對(duì)放射治療的耐藥性；
4.(d)NTP合成抑制劑與致癌信號(hào)激酶抑制劑協(xié)同作用；
5.(d)NTP合成抑制劑與細(xì)胞死亡誘導(dǎo)劑協(xié)同作用。
小結(jié)
核苷酸代謝失調(diào)對(duì)不同癌癥類型的幾乎所有惡性細(xì)胞活動(dòng)都有很大影響，除了作為核酸生物生成底物的典型作用外，核苷酸還為癌癥細(xì)胞中高度活躍的一系列過程提供燃料。因此，核苷酸合成抑制劑作為尚未完全實(shí)現(xiàn)的聯(lián)合治療策略的組成部分具有巨大的潛力。藥物開發(fā)活動(dòng)可能會(huì)產(chǎn)生更有效和選擇性的現(xiàn)有臨床藥物靶點(diǎn)抑制劑，并可能使其他關(guān)鍵酶受到臨床藥理學(xué)控制。這些發(fā)展對(duì)醫(yī)學(xué)的影響將超越腫瘤學(xué)，并將為治療感染、自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性綜合征和其他疾病開辟新的途徑。所以，還等什么呢，抓住核苷酸代謝這個(gè)角度，想要利用生信分析快速hold住的小伙伴，抓緊上車~
