闫存玲，主任技师，现任北京大学第一医院检验科副主任。学术兼职: 北京医学会检验医学分会委员及生化学组副组长，北京医师协会检验专科医师分会理事兼肿瘤实验诊断学组副组长，中国分析测试协会标记免疫分析专业委员会常委兼临床评价学组副组长，中国中西医结合学会检验医学专业委员会肿瘤分子诊断专家委员会副主任委员，CNAS医学实验室技术评审员，《中华检验医学杂志》和《检验医学与临床》杂志审稿专家，全国卫生人才评价领域专家等。
刘旭骏，博士，助理研究员。天津医科大学毕业获学士学位，2017年获北京大学医学部硕士学位，2020年获北京大学医学部博士学位，现就职于北京大学第一医院检验科。参加多项国家自然科学基金资助课题，以第一作者或共同作者在国内外杂志发表论文10篇。主要研究方向包括表观遗传修饰和肿瘤发生发展的分子生物学机制研究以及新型临床肿瘤标志物筛查。
代谢重编程是细胞为了应对各种刺激压力而做出的代谢改变，是癌症的主要特征之一，不同的肿瘤之间存在着代谢异质性并导致代谢药物对不同肿瘤的疗效差异，在肿瘤从癌前病变组织发展成局部浸润至转移的过程中代谢表型及代谢依赖性都在发生改变[1]。因此，深入了解代谢重编程的分子机制对于肿瘤药物治疗至关重要。
三羧酸（tricarboxylic acid cycle，TCA）循环，也称为柠檬酸循环或克雷布斯循环，是由一系列酶促反应组成的闭环反应。多种代谢物进入TCA循环，构成细胞新陈代谢的中心。TCA循环作为蛋白质、脂质和葡萄糖三大营养物质的代谢枢纽，在肿瘤代谢重编程中发挥着重要作用。接下来简要介绍一下TCA循环相关蛋白在肿瘤中的作用。
柠檬酸合成酶（citrate synthase，CS）是TCA循环的限速步骤之一[2]。有研究发现CS在多种肿瘤中表达升高且酶活性异常，例如卵巢癌、肝癌和胰腺癌等[3, 4]。值得注意的是，CS的酶活性在肝癌中明显增强。此外有研究证实，在肝癌细胞中敲低CS后，能明显抑制细胞的增殖能力[5]。肝脏是人体代谢最旺盛的器官，尤其是糖代谢和脂肪代谢，CS基因表达和活性的提升可以为膜脂质合成提供细胞质底物，促进细胞的增殖。
乌头酸酶（aconitase，ACO）存在两种同工酶的形式，ACO1和ACO2，其中ACO1定位于细胞质，而ACO2定位于线粒体。ACO1和ACO2分别在细胞质和线粒体中催化柠檬酸异构为异柠檬酸的可逆反应。研究证实，ACO2在肿瘤中通常表达下调，例如在胃癌中ACO2的表达水平与患者的临床分级和预后呈负相关，这提示ACO2可能作为胃癌预后的标志物[6]。
异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）家族由三种同工酶IDH1、IDH2和IDH3组成，他们能够将异柠檬酸氧化脱羧为α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）。IDH1定位于细胞质和过氧化物酶体中，依赖NADP+催化异柠檬酸氧化成α-KG。IDH2定位于线粒体，并且其酶活性和IDH1一样。IDH1和IDH2均是同源二聚体，而IDH3定位于线粒体内，是由两个α亚基（IDH3A），一个β亚基（IDH3B）和一个γ亚基（IDH3G）组成的[7]。依赖NAD+的IDH3催化异柠檬酸转化为α-KG，作为TCA循环的第二个限速酶。研究发现IDH1和IDH2突变经常发生在神经胶质瘤中，但很少发生在其他肿瘤中[8]。突变型IDH1或者IDH2可以生成R-2-羟基谷氨酸（R-2-hydroxyglutarate，R-2-HG），R-2-HG通过竞争性抑制α-KG，从而抑制依赖α-KG的TET双加氧酶的酶活性，最终导致5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，hmC）水平降低，最终导致部分抑癌基因表达水平降低[9]。
α-酮戊二酸脱氢酶复合物（oxoglutarate dehydrogenase complex，OGDC）是TCA循环的第三个限速酶，通过催化α-KG的氧化脱羧反应生成琥珀酰辅酶A。这个复合体由三个亚基组成，包括α-酮戊二酸脱氢酶（oxoglutarate dehydrogenase，OGDH）、二氢脂酰胺琥珀酰转移酶（dihydrolipoamide S-succinyltransferase，DLST）和二氢硫辛酸脱氢酶（dihydrolipoamide dehydrogenase，DLD）。DLST参与MYC介导的T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL），敲低DLST可以导致人T-ALL细胞系细胞活力下降并诱导凋亡。同时DLST下调会导致α-KG大量积累以及琥珀酰辅酶A的减少，而外源补充下游代谢产物琥珀酸足以挽救敲低DLST引起的细胞活力缺陷，由此证明DLST引起的α-KG和琥珀酰辅酶A的代谢异常影响T-ALL细胞的增殖[10]。
琥珀酰辅酶A连接酶（succinate-CoA ligase，SUCL），定位于线粒体基质，可以催化琥珀酰辅酶A生成琥珀酸和CoA的可逆反应，其正向反应能够催化TCA循环中的底物水平磷酸化，其反向反应能够补充用于酮体分解代谢和卟啉生物合成的琥珀酰辅酶A。在哺乳动物中，已经鉴定出两种亚型：一种是ADP／ATP特异型亚型，另一种是GDP／GTP特异型亚型。SUCL由高度保守的α亚基和决定ATP与GTP特异性的β亚基组成。在心脏和骨骼肌等高需氧的组织中，主要表达的是ATP特异性β亚基（SUCLA2），而在肝脏等具有生物合成作用的组织中，GTP特异性β亚基（SUCLG2）是优先表达的[11]。在雄激素剥夺疗法后的前列腺癌患者体内SUCLG2被LIF／LIFR/STAT3轴异常激活，表达上调的SUCLG2大量生成琥珀酸，促进前列腺癌发生伴神经内分泌分化，最终发展为神经内分泌前列腺癌[12]。
琥珀酸脱氢酶（Succinate Dehydrogenase，SDH）复合物定位于线粒体内膜，由SDHA、SDHB、SDHC和SDHD四个亚基组成。这个高度保守的琥珀酸脱氢酶复合体能够催化琥珀酸氧化为富马酸。同时将FAD还原为FADH2，随后将电子转移至泛醌。SDH是唯一能同时参与TCA和电子传输链的酶，也被称为线粒体电子传递链复合物II。有研究表明SDH不同亚基的突变与琥珀酸积累有关，并且会造成遗传性副神经节瘤和嗜铬细胞瘤[13]。因此，SDH被视为经典的抑癌基因。此外，在其他多种肿瘤中，例如甲状腺癌、胃肠道癌、神经母细胞瘤、肾和卵巢癌中也发现了SDH基因的突变[14]。SDHA和SDHB基因在肝癌中表达下调，SDHB低表达会导致细胞代谢活动从有氧呼吸转变为糖酵解，并与晚期肿瘤低生存率密切相关[15]。有研究证实，SDHC的缺失通过激活NF-κB信号通路，促进肝癌细胞生长和迁移[16]。
富马酸水合酶（FH）存在于细胞质和线粒体中，能够催化富马酸向苹果酸的可逆转化。线粒体中的FH能参与TCA循环，而细胞质中的FH则参与其他代谢通路，例如尿素和嘌呤核苷酸循环。FH同样作为抑癌基因发挥作用，抑制FH表达会导致线粒体内富马酸积累，而大量的富马酸则通过抑制脯氨酰羟化酶的酶活性，从而稳定缺氧诱导因子1（hypoxia inducible factor-1，HIF-1）的水平[17]。HIF-1水平升高会激活致癌基因，促进血管生成和葡萄糖代谢[18]。FH的突变会导致富马酸的积累，从而抑制TET双加氧酶的酶活性。在副神经节瘤中，TET双加氧酶的酶活性减弱会促进肿瘤细胞的侵袭性[19]。
苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase，MDH）存在两种同工酶，MDH1存在于细胞质中，MDH2存在于线粒体内。这两种酶均依赖NAD+催化苹果酸和草酰乙酸的可逆反应。MDH2除了作为线粒体TCA循环的一部分，还可以将由MDH1产生并通过线粒体内膜的苹果酸转化为草酰乙酸，同时将NAD+还原为NADH，用于线粒体氧化呼吸电子传输链。在肿瘤细胞中，糖酵解和氧化磷酸化状态可以维持NAD+/NADH比值的稳态，MDH作为这两者之间的桥梁，其表达水平常作为恶性肿瘤的标志物[20]。此外，在前列腺癌中抑制MDH2的酶活性也可用改善癌细胞对化疗药物的抗性[21]。
基于TCA循环在肿瘤发生发展中的重要作用，目前已开发出多种靶向药物。例如ML309作为IDH1突变的竞争性抑制剂，它与α-KG依赖性酶竞争活性位点，减少胶质母细胞瘤中R-2-HG的水平。AG-221是IDH2的选择性小分子抑制剂，AG-881是突变型IDH1和IDH2的抑制剂，能够完全穿透血脑屏障发挥作用[22]。成纤维细胞生长因子受体（FGFR）抑制剂单独使用或者与舒尼替尼（sunitinib）联合使用被发现可以抑制SDH缺陷型胃肠道间质瘤生长[23]。
越来越多的研究发现，TCA循环除了存在于线粒体外，还有部分蛋白存在于细胞核内[24, 25]。组蛋白乙酰化、琥珀酰化、甲基化以及DNA甲基化等表观遗传修饰均需要TCA循环产生的各种代谢产物，如乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶A、α-KG等，这也提示我们细胞核内的TCA循环在肿瘤中也有可能通过调控表观遗传修饰来参与肿瘤发生发展的进程，为寻找肿瘤预后标志物与研发新型分子靶向药物提供了新的思路。不过目前对于TCA循环，尤其是细胞核内的TCA循环参与肿瘤代谢重编程的分子机制仍不明确，还需继续深入研究，研发更多的靶向药物，造福癌症患者。
参考文献
Sun L, Zhang H, Gao P. metabolic reprogramming and epigenetic modifications on the path to cancer. Protein Cell, 2022, 13(12): 877-919.
Wiegand G, Remington SJ. Citrate synthase: structure, control, and mechanism. Annu Rev Biophys Biophys Chem, 1986, 15: 97-117.
[3] Chen L, Liu T, Zhou J, Wang Y, Wang X, Di W, Zhang S. Citrate synthase expression affects tumor phenotype and drug resistance in human ovarian carcinoma. PLoS One, 2014, 9(12): e115708.
Schlichtholz B, Turyn J, Goyke E, Biernacki M, Jaskiewicz K, Sledzinski Z, Swierczynski J. Enhanced citrate synthase activity in human pancreatic cancer. Pancreas, 2005, 30(2): 99-104.
Zhang J, Baddoo M, Han C, Strong MJ, Cvitanovic J, Moroz K, Dash S, Flemington EK, Wu T. Gene network analysis reveals a novel 22-gene signature of carbon metabolism in hepatocellular carcinoma. Oncotarget, 2016, 7(31): 49232-49245.
Wang P, Mai C, Wei YL, Zhao JJ, Hu YM, Zeng ZL, Yang J, Lu WH, Xu RH, Huang P. Decreased expression of the mitochondrial metabolic enzyme aconitase (ACO2) is associated with poor prognosis in gastric cancer. Med Oncol, 2013, 30(2):552.
Ramachandran N, Colman RF. Chemical characterization of distinct subunits of pig heart DPN-specific isocitrate dehydrogenase. J Biol Chem, 1980, 255(18):8859-8864.
Anderson NM, Mucka P, Kern JG, Feng H. The emerging role and targetability of the TCA cycle in cancer metabolism. Protein Cell, 2018, 9(2):216-237.
Xu W, Yang H, Liu Y, Yang Y, Wang P, Kim SH, Ito S, Yang C, Wang P, Xiao MT, Liu LX, Jiang WQ, Liu J, Zhang JY, Wang B, Frye S, Zhang Y, Xu YH, Lei QY, Guan KL, Zhao SM, Xiong Y. oncometabolite 2-hydroxyglutarate is a competitive inhibitor of alpha-ketoglutarate-dependent dioxygenases. Cancer Cell, 2011, 19(1):17-30.
Anderson NM, Li D, Peng HL, Laroche FJ, Mansour MR, Gjini E, Aioub M, Helman DJ, Roderick JE, Cheng T, Harrold I, Samaha Y, Meng L, Amsterdam A, Neuberg DS, Denton TT, Sanda T, Kelliher MA, Singh A, Look AT, Feng H. The TCA cycle transferase DLST is important for MYC-mediated leukemogenesis. Leukemia, 2016, 30(6): 1365-1374.
Johnson JD, Mehus JG, Tews K, Milavetz BI, Lambeth DO. Genetic evidence for the expression of ATP- and GTP-specific succinyl-CoA synthetases in multicellular eucaryotes. J Biol Chem, 1998, 273(42):27580-27586.
Lin SR, Wen YC, Yeh HL, Jiang KC, Chen WH, Mokgautsi N, Huang J, Chen WY, Liu YN. EGFR-upregulated LIFR promotes SUCLG2-dependent castration resistance and neuroendocrine differentiation of prostate cancer. Oncogene, 2020, 39(44):6757-6775.
Baysal BE, Ferrell RE, Willett-Brozick JE, Lawrence EC, Myssiorek D, Bosch A, van der Mey A, Taschner PE, Rubinstein WS, Myers EN, Richard CW, 3rd, Cornelisse CJ, Devilee P, Devlin B. Mutations in SDHD, a mitochondrial complex II gene, in hereditary paraganglioma. Science, 2000, 287(5454):848-851.
Bardella C, Pollard PJ, Tomlinson I. SDH mutations in cancer. Biochim Biophys Acta, 2011, 1807(11):1432-1443.
Shimizu T, Inoue K, Hachiya H, Shibuya N, Shimoda M, Kubota K. Frequent alteration of the protein synthesis of enzymes for glucose metabolism in hepatocellular carcinomas. J Gastroenterol, 2014, 49(9):1324-1332.
Li J, Liang N, Long X, Zhao J, Yang J, Du X, Yang T, Yuan P, Huang X, Zhang J, He X, Xing J. SDHC-related deficiency of SDH complex activity promotes growth and metastasis of hepatocellular carcinoma via ROS/NFkappaB signaling. Cancer Lett, 2019, 461:44-55.
Isaacs JS, Jung YJ, Mole DR, Lee S, Torres-Cabala C, Chung YL, Merino M, Trepel J, Zbar B, Toro J, Ratcliffe PJ, Linehan WM, Neckers L. HIF overexpression correlates with biallelic loss of fumarate hydratase in renal cancer: novel role of fumarate in regulation of HIF stability. Cancer Cell, 2005, 8(2):143-153.
Pollard PJ, Briere JJ, Alam NA, Barwell J, Barclay E, Wortham NC, Hunt T, Mitchell M, Olpin S, Moat SJ, Hargreaves IP, Heales SJ, Chung YL, Griffiths JR, Dalgleish A, McGrath JA, Gleeson MJ, Hodgson SV, Poulsom R, Rustin P, Tomlinson IP. Accumulation of Krebs cycle intermediates and over-expression of HIF1alpha in tumours which result from germline FH and SDH mutations. Hum Mol Genet, 2005, 14(15):2231-2239.
Wong CC, Qian Y, Yu J. Interplay between epigenetics and metabolism in oncogenesis: mechanisms and therapeutic approaches. Oncogene, 2017, 36(24):3359-3374.
Mansouri S, Shahriari A, Kalantar H, Moini Zanjani T, Haghi Karamallah M. Role of malate dehydrogenase in facilitating lactate dehydrogenase to support the glycolysis pathway in tumors. Biomed Rep, 2017, 6(4):463-467.
Liu Q, Harvey CT, Geng H, Xue C, Chen V, Beer TM, Qian DZ. Malate dehydrogenase 2 confers docetaxel resistance via regulations of JNK signaling and oxidative metabolism. Prostate, 2013, 73(10):1028-1037.
Han CH, Batchelor TT. Isocitrate dehydrogenase mutation as a therapeutic target in gliomas. Chin Clin Oncol, 2017, 6(3):33.
Flavahan WA, Drier Y, Johnstone SE, Hemming ML, Tarjan DR, Hegazi E, Shareef SJ, Javed NM, Raut CP, Eschle BK, Gokhale PC, Hornick JL, Sicinska ET, Demetri GD, Bernstein BE. Altered chromosomal topology drives oncogenic programs in SDH-deficient GISTs. Nature, 2019, 575(7781):229-233.
Liu X, Si W, He L, Yang J, Peng Y, Ren J, Liu X, Jin T, Yu H, Zhang Z, Cheng X, Zhang W, Xia L, Huang Y, Wang Y, Liu S, Shan L, Zhang Y, Yang X, Li H, Liang J, Sun L, Shang Y. The existence of a nonclassical TCA cycle in the nucleus that wires the metabolic-epigenetic circuitry. Signal Transduct Target Ther, 2021, 6(1):375.
Wang Y, Guo YR, Liu K, Yin Z, Liu R, Xia Y, Tan L, Yang P, Lee JH, Li XJ, Hawke D, Zheng Y, Qian X, Lyu J, He J, Xing D, Tao YJ, Lu Z. KAT2A coupled with the alpha-KGDH complex acts as a histone H3 succinyltransferase. Nature, 2017, 552(7684):273-277.