Введение

Изучение метаболизма опухоли, также известного как опухолевый метаболом, описывает различные характерные метаболические изменения в опухолевых клетках. Характерными особенностями опухолевого метаболома являются высокая активность гликолитических ферментов, экспрессия изофермента пируваткиназы типа M2, усиленное направление углерода глюкозы в синтетические процессы, такие как синтез нуклеиновых кислот, аминокислот и фосфолипидов, высокая скорость de novo синтеза пиримидинов и пуринов, низкое соотношение аденозинтрифосфата и гуанозинтрифосфата к цитидинтрифосфату и уридинтрифосфату, низкий уровень аденозинмонофосфата, высокая глутамолитическая способность, высвобождение иммуносупрессивных веществ и зависимость от метионина. Хотя связь между раком и метаболизмом была отмечена еще в ранних исследованиях рака Отто Генрихом Варбургом, что также известно как гипотеза Варбурга, существенные исследования в этой области не проводились до конца 1990-х годов из-за отсутствия in vitro моделей опухолей и сложностей в создании бескислородной среды. Недавние исследования показали, что метаболическое перепрограммирование происходит как следствие мутаций в раковых генах и изменений в клеточной сигнализации. Таким образом, изменение клеточного и энергетического метаболизма было предложено в качестве одного из основных признаков рака.

Эффект Варбурга и гликолиз

Высокий уровень аэробного гликолиза (также известный как эффект Варбурга) отличает раковые клетки от нормальных. Преобразование глюкозы в лактат, а не её метаболизм в митохондриях посредством окислительного фосфорилирования (который также может происходить в гипоксических нормальных клетках), сохраняется в злокачественных опухолях, несмотря на наличие кислорода. Этот процесс обычно подавляет гликолиз, также известный как эффект Пастера. Одной из причин этого является нарушение функции митохондрий. Хотя производство АТФ посредством гликолиза может быть быстрее, чем посредством окислительного фосфорилирования, оно значительно менее эффективно с точки зрения количества АТФ, образующегося на единицу потребленной глюкозы. Вместо окисления глюкозы для производства АТФ, глюкоза в раковых клетках преимущественно используется для анаболических процессов, таких как синтез рибозы, гликозилирование белков и синтез серина. Этот сдвиг, следовательно, требует от опухолевых клеток поддержания аномально высокой скорости поглощения глюкозы для удовлетворения возросших потребностей. В связи с этим раковые и стромальные клетки могут симбиотически перерабатывать и максимально эффективно использовать питательные вещества. Гипоксическая адаптация раковых клеток имеет решающее значение для выживания и прогрессирования опухоли. Помимо клеточно-автономных изменений, стимулирующих пролиферацию раковых клеток и способствующих опухолеобразованию, было также установлено, что изменения в метаболизме всего организма, такие как ожирение, связаны с повышенным риском развития различных видов рака.

Роль сигнального пути в метаболизме рака

Белок AKT1 (также известный как протеинкиназа B или PKB) в сигнальном пути PI3K/AKT/mTOR является важным фактором, определяющим гликолитический фенотип опухолей, и стимулирует образование АТФ. AKT1 стимулирует гликолиз, повышая экспрессию и перемещение транспортеров глюкозы на клеточную мембрану, а также фосфорилируя ключевые гликолитические ферменты, такие как гексокиназа и фосфофруктокиназа 2. Это приводит к ингибированию факторов транскрипции семейства forkhead box O, что увеличивает гликолитическую способность. Активированный mTOR стимулирует биосинтез белков и липидов, а также рост клеток в ответ на достаточное поступление питательных веществ и энергии и часто конститутивно активируется при развитии опухолей.

Роль опухолевого супрессора и онкогенов

Помимо своей функции общего гена-супрессора опухолей, p53 также играет важную роль в регуляции метаболизма. p53 активирует гексокиназу 2 (HK2), которая преобразует глюкозу в глюкозо-6-фосфат (G6P), который затем поступает в гликолиз для производства АТФ или в пентозофосфатный путь (PPP). Таким образом, p53 поддерживает макромолекулярный биосинтез, обеспечивая восстановительный потенциал в форме восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH) и/или рибозы, которые используются для синтеза нуклеотидов. p53 ингибирует гликолитический путь, увеличивая экспрессию регулятора гликолиза и апоптоза, индуцированного TP53. Дикий тип p53 поддерживает экспрессию PTEN (гена), который ингибирует PI3K-путь, тем самым подавляя гликолиз. POU2F1 также взаимодействует с p53 в регулировании баланса между окислительным и гликолитическим метаболизмом, обеспечивая устойчивость к окислительному стрессу, который регулирует набор генов, повышающих метаболизм глюкозы и снижающих митохондриальное дыхание. Это оказывает дополнительное влияние при потере p53.

Изоформа M2 пируваткиназы

Пируваткиназа типа M2 или PKM2 присутствует в эмбриональных и взрослых стволовых клетках. Она также экспрессируется многими опухолевыми клетками. Изменения в метаболизме, вызванные PKM2, увеличивают запасы АТФ, стимулируют биосинтез макромолекул и контроль окислительно-восстановительных процессов. Пируваткиназа катализирует стадию гликолиза, генерирующую АТФ, в которой фосфоенолпируват (PEP) превращается в пируват. Это лимитирующая стадия. Она снижает активность гликолиза и позволяет углеводным метаболитам направляться в другие пути, такие как гексозаминный путь, синтез уридиндифосфатглюкозы, синтез глицерола и пентозофосфатный путь (ПФП). Это способствует генерации предшественников макромолекул, необходимых для поддержания пролиферации клеток, и восстановительных эквивалентов, таких как NADPH. В некоторых исследованиях было показано, что MYC стимулирует экспрессию PKM2 по сравнению с PKM1, модулируя сплайсинг экзонов. Также было обнаружено, что PKM2 взаимодействует с остатками аргинина, необходимыми для связывания изоцитрата в активном центре белков IDH1 и IDH2. Некоторые жирные кислоты связаны с приобретением устойчивости к определенным противораковым препаратам. ФАСН, ключевой комплекс, катализирующий синтез жирных кислот, был связан с приобретенной устойчивостью к доцетакселу, трастузумабу и адриамицину при раке молочной железы. Аналогичная устойчивость наблюдалась при врожденной устойчивости к гемицитабину и лучевой терапии при раке поджелудочной железы. Глютаминолиз связан с устойчивостью к цисплатину посредством активации mTORC1-сигналинга при раке желудка.

Метаболические биомаркеры опухолей

NADPH играет важную роль в качестве антиоксиданта, снижая количество реактивных форм кислорода, образующихся при быстром размножении клеток. Показано, что подавление пентозофосфатного пути (ПФП) снижает продукцию NADPH в раковых клетках, что приводит к уменьшению биосинтеза макромолекул и повышает уязвимость трансформированных клеток к повреждению, вызванному свободными радикалами. Таким образом, преимущество, обеспечиваемое экспрессией PKM2, устраняется. В доклинических исследованиях такие препараты, как 6-аминоникотинамид (6-AN), ингибирующий G6P-дегидрогеназу – фермент, инициирующий ПФП, продемонстрировали противоопухолевый эффект в клеточных линиях лейкемии, глиобластомы и рака легких. Циклоспорин ингибирует TOR и используется как эффективный иммуносупрессант. Микофеноловая кислота ингибирует IMPDH и биосинтез пиримидинов и клинически применяется в качестве иммуносупрессанта. Оба препарата также показали противоопухолевую активность в исследованиях на животных.

Глютаминолиз

Использование аминокислоты глутамина в качестве источника энергии облегчается многоступенчатым катаболизмом глутамина, называемым глутаминолизом. Этот энергетический путь активируется при раке, что может представлять собой терапевтическую мишень, поскольку считается, что раковые клетки более зависимы от глутамина, чем здоровые. Это особенно справедливо для определенных типов опухолей с нарушенной метаболической регуляцией, таких как злокачественные опухоли головного мозга (например, глиобластома), несущие мутации в гене IDH1. Эти опухоли используют глутамин или структурно родственную ему аминокислоту глутамат как источник энергии и хемотаксический сенсор в мозге, что повышает их злокачественность и может объяснить высокую инвазивность этих опухолей. [9][10]