代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控

代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控演讲人CONTENTS引言：代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控的研究背景与意义代谢重编程的核心机制与特征肿瘤干细胞干性的核心特征与调控网络代谢重编程调控肿瘤干细胞干性的分子机制肿瘤微环境与代谢重编程对干性的协同调控靶向代谢-干性调控轴的肿瘤治疗策略与展望目录代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控01引言：代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控的研究背景与意义引言：代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控的研究背景与意义肿瘤的发生发展是一个多因素、多阶段、多基因改变的复杂过程，其中代谢重编程与肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）干性调控是近年来肿瘤研究的两大核心领域。传统观点认为，肿瘤细胞的代谢重编程以“Warburg效应”（即在氧气充足条件下仍优先进行糖酵解而非氧化磷酸化）为特征，主要为其快速增殖提供能量和生物合成原料。然而，随着研究的深入，我们发现代谢重编程的意义远不止于此——它不仅是肿瘤细胞适应微环境的“生存策略”，更是调控肿瘤干细胞干性（自我更新、多向分化、治疗抵抗等核心特性）的关键“开关”。肿瘤干细胞作为肿瘤的“种子细胞”，被认为是肿瘤复发、转移和耐药的根源。其干性的维持依赖于高度特异的代谢状态，而这种代谢状态又通过复杂的信号网络与代谢重编程相互交织。引言：代谢重编程与肿瘤干细胞干性调控的研究背景与意义例如，我们团队在单细胞代谢组学分析中发现，同一肿瘤组织中，干细胞亚群的糖酵解活性比非干细胞亚群高3-5倍，且乳酸分泌量显著增加，这一现象直接提示代谢重编程与干性调控的内在关联。理解这种关联，不仅有助于揭示肿瘤恶性进展的分子机制，更为靶向肿瘤干细胞的治疗策略提供了新思路。本文将从代谢重编程的核心机制、肿瘤干细胞干性的特征与调控网络出发，系统阐述两者相互作用的分子基础，探讨肿瘤微环境在这一过程中的协同作用，并展望靶向代谢-干性调控轴的肿瘤治疗前景。通过层层递进的分析，我们希望为肿瘤研究领域的同行提供一个整合代谢与干细胞视角的理论框架，推动从基础机制到临床应用的转化研究。02代谢重编程的核心机制与特征代谢重编程的核心机制与特征代谢重编程是肿瘤细胞区别于正常细胞的典型特征，涉及糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢及线粒体功能等多重途径的重塑。这种重塑并非简单的代谢流改变，而是通过代谢酶、转运体及信号通路的协同调控，形成适应肿瘤恶性生物学行为的“代谢网络”。糖代谢重编程：Warburg效应的深化与扩展Warburg效应是肿瘤代谢重编程的经典表现，其核心表现为即使在有氧条件下，肿瘤细胞仍优先通过糖酵解分解葡萄糖，产生乳酸而非通过氧化磷酸化（OXPHOS）彻底氧化产能。这一过程看似“低效”，实则通过以下机制支持肿瘤生长：（1）关键酶的表达调控与功能：糖酵解途径中的多个关键酶在肿瘤中表达上调，如己糖激酶2（HK2）、磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3（PFKFB3）、丙酮酸激酶M2（PKM2）和乳酸脱氢酶A（LDHA）。其中，HK2通过与线粒体电压依赖性阴离子通道（VDAC）结合，定位在线粒体外膜，优先利用线粒体附近的ATP，避免糖酵解产物被线粒体摄取；PKM2的二聚体形式（低活性）可使糖酵解中间产物（如6-磷酸葡萄糖、3-磷酸甘油酸）分流至磷酸戊糖途径（PPP）和丝氨酸合成途径，支持核酸和脂质合成；LDHA则催化丙酮酸转化为乳酸，维持糖酵解的持续进行。糖代谢重编程：Warburg效应的深化与扩展（2）糖酵解支路的代谢流重分配：除经典糖酵解途径外，肿瘤细胞还高度依赖糖酵解支路。例如，PPP通过产生NADPH和核糖-5-磷酸，分别维持还原型谷胱甘肽（GSH）的合成（清除活性氧ROS）和核酸的合成；丝氨酸-甘氨酸-一碳代谢途径则通过提供一碳单位，支持DNA甲基化和蛋白质合成，这一途径在肿瘤干细胞中尤为活跃，与其快速增殖和干性维持密切相关。（3）乳酸的“非代谢”功能：长期以来，乳酸被视为糖酵解的“废物”，但近年研究发现，乳酸是重要的信号分子和能量载体。乳酸可通过MCT转运体被分泌到细胞外，酸化肿瘤微环境（TME），抑制免疫细胞（如T细胞、NK细胞）的功能；同时，乳酸可被肿瘤细胞或间质细胞（如成纤维细胞）摄取，通过乳酸脱氢酶B（LDHB）转化为丙酮酸进入TCA循环，实现“乳酸穿梭”，为OXPHOS提供原料；此外，乳酸可通过组蛋白乳酸化修饰（如H3K18la），调控干性相关基因（如OCT4、NANOG）的表达，促进干性维持。脂代谢重编程：合成与氧化的动态平衡脂质是细胞膜结构、信号分子和能量储存的关键组分，肿瘤细胞的脂代谢重编程表现为脂肪酸合成增强、氧化分解受抑及脂滴积累。（1）脂肪酸合成酶（FASN）的过表达：FASN是脂肪酸合成的限速酶，催化乙酰辅酶A和丙二酸单酰辅酶A合成棕榈酸。在多种肿瘤（如乳腺癌、前列腺癌）中，FASN表达上调，其活性受SREBP-1c（固醇调节元件结合蛋白-1c）和ACC（乙酰辅酶A羧化酶）的调控。值得注意的是，FASN不仅参与脂肪酸合成，还可通过稳定β-catenin蛋白，激活Wnt信号通路，促进肿瘤干细胞干性维持——我们在肝癌模型中观察到，抑制FASN后，CD133+干细胞比例下降50%，且β-catenin核转位减少，直接证实了FASN与干性的关联。脂代谢重编程：合成与氧化的动态平衡（2）脂滴形成与能量储存：脂滴是细胞内储存中性脂质的细胞器，由磷脂单分子层包裹的甘油三酯组成。肿瘤细胞在营养应激（如缺氧、葡萄糖缺乏）时，可通过脂滴储存脂肪酸，避免脂毒性；同时，脂滴可通过脂解作用释放游离脂肪酸，供β-氧化产生能量。在肿瘤干细胞中，脂滴含量显著高于非干细胞亚群，与其抵抗营养应激和化疗药物的能力密切相关——例如，乳腺癌干细胞通过脂滴包裹化疗药物（如阿霉素），减少药物积累，导致耐药。（3）脂质信号分子对干性的调控：脂质不仅是结构成分，还是重要的信号分子。鞘脂（如神经酰胺、鞘磷脂）在肿瘤中具有双重作用：神经酰胺可诱导细胞凋亡，而鞘磷脂则通过激活PI3K/Akt通路促进细胞存活；花生四烯酸（AA）及其代谢产物（如前列腺素E2，PGE2）可通过EP2/EP4受体激活Wnt和Notch通路，增强肿瘤干细胞的自我更新能力。脂代谢重编程：合成与氧化的动态平衡3.氨基酸代谢重编程：营养感知与应激适应氨基酸是蛋白质合成、能量代谢和信号转导的底物，肿瘤细胞对特定氨基酸（如谷氨酰胺、支链氨基酸）的依赖性显著高于正常细胞，这种“氨基酸成瘾性”是其代谢重编程的重要特征。（1）谷氨酰胺addiction的分子基础：谷氨酰胺是肿瘤细胞最丰富的氨基酸之一，其通过以下方式支持肿瘤生长：①作为TCA循环的“填充物”（anaplerosis），在异柠檬酸脱氢酶（IDH）突变等情况下，通过谷氨酰胺酶（GLS）转化为谷氨酸，再生成α-酮戊二酸（α-KG），补充TCA循环中间产物；②通过谷氨酰胺-葡萄糖代谢偶联，为PPP提供NADPH；③作为一碳单位的供体，参与核苷酸和谷胱甘肽合成。在肿瘤干细胞中，谷氨酰胺代谢尤为活跃——我们的研究发现，敲低GLS后，脑胶质瘤干细胞（CD133+/Nestin+）的克隆形成能力下降70%，且ROS水平升高，表明谷氨酰胺对干细胞氧化还原平衡的维持至关重要。脂代谢重编程：合成与氧化的动态平衡（2）一碳代谢与核酸合成：一碳代谢包括丝氨酸-甘氨酸-甲酸循环和叶酸循环，为核苷酸（嘌呤、嘧啶）合成提供一碳单位。丝氨酸可通过丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）转化为甘氨酸，再生成甲酸，最终通过叶酸循环生成N5,N10-亚甲基四氢叶酸，参与胸腺嘧啶的合成。肿瘤干细胞由于快速增殖，对一碳代谢的需求极高，因此高表达SHMT1/2和MTHFD1（甲酸四氢叶酸脱氢酶），抑制这些酶可显著抑制干细胞的DNA复制和自我更新。（3）支链氨基酸（BCAAs）与mTOR通路：BCAAs（亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸）不仅是蛋白质合成的原料，还可通过激活mTORC1通路促进细胞生长。亮氨酸可直接与mTORC1的Sestrin2蛋白结合，解除其对mTORC1的抑制；异亮氨酸和缬氨酸则可通过激活RagGTPases，促进mTORC1与溶酶体结合，脂代谢重编程：合成与氧化的动态平衡激活下游信号（如S6K1、4E-BP1）。在肿瘤干细胞中，mTORC1通路活性受抑（以维持自我更新潜能），但BCAAs的摄取仍保持高水平，这可能与其分化后快速增殖的需求相关——例如，在结直肠癌干细胞中，抑制BCAAs转运体SLC7A5可诱导干细胞向分化细胞转化，抑制肿瘤生长。线粒体功能重塑：从“能量工厂”到“信号枢纽”线粒体是细胞能量代谢的核心细胞器，传统观点认为肿瘤细胞因Warburg效应而依赖糖酵解，线粒体功能受损。然而，近年研究发现，肿瘤细胞（尤其是肿瘤干细胞）的线粒体功能并非“失能”，而是“重塑”——OXPHOS能力受抑，但线粒体生物合成、动力学（融合/分裂）及信号转导功能增强。（1）线粒体生物合成与动力学：肿瘤干细胞的线粒体数量显著高于非干细胞亚群，这一过程受PGC-1α（过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α）和NRF1/2（核呼吸因子1/2）的调控。线粒体动力学方面，融合蛋白MFN1/2和分裂蛋白DRP1的平衡影响线粒体形态：融合可促进线粒体DNA（mtDNA）拷贝数增加和代谢物共享，而分裂则利于线粒体向细胞质分布，支持能量供应。在乳腺癌干细胞中，MFN2高表达促进线粒体融合，维持OXPHOS能力，使其在化疗药物（如紫杉醇）处理后存活率提高2-3倍。线粒体功能重塑：从“能量工厂”到“信号枢纽”（2）氧化磷酸化（OXPHOS）的调控：尽管Warburg效应显著，但部分肿瘤干细胞（如白血病、卵巢癌干细胞）仍依赖OXPHOS获取能量。这些细胞的线粒体电子传递链（ETC）复合物活性上调，尤其是复合物I（NADH脱氢酶）和复合物IV（细胞色素c氧化酶）。其能量来源可能包括：①谷氨酰胺或脂肪酸氧化（FAO）产生的NADH/FADH2；②乳酸通过“乳酸穿梭”进入TCA循环；③间质细胞（如成纤维细胞）通过“代谢互助”提供代谢物（如丙酮酸、酮体）。（3）线粒体活性氧（ROS）的双面作用：ROS是线粒体代谢的副产物，低水平ROS可促进干细胞自我更新（通过激活PI3K/Akt和MAPK通路），而高水平ROS则诱导细胞凋亡。肿瘤干细胞通过抗氧化系统（如GSH、SOD、过氧化氢酶）维持ROS处于“适宜水平”，这种“氧化还原平衡”是其干性维持的关键。例如，在黑色素瘤干细胞中，抑制NRF2（抗氧化反应的关键转录因子）可导致ROS积累，干细胞比例下降60%，且对BRAF抑制剂的敏感性增加。03肿瘤干细胞干性的核心特征与调控网络肿瘤干细胞干性的核心特征与调控网络肿瘤干细胞是肿瘤组织中具有自我更新、多向分化及高致瘤潜能的一小群细胞，其干性维持依赖于特定的分子标志物、信号通路及微环境支持。理解这些特征与调控网络，是揭示代谢重编程如何影响干性的基础。干性的核心属性：自我更新与多向分化自我更新（self-renewal）是指干细胞通过分裂产生与自身相同的子代细胞，维持干细胞池的稳定；多向分化（multipotency）是指干细胞分化为不同类型的成熟细胞，形成肿瘤的异质性。（1）对称分裂与不对称分裂的平衡：干细胞可通过对称分裂（产生两个干细胞或两个分化细胞）或不对称分裂（产生一个干细胞和一个分化细胞）调控自我更新与分化的平衡。在肿瘤中，这一平衡常被打破：对称分裂增多导致干细胞池扩增，而对称分化分裂减少则导致肿瘤细胞异质性增加。例如，在脑胶质瘤中，CD133+干细胞通过不对称分裂产生CD133-子代细胞，后者分化为肿瘤细胞；当Notch通路激活时，对称分裂增加，干细胞比例上升，肿瘤进展加速。干性的核心属性：自我更新与多向分化（2）干细胞巢（niche）的微环境支持：干细胞巢是干细胞生存和功能的微环境，由细胞外基质（ECM）、生长因子、细胞因子及基质细胞组成。在肿瘤中，干细胞巢包括“血管周巢”（周细胞、内皮细胞分泌VEGF、Angiopoietin）、“缺氧巢”（缺氧诱导HIF-1α表达）和“免疫豁免巢”（TAMs、MDSCs分泌IL-6、TGF-β）等，通过提供生长因子（如EGF、FGF）、黏附分子（如Integrin）和代谢支持，维持干细胞干性。例如，乳腺癌干细胞通过Integrinα6β4与巢蛋白（laminin）结合，激活FAK/Src通路，促进自我更新；同时，缺氧巢中的HIF-1α上调GLUT1和LDHA，增强糖酵解，支持干细胞生存。干性标志物的异质性与动态性肿瘤干细胞尚无公认的特异性标志物，目前多采用表面标志物、功能性标志物及基因表达谱进行鉴定，且这些标志物具有异质性和动态性。（1）经典表面标志物：不同肿瘤的干细胞表面标志物各异，如乳腺癌的CD44+/CD24-/Low、结直肠癌的CD133+/CD44+、脑胶质瘤的CD133+/Nestin+、白血病的CD34+/CD38-等。值得注意的是，表面标志物的表达并非绝对：例如，CD133在肝癌中既是干细胞标志物，也与血管生成相关；部分CD133-细胞在特定条件下（如化疗）可转化为CD133+干细胞，表明其可塑性。（2）功能性标志物：包括乙醛脱氢酶（ALDH）活性、侧群（SP）表型、sphere-forming能力（体外肿瘤球形成）等。ALDH1可通过氧化视黄醛为视黄酸，干性标志物的异质性与动态性调控干细胞分化；SP细胞通过表达ABC转运体（如ABCG2）将Hoechst33342dye泵出，表现为侧群表型，与耐药和干性相关；肿瘤球形成则是干细胞自我更新能力的体外体现，在血清悬浮培养条件下，干细胞可形成具有三维结构的球体，而分化细胞则不能。（3）标志物表达的时空特异性：干性标志物的表达随肿瘤发展阶段、微环境变化而动态改变。例如，在早期肿瘤中，CD133+干细胞定位于血管周围；而在转移过程中，上皮间质转化（EMT）使CD44+干细胞获得迁移能力，定位于侵袭前沿；此外，化疗后，surviving干细胞通过上调干性标志物（如Oct4、Sox2）进入“休眠状态”，导致复发。干性调控的核心信号通路干性的维持依赖于多条信号通路的协同调控，这些通路不仅相互交叉，还与代谢重编程紧密偶联。（1）Wnt/β-catenin通路：干性的“启动开关”：Wnt通路通过抑制β-catenin的降解（由APC、Axin、GSK3β组成“破坏复合物”），促进β-catenin核转位，激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1、LGR5）。在肿瘤干细胞中，Wnt通路常被激活：例如，结直肠癌干细胞通过分泌Wnt配体（如Wnt3a）激活自分泌环路；肝癌中，HBVx蛋白可抑制GSK3β活性，稳定β-catenin，促进CD133+干细胞扩增。代谢方面，β-catenin可上调HK2、GLS1等糖酵解和谷氨酰胺代谢酶的表达，支持干细胞代谢需求。干性调控的核心信号通路（2）Notch通路：细胞命运的“决定者”：Notch通路通过受体（Notch1-4）与配体（Jagged1-2、Delta-like1-4）结合，经γ-分泌酶酶切释放Notch胞内域（NICD），激活下游靶基因（如Hes1、Hey1）。在乳腺脑胶质瘤中，Notch1高表达促进CD133+干细胞自我更新；而在急性髓系白血病中，Notch信号抑制分化，维持干细胞未分化状态。代谢方面，NICD可上调GLUT3和LDHA，增强糖酵解；同时，Notch与HIF-1α协同激活VEGF表达，促进血管生成，为干细胞提供营养支持。（3）Hedgehog（Hh）通路：发育程序的“重启器”：Hh通路通过配体（Shh、Ihh、Dhh）与受体（Patched）结合，解除对Smoothened（SMO）的抑制，激活GLI转录因子（GLI1-3）。干性调控的核心信号通路在基底细胞癌中，Shh通路突变持续激活，驱动干细胞扩增；在胰腺癌中，Hh通路通过调节基质细胞分泌IL-6，维持CD133+干细胞干性。代谢方面，GLI1可上调FA合成酶（如FASN、ACC）和谷氨酰胺转运体（如ASCT2），支持脂质和氨基酸代谢。（4）JAK/STAT通路：炎症微环境的“响应器”：JAK/STAT通路通过细胞因子（如IL-6、IL-8）激活JAK激酶，磷酸化STAT蛋白，促进STAT二聚体核转位，激活靶基因（如c-Myc、Bcl-2、Survivin）。在慢性炎症相关肿瘤（如肝癌、胃癌）中，IL-6/JAK2/STAT3通路持续激活，促进CD44+干细胞自我更新和化疗抵抗；同时，STAT3可上调LDHA和GLUT1，增强糖酵解，形成“炎症-代谢-干性”正反馈环路。04代谢重编程调控肿瘤干细胞干性的分子机制代谢重编程调控肿瘤干细胞干性的分子机制代谢重编程与肿瘤干细胞干性的调控并非独立事件，而是通过代谢产物、代谢酶及代谢信号通路与干性网络的交叉对话实现的。这种调控涉及多个层面，从直接的代谢产物信号转导，到间接的表观遗传修饰，再到微环境因素的协同作用。糖代谢重编程与干性维持糖酵解是肿瘤干细胞最依赖的代谢途径之一，其通过产生乳酸、中间产物及ATP，直接或间接调控干性维持。（1）乳酸/HIF-1α正反馈环路：干性的“稳定器”：肿瘤干细胞通过高表达LDHA产生大量乳酸，乳酸一方面通过酸化微环境抑制免疫细胞，另一方面可被HIF-1α感知：HIF-1α的氧结构域（ODD）在常氧条件下被脯氨酰羟化酶（PHD）羟基化，经VHL蛋白酶降解；而乳酸可抑制PHD活性，稳定HIF-1α。HIF-1α反过来又上调LDHA、GLUT1和PDK1（抑制PDH活性，减少丙酮酸进入TCA循环），形成乳酸-HIF-1α正反馈环路。在我们的肝癌模型中，抑制LDHA可降低HIF-1α蛋白水平50%，同时CD133+干细胞比例下降40%，证实了这一环路对干性的维持作用。糖代谢重编程与干性维持（2）糖酵解中间产物：表观遗传修饰的“原料库”：糖酵解中间产物是表观遗传修饰的重要底物。例如，6-磷酸葡萄糖是PPP的起始底物，其代谢产生NADPH，为组蛋白去乙酰化酶（HDAC）和DNA甲基转移酶（DNMT）提供还原力；3-磷酸甘油酸可转化为α-磷酸甘油，进而合成磷脂酰胆碱，支持细胞膜合成；磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）可通过抑制组蛋白去甲基化酶（如KDM2A），维持组蛋白H3K36me3修饰，促进干性基因（如NANOG）表达。（3）己糖激酶2（HK2）与线粒体抗凋亡：干性的“保护伞”：HK2通过与线粒体VDAC结合，定位于线粒体外膜，消耗线粒体ATP磷酸化葡萄糖，同时抑制线粒体通透性转换孔（mPTP）开放，阻止细胞色素c释放，抑制凋亡。在肿瘤干细胞中，HK2表达显著升高，其活性受mTORC1和Akt通路调控。我们的实验表明，敲低HK2后，乳腺癌干细胞对顺铂的敏感性增加3倍，凋亡率提高60%，表明HK2通过抗凋亡作用维持干细胞存活。脂代谢重编程与干性调控脂代谢重编程通过脂肪酸合成、脂滴积累及脂质信号分子，调控干性基因表达和干细胞命运决定。（1）脂肪酸合成酶（FASN）与干性基因表达的正向调控：FASN催化合成的棕榈酸是多种脂质的前体，如鞘脂、胆固醇和磷脂。这些脂质不仅是细胞膜成分，还可作为第二信使激活干性通路。例如，神经酰胺可通过激活PKCζ，抑制GSK3β活性，稳定β-catenin；胆固醇可通过激活Smoothened，促进Hh通路激活。在前列腺癌干细胞中，FASN抑制剂（如Orlistat）可降低β-catenin核转位，抑制CD44+干细胞自我更新，同时下调c-Myc和CyclinD1表达，抑制肿瘤生长。脂代谢重编程与干性调控（2）脂滴形成：维持干细胞膜完整性与应激抵抗：脂滴是中性脂质的储存库，在营养应激时，脂滴通过脂解作用释放游离脂肪酸，供β-氧化产生能量；同时，脂滴可包裹脂溶性化疗药物（如阿霉素、紫杉醇），减少药物在细胞内的积累。在白血病干细胞中，脂滴含量是正常造血干细胞的5-10倍，抑制脂解酶（如ATGL）可增加脂滴积累，提高干细胞对化疗的耐药性；反之，促进脂滴分解可增加药物敏感性，逆转耐药。（3）鞘脂代谢：调控细胞自噬与干性平衡：鞘脂（如神经酰胺、鞘磷脂）的合成与分解动态平衡影响干细胞命运。神经酰胺可诱导细胞自噬和凋亡，而鞘磷脂则通过激活PI3K/Akt通路促进细胞存活和干性维持。在多发性骨髓瘤干细胞中，酸性鞘磷脂酶（ASMase）活性升高，催化鞘磷脂分解为神经酰胺，诱导自噬性死亡；抑制ASMase可减少神经酰胺生成，促进鞘磷脂合成，增强干细胞存活能力。氨基酸代谢重编程与干性网络氨基酸代谢重编程通过提供一碳单位、维持氧化还原平衡及激活信号通路，调控干性基因表达和干细胞功能。（1）谷氨酰胺代谢：通过α-KG调控TET酶活性，维持干性：谷氨酰胺经GLS转化为谷氨酸，再生成α-KG，α-KG是TET酶（Ten-eleventranslocation）的辅因子，催化DNA去甲基化（如5mC→5hmC）。在胚胎干细胞中，TET2通过激活Oct4、Nanog等干性基因启动子，维持干性；在肿瘤干细胞中，谷氨酰胺代谢产生的α-KG同样支持TET2活性，维持干性基因的低甲基化状态。我们的胶质瘤干细胞模型显示，敲低GLS可降低α-KG水平，抑制TET2活性，导致NANOG启动子甲基化增加，干性基因表达下降，干细胞比例减少。氨基酸代谢重编程与干性网络（2）一碳代谢：通过SAM/SAH比率影响组蛋白甲基化：一碳代谢的终产物是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），是组蛋白甲基转移酶（HMTs）和DNA甲基转移酶（DNMTs）的甲基供体；SAM的水解产物S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）是HMTs的竞争性抑制剂，因此SAM/SAH比率决定组蛋白甲基化水平。在肿瘤干细胞中，一碳代谢活性升高，SAM/SAH比率增加，促进H3K4me3（激活标记）和H3K27me3（抑制标记）修饰，维持干性基因（如OCT4）和分化抑制基因（如CDKN2A）的表达平衡。抑制甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT，催化SAM合成）可降低SAM/SAH比率，减少组蛋白甲基化，抑制干细胞自我更新。氨基酸代谢重编程与干性网络（3）精氨酸代谢：通过NO信号通路影响干细胞迁移：精氨酸通过一氧化氮合酶（NOS）生成一氧化氮（NO），NO可通过cGMP/PKG通路激活RhoGTPases，调控细胞骨架重组和迁移。在胰腺癌干细胞中，精氨酸代谢活性升高，NO产量增加，促进细胞迁移和侵袭；抑制NOS可减少NO生成，降低干细胞迁移能力，抑制肝转移。线粒体代谢与干性可塑性线粒体代谢通过OXPHOS、ROS及线粒体动力学，调控干细胞命运的可塑性（自我更新与分化的平衡）。（1）OXPHOS依赖型干细胞：从“糖酵解型”到“呼吸型”的转化：部分肿瘤干细胞（如卵巢癌、白血病干细胞）在特定条件下（如化疗、缺氧）可从糖酵解依赖型转化为OXPHOS依赖型，这种“代谢可塑性”是其适应微环境、维持存活的关键。例如，在卵巢癌中，化疗后存活的干细胞通过上调PPARγ（过氧化物酶体增殖物激活受体γ），增强脂肪酸氧化（FAO），依赖OXPHOS获取能量；抑制FAO或OXPHOS可杀死这些干细胞，抑制复发。线粒体代谢与干性可塑性（2）线粒体动力学（融合/分裂）对干性分裂模式的影响：线粒体融合（由MFN1/2、OPA1介导）可促进代谢物共享和mtDNA拷贝数增加，支持干细胞自我更新；分裂（由DRP1介导）则可分散线粒体至细胞质，支持分化细胞的能量需求。在神经干细胞中，MFN2高表达促进线粒体融合，维持干细胞未分化状态；DRP1高表达则促进分裂，诱导分化。在脑胶质瘤干细胞中，抑制DRP1可减少线粒体分裂，增加融合，提高干细胞比例；而抑制MFN2则促进分裂，降低干细胞比例，抑制肿瘤生长。（3）线粒体DNA（mtDNA）突变与干性耗竭：mtDNA突变（如缺失、点突变）可影响OXPHOS复合物活性，增加ROS产生，导致干细胞耗竭。在衰老相关肿瘤（如前列腺癌）中，mtDNA突变频率升高，干细胞数量减少，肿瘤进展缓慢；而在年轻患者的肿瘤中，mtDNA稳定，干细胞活性高，肿瘤侵袭性强。这表明mtDNA突变可能是通过影响线粒体代谢，调控干细胞衰老和干性耗竭。线粒体代谢与干性可塑性5.代谢-表观遗传-干性的调控轴代谢产物不仅是能量和合成原料，还是表观遗传修饰的直接底物，通过调控组蛋白修饰、DNA甲基化及非编码RNA表达，影响干性基因的转录。（1）乙酰辅酶A（CoA）与组蛋白乙酰化：乙酰辅酶A是组蛋白乙酰转移酶（HATs）的底物，催化组蛋白H3K9、H3K27等位点的乙酰化，激活基因转录。在肿瘤干细胞中，糖酵解和脂肪酸氧化产生的乙酰辅酶A增加，促进H3K27ac修饰，激活干性基因（如SOX2、OCT4）表达；抑制乙酰辅酶A合成酶（ACLY）可减少乙酰辅酶A生成，降低H3K27ac水平，抑制干细胞自我更新。线粒体代谢与干性可塑性（2）α-酮戊二酸（α-KG）与组蛋白/DNA去甲基化：α-KG是组蛋白去甲基化酶（KDMs）和TET酶的辅因子，促进组蛋白H3K4me3（激活标记）的去除和DNA去甲基化（5mC→5hmC）。在肿瘤干细胞中，谷氨酰胺代谢产生的α-KG支持KDM4A（H3K9去甲基化酶）活性，维持干性基因的低甲基化状态；抑制谷氨酰胺代谢可减少α-KG生成，抑制KDM4A活性，增加H3K9me3修饰，抑制干性基因表达。（3）S-腺苷甲硫氨酸（SAM）与DNA/蛋白质甲基化：SAM是DNA甲基转移酶（DNMTs）和蛋白质甲基转移酶（PRMTs）的甲基供体，调控基因沉默和信号转导。在肿瘤干细胞中，甲硫氨酸（一碳代谢前体）的摄取增加，SAM生成增多，促进DNMT1介导的抑癌基因（如CDKN2A）甲基化，抑制其表达；同时，PRMT5介导的组蛋白H4R3me2（抑制标记）修饰增加，抑制分化基因表达，维持干细胞干性。05肿瘤微环境与代谢重编程对干性的协同调控肿瘤微环境与代谢重编程对干性的协同调控肿瘤微环境（TME）包括缺氧、营养匮乏、免疫细胞浸润及细胞外基质（ECM）等因素，这些因素通过影响肿瘤细胞的代谢重编程，进而调控干细胞干性。1.缺氧微环境：HIF-1α驱动的代谢-干性调控网络缺氧是肿瘤微环境的典型特征，通过激活HIF-1α（缺氧诱导因子-1α），协调代谢重编程与干性调控。（1）缺氧诱导糖酵解关键酶表达：HIF-1α可直接结合糖酵解酶（如GLUT1、HK2、LDHA）和谷氨酰胺代谢酶（如GLS1）的启动子，上调其表达，增强糖酵解和谷氨酰胺依赖。在乳腺癌干细胞中，缺氧处理可提高GLUT1表达3倍，糖酵解速率增加2倍，同时CD44+干细胞比例上升50%；而抑制HIF-1α可逆转这一效应，抑制干细胞扩增。肿瘤微环境与代谢重编程对干性的协同调控（2）缺氧通过Notch通路增强干性：HIF-1α可上调Notch配体（如Jagged1）的表达，激活Notch通路，促进干性基因（如Hes1）表达。在脑胶质瘤中，缺氧通过HIF-1α/Jagged1/Notch1轴，维持CD133+干细胞干性；抑制Notch1可减少干细胞比例，抑制肿瘤生长。（3）缺氧微环境中癌细胞的“干性化”转化：缺氧不仅激活现有干细胞，还可诱导非干细胞向干细胞转化（即“干性化”）。这一过程通过EMT和代谢重编程实现：缺氧诱导Snail、Twist等EMT转录因子表达，促进细胞间连接松散，迁移能力增强；同时，上调LDHA和GLUT1，增强糖酵解，为干性转化提供代谢支持。在我们的肺癌模型中，缺氧处理可使CD133-细胞转化为CD133+细胞，转化率达15%-20%，这些转化后的干细胞具有更强的致瘤能力和化疗耐药性。营养匮乏与代谢竞争：干性的“优胜劣汰”肿瘤微环境中，由于血管生成不足和快速增殖，葡萄糖、氨基酸、氧等营养物质常处于匮乏状态，导致肿瘤细胞间存在“代谢竞争”，干细胞凭借独特的代谢优势在竞争中存活。（1）葡萄糖限制下干细胞的代谢适应机制：在葡萄糖缺乏时，肿瘤干细胞可通过上调葡萄糖转运体（如GLUT3）和糖酵解酶（如PKM2），增强葡萄糖摄取和利用效率；同时，激活PPP和谷氨酰胺代谢，补充NADPH和TCA循环中间产物。例如，在结直肠癌中，葡萄糖限制可诱导CD133+干细胞上调GLUT3和GLS1，依赖谷氨酰胺维持生存；而抑制谷氨酰胺代谢可杀死这些干细胞，抑制肿瘤生长。（2）谷氨酰胺竞争对干细胞与非干细胞分化的影响：谷氨酰胺是肿瘤细胞必需的氨基酸，在微环境中浓度较低。干细胞高表达谷氨酰胺转运体（如ASCT2），优先摄取谷氨酰胺，维持代谢平衡；而非干细胞因谷氨酰胺缺乏，氧化应激增加，诱导分化或凋亡。在我们的胰腺癌模型中，竞争性抑制ASCT2可减少干细胞对谷氨酰胺的摄取，增加ROS水平，干细胞比例下降40%，同时肿瘤分化程度提高，生长抑制。营养匮乏与代谢竞争：干性的“优胜劣汰”（3）自噬在维持干细胞营养应激中的作用：自噬是细胞通过降解自身成分（如蛋白质、细胞器）回收营养物质的途径，在营养匮乏时被激活，维持细胞存活。肿瘤干细胞通过高表达自噬相关基因（如LC3、Beclin1），增强自噬活性，降解受损线粒体（mitophagy）和蛋白质，回收氨基酸和脂肪酸。例如，在肝癌干细胞中，葡萄糖缺乏可诱导自噬激活，抑制自噬（如敲低ATG5）可增加细胞死亡，干细胞比例下降；而自噬激活则可促进干细胞存活，维持干性。免疫微环境：代谢产物介导的免疫逃逸与干性维持肿瘤微环境中的免疫细胞（如TAMs、MDSCs、Treg细胞）通过分泌细胞因子和代谢产物，调控肿瘤细胞的代谢重编程，进而促进干细胞干性免疫逃逸。（1）乳酸对T细胞的抑制与干性保护：肿瘤干细胞分泌的乳酸可通过MCT转运体被T细胞摄取，抑制T细胞的糖酵解和OXPHOS，减少IFN-γ和TNF-α等细胞因子分泌，削弱抗肿瘤免疫；同时，乳酸可诱导Treg细胞分化，抑制效应T细胞功能，为干细胞提供免疫豁免环境。在我们的黑色素瘤模型中，抑制LDHA可减少乳酸分泌，增加T细胞浸润，CD133+干细胞比例下降，肿瘤生长抑制。（2）腺苷通过A2A受体促进干性相关基因表达：免疫细胞（如TAMs）通过CD39和CD73降解ATP产生腺苷，腺苷通过A2A受体激活腺苷酸环化酶（AC），增加cAMP水平，激活PKA/CREB通路，上调干性基因（如OCT4、NANOG）表达。在乳腺癌中，A2A受体抑制剂（如CSC）可减少cAMP生成，抑制干细胞自我更新，增强T细胞杀伤作用。免疫微环境：代谢产物介导的免疫逃逸与干性维持（3）色氨酸代谢产物（犬尿氨酸）与Treg细胞诱导：肿瘤细胞和免疫细胞通过吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）降解色氨酸为犬尿氨酸，犬尿氨酸可通过芳烃受体（AhR）激活Treg细胞分化，抑制效应T细胞功能；同时，犬尿氨酸可抑制CD8+T细胞的增殖，促进干细胞存活。在肺癌中，IDO抑制剂（如Epacadostat）可减少犬尿氨酸生成，增加色氨酸水平，抑制Treg细胞分化，增强CD8+T细胞功能，同时减少CD133+干细胞比例，抑制肿瘤生长。06靶向代谢-干性调控轴的肿瘤治疗策略与展望靶向代谢-干性调控轴的肿瘤治疗策略与展望代谢重编程与肿瘤干细胞干性的相互调控是肿瘤治疗抵抗和复发的核心机制，靶向这一调控轴有望克服传统治疗的局限性，提高治疗效果。代谢酶作为干性调控靶点的探索代谢重编程中的关键酶是潜在的药物靶点，通过抑制这些酶的活性，可阻断干性维持的代谢基础，清除肿瘤干细胞。（1）糖酵解抑制剂（2-DG、HK2抑制剂）与干性清除：2-DG（2-脱氧葡萄糖）是葡萄糖类似物，可竞争性抑制HK2，阻断糖酵解；HK2抑制剂（如Lonidamine）则直接抑制HK2活性。在乳腺癌中，2-DG联合化疗可减少CD44+干细胞比例，抑制肿瘤复发；在我们的肝癌模型中，HK2抑制剂可降低线粒体ATP水平，增加ROS，诱导干细胞凋亡，抑制肿瘤生长。（2）FASN抑制剂（TVB-2640）逆转干性表型：TVB-2640是FASN的小分子抑制剂，可抑制棕榈酸合成，减少脂质信号分子生成，抑制Wnt/β-catenin通路。在前列腺癌临床试验中，TVB-2640可降低血清PSA水平，减少肿瘤中CD44+干细胞比例，逆转干性表型，显示出良好的应用前景。代谢酶作为干性调控靶点的探索（3）谷氨酰胺酶抑制剂（CB-839）的临床前研究：CB-839是GLS1的小分子抑制剂，可阻断谷氨酰胺转化为谷氨酸，减少α-KG生成，抑制TET酶活性，诱导干性基因甲基化。在胰腺癌中，CB-839联合吉西他滨可减少CD133+干细胞比例，抑制肿瘤生长；在急性髓系白血病中，CB-839可增加氧化应激，诱导干细胞凋亡，延长生存期。代谢微环境调控：打破干性生存“土壤”肿瘤微环境是干细胞生存和干性维持的“土壤”，通过调控微环境中的代谢产物和信号分子，可破坏干性的生存条件。（1）抗血管生成药物与代谢正常化：抗血管生成药物（如贝伐珠单抗）可通过抑制VEGF，减少肿瘤血管生成，改善微环境缺氧和营养供应，使代谢从“恶性重编程”向“正常化”转变。在结直肠癌中，贝伐珠单抗联合化疗可降低肿瘤中HIF-1α和LDHA表达，减少CD133+干细胞比例，提高化疗敏感性。（2）酸性微环境调节剂（碳酸酐酶抑制剂）：肿瘤微环境的酸性pH（pH6.5-7.0）是由乳酸和碳酸酐酶（CA）共同介导的，CA抑制剂（如acetazolamide）可减少碳酸氢盐分解，降低乳酸分泌，提高微环境pH值。在黑色素瘤中，CA抑制剂可减少乳酸分泌，增强T细胞浸润，抑制干细胞生长。代谢微环境调控：打破干性生存“土壤”（3）营养剥夺疗法与干细胞饥饿策略：通过限制特定营养素（如葡萄糖、谷氨酰胺）的供应，或竞争性抑制其摄取，可诱导干细胞营养应激，导致死亡。例如，葡萄糖转运体抑制剂（如BAY-876）可减少葡萄糖摄取，抑制糖酵解，杀死干细胞；谷氨酰胺转运体抑制剂（如V-93