靶向一碳代谢：抗肿瘤代谢治疗策略-1

靶向一碳代谢：抗肿瘤代谢治疗策略演讲人CONTENTS靶向一碳代谢：抗肿瘤代谢治疗策略一碳代谢的生物学基础：核心通路与生理功能肿瘤中一碳代谢的重编程机制：驱动因素与特征靶向一碳代谢的抗肿瘤策略：从基础到临床临床转化挑战与未来方向总结与展望目录01靶向一碳代谢：抗肿瘤代谢治疗策略靶向一碳代谢：抗肿瘤代谢治疗策略在我的研究领域中，代谢重编程一直是肿瘤生物学的前沿热点。近年来，随着对肿瘤代谢特征认识的不断深入，一碳代谢作为连接氨基酸、核苷酸和甲基化代谢的核心枢纽，逐渐成为抗肿瘤治疗的重要靶点。作为一名长期从事肿瘤代谢基础与转化研究的科研工作者，我深刻体会到：靶向一碳代谢不仅是对肿瘤“代谢弱点”的精准打击，更是通过重塑肿瘤微环境、逆转免疫抑制状态，实现“多效性”抗肿瘤效应的创新策略。本文将从一碳代谢的生物学基础出发，系统阐述其在肿瘤中的重编程机制，深入分析靶向一碳代谢的现有策略与挑战，并展望未来临床转化的方向与潜力。02一碳代谢的生物学基础：核心通路与生理功能一碳代谢的生物学基础：核心通路与生理功能一碳代谢是指生物体内一碳单位（如甲基、亚甲基、甲酰基等）的生成、转运和利用的代谢网络，其核心功能是为细胞提供核苷酸合成的前体物质、维持氧化还原平衡以及参与表观遗传修饰。这一代谢网络并非独立存在，而是与氨基酸代谢（丝氨酸、甘氨酸、蛋氨酸）、叶酸代谢、核苷酸代谢紧密偶联，形成精密的调控体系。1一碳代谢的核心通路与关键酶一碳代谢的核心通路包括叶酸循环、丝氨酸-甘氨酸代谢、蛋氨酸循环以及一碳单位跨线粒体转运系统，各通路通过关键酶协同作用，维持代谢流的动态平衡。1一碳代谢的核心通路与关键酶1.1叶酸循环叶酸循环是一碳代谢的中心环节，其核心载体是四氢叶酸（THF）。在细胞质中，丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT1）催化丝氨酸与THF反应，生成甘氨酸和5,10-亚甲基-THF（5,10-MTHF），后者是核苷酸合成的关键一碳供体。5,10-MTHF在亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）作用下还原为5-甲基-THF，用于蛋氨酸循环中的甲基化反应；或在亚甲基四氢叶酸脱氢酶（MTHFD1）作用下氧化为10-甲酰基-THF，参与嘌呤核苷酸的从头合成。线粒体中，SHMT2催化相同的反应，生成的5,10-MTHF通过甲酸载体（AHCY）或甲酸转运蛋白（FTCD）转运至细胞质，或在线粒体中直接用于胸苷酸合成酶（TYMS）催化胸苷酸合成。1一碳代谢的核心通路与关键酶1.2丝氨酸-甘氨酸代谢丝氨酸是一碳代谢的重要前体，其来源包括外源性摄取（通过SLC1A4/5转运体）、内源性合成（3-磷酸甘油酸脱氢酶PHGDH催化）以及甘氨酸的逆转录反应。在肿瘤细胞中，丝氨酸不仅是5,10-MTHF的生成底物，还通过丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）转化为甘氨酸，后者进一步在线粒体中通过甘氨酸裂解系统（GCS）分解为CO₂、NH₃和5,10-MTHF，或用于谷胱甘肽（GSH）的合成以维持氧化还原平衡。1一碳代谢的核心通路与关键酶1.3蛋氨酸循环蛋氨酸循环是细胞甲基化反应的主要供体来源。蛋氨酸在S-腺苷蛋氨酸合成酶（AHCY）作用下转化为S-腺苷蛋氨酸（SAM），后者作为通用甲基供体参与DNA、RNA、蛋白质和脂质的甲基化修饰；甲基化后生成的S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）被水解为同型半胱氨酸和腺苷，同型半胱氨酸在蛋氨酸合成酶（MTR）作用下，以5-甲基-THF为甲基供体重新生成蛋氨酸，形成循环。1一碳代谢的核心通路与关键酶1.4一碳单位跨线粒体转运线粒体是一碳代谢的重要“工厂”，其生成的5,10-MTHF需转运至细胞质参与核苷酸合成。这一过程主要通过两种方式实现：一是甲酸依赖途径，5,10-MTHF在线粒体中由MTHFD2催化生成甲酸，通过甲酸转运蛋白（FTCD）输出至细胞质，再在细胞质中由MTHFD1催化生成5,10-MTHF；二是甲酸非依赖途径，5,10-MTHF通过线粒体膜上的载体蛋白直接转运，但效率较低。2一碳代谢的生理功能一碳代谢的三大核心功能是支持细胞增殖、维持氧化还原平衡和调控表观遗传修饰，这些功能在正常细胞和肿瘤细胞中均发挥重要作用，但在肿瘤细胞中呈现“病理性亢进”特征。2一碳代谢的生理功能2.1核苷酸合成5,10-MTHF是嘌呤和胸苷酸合成的关键前体：在嘌呤合成中，5,10-MTHF提供C2和C8原子；在胸苷酸合成中，5,10-MTHF在TYMS作用下还原为5,10-亚甲基-THF，为脱氧尿苷酸（dUMP）转化为脱氧胸苷酸（dTMP）提供甲基。肿瘤细胞由于快速增殖，对核苷酸的需求较正常细胞增加5-10倍，因此高度依赖一碳代谢支持DNA复制和RNA合成。2一碳代谢的生理功能2.2氧化还原平衡维持丝氨酸-甘氨酸代谢是肿瘤细胞应对氧化应激的重要途径：一方面，甘氨酸是合成谷胱甘肽（GSH）的前体，GSH是细胞内主要的抗氧化物质，可清除活性氧（ROS）；另一方面，线粒体GCS催化甘氨酸分解产生的NADH可通过电子传递链生成ATP，或参与NADPH的再生（通过苹果酸-天冬氨酸穿梭），进一步支持GSH的还原。在缺氧或营养匮乏的肿瘤微环境中，这一功能对肿瘤细胞存活至关重要。2一碳代谢的生理功能2.3表观遗传修饰调控SAM是DNA甲基化（如5-甲基胞嘧啶）和组蛋白甲基化（如H3K4me3、H3K27me3）的甲基供体。肿瘤细胞中，一碳代谢紊乱可通过影响SAM/SAH比值（甲基化能力指标）导致表观遗传异常，如抑癌基因启动子高甲基化沉默或癌基因低甲基化激活。例如，MTHFR活性降低可导致5-甲基-THF积累，SAM消耗减少，进而引起DNA全局低甲基化，促进基因组不稳定性。03肿瘤中一碳代谢的重编程机制：驱动因素与特征肿瘤中一碳代谢的重编程机制：驱动因素与特征肿瘤细胞并非简单“复制”正常细胞的代谢模式，而是通过重编程一碳代谢，适应快速增殖、微环境压力和免疫逃逸的需求。这种重编程受多种因素驱动，包括癌基因激活、抑癌基因失活、微环境胁迫（缺氧、营养匮乏）以及免疫微环境相互作用，最终形成“以一碳代谢为核心”的代谢适应网络。1癌基因与抑癌基因对一碳代谢的调控癌基因和抑癌基因通过转录调控、蛋白修饰等机制，直接或间接影响一碳代谢关键酶的表达和活性，形成“代谢-信号”正反馈环路。1癌基因与抑癌基因对一碳代谢的调控1.1癌基因的激活作用-MYC：作为“超级转录因子”，MYC可直接结合SHMT2、MTHFD2、TYMS等一碳代谢关键酶的启动子，促进其转录。例如，在淋巴瘤和肝癌中，MYC过表达可通过上调SHMT2，增强线粒体一碳代谢流，支持核苷酸合成。此外，MYC还可诱导PHGDH表达，增加内源性丝氨酸合成，减少对外源性丝氨酸的依赖。-KRAS：KRAS突变常见于胰腺癌、结直肠癌，可通过激活ERK和mTORC1信号通路，促进SLC1A4/5（丝氨酸转运体）和MTHFD1的表达，增加丝氨酸摄取和一碳代谢通量。在KRAS突变型胰腺癌中，抑制SHMT2可显著抑制肿瘤生长，表明KRAS通过一碳代谢依赖维持肿瘤存活。-HIF-1α：缺氧条件下，HIF-1α可上调MTHFD2、SHMT2和GLS1（谷氨酰胺酶）的表达，促进线粒体一碳代谢和谷氨酰胺分解，为缺氧肿瘤细胞提供能量和还原力。1癌基因与抑癌基因对一碳代谢的调控1.2抑癌基因的失活作用-p53：p53可通过抑制PHGDH和MTHFD2表达，限制丝氨酸合成和一碳代谢流。在p53突变型肿瘤中，PHGDH表达上调，导致内源性丝氨酸合成增加，增强肿瘤细胞对营养匮乏的耐受性。-PTEN：PTEN缺失可通过激活PI3K/AKT/mTOR信号通路，促进MTHFD1和TYMS表达，增加核苷酸合成能力。在PTEN缺失的前列腺癌中，MTHFD1抑制剂可显著抑制肿瘤生长，提示PTEN-PI3K-AKT轴与一碳代谢的紧密关联。2肿瘤微环境胁迫对一碳代谢的重编程肿瘤微环境的缺氧、酸性pH值、营养匮乏（如丝氨酸、葡萄糖限制）等胁迫因素，可通过诱导代谢适应性变化，增强一碳代谢的灵活性。2肿瘤微环境胁迫对一碳代谢的重编程2.1缺氧诱导线粒体一碳代谢重编程缺氧条件下，细胞质叶酸循环因氧气依赖的MTHFR活性降低而受限，肿瘤细胞转向线粒体一碳代谢：一方面，HIF-1α上调SHMT2和MTHFD2，促进线粒体内5,10-MTHF生成；另一方面，甲酸非依赖途径的增强，减少了对细胞质叶酸循环的依赖。这种重编程使缺氧肿瘤细胞能够在氧气有限的情况下维持核苷酸合成，例如在胶质瘤中，SHMT2高表达与患者不良预后显著相关。2肿瘤微环境胁迫对一碳代谢的重编程2.2营养匮乏诱导代谢补偿机制当外源性丝氨酸或甘氨酸受限时，肿瘤细胞可通过多种机制维持一碳代谢通量：一是上调内源性丝氨酸合成途径（PHGDH-PSAT1-PSPH），减少对外源性丝氨酸的依赖；二是增强甘氨酸回收利用，通过甘氨酸转运体（SLC6A9）增加甘氨酸摄取；三是激活谷氨酰胺代谢，谷氨酰胺可通过转氨基作用生成α-酮戊二酸，进入三羧酸循环（TCA）为线粒体一碳代谢提供能量和还原力。例如，在丝氨酸限制的乳腺癌模型中，PHGDH抑制剂可显著抑制肿瘤生长，表明内源性丝氨酸合成是肿瘤生存的关键补偿途径。3一碳代谢与肿瘤免疫微环境的相互作用肿瘤细胞的一碳代谢不仅支持自身存活，还可通过代谢产物旁分泌影响免疫细胞功能，形成免疫抑制微环境。3一碳代谢与肿瘤免疫微环境的相互作用3.1耗竭免疫细胞必需代谢物肿瘤细胞通过高表达SHMT2和MTHFD2，竞争性消耗丝氨酸和甘氨酸，导致肿瘤微环境中这两种氨基酸浓度降低。丝氨酸是T细胞活化必需的氨基酸，其缺乏可抑制T细胞增殖和效应功能；甘氨酸缺乏则可通过减少T细胞线粒体代谢，削弱IFN-γ产生能力。在小鼠黑色素瘤模型中，补充丝氨酸可增强CD8+T细胞的抗肿瘤活性，而抑制肿瘤细胞丝氨酸摄取则可改善T细胞浸润。3一碳代谢与肿瘤免疫微环境的相互作用3.2产生免疫抑制性代谢产物一碳代谢的副产物甲酸具有免疫抑制作用：高浓度甲酸可抑制T细胞的糖酵解和氧化磷酸化，减少IL-2和TNF-α的分泌；同时，甲酸可诱导髓系来源抑制细胞（MDSCs）的扩增，进一步抑制T细胞功能。此外，SAM消耗导致的SAH积累，可通过抑制DNA甲基化，促进免疫检查点分子（如PD-L1）的表达，增强肿瘤的免疫逃逸能力。04靶向一碳代谢的抗肿瘤策略：从基础到临床靶向一碳代谢的抗肿瘤策略：从基础到临床基于对一碳代谢在肿瘤中重编程机制的深入理解，靶向一碳代谢已成为抗肿瘤治疗的重要方向。目前策略主要包括小分子抑制剂靶向关键酶、代谢干预（限制底物供应）、联合免疫治疗等，部分药物已进入临床前或临床研究阶段。1小分子抑制剂靶向关键酶一碳代谢网络中的关键酶因在肿瘤中特异性高表达或活性增强，成为理想的药物靶点。目前针对SHMT、MTHFD、TYMS等酶的抑制剂已显示出良好的抗肿瘤活性。1小分子抑制剂靶向关键酶1.1SHMT抑制剂SHMT是连接丝氨酸-甘氨酸代谢与叶酸循环的关键酶，分为细胞质SHMT1和线粒体SHMT2两种亚型。SHMT2在多种肿瘤（如肝癌、胰腺癌、胶质瘤）中高表达，且与不良预后相关。-SHMT2抑制剂：如SHIN2（基于结构的抑制剂）和AG-270（临床阶段抑制剂），可阻断线粒体5,10-MTHF生成，抑制dTMP合成和线粒体氧化磷酸化。在体外实验中，AG-270对KRAS突变型胰腺癌和急性髓系白血病（AML）细胞具有显著杀伤作用；在AML小鼠模型中，AG-270联合阿糖胞苷可延长生存期。-SHMT1抑制剂：如SHIN1，对细胞质SHMT1选择性更高，可用于抑制依赖细胞质一碳代谢的肿瘤（如某些淋巴瘤）。1小分子抑制剂靶向关键酶1.2MTHFD抑制剂MTHFD是一碳代谢中的多功能酶，包括细胞质MTHFD1和线粒体MTHFD2。MTHFD2在胚胎组织中高表达，在正常成人组织中低表达，但在多种肿瘤中重新激活，是“肿瘤特异性靶点”。-MTHFD2抑制剂：如DSM1和MTHFD2-IN-1，可阻断5,10-MTHF向10-甲酰基-THF和5-甲基-THF的转化，同时抑制嘌呤和胸苷酸合成。在临床前研究中，MTHFD2-IN-1对肝癌和肾癌细胞具有选择性杀伤作用，且与免疫检查点抑制剂联用可增强抗肿瘤效果。-MTHFD1抑制剂：如NCT-503，可抑制细胞质一碳代谢，但对正常细胞的毒性较高，需通过靶向递送系统（如纳米颗粒）提高肿瘤选择性。1小分子抑制剂靶向关键酶1.3TYMS抑制剂TYMS是胸苷酸合成的关键酶，其抑制剂（如5-氟尿嘧啶、培美曲塞）已广泛应用于临床化疗。培美曲塞通过抑制TYMS，阻断dTMP合成，同时抑制叶酸循环中的其他酶（如DHFR），但因其对正常细胞的毒性（如骨髓抑制）和耐药性问题（如TYMS表达上调），需联合其他靶向药物优化疗效。1小分子抑制剂靶向关键酶1.4其他靶点抑制剂-PHGDH抑制剂：如NCT-503和CB-839（谷氨酰胺酶抑制剂，间接抑制PHGDH），可阻断内源性丝氨酸合成。在PHGDH高表达的乳腺癌和黑色素瘤中，NCT-503可抑制肿瘤生长，且与丝氨酸限制饮食协同作用。-MTHFR抑制剂：如B9（叶酸类似物），可抑制5,10-MTHF向5-甲基-THF的转化，减少SAM生成，诱导DNA低甲基化。在MTHFR低表达的肿瘤中，B9可增强化疗敏感性。2代谢干预：限制底物供应与代谢流重定向除小分子抑制剂外，通过饮食干预或代谢调节限制一碳代谢底物（如丝氨酸、甘氨酸）的供应，也是重要的抗肿瘤策略。2代谢干预：限制底物供应与代谢流重定向2.1丝氨酸/甘氨酸限制饮食丝氨酸和甘氨酸是一碳代谢的直接前体，限制其饮食摄入可降低肿瘤组织中的一碳代谢通量。在临床前研究中，无丝氨酸/甘氨酸饮食可抑制肿瘤生长，尤其对PHGDH低表达的肿瘤效果显著。例如，在乳腺癌模型中，无丝氨酸饮食联合PHGDH抑制剂可协同抑制肿瘤生长，且不引起明显的体重下降或器官毒性。然而，临床研究显示，长期丝氨酸限制可能导致患者疲劳、免疫功能下降等副作用，需结合个体化营养支持。2代谢干预：限制底物供应与代谢流重定向2.2谷氨酰胺代谢干预谷氨酰胺是TCA循环的重要中间产物，可通过转氨基作用生成α-酮戊二酸，进入线粒体为一碳代谢提供能量和还原力。抑制谷氨酰胺酶（GLS）可减少谷氨酰胺分解，间接抑制一碳代谢。例如，GLS抑制剂CB-839在临床前研究中可抑制肿瘤生长，尤其与丝氨酸限制饮食联用时效果更佳。3联合治疗策略：克服耐药性与增强疗效单一靶向一碳代谢的治疗策略易因肿瘤代谢适应性改变而产生耐药性，联合化疗、放疗、靶向治疗或免疫治疗可提高疗效，延缓耐药。3联合治疗策略：克服耐药性与增强疗效3.1联合化疗一碳代谢抑制剂可通过增强化疗药物的敏感性发挥协同作用。例如，SHMT2抑制剂AG-270可抑制dTMP合成，与胸苷酸类似物（如阿糖胞苷）联用可增强DNA损伤；MTHFD2抑制剂与培美曲塞联用可逆转后者对TYMS的反馈上调，提高化疗效果。3联合治疗策略：克服耐药性与增强疗效3.2联合免疫治疗靶向一碳代谢可通过改善免疫微环境增强免疫治疗疗效。一方面，抑制SHMT2或MTHFD2可增加肿瘤微环境中丝氨酸和甘氨酸的浓度，促进T细胞活化；另一方面，减少甲酸生成和SAM消耗，可降低免疫抑制性代谢产物的水平，增强PD-1/PD-L1抑制剂的疗效。例如，在黑色素瘤小鼠模型中，MTHFD2抑制剂联合PD-1抗体可显著抑制肿瘤生长，增加CD8+T细胞浸润。3联合治疗策略：克服耐药性与增强疗效3.3联合其他代谢靶向治疗一碳代谢与其他代谢途径（如糖酵解、谷氨酰胺代谢）存在交叉对话，联合靶向可协同阻断代谢补偿。例如，PHGDH抑制剂（丝氨酸合成）与HK2抑制剂（糖酵解）联用，可同时抑制内源性丝氨酸合成和葡萄糖利用，增强肿瘤杀伤效果。05临床转化挑战与未来方向临床转化挑战与未来方向尽管靶向一碳代谢的抗肿瘤策略在临床前研究中展现出巨大潜力，但其临床转化仍面临诸多挑战，包括肿瘤异质性、代谢补偿机制、生物标志物缺乏以及药物毒性等问题。未来需通过基础机制深入研究、新型药物开发、个体化治疗策略优化等方向推动领域发展。1肿瘤异质性导致的靶向选择性差异肿瘤异质性是一碳代谢靶向治疗的主要挑战：不同肿瘤类型（如实体瘤与血液瘤）、同一肿瘤的不同亚克隆、甚至原发灶与转移灶之间，一碳代谢关键酶的表达和代谢流分布均存在显著差异。例如，MTHFD2在肝癌中高表达，而在某些肺癌亚型中则以MTHFD1为主；同一肿瘤中，缺氧区域的SHMT2表达显著高于氧合区域，导致药物敏感性差异。未来需通过单细胞测序、空间代谢组学等技术，绘制肿瘤代谢异质性图谱，开发针对不同代谢亚型的靶向策略。2代谢补偿与耐药性机制肿瘤细胞具有强大的代谢适应能力，当单一靶点被抑制时，可通过上调旁路代谢途径或底物转运补偿。例如，抑制SHMT2后，肿瘤细胞可通过上调SHMT1或增加丝氨酸摄取维持一碳代谢通量；抑制PHGDH后，谷氨酰胺代谢和甘氨酸回收途径被激活。为克服耐药性，需开发多靶点抑制剂（如同时抑制SHMT1和SHMT2）或联合阻断代偿途径（如PHGDH抑制剂+GLS抑制剂）。3生物标志物的开发与个体化治疗0102030405筛选对一碳代谢靶向治疗敏感的患者是提高疗效的关键。目前潜在的生物标志物包括：-基因表达标志物：如MTHFD2、SHMT2、PHGDH的高表达；未来需通过前瞻性临