缺乏谷氨酰胺条件下，支链氨基酸分解代谢影响肝细胞癌进展机制

最近的研究表明，除葡萄糖和谷氨酰胺外，用于产生能量和/或细胞构建模块的其他营养物质也在许多癌细胞的重新编程代谢状态中发挥潜在作用。其中之一便是支链氨基酸，支链氨基酸在癌症进展中扮演关键角色；然而，相关的机制细节仍不清楚且存在争议。因此，在肿瘤发展过程中，明确支链氨基酸（BCAA）分解代谢的特定背景和详细功能机制至关重要。

支链氨基酸约占肌肉蛋白中必须氨基酸的 35% 和食物供应中必须氨基酸的近 50%。支链氨基酸的分解代谢途径有几个共同特征。每个过程的初始步骤都是转氨作用，这是一种由支链氨基酸转氨酶 1 (BCAT1) 或 BCAT2 催化的可逆反应，产生相应的支链酮酸 (BCKA)。BCKA包括 α-酮异己酸 (KIC)、α-酮异戊酸 (KIV) 和 α-酮-β-甲基戊酸 (KMV)，然后在支链酮酸脱氢酶 (BCKDH) 复合物的催化下进行不可逆的氧化脱羧，其产物是 少一个碳的酰基辅酶 A (CoA) 衍生物。此后，途径类似于脂肪酸氧化，并产生可以进入三羧酸循环的最终产物。异亮氨酸代谢的终产物是丙酰辅酶A和乙酰辅酶A；亮氨酸产生乙酰辅酶A，缬氨酸产生丙酰辅酶A。虽然在生理条件下途径信息已经确立，但在癌细胞中的BCAA代谢变化及分子基础尚未明确，值得进一步研究。

谷氨酰胺为氨基酸、蛋白质和核酸的合成提供了氮源，也是三羧酸循环中间产物的碳源，被认为对于肿瘤的存活至关重要。作为细胞中仅次于谷氨酰胺的第二丰富氮源，BCAA很可能成为能量产生和大分子新生的前体物质。

2022年11月22日，中国科学技术大学张华凤教授课题组在国际学术期刊《Cell Reports》上发表了题为“Branched-chain amino acid catabolism breaks glutamine addiction to sustain hepatocellular carcinoma progression”的学术文章。

在这项研究中，研究人员探讨了谷氨酰胺缺乏条件下支链氨基酸分解代谢的作用。研究发现在缺乏谷氨酰胺的情况下，肝癌细胞中激活了BCAA的分解代谢。增强的BCAA分解代谢导致BCAA来源的碳和氮流向核苷酸合成，刺激细胞周期进程并促进细胞存活。从机制上看，在缺乏谷氨酰胺的条件下，O-GlcNAcylation 增加并稳定了增加并稳定了PPM1K蛋白，从而导致BCKDHA的去磷酸化，进一步促使BCAA的分解代谢增强。BCKDHA的去磷酸化和PPM1K的高表达促进了体外和体内的肿瘤发生，并与肝细胞癌临床患者的不良预后密切相关。抑制BCAA和谷氨酰胺代谢还可以进一步抑制肝细胞癌的体内生长。该研究确定了在谷氨酰胺缺乏条件下 BCAA 分解代谢的激活作为肝癌的标志，并表明去磷酸化的 BCKDHA 和高 PPM1K 表达是未来药物开发的潜在治疗靶点。

为了研究在谷氨酰胺缺乏条件下是否进行BCAA分解代谢，研究人员进行了双同位素标记实验。在诱导葡萄糖或谷氨酰胺饥饿之前，使用[U-13C, 15N]标记的L-亮氨酸、L-异亮氨酸和L-缬氨酸（购自CIL剑桥同位素）代替了培养基中未标记的BCAA。在BCAA分解代谢过程中，氮示踪物被纳入下游代谢产物，如非必需氨基酸和核苷酸，而碳示踪物则应该出现在辅酶A衍生物和TCA中间产物中。高分辨率质谱（HRMS）结果显示，与正常条件和葡萄糖饥饿相比，谷氨酰胺饥饿触发了BCAA分解代谢，导致15N和13C标记的代谢产物显著增加。虽然两者都是营养缺乏条件，但葡萄糖饥饿对BCAA分解代谢的影响较小，表明在不同的营养条件下，BCAA分解代谢可能依赖于不同的调控机制。