恶性肿瘤是一类高病死率疾病,国际癌症研究中心最近出版的《2020全球癌症报告》指出,当前恶性肿瘤居于大部分国家30 ~ 69岁居民死因的前2位,预计至2040年,全球每年新发癌症人数将增加至2700万人[1]。由于多数恶性肿瘤患者确诊时已处于中晚期,且大部分肿瘤具有高转移、易复发、易耐药等特性,故这类肿瘤患者预后差,5年生存率不容乐观。随着代谢组学技术的不断发展,近年来学者们对肿瘤代谢方式的研究也逐渐深入,越来越多的证据表明糖类、氨基酸、脂肪酸等多种代谢物发生的变化能为肿瘤适应外部环境提供助力[2]。例如在肿瘤发生发展过程中,能量物质代谢的枢纽乙酰辅酶A发生代谢重编程,以满足肿瘤细胞无限增殖所需要的脂肪酸。根据瓦伯格效应,即使在有氧情况下,肿瘤细胞也主要利用糖酵解产生能量,而不是通过产能效率更高的线粒体氧化磷酸化,因此肿瘤细胞无法通过丙酮酸氧化脱羧产生乙酰辅酶A[3]。肿瘤细胞池的乙酰辅酶A主要有以下2种来源,一种是通过谷氨酰胺酵解途径生成α-酮戊二酸,直接进入柠檬酸循环,并进一步转化为乙酰辅酶A,参与脂质合成等反应;另一种则是通过乙酰辅酶A合成酶(ACSS)增加外源性血浆和间质液中游离乙酸的利用,合成乙酰辅酶A,使肿瘤细胞适应恶劣的代谢环境[4,5]。
ACSS基因最早是从酵母中分离出来的,随后通过消减杂交技术和基因鉴定,在哺乳动物中被发现。因存在转录起始位点选择,哺乳动物中至少有3种ACSS,包括ACSS 1、2和3,其主要作用是催化短链脂肪酸合成乙酰辅酶A,从而进入碳代谢循环,促进脂质合成[6]。其中ACSS1和ACSS2的首选底物是乙酸,同时两者也可以利用低亲和力的β-羟基丁酸和β-酮戊二酸,新发现的ACSS3则显示出对丙酸的高亲和力[7]。ACSS2作为合成乙酰辅酶A的重要酶类之一,其活性和表达异常被证实与肿瘤增殖、侵袭、转移、抗凋亡和耐药性等密切相关[8,9,10,11,12,13]。在本文中,笔者将围绕ACSS2在肿瘤增殖、侵袭、转移、抗凋亡和耐药性中的作用及机制的研究进展进行综述。
一、ACSS2的功能
根据美国国家生物技术信息中心(NCBI)数据库资料(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/biosample),ACSS2广泛分布于人体各种组织。在肾脏、肠道、肌肉和脂肪组织中ACSS2的表达水平较高;在肺、肝和脑中的表达水平呈低至中度;在包括骨髓和淋巴结在内的免疫系统中,ACSS2表达水平最低。ACSS2是目前已知的唯一能够回收细胞脱乙酰化所产生的乙酸的酶,其亚细胞定位于细胞质和细胞核中,其中定位于胞质的ACSS2对维持缺氧条件下肿瘤细胞的生长至关重要,而定位于胞核的ACSS2在组蛋白乙酰化和组织特异性基因表达调控中发挥重要作用[14,15]。有研究显示调节胆固醇和不饱和脂肪酸合成的甾醇调节元件结合蛋白(SREBP)可以调控ACSS2,这间接表明了ACSS2可以参与调节脂质合成[16]。Huang等[17]发现,同样在高脂喂食的条件下,敲除ACSS2基因的小鼠体质量减轻,肝脏脂肪变性发生率减少。他们还发现,缺乏ACSS2可降低肠道对膳食中脂质的吸收,干扰甘油三酯从脂肪组织到肝脏的再分配和利用,这也进一步说明了ACSS2在脂质代谢中的重要性。
二、ACSS2在肿瘤发生发展中的作用及机制
代谢酶类的表达失调是包括肿瘤在内的许多疾病的特征。目前公认的观点是大量脂质合成酶如ACSS2等的表达水平升高,驱动新生脂肪生成,从而促进肿瘤的发生发展。现有研究显示,与癌旁组织相比,ACSS2在胶质细胞瘤、肺癌、肾癌、肝癌、食管癌等多种肿瘤细胞中的表达水平更高。与ACSS2低表达的肿瘤相比,高表达ACSS2的肿瘤细胞常常与更高级别肿瘤和更低的生存率相关。这些结果均提示ACSS2或可成为广泛治疗多种肿瘤的新靶点。
1. ACSS2与胶质细胞瘤
当肿瘤处于低氧或低血清环境中时,ACSS2表达水平升高并发生核转位,通过循环利用组蛋白脱乙酰化释放的乙酸,维持组蛋白乙酰化,抑制细胞凋亡以维持肿瘤细胞生长[18]。Li等[19]在胶质细胞瘤中发现了ACSS2发生核转位的具体机制:当胶质瘤细胞处于糖剥夺的环境中时,AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)介导ACSS2在S659位点磷酸化,使ACSS2暴露核定位序列,促进ACSS2与内源性输入蛋白α5相结合,并发生核易位。核ACSS2可与转录因子EB(TFEB)特异性结合形成复合物,并结合至溶酶体和自噬体基因(即TFEB靶基因)启动子区域,同时将总组蛋白脱乙酰化产生的乙酸转化为乙酰辅酶A,维持局部组蛋白H3乙酰化,促进溶酶体和自噬体基因的表达。上述研究结果表明ACSS2的主要作用为增加癌细胞自我吞噬能力,促进溶酶体重新吸收利用营养物质,抑制ACSS2的核易位可逆转糖剥夺诱导的溶酶体生物发生和自噬,降低肿瘤细胞的存活率,并抑制脑肿瘤的发生,这为肿瘤的靶向治疗提供了一种新思路。
2. ACSS2与肺癌
在非小细胞肺癌中,Yang等[20]发现肿瘤组织中ACSS2 pS659的表达水平显著高于邻近的非肿瘤组织,ACSS2 pS659高表达与年龄较大(P = 0.015)和TNM分期晚期(P = 0.048)相关。微小RNA(miR)-15a-5p可显著抑制肺癌细胞中的脂肪酸合成,但具体机制不明。因为ACSS2是肿瘤脂质代谢中的关键酶,Ni等[8]猜想两者之间可能呈负相关,他们证实miR-15a-5p过表达时,ACSS2表达量显著降低,并且与ACSS2的3’-UTR区域直接结合,产生抑制作用,可减少肿瘤细胞对乙酸的摄取。与此同时,miR-15a-5p可转运至核内与胞核中的RNA诱导沉默复合物结合,抑制缺氧条件下ACSS2的核转位。进一步检测显示,miR-15a-5p还可以抑制组蛋白H4K8、H4K16和H4K12位点乙酰化。该研究揭示了miR-15a-5p通过抑制ACSS2介导的乙酰辅酶A活性和组蛋白乙酰化,抑制脂质代谢,最终抑制肺癌转移的新机制。
3. ACSS2与肾癌
Zhang等[21]最早发现肾癌组织ACSS2表达较癌旁组织高,且ACSS2高表达的肾癌往往与较晚的T分期(P = 0.008)、AJCC分期(P = 0.037),和高UISS风险级别(P = 0.009)相关,是不良预后的预测因子。Santos等[9]也发现ACSS2可能是通过与肿瘤转移有关的PI3K/Akt信号通路参与肾癌病程的进展。Yao等[22]发现,抑制ACSS2对肾癌细胞的增殖或凋亡没有影响,但与对照组相比,敲除ACSS2基因的肾癌细胞侵袭、迁移能力明显降低。进一步研究发现ACSS2可以调控自噬相关因子溶酶体相关膜蛋白1(LAMP1)的表达,其表达下调后,LAMP1表达也下调,而LAMP1表达下调可以抑制肾癌的侵袭、迁移。在葡萄糖限制条件下,增加外源性乙酸可以诱导锌指转录因子(SNAI1)表达上调,SNAI1是锌指蛋白超家族的成员,可以下调E-钙黏蛋白的表达,促进上皮-间质转化(EMT)[10,24]。除此之外,ACSS2的表达水平和H3K27乙酰化水平均升高。在相同条件下,敲除ACSS2基因的表达,乙酸诱导的SNAI1表达上调受到显著抑制,H3K27乙酰化水平降低,并可抑制肾癌细胞的侵袭、迁移能力,过表达ACSS2则结果完全相反。Yao等[22]还利用染色质免疫共沉淀发现了乙酸可以通过ACSS2增加SNAI1调节区H3K27乙酰化水平,促进SNAI1表达,但不能增强ACSS2的结合能力。以上研究结果意味着抑制ACSS2或可成为治疗转移性肾癌的新策略。
4. ACSS2与肝癌
研究显示ACSS2表达水平降低在肝癌中预示着不良预后[22]。但在体内实验中,Comerford等[25]发现缺乏ACSS2的成年小鼠在2种不同的肝细胞癌模型中均显示出肿瘤平均负荷分数显著降低,肿瘤生长速度明显减缓。Wang等[11]发现,在肝癌中存在由选择性转录起始位点选择不同而产生的2种ACSS2亚型,即ACSS2-S1和ACSS2-S2。ACSS2-S1主要分布在细胞质中,表达较邻近组织下调,ACSS2-S2则主要分布在细胞核,表达较邻近组织上调。在体外实验中,他们发现过表达ACSS2-S2能促进肝癌细胞的增殖和侵袭,而过表达ACSS2-S1则无此作用;再将肝细胞癌患者分为高ACSS2-S2/S1组和低ACSS2-S2/S1组,结果显示ACSS2-S2/S1水平较高的患者无进展生存期较短。为进一步探究其机制,他们利用癌症基因组图谱-肝细胞癌(TCGA-HCC)数据库进行基因富集分析,结果显示在高ACSS2-S2/S1组中,核糖体蛋白(RP)如RPS6、RPL28、RPS15、RPLP2和RPL18表达水平升高,而总ACSS2和这些蛋白质之间无相关性,提示ACSS2-S2的促癌作用可能与核糖体生物合成有关。这一结果表明抑制ACSS2-S2的活性或可干预肝癌的发生发展。
5. ACSS2与结直肠癌和胃癌
与其他肿瘤不同,在胃肠道肿瘤中,ACSS2的低表达被认为是肿瘤的不良预后因素,并能促进肿瘤的转移。Bae等[26]用免疫组织化学法比较了54例患者的癌组织和正常黏膜组织中ACSS2的表达,结果显示正常黏膜组织呈中等至强的细胞质染色,而癌组织则无中等至强的细胞质染色。为明确ACSS2表达下调是发生在癌前病变阶段还是典型癌变阶段,该研究组评估了157例大肠息肉患者和1106例结直肠癌患者息肉/肿瘤组织中ACSS2的蛋白表达水平,结果显示大肠息肉者的ACSS2呈现中强表达,而在69.7%结直肠癌者和91.3%转移性结直肠癌者中的ACSS2表达下调,说明ACSS2下调发生在结直肠具有侵袭性的典型癌变阶段。与高表达ACSS2的结直肠癌患者相比,低表达ACSS2的患者表现出TNM分期晚、无进展生存期短、预后差、肿瘤侵袭性强等特点,且与细胞运动、趋化性和EMT相关的基因上调,而与消化功能和代谢相关的基因则在高表达ACSS2的肿瘤患者中上调。
在胃癌中,Hur等[27]发现ACSS2的表达与肿瘤分化相关,低表达ACSS2往往在低分化腺癌或印戒细胞癌中更常见,在生存分析中,低表达ACSS2也预示着更短的无病生存期和总生存期。沉默交配型信息调节因子2同源蛋白(Sirtuin)是一类从细菌到人类高度保守的依赖辅酶Ⅰ的组蛋白去乙酰化酶,其家族成员Sirtuin 3作为ACSS2的上游控制器,介导的去乙酰化可以恢复ACSS2催化乙酸生成乙酰辅酶A的活性[28]。因低表达Sirtuin 3的胃癌患者生存率更低,Hur等推测是Sirtuin 3等表达下调导致ACSS2活性受到抑制,从而在胃癌的发生发展中发挥作用。总之,ACSS2在胃肠道肿瘤中表现出肿瘤抑制特性,但其机制尚未明确,仍需要更多的深入研究提供证据。
三、ACSS2在肿瘤治疗抵抗中的作用
近年来,有研究者提出代谢紊乱可能与肿瘤耐药性相关[29]。关于ACSS2在肿瘤治疗抵抗中的作用尚不明确,相关研究也较少。Wen等[12]发现与顺铂敏感膀胱癌细胞(T24S)相比,顺铂耐药膀胱癌细胞(T24R)中葡萄糖消耗量较高,乙酸积累较快,而乳酸产生和分泌较低,同时脂肪酸水平也较高,表明T24R比T24S所多消耗的葡萄糖的代谢途径可能是通过乙酸生成脂肪酸。他们进一步观察发现脂肪酸代谢的上游信号分子磷酸化表皮生长因子受体(p-EGFR)及磷酸化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(p-mTOR)在T24R中显著增加,下游的乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和ACSS2在T24R中的表达较T24S高得多。在T24R细胞中抑制ACSS2的表达,细胞的脂肪酸合成及细胞活力均明显降低,鉴于ACC和ACSS2是将乙酸结合到脂肪酸中的2种主要酶,验证了T24R可能通过一条涉及乙酸的代谢途径增强了脂肪酸合成的猜想。上述结果提示乙酸在耐药肿瘤代谢中发挥关键作用,而ACSS2又是肿瘤利用乙酸的核心酶,为ACSS2可能成为顺铂耐药膀胱癌患者治疗靶点提供了依据。
因颈段及胸上段食管癌特殊的解剖位置,现阶段该类癌的主要治疗手段为调强放射治疗,尽管具有一定疗效,但5年生存率仍不乐观[30]。朱宇等[13]在研究食管癌的放射治疗抵抗中发现,与空白对照组相比,缺氧组ECA-109细胞内ACSS2累积,同样经8 Gy电离辐射处理后,流式细胞术检测结果显示缺氧组ECA-109细胞凋亡率明显下降,而在缺氧组敲除ACSS2可以逆转这一趋势。进一步研究显示,ACSS2在缺氧环境下通过活化mTOR信号通路,促进抗凋亡相关蛋白——B淋巴细胞瘤-2基因的表达,同时抑制凋亡相关蛋白——活化的胱天蛋白酶-3的表达,从而在食管癌放射治疗抵抗中发挥作用。这一研究结果表明在食管癌中抑制ACSS2的表达或可提高其放射治疗效果。
四、结语与展望
代谢重编程是恶性肿瘤的标志之一,越来越多的研究表明代谢与癌症的发生、发展有关,在诊断和治疗中寻找新的代谢靶标是肿瘤近年来研究的热点。肿瘤细胞通过特异性调节ACSS2等代谢酶的表达或改变其亚细胞定位使其具有额外的功能,可以直接调节多种细胞活动。目前研究显示ACSS2在多种肿瘤(如肺癌、肾癌、肝癌等)中呈高表达,具有强烈的促癌效应,通过多种机制调节肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭等过程,与肿瘤治疗及预后相关,可作为恶性肿瘤治疗的潜在靶点,并且有助于评估肿瘤患者的预后。ACSS2是肿瘤细胞摄取乙酸量增加的主要原因,而先前研究也表明乙酸与癌症转移相关,这也为靶向ACSS2治疗晚期肿瘤提供了依据[4, 25, 31]。Miller等(2021年)合成了一种可在体内外阻断ACSS2活性的抑制剂,该抑制剂被证明可抑制三阴性乳腺癌的生长。但ACSS2在肿瘤中的促癌作用不是绝对的,有关胃肠道肿瘤的研究显示低表达ACSS2往往意味着不良预后,其具体机制不明。综上所述,ACSS2在肿瘤中的作用具有两面性,有可能与肿瘤类型不同有关。在肿瘤中调控ACSS2 的活性,具有潜在的研究意义和临床应用价值,或可为抗肿瘤药物的研究提供新的方案。