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代謝改變是癌癥細胞的一個主要特征，核苷酸三磷酸的增加合成和使用是不同癌癥類型和遺傳背景下癌癥細胞的關鍵和普遍的代謝依賴性。癌癥細胞的許多攻擊行為，包括不受控制的增殖、化療抵抗、免疫逃避和轉移，嚴重依賴于增強的核苷酸代謝。小編今天就通過這篇月前才發表在nature reviews cancer（IF:69.8）上的文章，為大家介紹核苷酸代謝在腫瘤免疫、轉移以及耐藥中的重要作用。
三磷酸核苷酸（NTP）及其脫氧對應物（dNTP）的過度合成和使用是癌癥細胞的一個普遍特征，具有高度的藥物敏感性。細胞內核苷酸的超生理豐度有助于癌癥細胞行為的許多方面，包括不受控制的增殖、免疫逃避、轉移和治療抵抗。許多致癌驅動因子已被證明上調核苷酸生物合成，這表明該表型對癌基因激活下游的癌癥啟動和進展至關重要。癌癥細胞對超活性核苷酸合成的依賴反映了這樣一個事實，即(d)NTPs對癌癥細胞中自身超活性的幾個基本生物過程起著速率調節作用，包括DNA復制和修復、轉錄、核糖體生物生成和翻譯后蛋白糖基化。
嘌呤和嘧啶核苷酸的合成通過兩種不同的途徑進行：從頭途徑和核苷/核堿基挽救途徑，從頭途徑涉及在能量密集的多步酶促反應中將小的前體摻入核苷酸中，其中核苷或核堿基分別在單一磷酸化或磷酸核糖基轉移酶反應中轉化為其同源核苷一磷酸（NMP）。嘧啶和嘌呤的從頭合成和挽救合成存在重大差異，對于哪些底物可以被挽救以繞過從頭合成的阻斷具有重要意義（圖1）。
核苷酸代謝
嘧啶和嘌呤的合成
嘧啶從頭途徑首先構建芳香堿基（乳清酸鹽），然后在磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）依賴性反應中添加核糖5-磷酸部分，而嘌呤從頭途徑始于PRPP，并以逐步的方式將芳香堿基構建到核糖骨架上。然而，這兩種從頭途徑都需要ATP、谷氨酰胺衍生的氮和天冬氨酸。
嘧啶核苷挽救途徑通過（脫氧）核苷的磷酸化在尿苷-胞苷激酶1（UCK1）和UCK2、脫氧胞苷激酶（DCK）和胸苷激酶1（TK1）和TK2催化的單一ATP依賴性步驟中形成(d)NMP。在哺乳動物細胞中，嘧啶核堿基——尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶——不能被PRPP依賴性磷酸核糖基轉移酶反應挽救，也不能轉化為乳清酸鹽進入從頭途徑，因此游離嘧啶核堿基不能有效挽救。
嘌呤核糖核苷-腺苷，鳥苷和肌苷-不能轉化為其同源NMP，必須首先通過嘌呤核苷磷酸化酶分解代謝為其同源核堿基（腺嘌呤、鳥嘌呤和次黃嘌呤），然后在腺嘌呤磷酸核糖轉移酶或次黃嘌呤-鳥嘌呤磷酸核糖基轉移酶催化的PRPP依賴性磷酸核糖轉移反應中轉化為NMP。然而，嘌呤脫氧核苷脫氧腺苷和脫氧鳥苷可以被DCK磷酸化，分別形成dAMP和dGMP——這組反應被認為是嘌呤核苷-核堿基挽救途徑（圖1）。
核苷酸水平的生理控制
為了進行細胞分裂，靜息細胞必須將其dNTP和NTP池分別顯著增加5-10倍和至少10倍。盡管就碳和能量而言，從頭核苷酸合成遠比核苷回收昂貴，但需要迅速擴大核苷酸庫以滿足這些需求。增殖細胞中NTP的濃度約為100?μM至幾毫摩爾，而dNTP濃度通常在10-100的數量級?μM，相對dNTP濃度通常在給定的細胞類型內保持平衡。從頭途徑活性在非增殖細胞中通常非常低或不存在，并且必須被誘導以產生足夠的(d)NTP用于增殖。許多典型的細胞增殖驅動因素，如哺乳動物雷帕霉素靶點（mTOR）信號傳導，增加了關鍵從頭途徑酶的表達和活性，包括氨基甲酰基磷酸合成酶2、天冬氨酸轉氨酰酶和二氫乳清酶復合物（CAD）。為了確保各種(d)NTP的相對豐度平衡，關鍵的從頭途徑酶，如核糖核苷酸還原酶和CAD復合物組分，在負反饋環中被其(d)NTP終產物變構下調。此外，核苷酸合成通過核苷酸分解代謝來平衡，核苷酸分解代謝由核苷酸磷酸化酶啟動。這種復雜的相互作用使細胞能夠動態地微調其核苷酸庫，以滿足細胞分裂的需求。
核苷酸代謝與癌癥
核苷酸合成的致癌激活
(d)NTPs的精確細胞內濃度因細胞類型、細胞環境和培養條件的不同而有很大差異，癌癥細胞的dNTPs濃度平均比非惡性增殖細胞高6-11倍，而NTPs含量則高1.25-5倍。許多眾所周知的致癌基因已被證明能促進過度活躍的(d)NTP合成，例如，突變型KRAS、PI3K和MYC都是人類癌癥的常見驅動因素，它們促進了關鍵從頭途徑酶的活性和表達，并通過增加細胞對葡萄糖和其他營養素的吸收間接支持從頭途徑流量，以提供所需的ATP、核糖和氨基酸。
相反，據報道，功能缺失突變或核苷酸分解代謝酶沉默，如SAM結構域和含HD結構域1，其將dNTP轉化為脫氧核苷，可通過防止核苷酸降解增加核苷酸庫。鑒于人類癌癥中普遍存在的核苷酸水平上調，以及它在各種惡性細胞行為中發揮的關鍵作用，以及從頭開始的途徑活性對于大多數哺乳動物組織的體內平衡是不必要的，從頭開始的路徑酶是癌癥治療的合理靶點。
抑制(d)NTP合成對生長和增殖的影響
核苷酸和脫氧核苷酸是許多合成代謝過程的重要底物，對細胞生長和增殖至關重要。因此，使用從頭途徑抑制劑的(d)NTP耗竭會損害促進腫瘤生長的幾個過程，包括DNA復制/修復、核糖體生物發生和蛋白質翻譯、致癌mRNA轉錄、翻譯后蛋白質糖基化和維持穩態細胞氧化還原平衡（圖2）。
NTP合成抑制對DNA復制和修復的影響
脫氧胸苷三磷酸（dTTP）是合成DNA所必需的。通過抑制胸苷合酶消耗dTTP導致脫氧尿苷三磷酸（dUTP）的積累和dUTP與dTTP比率的增加。由于DNA聚合酶不能區分dUTP和dTTP，這導致尿嘧啶的廣泛錯誤結合和大規模的DNA損傷反應，最終導致“無胸腺死亡”。
由從頭途徑抑制引起的dNTP不足導致停滯的DNA復制叉的積累，這被稱為復制應激。復制應激反應和核苷酸合成的聯合抑制已顯示出對p53缺陷型實體瘤、B細胞急性淋巴細胞白血病、急性髓細胞白血病和磷酸酶和緊張素同源物缺陷型乳腺癌的合成致死性。
NTP合成抑制對核糖體生物發生和蛋白質翻譯的影響
雖然核糖體RNA（rRNA）在所有細胞中占絕大多數RNA質量，但在癌癥細胞中經常觀察到rRNA質量增加和核仁肥大，這有助于過度活躍的蛋白質翻譯。盡管DNA合成需要dNTP，但NTP是RNA轉錄所必需的，并且使用阻斷dNTP和NTP形成的抑制劑（如DHODH或IMPDH抑制劑）來消耗它們，預計會限制rRNA轉錄和翻譯能力（圖2b）。最近報道，在多形性膠質母細胞瘤腫瘤異種移植物中，需要IMPDH1和IMPDH2的基因缺失或它們使用MPA的藥理學抑制來抑制rRNA和tRNA的轉錄，從而使核仁質量和形態正常化，并抑制腫瘤生長。
NTP合成抑制對mRNA轉錄和癌癥細胞分化控制的影響
核苷酸饑餓顯著影響癌癥細胞的轉錄組特征。在一項使用黑色素瘤起始的斑馬魚模型的研究中，研究者發現DHODH抑制的效果與Spt5基因缺失引起的效果相似，Spt5是一種RNA聚合酶II（Pol II）相關因子，對Pol II從啟動子近端暫停狀態轉變為生產性延伸至關重要（圖2b）。來氟米特對嘧啶核苷酸的消耗在體外總體上破壞了Pol II的延伸并抑制了關鍵黑色素瘤驅動基因的表達，來氟米特對小鼠的治療抑制了黑色素瘤異種移植物腫瘤的生長。這些發現還有待推廣到其他惡性腫瘤。
NTP合成抑制對翻譯后蛋白糖基化的影響
三磷酸尿苷或三磷酸胞苷是糖基化反應中糖部分活化所必需的。因此，嘧啶NTPs的缺失可能會損害糖基化反應。盡管嘧啶缺失下游對蛋白質（和脂質）糖基化的總體影響仍有待表征，但這種關系已被證實與O-連接的N-乙酰葡糖胺（O-Glc-NAc）的糖基化有關（圖2c）。O-Glc-NAc修飾發生在絲氨酸和蘇氨酸殘基上，通常與磷酸化修飾直接競爭，并且已經證明可以調節直接調節癌癥進展的蛋白質的功能和穩定性，如MYC。鑒于癌癥中O-Glc-NAcylation的全面上調以及關鍵代謝酶、轉錄因子和表觀遺傳修飾物的調節，嘧啶缺乏下游受損的癌癥細胞O-Glc-NAcylation可能具有多效性后果。
核苷酸代謝改變調節ROS穩態
癌癥細胞必須通過將活性氧（ROS）水平保持在一個狹窄的范圍內來管理氧化應激。許多不同的代謝紊亂或基因毒性紊亂的下游，或微環境的改變的下游，通常是細胞抗氧化劑NADPH和還原型谷胱甘肽的耗盡，都會破壞癌癥細胞ROS的穩態。有趣的是，嘧啶核苷尿苷和脫氧尿苷已經成為氧化應激的強大緩解劑。最近的研究表明，胞苷脫氨酶（CDA）產生脫氧尿苷會減弱用他普司加林或吉西他濱處理的胰腺導管腺癌細胞中ROS的積累并減輕內質網應激。CDA或DHODH的抑制耗盡了細胞內脫氧尿苷并加重了thapsigargin介導的細胞死亡，而補充脫氧尿苷通過減輕氧化應激和內質網應激，使細胞免于他普司加京毒性（圖2d）。這些發現表明，核苷庫的重新編程是在治療誘導的氧化應激和ER應激中存活的重要適應機制。
核苷酸代謝改變導致癌癥細胞免疫逃避
越來越多的臨床前證據表明，錯亂的癌癥細胞代謝通過改變腫瘤微環境的代謝景觀促進免疫逃避。例如，增加癌癥細胞對葡萄糖和谷氨酰胺的攝取可以剝奪免疫效應細胞的這些營養素，從而抑制其抗癌活性。相反，癌癥細胞分泌的乳酸或犬尿蛋白可以直接抑制免疫細胞效應器功能。有證據表明，癌癥細胞對核苷酸的改變通過各種機制促進其免疫逃逸。
嘌呤能信號傳導在免疫和自身免疫中的作用
嘌呤核苷腺苷是一種抗癌免疫抑制劑。腺苷通過細胞表面腺苷受體的信號傳導抑制TME中T細胞、巨噬細胞、先天免疫細胞和樹突細胞的抗癌活性（圖3）。腺苷的產生是一個有吸引力的治療靶點，因為在各種實體瘤中都觀察到腺苷在TME中的積聚，并與不良的患者預后相關。腺苷的積累可以通過5′-外核苷酸酶CD39和CD73的順序作用分解細胞外ATP來發生，CD39將ATP或ADP轉化為AMP，CD73將AMP轉化為腺苷；這些酶在人類癌癥中經常上調，并與預后不良有關。
細胞外ATP本身是一種強烈的促炎信號，通常以極高的水平存在于TME中。高濃度的細胞外ATP通常表明細胞裂解，因為ATP只能在壞死或其他形式的免疫原性細胞死亡時大量進入細胞外環境。凋亡調節性T細胞已被證明釋放大量ATP，然后通過其自身的細胞表面CD39和CD73將其轉化為腺苷，從而通過其自身細胞死亡引起免疫抑制。這些發現表明，除了產生細胞外腺苷外，CD39和CD73還通過清除TME中的ATP來抑制免疫。
轉移中的核苷酸代謝
轉移是實體瘤患者大多數癌癥相關死亡的主要原因。與轉移相關的轉錄特征已經得到了很好的研究；然而，癌癥細胞代謝，特別是核苷酸代謝的作用仍在顯現。這里介紹了這一領域的最新進展（圖4）。
單體GTPase蛋白是最顯著的是RHO GTPase家族成員，在癌癥細胞轉移所必需的幾個過程中發揮著關鍵作用，包括遷移、侵襲和細胞外基質降解。研究表明，通過過表達GMP還原酶（GMPR）或通過抑制IMPDH來消耗GTP庫會在體外損害黑色素瘤的遷移和侵襲，并可以損害腫瘤異種移植物模型中的轉移。相對于原發性腫瘤組織，人類轉移性黑色素瘤病變經常表現出GMPR下調和IMPDH2上調，這表明GTP庫增加驅動黑色素瘤轉移。
在結直腸癌小鼠模型中，嘧啶從頭途徑的抑制被證明可以消除肝轉移，嘧啶從頭途徑中間體在轉移性結直腸癌患者來源的異種移植物組織中大量富集，使用來氟米特治療對DHODH的抑制持續減少了該系統中的肝轉移。
核苷酸代謝與治療耐藥性
核苷酸合成抑制劑是最早發現的抗腫瘤藥物之一，仍然是許多癌癥適應癥的治療支柱。最近，核苷酸合成在各種大規模、無偏見的功能基因組和化學篩選方法以及基于代謝組學的特定癌癥研究中被多次“重新發現”為關鍵的癌癥易損性。但是，癌癥抗藥性是指醫療干預無法根除腫瘤或控制腫瘤生長，可被視為大多數癌癥死亡的原因。核苷酸代謝與許多癌癥治療的耐藥性有關，目前其機制主要包括：
1.內源性核苷酸與核苷類似物化療藥物的分子競爭；
2.嘧啶dNTP缺失損害DNA修復對基因毒性化療的反應；
3.(d)NTPs促進對放射治療的耐藥性；
4.(d)NTP合成抑制劑與致癌信號激酶抑制劑協同作用；
5.(d)NTP合成抑制劑與細胞死亡誘導劑協同作用。
小結
核苷酸代謝失調對不同癌癥類型的幾乎所有惡性細胞活動都有很大影響，除了作為核酸生物生成底物的典型作用外，核苷酸還為癌癥細胞中高度活躍的一系列過程提供燃料。因此，核苷酸合成抑制劑作為尚未完全實現的聯合治療策略的組成部分具有巨大的潛力。藥物開發活動可能會產生更有效和選擇性的現有臨床藥物靶點抑制劑，并可能使其他關鍵酶受到臨床藥理學控制。這些發展對醫學的影響將超越腫瘤學，并將為治療感染、自身免疫性疾病、神經退行性綜合征和其他疾病開辟新的途徑。所以，還等什么呢，抓住核苷酸代謝這個角度，想要利用生信分析快速hold住的小伙伴，抓緊上車~
