综述：癌症中的一碳代谢：代谢酶的多重功能与抗肿瘤治疗

《Cancer and Metastasis Reviews》：One-carbon metabolism in cancer: moonlighting functions of metabolic enzymes and anti-tumor therapy

　　本综述系统阐述了一碳（1C）代谢在癌症中的核心作用，特别聚焦于该通路中关键代谢酶（如PHGDH、SHMT1/2、MTHFD2等）的非经典“多重功能”（moonlighting functions）。文章揭示了这些酶除催化活性外，还能调控基因转录、表观遗传、DNA损伤修复及肿瘤微环境，从而驱动肿瘤发生发展。同时，综述总结了靶向1C代谢网络（如使用PHGDH抑制剂、IDO1抑制剂、DNMT抑制剂等）的临床前及临床研究进展，为开发新型抗癌策略提供了重要视角。

　　

2 癌症中的一碳代谢

一碳（1C）代谢是一个核心代谢网络，为核苷酸合成、氨基酸代谢和氧化还原稳态提供支持，在细胞增殖中扮演关键角色。在癌症中，该通路的失调通过满足恶性细胞 heightened 的生物合成和能量需求，从而 fueling 肿瘤进展。除了其经典代谢功能外，一碳代谢网络内的代谢物和酶还展现出促进肿瘤发生、免疫逃逸和转移的多重功能。这些非经典功能包括调节基因表达、表观遗传重编程和 rewiring 致癌信号通路，突显了它们在癌症生物学中的多方面作用。

肿瘤细胞对1C单位及其他代谢中间体的需求增高，以维持快速生长和增殖。1C单位的有限可用性会显著影响细胞甲基化反应，从而重塑肿瘤细胞的表观遗传景观。相比之下，癌细胞可以调节叶酸和其他代谢物的水平，重塑肿瘤微环境以促进免疫逃逸并增强生存。这些代谢重编程事件强调了一碳代谢与肿瘤生物学之间错综复杂的关系，为癌症治疗的新靶点提供了宝贵的见解。

2.1 1C单位的生成

一碳单位通过多个相互关联的代谢途径产生，包括丝氨酸和甘氨酸代谢、甘氨酸裂解系统（GCS）以及组氨酸和色氨酸的分解代谢（图1）。非必需氨基酸丝氨酸和甘氨酸是1C单位的主要贡献者。丝氨酸的可用性来源于外源性饮食摄取和内源性通过丝氨酸合成途径（SSP）的合成，后者依赖于糖酵解中间体。丝氨酸随后在细胞质和线粒体中分别由丝氨酸羟甲基转移酶1和2（SHMT1/2）催化，分解代谢为甘氨酸和1个连接到四氢叶酸（THF）的1C单位。甘氨酸也是通过GCS产生1C单位的来源。该系统促进甘氨酸的氧化裂解，产生CO₂、NH₃和1个可转移的一碳单位，形式为5,10-亚甲基-THF，它参与叶酸循环。PHGDH和SHMT1/2分别是各自途径中的限速酶，并在肿瘤发生中起关键作用。

除了丝氨酸和甘氨酸，组氨酸和色氨酸也参与一碳代谢（图1）。组氨酸降解产生5-亚氨甲基-THF，而色氨酸是甲酰犬尿氨酸的前体，后者在转化为犬尿氨酸时释放甲酸盐。5-亚氨甲基-THF和甲酸盐都进入叶酸循环。催化色氨酸降解的酶，包括吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）和色氨酸2,3-双加氧酶（TDO），与调节肿瘤微环境和促进免疫逃逸有关。

2.2 1C单位的转移

1C单位的转移主要在叶酸循环、甲硫氨酸循环和转硫途径等代谢过程中进行（图1）。膳食叶酸（维生素B9）最初转化为二氢叶酸（DHF），随后二氢叶酸还原酶（DHFR）将其还原为四氢叶酸（THF），这是叶酸循环中1C单位的活性载体。叶酸循环在线粒体和细胞质中都有进行，每个区室包含独特但平行的酶系统，相互转化THF衍生物，如5,10-亚甲基-THF、5,10-次甲基-THF和10-甲酰-THF，以支持核苷酸和甲基的生物合成。在细胞质中，三功能酶MTHFD1催化脱氢酶、环化水解酶和甲酰四氢叶酸合成酶反应，以相互转化这些THF中间体和甲酸盐，而在线粒体中，这些相互转化分别由MTHFD2/MTHFD2L（脱氢酶/环化水解酶）和MTHFD1L（甲酰四氢叶酸合成酶）进行。这种区室化 specialization underpins 线粒体甲酸盐产生和细胞质1C利用之间的协调代谢流。甲酸盐是线粒体1C代谢的关键产物。

甲硫氨酸循环是1C代谢的另一个关键组成部分。甲硫氨酸循环有两个输出，同型半胱氨酸（Hcy）和S-腺苷甲硫氨酸（SAM）（图1）。Hcy可以进入将其转化为半胱氨酸的转硫过程。它也可以从叶酸循环中由MTHFR从5,10-亚甲基-THF产生的5-甲基-THF接受一个1C单位，并在维生素B12依赖的甲硫氨酸合成酶（MS）催化下转化为甲硫氨酸。甲硫氨酸随后在ATP依赖的过程中由甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT）转化为SAM。甘氨酸N-甲基转移酶（GNMT）将SAM的一个甲基转移到甘氨酸上，产生肌氨酸和S-腺苷同型半胱氨酸（SAH）。这种甲基化反应充当了过量SAM的代谢 sink。SAM是许多染色质修饰酶的底物，能够为蛋白质和DNA甲基化提供一个甲基基团。

虽然转硫途径不是1C转移的直接参与者，但它作为清除多余硫和1C单位的关键 sink。该途径通过含硫的Hcy与甲硫氨酸循环紧密相连，Hcy是一个关键的代谢分支点，其通量受SAM调节。在SAM稀缺的条件下，Hcy优先被再甲基化以再生甲硫氨酸，从而在1C循环内保存甲基。相反，当SAM水平升高，反映 methylation 潜力充足时，SAM变构激活转硫途径的限速酶胱硫醚β-合酶（CBS），同时抑制MTHFR。这种双重调节将Hcy通量从再甲基化转向半胱氨酸和谷胱甘肽的生物合成，增强细胞的抗氧化能力。转硫途径作为一个代谢“溢流阀”，协调1C单位利用与氧化还原稳态。它确保在需要时进行有效的甲基化和核苷酸合成，同时将多余的硫引导至保护性的抗氧化防御。这种细胞保护功能经常被癌细胞利用，以建立强大的抗氧化防御，维持其生存和恶性进展。

2.3 1C单位的利用

通过叶酸介导的反应产生的1C单位对多种生物合成过程至关重要。在细胞质叶酸循环中，5,10-亚甲基-THF作为一碳供体，用于脱氧尿苷酸（dUMP）向脱氧胸苷酸（dTMP）的转化，该反应由胸苷酸合成酶（TYMS）催化，对嘧啶合成至关重要。类似地，10-甲酰-THF为嘌呤的从头合成提供甲酰基，该过程由GAR转甲酰基酶（GARFT）和AICAR转甲酰基酶（AICARFT）促进。与核苷酸合成并行，5-甲基-THF在甲硫氨酸循环中作为甲基供体，从Hcy再生甲硫氨酸并维持SAM依赖的甲基化反应。

除了这些细胞质和核内作用，线粒体1C代谢独特地支持甲硫氨酰-tRNA的甲酰化（甲酰-Met-tRNA），这对启动线粒体翻译至关重要。在线粒体内，10-甲酰-THF作为线粒体tRNA-Met修饰的甲酰供体，其生成依赖于SHMT2和MTHFD2/2L。线粒体甲硫氨酰-tRNA甲酰转移酶（MTFMT）利用10-甲酰THF产生甲酰-Met-tRNA。这种甲酰化使得线粒体核糖体上的翻译得以启动，从而维持线粒体蛋白质稳态和呼吸功能。MTFMT的功能丧失会破坏这一过程，导致线粒体翻译受损和氧化磷酸化缺陷。此外，丝氨酸可用性和自噬衍生的代谢物动态调节这一途径，将营养状态和1C代谢与线粒体翻译效率联系起来。总的来说，这些发现强调1C单位的利用超越了经典合成代谢途径，还包括在维持线粒体翻译和能量代谢方面的关键作用，从而将营养感应与细胞生物能量稳态结合起来。

3 1C酶在癌症中的多重功能

在癌症中，一个新概念强调代谢酶除了产生代谢中间体外，还具有非传统作用，通过独特机制影响癌症的发生、发展和对治疗的抵抗。值得注意的是，越来越多的证据表明，参与1C代谢的酶表现出显著多样的多重活性，包括调节基因转录、调节翻译后修饰、改变线粒体活性和重塑肿瘤微环境。这些发现显著重塑了我们对1C代谢的理解，将其从传统的生物合成途径重新定义为一个与肿瘤发展密切相关的动态调节枢纽。

3.1 PHGDH

SSP的限速酶PHGDH已成为具有意想不到的非催化作用的肿瘤发生多功能调节因子。值得注意的是，这些非催化功能与其亚细胞定位密切相关，表明PHGDH可能根据其在细胞内的空间分布发挥不同的调节作用（图2）。具体来说，核PHGDH已被证明在各种肿瘤类型中执行转录调节功能。在胶质母细胞瘤中，PHGDH结合并稳定转录因子FOXM1，维持下游靶标（如VEGF、CCND1、CHK2和MMP-2）的表达，以驱动胶质瘤细胞增殖、侵袭和致瘤性（图2A）。类似地，在肝癌中，PHGDH的ACT结构域直接与c-MYC相互作用，与p300和AF9形成转录激活复合物，上调趋化因子（CXCL1、IL8）（图2B）。这些趋化因子招募中性粒细胞和肿瘤相关巨噬细胞，重塑免疫微环境以促进肿瘤进展。代谢应激进一步调节PHGDH的核功能。在葡萄糖限制下，p38依赖的Ser371磷酸化促进其核转位，在那里PHGDH作为代谢传感器和转录调节因子发挥 moonlighting 作用（图2C）。同时，PHGDH在Ser55的磷酸化诱导构象变化，增强其苹果酸氧化的替代催化活性。这种修饰使PHGDH能够感知能量应激并提高核NADH水平，同时消耗NAD⁺，从而抑制PARP1活性。因此，PHGDH通过限制NAD⁺可用性和直接结合c-JUN来抑制c-JUN的多聚（ADP-核糖基）化，从而阻断c-JUN驱动的增殖。

除了其核功能，细胞质PHGDH充当分子支架，调节mRNA翻译、信号传导和代谢重编程。在胰腺癌中，PHGDH与翻译起始因子eIF4A和eIF4E结合，增强eIF4F复合物在目标mRNA的5'帽端的形成（图2F）。这种 scaffolding 活性促进了EMT相关mRNA的翻译，从而促进肿瘤进展。在肝细胞癌（HCC）中，葡萄糖剥夺降低了细胞内3-磷酸甘油酸（3-PGA）的水平，3-PGA是一种通常结合PHGDH以维持其代谢功能的代谢物。在3-PGA解离后，PHGDH发生构象和功能转变，促进由PHGDH、AXIN、HIPK2、TIP60和p53组成的多蛋白复合物的组装（图2E）。在该复合物内，HIPK2介导的p53 Ser46磷酸化触发凋亡，揭示了PHGDH的肿瘤抑制作用。此外，在乳腺癌中，PHGDH与糖酵解酶血小板型磷酸果糖激酶（PFKP）相互作用。破坏这种相互作用会激活己糖胺和唾液酸生物合成途径，导致唾液酸产量增加。因此，核苷酸糖（如CMP-唾液酸）的细胞池扩大， fueling 蛋白质糖基化增加，包括整合素αvβ3的唾液酸化。这种末端修饰将带负电荷的唾液酸残基添加到细胞表面受体，改变整合素αvβ3的粘附特性，增强细胞运动性和侵袭性，并最终驱动癌细胞传播和转移（图2D）。值得注意的是，在肝癌细胞中，15-20%的PHGDH定位于线粒体内膜（IMM），在那里它结合ANT2以招募线粒体延伸因子G2（mtEFG2）（图2G）。这种相互作用增强了线粒体核糖体回收，促进了mtDNA编码的电子传递链（ETC）组分的翻译，并放大了氧化代谢以 fueling 肿瘤进展。总的来说， accumulating 证据强调PHGDH的非催化功能与其亚细胞定位密切相关，将该代谢酶定位为细胞信号传导的空间调节枢纽。

3.2 MTHFD2

传统上因其在叶酸代谢中的酶作用而被认识的MTHFD2，最近已成为具有关键非酶功能的多方面调节因子，包括调节DNA损伤修复、细胞周期进程、RNA代谢和RNA甲基化（图3）。

核定位的MTHFD2通过调节细胞周期蛋白依赖性激酶1（CDK1）活性来稳定核酸外切酶1（EXO1）的磷酸化，从而促进同源重组（HR）修复并保护基因组完整性（图3A）。在细胞核中，MTHFD2还与聚（ADP-核糖）聚合酶3（PARP3）结合，增强非同源末端连接（NHEJ）的效率，这是肿瘤细胞中关键的DNA修复途径（图3B）。这种相互作用在携带p53缺失或突变的肿瘤中尤为重要，这些肿瘤表现出对NHEJ的依赖性增加。MTHFD2的药理学抑制会破坏DNA修复机制，并显著使肿瘤细胞对化疗药物多柔比星敏感。除了其在DNA修复中的功能，MTHFD2与CDK2相互作用以增强Rb磷酸化，触发E2F1的释放和激活（图3C）。以E2F1乙酰化和转录活性增加为标志，该级联促进膀胱癌细胞的G1-S期转换并加速细胞周期进程。此外，Costas等人鉴定了MTHFD2在调节RNA加工和翻译中的非经典作用。从机制上讲，MTHFD2在物理上与参与RNA代谢过程和翻译调节的核蛋白相关联，包括几个异质核核糖核蛋白（hnRNP）家族成员和小核糖体亚基的组分。从功能上讲，消耗MTHFD2会损害细胞增殖和应激适应，类似于观察到的核糖体蛋白破坏后的细胞表型， thereby 突出了其在维持翻译稳态中的作用。此外，MTHFD2在肾细胞癌（RCC）中被新表征为RNA甲基化的调节因子。MTHFD2促进HIF-2α mRNA的N6-甲基腺苷（m6A）修饰，增强其翻译（图3D）。升高的HIF-2α反过来驱动糖酵解基因表达和MTHFD2转录，形成一个将RNA甲基化与RCC代谢重编程联系起来的前馈环。综上所述，这些研究揭示MTHFD2参与了叶酸代谢之外的多种非酶功能，支持基因组稳定性、蛋白质合成以及肿瘤细胞适应和生长。

3.3 PSAT1和PSPH

类似地，PSAT1和PSPH的致癌作用远远超出了它们的代谢功能（图4）。2020年的一项 landmark 研究是首批强调PSAT1在肺腺癌转移中非酶作用的研究之一。具体来说，PSAT1过表达抑制IFNγ-STAT1-IRF1-IFIH1信号轴，减弱IFNγ介导的反应并 foster 免疫抑制性肿瘤微环境（图4）。值得注意的是，这种促转移效应独立于丝氨酸生物合成的改变而发生，表明了一种非催化作用机制，尽管潜在的调节基础仍不清楚。后续研究进一步证明，PSAT1的异常上调与肺癌中的厄洛替尼耐药密切相关。从机制上讲，PSAT1通过其与IQGAP1的相互作用激活STAT3信号通路，并且即使在存在催化失活的PSAT1突变体的情况下，这种效应仍然存在（图4）。这些发现 underscore 了PSAT1的非经典 scaffolding 功能作为肿瘤进展关键贡献者的新兴认识。例如，在携带p53^72P变体的肿瘤中，PSAT1竞争性地与突变体相互作用而不依赖其酶功能，促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）的核输入，从而增加线粒体生物发生、氧化磷酸化（OXPHOS）和TCA循环过程（图4）。通过氨基氧乙酸（AOA）破坏PSAT1-p53^72P相互作用显著损害这些线粒体过程，表明潜在的治疗脆弱性。类似地，PSPH已被证明直接与胰岛素受体底物1（IRS-1）相互作用，促进其去磷酸化并随后激活PI3K-AKT信号通路（图4）。这种非经典功能增强了癌细胞的迁移和侵袭，独立于PSPH在丝氨酸生物合成中的作用。

总的来说，结果 underscore 了抑制PSAT1和PSPH的非经典活性作为一种治疗策略的前景，它们作为致癌信号和免疫逃逸的关键调节因子， thereby 呈现出超越专注于代谢抑制的传统策略的新干预机会。

3.4 SHMT1/2

新兴证据强调了SHMT1/2超越其在1C代谢中传统角色的功能复杂性（图4）。SHMT1表现出作为RNA结合蛋白的多重功能，调节其自身表达以及SHMT2的表达。具体来说，SHMT1结合其自身mRNA的5'非翻译区（UTR）以抑制翻译，同时还与SHMT2 mRNA的5' UTR相互作用以降低转录本稳定性和蛋白质表达（图4）。这种双重调节机制确保了细胞质和线粒体之间丝氨酸代谢的协调控制，维持细胞质和线粒体通量之间的动态平衡。

值得注意的是，SHMT2的非催化作用已被更广泛地表征，并且 remarkably 多样化。一个 well-characterized 例子涉及其作为BRISC（BRCC36异肽酶复合物）关键结构组分的作用，BRISC是一种特异性切割K63连接泛素链的去泛素化酶复合物。在这种情况下，SHMT2最初作为支架蛋白发挥作用，将BRISC招募到泛素化的IFNAR1上，促进K63连接的去泛素化并防止受体降解以维持I型干扰素信号。随后的结构和生化研究揭示，在缺乏其辅因子吡哆醛-5'-磷酸（PLP）或底物的情况下，SHMT2形成无活性的二聚体，结合BRISC复合物并 sterically 阻断BRCC36，作为BRISC非特异性去泛素化活性的内源性竞争性抑制剂（图4）。因此，SHMT2整合了BRISC的基础抑制和底物特异性促进， illustrating 一个更广泛的调节范式，其中代谢酶 moonlighting 以微调泛素信号，具有对肿瘤免疫反应和治疗结果的潜在 implications。这种功能多样性通过SHMT2基因的可变剪接得到进一步例证，其产生两种不同的亚型：典型的线粒体SHMT2和较短的变体SHMT2α，由于外显子1排除而缺乏线粒体靶向序列。与其线粒体对应物不同，SHMT2α经历细胞周期依赖性核质穿梭，在S/G2/M期积累在细胞核中，在G1期保持细胞质（图4）。这种定位模式反映了与DNA复制和修复的紧密时空协调。尽管SHMT2α保留代谢活性，但其核功能独立于线粒体一碳代谢。从机制上讲，核SHMT2α与SHMT1合作，在复制位点形成胸苷酸合成复合物，精确地将dTMP生产引导到需要的地方。这种空间组织提高了核苷