甲硫氨酸合酶通过调节叶酸代谢而影响肿瘤发生的新机制

撰文 | 阿童木

责编 | 兮

叶酸是细胞生长和机体发育所必需的物质，能够与维生素B12共同促进红细胞的生成和成熟，尤其对婴幼儿的神经与脑细胞发育至关重要。哺乳动物自身不能合成叶酸，而需将食物中的叶酸还原成二氢叶酸（dihydrofolate, DHF），然后被二氢叶酸还原酶（dihydrofolate reductase, DHFR）还原成四氢叶酸（tetrahydrofolate, THF），并以5-甲基四氢叶酸（5-methyl tetrahydrofolate, 5-MTHF）的还原形式参与体内循环【1】。

蛋氨酸合酶能够耦联叶酸代谢与蛋氨酸循环

THF能将一个碳单位转移到氨基酸、核苷酸或其他分子上，因此在核酸以及蛋氨酸（甲硫氨酸）的合成和转化以及氧化还原反应中扮演了关键角色。THF的产生与蛋氨酸循环相耦联，其中5-甲基四氢叶酸-同型半胱氨酸甲基转移酶（5-methyltetrahydrofolate-homocysteine methyltransferase，即钴胺素依赖性蛋氨酸合酶，MTR）催化甲基从5-MTHF转移到同型半胱氨酸，产生蛋氨酸及THF，蛋氨酸能够进一步转化为调节甲基化反应的关键底物S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）【2】。然而，肿瘤发生过程中MTR究竟主要负责驱动蛋氨酸通量和依赖性，还是用于维持细胞的THF池（pool），仍有待商榷。

鉴于叶酸循环在核酸合成中的关键作用，通过靶向叶酸代谢抑制核酸合成与细胞增殖，对快速分裂的细胞有较大的毒性作用，是肿瘤化疗中常用的叶酸拮抗疗法的依据【3】。然而，抑制叶酸合成同样会导致正常细胞DNA合成与甲基化的水平降低，甚至造成DNA链断裂及抑癌基因（如p53）低甲基化，诱发肿瘤发生。因此，解析叶酸代谢在肿瘤发生中的调控机制将为破译抗肿瘤治疗中的“叶酸悖论”提供新的线索，并为化疗策略的优化升级提供理论支持。

2021年11月17日，Nature Metabolism杂志发表由普林斯顿大学Joshua D. Rabinowitz教授和麻省理工学院Matthew G. Vander Heiden 教授分别领衔的“背靠背”文章——Methionine synthase supports tumour tetrahydrofolate pools”和“Methionine synthase is essential for cancer cell proliferation in physiological folate environments，共同揭示了蛋氨酸合酶（MTR）能通过维持癌细胞THF的代谢稳态，控制肿瘤细胞的生长。同期Nature metabolism杂志配发了新加坡科技研究局（A*STAR）Zhengwei Wu等撰写的题为“A new foe in folate metabolism”的亮点评述文章，认为两项研究探明了肿瘤发生过程中蛋氨酸合酶在叶酸代谢与蛋氨酸循环中的核心调节作用，并为“将膳食干预与抗叶酸疗法相结合，设计新的肿瘤治疗策略铺平了道路”。

在Joshua D. Rabinowitz教授的研究中，他们利用基于 [U -13C] 的蛋氨酸标记对胰腺导管腺癌模型小鼠进行了一系列同位素流量示踪实验，发现MTR合成的甲基化蛋氨酸仅占体外培养细胞蛋氨酸池总量的约3%，而在肿瘤、非肝组织和血清中约占10%，证明了MTR虽然在细胞蛋氨酸池的维持过程中发挥了作用，但并主控因子。随后作者构建了不同组织来源的MTR缺陷型肿瘤细胞，发现MTR缺陷型肿瘤细胞中补充5-MTHF并不能恢复细胞增殖，而补充THF后，MTR缺陷型肿瘤细胞能在不依赖MTR的状态下满足对叶酸的需求，增殖得以恢复。利用转基因小鼠模型也发现类似表型，即敲除MTR会抑制体内肿瘤生长。代谢组学分析表明，MTR敲除小鼠体内的5-MTHF水平升高，而其他叶酸衍生物（如5,10-亚甲基-THF和10-甲酰基-THF）水平下降；此外，MTR的缺失会伴随着嘌呤和嘧啶合成中间体的积累，核苷酸类物质含量降低。补充治疗叶酸缺乏症的药物亚叶酸钙（亚叶酸），可以挽救MTR缺陷小鼠中肿瘤的生长，表明肿瘤发生过程中蛋氨酸合酶在促进叶酸代谢及维持叶酸池稳定等方面具有重要作用。

虽然Folate和folic acid都被称为叶酸，但是二者的区别在于folate是天然的，folic acid是叶酸的合成形式。标准细胞培养基中含有非生理性叶酸（folic acid），其能在DHFR的催化下产生THF作为细胞生长所需叶酸的非生理性来源，但培养基中非生理性叶酸的存在会潜在影响我们评估蛋氨酸循环介导的THF合成在叶酸代谢及肿瘤发生中所发挥作用。第二篇文章中， Matthew G. Vander Heiden 教授团队发现缺乏非生理性叶酸但补充5-MTHF的体外培养条件下， MTR能够调节腺苷和鸟苷的合成，是癌细胞增殖和肿瘤生长所必需的。MTR在肿瘤细胞核苷酸从头合成及细胞增殖调控中发挥了关键作用。此外，他们利用包括 489 个条形码贴壁癌细胞系的文库（PRISM）进行了多重增殖试验，发现大多数肿瘤细胞系在添加叶酸或5-MTHF的培养基中具有相似的增殖能力，且与MTR表达水平的变异性无关，但暴露于5-MTHF的癌细胞对化疗药物甲氨蝶呤的耐药性更强。随后，他们继续研究了非生理性叶酸和MTR在肿瘤发生中发挥作用的异同，发现基底水平的非生理性叶酸饲喂能够支持野生型癌细胞的生长，但不能支持MTR敲除小鼠的肿瘤发生。然而，通过在小鼠饮用水中补充非生理性叶酸而增加循环叶酸量挽救了MTR敲除小鼠的肿瘤生长。上述结果表明非生理性叶酸可以绕过蛋氨酸合酶（MTR）并直接支持肿瘤细胞THF池的维持继而促进核苷酸的合成。因此，本研究证明了MTR作为抗肿瘤靶点的潜力，但由于膳食摄入的叶酸仍能帮助维持核苷酸生物合成所需的THF池，因此单独抑制MTR活性显然是不够有效的。多种靶向叶酸代谢的治疗手段综合使用，如饮食干预（低叶酸饮食），抑制DHFR和MTR等关键酶的活性，可能会发挥更强效的抗肿瘤效果。

蛋氨酸合酶能够维持四氢叶酸池以驱动癌细胞的核苷酸合成与细胞增殖

综上所述，两篇文章结合体外和体内实验并利用代谢组学以及代谢示踪等技术，揭示了蛋氨酸合酶能够控制肿瘤细胞叶酸池的维持，并能通过调节蛋氨酸循环而介导核苷酸前体和氨基酸的生物合成，最终影响了肿瘤细胞的增殖与肿瘤发生。这一代谢调控方式的发现为以蛋氨酸合酶为靶标设计新型抗肿瘤药物提供了新的思路，而膳食干预与靶向叶酸代谢药物的联合使用可能才是抗叶酸肿瘤治疗策略的最优解决方案。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s42255-021-00465-w

https://doi.org/10.1038/s42255-021-00486-5

https://doi.org/10.1038/s42255-021-00474-9

制版人：十一

参考文献

1. Lane A N, Fan T W M. Regulation of mammalian nucleotide metabolism and biosynthesis. Nucleic acids research, 2015, 43(4): 2466-2485.

2. Ducker G S, Rabinowitz J D. One-carbon metabolism in health and disease. Cell metabolism, 2017, 25(1): 27-42.

3. Pieroth R, Paver S, Day S, et al. Folate and its impact on cancer risk. Current nutrition reports, 2018, 7(3): 70-84.

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