CPS1基因與腫瘤關系的研究進展

黃天勁 周宇

【摘要】 氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）是催化尿素循環限速酶之一，主要在肝細胞和腸上皮細胞中表達，正常生理情況下其在清除體內代謝廢物氨的過程中起重要作用。研究表明，CPS1基因與肝癌、肺癌、結直腸癌等多種惡性腫瘤關系密切，通過多種信號轉導通路或影響嘧啶合成等途徑影響細胞增殖、凋亡、遷移等細胞生物學行為，從而影響腫瘤的發生發展或患者的預后。因此，研究CPS1基因與腫瘤的關系，對惡性腫瘤早期診治、預后評價等方面有重要意義。該文就CPS1基因與腫瘤的關系進行綜述。

【關鍵詞】 CPS1基因;腫瘤;結構;功能

【Abstract】 Carbamyl phosphate synthase 1 （CPS1） is one of the rate-limiting enzymes in the urea cycle， which is mainly expressed in liver cells and intestinal epithelial cells. Under normal physiological conditions，CPS1 plays an important role in the removal of ammonia， a metabolic waste in the body. Studies have shown that CPS1 gene is intimately related to liver cancer， lung cancer， colorectal cancer and other malignant tumors， and can affect cell proliferation， apoptosis， migration and other cell biological behaviors through a variety of signal transduction pathways or affecting pyrimidine synthesis， thus affecting the occurrence and development of tumors or clinical prognosis of patients. Therefore， analyzing the relationship between CPS1 gene and malignant tumor is of great significance for early diagnosis， treatment and prognosis evaluation of tumor. This article reviews the relationship between CPS1 gene and tumor.

【Key words】 CPS1 gene; Tumor; Structure; Function

氨甲酰磷酸合成酶1（CPS1）又稱肝細胞石蠟抗原1，為催化尿素循環限速酶之一[1]。尿素循環的主要功能是清除體內代謝產生的有毒物質氨，CPS1功能缺失或降低可引起尿素循環障礙，進而導致高氨血癥，嚴重者可導致神經功能障礙甚至死亡[2]。近年來研究表明，CPS1基因在多種腫瘤組織中存在差異性表達，可通過多方面影響腫瘤的發生發展及患者的預后。

一、CPS1基因的結構和功能

CPS存在于高等生物及大多數細菌中，細菌中的CPS用于合成精氨酸和嘧啶，而在高等生物中，不同的CPS用于合成精氨酸、嘧啶及尿素。CPS1專指真核生物中合成尿素的CPS，是由一個約120 kDa大亞基和一個約40 kDa小亞基融合成的多肽[3]。CPS1基因位于染色體2q34上，長度超過120 kb，包含38個外顯子和37個內含子，主要在肝細胞和腸上皮細胞中表達[4-5]。真核生物中合成嘧啶的CPS與AST、二氫轉氨酶構成243 kDa的復合酶（CAD）[6]。CPS1及CAD均能催化氨甲酰磷酸的形成，后者為一種不穩定的高能磷酸化合物，是尿素和嘧啶合成的前體代謝物[7]。

二、CPS1與腫瘤的關系

1. CPS1與肝細胞癌（HCC）的關系

CPS1在HCC及膽管細胞癌中起重要作用。有研究發現，在人HCC組織中CPS1的表達明顯下調，且其下調可能與其啟動子區CpG高甲基化相關，故認為CPS1基因啟動子區的高甲基化可作為HCC潛在的生物標志物[8]。此外，也有研究發現，在HCC中CPS1的高甲基化引起其表達下調，可能有利于CAD作用于谷氨酰胺，啟動合成嘧啶途徑，從而促進腫瘤細胞分裂[9]。因此，CPS1在HCC組織表達下調與其甲基化有關。進一步的研究發現，CPS1與HCC患者某些臨床病理指標及預后有關。Wang等[10]研究發現，相對于中、高分化HCC，低分化HCC中CPS1表達量明顯上調，說明CPS1與HCC的分化程度有關。也有研究發現，CPS1在復發性HCC和遠處轉移癌組織中明顯下調，并且低表達的CPS1與HCC患者的短生存期有關[11]。然而，在肝內膽管癌中，CPS1和CPS1-IT1表達均上調，敲除CPS1或CPS1-IT1基因可抑制ICC-9810細胞增殖并促進其凋亡，并且CPS1和CPS1-IT1在癌組織中表達增高提示患者預后不良[12]。由此可見，在HCC的2個病理類型中CPS1的作用相反。CPS1在HCC中的作用機制仍未十分清楚。Chen等[13]研究發現，肝細胞核因子3β（HNF3β）可通過結合CPS1啟動子區域，促進肝細胞株中CPS1轉錄表達。也有研究發現，阿司匹林可能通過激活AMPK信號通路，進而下調其下游靶蛋白CPS1的表達，誘導HCC cAMP-PKA-CREB/atf1信號通路轉導，從而減弱阿司匹林的抗腫瘤作用[14]。Aflatxion B1（AFB1）是一種能導致HCC的霉菌毒素，AFB1能下調正常肝細胞CPS1的表達，進而抑制細胞增殖及誘導其凋亡，并且CPS1與具有分化作用的Ⅱ型細胞骨架1、白蛋白可能具有一定相互作用，其相互作用強度相關性被AFB1改變，這提示CPS1可能在肝組織分化中發揮作用[15]。

2. CPS1與肺癌的關系

CPS1在肺癌中也發揮重要作用。Wu等[16]通過生物信息分析發現，CPS1在肺腺癌組織中的表達水平明顯上調，且CPS1上調與CPS1的低甲基化相關。進一步研究發現，化學治療藥物莫特沙芬釓能降低CPS1的表達水平。肝激酶B1（LKB1）是肺腺癌的一種腫瘤抑制因子，CPS1在LKB1失活的肺腺癌細胞系中的表達比LKB1完整的肺腺癌細胞系明顯上調。敲除CPS1可抑制肺腫瘤細胞生長，降低與核酸生物合成途徑相關的代謝物水平，并且在敲低基礎上使用吉西他濱等化學治療藥物時具有相加效應，這表明CPS1可能成為肺癌較有前景的治療靶點[17]。在人非小細胞肺癌中，LKB1可通過AMPK通路抑制CPS1的轉錄，降低嘧啶/嘌呤值，影響S期進程，導致DNA聚合酶活性下降和DNA損傷，促進腫瘤細胞的凋亡，加入外源嘧啶可以逆轉DNA損傷及細胞凋亡[18]。另有研究發現，在表皮生長因子受體（EGFR）突變型非小細胞肺癌中，在抑制EGFR的基礎上敲低CPS1能導致精氨酸水平和嘧啶衍生物水平降低，進而抑制細胞增殖，加入外源性嘧啶類化合物能夠在一定程度上解除這種抑制效果，這為開發合理的EGFR抑制劑聯合療法治療EGFR突變的非小細胞肺癌提供理論基礎[19]。AFF1（AF4/FMR2家族成員1）是超伸長復合體的核心因子，神經降壓素（NTS）是一種由13個氨基酸組成的神經肽。Yue等[20]在肺腺癌細胞中研究發現，AFF1可以通過抑制NTS的表達進而抑制CPS1的表達，IL-6通路能夠拮抗NTS對CPS1的調節作用，說明CPS1的上游調控因子可能為NTS、IL-6等。

3. CPS1與結直腸癌的關系

CPS1與結直腸癌亦相關。通過大數據分析庫（如The Cancer Genome Atla等數據庫）分析發現，CPS1在結腸腺癌組織中表達增加，并認為CPS1是結腸癌進展的重要基因之一[21-22]。也有研究發現，CPS1與結直腸癌放射、化學治療作用有關。Lee等[23]研究發現，CPS1蛋白在結腸癌細胞中的表達比非腫瘤性人結腸上皮原代細胞高，在接受新輔助同步放射、化學治療的直腸癌患者中，CPS1的過度表達預示治療效果差。在一項關于紫草素抗腫瘤活性的研究中發現，紫草素處理后的結腸癌小鼠模型中CPS1 mRNA表達增加，說明紫草素的抗腫瘤作用可能與CPS1有關[24]。在另一個研究中，二甲雙胍可增加HCT116移植瘤和結直腸癌細胞株中AMPK和p53的表達，進而降低CPS1的表達[25]。此外，通過蛋白質組學分析顯示，CPS1在潰瘍性結腸炎（UC）進展者（UC伴高度異型增生或癌）組織中表達上調，在UC非進展者（無不典型增生）中表達正常，提示CPS1可能與UC相關的結腸癌相關[26]。

4. CPS1與其他腫瘤的關系

除了HCC、肺癌及結直腸癌之外，CPS1在其他腫瘤組織中的情況也有少許研究。Wu等[27]通過Oncomine和GEPIA等公共數據庫的轉錄組數據分析發現，啟動子區低甲基化的CPS1在多形性膠質母細胞瘤（GBM）中表達上調，通過PI3K-Akt信號通路促進GBM的進展。Liu等[28]通過RNA測序和CARD10基因敲除的代謝質譜分析表明，CPS1為CARD10調控的下游基因，并且CARD10可通過調控CPS1促進膀胱癌生長，這可能成為膀胱癌的潛在治療靶點。

三、展 望

綜上所述，CPS1是催化尿素循環的關鍵酶之一，主要參與清除機體代謝產生的有毒物質氨。近年來，CPS1被發現在多種惡性腫瘤中表達異常，且在大多數腫瘤中上調。同時CPS1表達受多種活性因子如AFB1、LKB1調控或與甲基化相關。此外，CPS1與多種信號通路因子或信號轉導通路如AMPK、cAMP-PKA-CREB/atf1、PI3K-Akt等相互作用，共同影響腫瘤的發生發展及患者的預后。值得注意的是，CPS1與CAD催化合成的氨基甲酰磷酸是尿素循環和嘧啶合成的前體代謝物，因此，CPS1的生物活性可間接影響嘧啶合成進而導致腫瘤發生發展。盡管CPS1在腫瘤方面的研究已取得一定的進展，但仍有許多問題尚未完全清楚。因此，有必要對其進行更深入的研究，以期尋找腫瘤早期診治或進展評估的生物標志物提供可能的實驗基礎及理論依據。

參 考 文 獻

[1] Butler S L， Dong H， Cardona D， et al. The antigen for Hep Par 1 antibody is the urea cycle enzyme carbamoyl phosphate synthetase 1. Lab Invest， 2008， 88（1）： 78-88.

[2] Diez-Fernandez C， H?berle J. Targeting CPS1 in the treatment of Carbamoyl phosphate synthetase 1 （CPS1） deficiency， a urea cycle disorder. Expert Opin Ther Targets， 2017， 21（4）： 391-399.

[3] Díez-Fernández C， Hu L， Cervera J， et al. Understanding carbamoyl phosphate synthetase （CPS1） deficiency by using the recombinantly purified human enzyme： effects of CPS1 mutations that concentrate in a central domain of unknown function. Mol Genet Metab， 2014， 112（2）： 123-132.

[4] Nitzahn M， Lipshutz G S. CPS1： looking at an ancient enzyme in a modern light. Mol Genet Metab， 2020， 131（3）： 289-298.

[5] Taguchi A， Fahrmann J F， Hanash S M. A promising CPS1 inhibitor keeping ammonia from fueling cancer. Cell Chem Biol， 2020， 27（3）： 253-254.

[6] Keshet R， Szlosarek P， Carracedo A， et al. Rewiring urea cycle metabolism in cancer to support anabolism. Nat Rev Cancer， 2018， 18（10）： 634-645.

[7] Martínez A I， Pérez-Arellano I， Pekkala S， et al. Genetic， structural and biochemical basis of carbamoyl phosphate synthetase 1 deficiency. Mol Genet Metab， 2010， 101（4）： 311-323.

[8] Liu H， Dong H， Robertson K， et al. DNA methylation suppresses expression of the urea cycle enzyme carbamoyl phosphate synthetase 1 （CPS1） in human hepatocellular carcinoma. Am J Pathol， 2011， 178（2）： 652-661.

[9] Cancer Genome Atlas Research Network， Wheeler D A， Roberts L R. Comprehensive and integrative genomic characterization of hepatocellular carcinoma. Cell，2017，169（7）：1327-1341.

[10] Wang W， Li Q， Huang G， et al. Tandem Mass Tag-based proteomic analysis of potential biomarkers for hepatocellular carcinoma differentiation. Onco Targets Ther， 2021， 14： 1007-1020.

[11] Ridder D A， Schindeldecker M， Weinmann A， et al. Key enzymes in pyrimidine synthesis， CAD and CPS1， predict prognosis in hepatocellular carcinoma. Cancers （Basel）， 2021， 13（4）：744.

[12] Ma S L， Li A J， Hu Z Y， et al. Co?expression of the carbamoyl? phosphate synthase 1 gene and its long non?coding RNA correlates with poor prognosis of patients with intrahepatic cholangiocarcinoma. Mol Med Rep，2015，12（6）：7915-7926.

[13] Chen Z， Tang N， Wang X， et al. The activity of the carbamoyl phosphate synthase 1 promoter in human liver-derived cells is dependent on hepatocyte nuclear factor 3-beta. J Cell Mol Med， 2017， 21（9）： 2036-2045.

[14] Zhang H， Yang S， Wang J， et al. Blockade of AMPK-mediated cAMP-PKA-CREB/ATF1 signaling synergizes with Aspirin to inhibit hepatocellular carcinoma. Cancers （Basel）， 2021， 13（7）：1738.

[15] Yang C， Fu R， Zhuang Z， et al. Studies on the biological functions of CPS1 in AFB1 induced hepatocarcinogenesis. Gene， 2016， 591（1）： 255-261.

[16] Wu G， Zhao Z， Yan Y， et al. CPS1 expression and its prognostic significance in lung adenocarcinoma. Ann Transl Med， 2020， 8（6）： 341.

[17] ?eliktas M， Tanaka I， Tripathi S C， et al. Role of CPS1 in cell growth， metabolism and prognosis in LKB1-inactivated lung adenocarcinoma. J Natl Cancer Inst， 2017， 109（3）： 1-9.

[18] Kim J， Hu Z， Cai L， et al. CPS1 maintains pyrimidine pools and DNA synthesis in KRAS/LKB1-mutant lung cancer cells. Nature， 2017， 546（7656）： 168-172.

[19] Pham-Danis C， Gehrke S， Danis E， et al. Urea cycle sustains cellular energetics upon EGFR inhibition in EGFR-mutant NSCLC. Mol Cancer Res， 2019， 17（6）： 1351-1364.

[20] Yue J， Dai Q， Hao S， et al. Suppression of the NTS-CPS1 regulatory axis by AFF1 in lung adenocarcinoma cells. J Biol Chem， 2021， 296： 100319.

[21] Palaniappan A， Ramar K， Ramalingam S. Computational identification of novel stage-specific biomarkers in colorectal cancer progression. PLoS One， 2016， 11（5）： e0156665.

[22] Spinelli J B， Yoon H， Ringel A E， et al. Metabolic recycling of ammonia via glutamate dehydrogenase supports breast cancer biomass. Science， 2017， 358（6365）： 941-946.

[23] Lee Y Y， Li C F， Lin C Y， et al. Overexpression of CPS1 is an independent negative prognosticator in rectal cancers receiving concurrent chemoradiotherapy. Tumour Biol， 2014， 35（11）： 11097-11105.

[24] Chen Y， Ni J， Gao Y， et al. Integrated proteomics and metabolomics reveals the comprehensive characterization of antitumor mechanism underlying shikonin on colon cancer patient-derived xenograft model. Sci Rep， 2020， 10（1）： 14092.

[25] Zhang T， Hu L， Tang J F， et al. Metformin inhibits the urea cycle and reduces putrescine generation in colorectal cancer cell lines. Molecules， 2021， 26（7）：1990.

[26] Brentnall T A， Pan S， Bronner M P， et al. Proteins that underlie neoplastic progression of ulcerative colitis. Proteomics Clin Appl， 2009， 3（11）： 1326.

[27] Wu G， Yan Y， Zhou Y， et al. Expression and clinical significance of CPS1 in glioblastoma multiforme. Curr Res Transl Med， 2019， 67（4）： 123-128.

[28] Liu X， Zhang X， Bi J， et al. Caspase recruitment domain family member 10 regulates carbamoyl phosphate synthase 1 and promotes cancer growth in bladder cancer cells. J Cell Mol Med， 2019， 23（12）： 8128-8138.

（收稿日期：2021-08-25）

（本文編輯：楊江瑜）