一碳代謝酶MTHFD2在腫瘤中的研究進展

施洋峰 應可凈 王利民

代謝重編程是腫瘤的一個關鍵特征，它滿足了腫瘤細胞異常增殖時對營養物質的需求，在腫瘤生長、侵襲、轉移及化療抵抗等過程中起到重要作用。其中一碳代謝的改變在腫瘤中尤為明顯，研究顯示其參與了腫瘤細胞中生物大分子（核酸、氨基酸和脂質等）的合成、同型半胱氨酸甲基化、ATP的合成及氧化還原穩態的維持等[1]。目前靶向一碳代謝酶如二氫葉酸還原酶（dihydrofolate reductase,DHFR）和胸苷酸合成酶（thymidylate synthase,TYMS）的藥物如甲氨蝶呤、5-氟尿嘧啶和培美曲塞等已應用于臨床，并取得了一定的療效。然而此類藥物由于同時殺傷腫瘤細胞和正常細胞，且靶點特異性低，會引起胃腸道反應、骨髓抑制、肝臟及心臟毒性等不良反應[2]。因此，需要深入探索一碳代謝，尋找更有效的靶點。一碳代謝分為細胞質途徑和線粒體途徑，其中參與線粒體途徑的亞甲基四氫葉酸脫氫酶2（methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2,MTHFD2）在腫瘤中表達明顯上調，而在大部分正常成人組織中不表達[3]。最近研究發現MTHFD2與腫瘤的多種惡性表型相關，且具有非代謝的兼職功能（moon‐lighting），同時MTHFD2抑制劑相關研究亦取得不斷突破，這提示MTHFD2將成為腫瘤一碳代謝的重要靶點。本文就MTHFD2在腫瘤中的相關研究進展作一綜述。

1 MTHFD2在腫瘤中的表達及臨床意義

一碳代謝酶MTHFD在細胞內主要包括MTHFD1和MTHFD2。MTHFD1主要位于細胞質，呈廣泛表達；而MTHFD2主要位于線粒體，在成人組織中卻表達缺失[3]。MTHFD2（37 kDa）由 350個氨基酸構成，2 號染色體核基因MTHFD2編碼，是一個NAD(P)依賴的雙功能酶，具有脫氫酶活性和環水解酶活性[4]。MTHFD2能將CH2-四氫葉酸（CH2-tetrahydrofolic acid,CH2-THF）催化成10CHO-THF，同時將氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸[nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NAD（P）+]轉換為NAD(P)H，促進一碳代謝反應[5]。

在胚胎發育過程中MTHFD2通過酶促反應支持細胞的快速增殖，隨著組織細胞的成熟逐漸被MTHFD2L替代[6]。在腫瘤中MTHFD2被再度激活，成為表達上調最為一致的一碳代謝酶[3]。MTHFD2在肝癌、腎癌、胰腺癌、肺癌、結直腸癌、乳腺癌和卵巢癌等多種腫瘤中呈過表達現象，與患者不良預后相關[7-13]。胰腺癌患者中，高表達MTHFD2預示患者伴有更短的總生存期（overall survival,OS）和無病生存期（disease-free sur‐vival,DFS）。此外，多因素Cox風險比例回歸模型將MTHFD2表達水平確定為OS和DFS的獨立預測因子[9]。乳腺癌和腎癌患者中MTHFD2表達上調，并與患者臨床分期、病理分級和不良預后相關[8,12]。肝癌患者中MTHFD2表達升高，并且表達量與TNM分期、腫瘤微栓發生率、腫瘤轉移、復發率和復發時間呈正相關[7]。在肺腺癌患者中，MTHFD2高表達與男性、吸煙史、進展的臨床分期和短OS具有一定關系[10]。因此，MTHFD2與腫瘤的進展有著密切聯系，是一個潛在的腫瘤診療靶點。

2 MTHFD2對腫瘤表型及代謝的影響

MTHFD2的基本功能是通過脫氫酶活性和環水解酶活性促進一碳代謝循環。當前研究顯示，MTHFD2可影響腫瘤細胞的增殖、遷移、侵襲、干細胞特性、化療抵抗及免疫逃逸等表型。Lehtinen等[14]報道轉化生長因子-β（transforming growth factor-β,TGF-β）可誘導乳腺癌中MTHFD2的表達，敲低MTHFD2會抑制乳腺癌細胞的遷移和侵襲能力，并降低波形蛋白和CD44的表達。Shi等[10]研究描述了敲低MTHFD2會抑制肺腺癌細胞的增殖和遷移能力，誘導細胞凋亡，逆轉上皮間質轉化（epithelial-mesenchymal transition,EMT）。MTHFD2是腫瘤細胞內重要的抗氧化因子。Ju等[11]發現抑制MTHFD2會降低結直腸癌細胞中NADPH/NADP+和GSH/GSSG比值，破壞細胞的氧化還原穩態。應激環境（低氧、侵入血管）會明顯升高細胞內的活性氧（reactive oxygen species,ROS）水平，誘導細胞凋亡，抑制結直腸癌的生長和轉移。MTHFD2介導的一碳代謝與腫瘤的發生、發展有著密切聯系。Bonagas等[15]研究MTHFD2抑制劑時發現，抑制MTHFD2會引起急性髓系白血病細胞周期S期停滯和細胞凋亡。體內和體外實驗表明，MTHFD2抑制劑會阻止一碳代謝循環時胸腺嘧啶的產生，導致DNA復制時尿嘧啶的錯誤摻入，引起腫瘤細胞的復制應激。Green等[16]在腎癌中的研究表明，MTHFD2可通過一碳代謝產生S-腺苷蛋氨酸（S-Adenosyl methionine,SAM），增加低氧誘導因子-2α（hypoxia inducible factor-2α,HIF-2α）mRNA的甲基化并增強其翻譯，進而促進腎癌中MTHFD2的表達及有氧糖酵解。該研究建立了MTHFD2與N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine,m6A）甲基化之間的聯系。在吉非替尼耐藥肺癌細胞模型中，敲除MTHFD2會引起嘌呤合成代謝障礙，嘌呤中間體5-氨基咪唑羧基酰胺核糖核苷酸（aminoimidazole carboxamide ribonucleotide,AICAR）積累，肺癌細胞生長受阻[17]。同時，敲除MTHFD2可明顯損害肺癌的干細胞特性和吉非替尼耐藥性，并起到殺傷腫瘤細胞和預防腫瘤復發的作用。在腫瘤代謝與免疫逃逸方面，Shang等[18]發現MTHFD2驅動的一碳代謝維持了腫瘤細胞內高水平的尿苷相關代謝產物[如二磷酸尿核苷（uridine diphosphate,UDP）-GlcNAc]，促使cMYC的O-GlcNAcylation糖基化修飾，從而提高了cMYC的穩定性，促進了細胞程序性死亡-配體1（programmed cell death-ligand 1,PD-L1）的轉錄。由此可見MTHFD2介導的一碳代謝影響著腫瘤的惡性表型，促進了腫瘤的發展。

3 MTHFD2的兼職功能

除了一碳代謝酶活性外，MTHFD2還表現出非代謝的兼職功能。目前的研究結果顯示執行兼職功能的MTHFD2主要定位于細胞核[5]。Gustafsson等[19]的研究證實在細胞核的DNA復制位點存在MTHFD2，且過表達無酶促活性的MTHFD2同樣會促進腫瘤細胞的增殖。在小鼠胚胎干細胞中，細胞核內的MTHFD2可通過穩定核酸外切酶1（exonuclease 1,EXO1）的磷酸化促進DNA同源重組修復，維持多能干細胞特性[20]。MTHFD2半衰期明顯短于其他代謝酶，提示其具有調節細胞信號的可能。Koufaris等[21]利用免疫共沉淀及質譜技術發現MTHFD2能與一系列核蛋白結合，參與調節RNA的代謝和翻譯，促進腫瘤細胞的增殖。其中的核蛋白包括小核糖體亞單位和參與RNA加工的不均一性核糖核蛋白（heterogeneous nuclear ribonucleo‐protein,hnRNP）蛋白家族。Liu等[22]的研究同樣表明細胞核內的MTHFD2可以發揮兼職功能促進膀胱癌生長。機制研究顯示MTHFD2能與細胞周期蛋白依賴激酶 2（cyclin-dependent kinase 2,CDK2）結合，激活CDK2以磷酸化Rb，進而釋放轉錄因子E2F1，促進細胞周期進程。此外，MTHFD2還參與調節STAT3和AKT/GSK-3β/β-catenin 信號通路[10,23]。而 MTHFD2具體是如何直接調節這些信號通路有待進一步探索。深入解鎖MTHFD2的兼職功能有助于更好地理解其作用機制。

4 表達調控機制

腫瘤中MTHFD2表達普遍上調，目前表達調控相關研究主要集中在細胞外刺激、轉錄及轉錄后水平。在生長因子的刺激下，腫瘤細胞哺乳動物雷帕霉素復合物1（mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1）信號活化，激活了轉錄激活因子4（activating transcrip‐tion factor 4,ATF4），隨后ATF4結合啟動子區轉錄上調MTHFD2的表達[24]。轉錄因子Nrf2可轉錄調控MTHFD2的表達，促進NADPH的生成，增加腫瘤細胞的抗氧化應激能力[25]。在腎癌中，MTHFD2代謝產生的SAM可以通過m6A甲基化修飾增加HIF-2α的翻譯；而HIF-2α則可以促進MTHFD2的轉錄，兩者構成正反饋環[16]。在Ewing肉瘤中，原癌基因驅動因子EWS-FLI1作為嵌合轉錄因子能正向調節MTHFD2的表達，影響細胞中絲氨酸-甘氨酸的生物合成和氧化還原穩態[26]。MYC是細胞周期、凋亡、代謝及基因組不穩定性的重要調節因子，激活MYC信號能顯著促進腫瘤細胞增殖。Pikman等[27]在急性髓系白血病細胞中證明了MYC可以結合MTHFD2的啟動子區。同時，結直腸癌中Kras相關通路如PI3K/AKT通路和RAF/MEK/ERK通路，可通過c-Myc轉錄上調MTHFD2的表達[11]。在肺癌中亦有相似的研究結果[28]，Kras突變的非小細胞肺癌也是通過MYC上調MTHFD2的表達，從而增強腫瘤細胞的一碳代謝。另外，不少抑癌因子可以負向調控MTHFD2的表達。SOX7是一個具有抑癌作用的轉錄因子。在乳腺癌中，SOX7可以抑制MTHFD2轉錄從而抑制乳腺癌的進展[29]。抑癌基因p53可以轉錄抑制MTHFD2[30]。在p53缺陷的腫瘤中，MTHFD2表達上調尤為明顯，并且可以通過非同源末端連接（nonhomologous end joining,NHEJ）來修復DNA損傷，促進細胞增殖。miRNA是基因轉錄后水平的重要調控因子。在腫瘤中，miR-9[31]、miR-22[32]、miR-940[33]、miR-33a-5p[34]、miR-92a[35]、miR-504-3p[36]和 miR-30a-3p[10]可以與mRNA的3'非翻譯區（3'untranslated region,3'UTR）結合，抑制MTHFD2的表達。而上述抑癌因子在腫瘤中多呈低表達現象。因此，靶向MTHFD2的調節因子將成為抑制MTHFD2的另一策略。

5 MTHFD2抑制劑的研發

由于MTHFD2在腫瘤中的選擇性表達及其臨床相關性，不少研究開始著手MTHFD2抑制劑的研發。天然產物carolacton最初被認為是一種抗菌化合物，有研究顯示其在低nM濃度范圍可靶向FolD/MTHFD抑制一碳代謝，在mM濃度下可抑制腫瘤細胞的生長[37]。然而carolacton尚缺乏對MTHFD2的選擇性。小分子抑制劑LY345899是一種葉酸類似物，能夠抑制結直腸癌人源腫瘤異種移植（patient-derived tumor xenograft,PDX）小鼠中腫瘤的生長。但LY345899可同時抑制MTHFD2（IC50：663 nM）和 MTHFD1（IC50：96 nM），對MTHFD2 的特異性并不強[11]。2019 年，Kawai等[38]報道了一種基于三環香豆素支架的化合物DS44960156，其對MTHFD2的選擇性明顯高于MTHFD1（＞18倍），但效力較低（MTHFD2的IC50：1.6 μM）。同年，Kawai等[39]對DS44960156進行優化后，展示了另一化合物DS18561882。相比于MTHFD1（IC50：0.57 μM），DS18561882對MTHFD2（IC50：6.3nM）具有更高的效力和選擇性。此外，DS18561882還具有良好的口服藥代動力學特征（GI50：140 nM），是第一個被報道的口服MTHFD2抑制劑。最近，Bonagas等[15]提出了 3種 MTHFD2抑制劑（TH7299、TH9028和TH9619），而相關特異性及安全性有待進一步優化及驗證。

6 小結與展望

腫瘤的發生、發展伴隨著一碳代謝的重塑，其中線粒體途徑的代謝通量上升尤為明顯。一碳代謝酶MTHFD2選擇性地在腫瘤中表達上調，且與多種臨床參數相關，提示著其在腫瘤診療中的潛在價值。MTHFD2不僅通過代謝酶活性影響了腫瘤增殖、轉移、干細胞特性、化療抵抗及免疫逃逸等惡性表型，還具有非代謝的兼職功能促進腫瘤的生長，因此抑制MTHFD2將有效阻止腫瘤進展。腫瘤中原癌基因及抑癌基因的表達失調共同促進了MTHFD2的上調，而MTHFD2本身亦可影響這些調節因子的含量。由此可見，靶向相關調節因子亦將起到抑癌作用。目前已提出了多種MTHFD2抑制劑，但其在不同腫瘤中的療效及不良反應有待進一步評估。此外，相關抑制劑目前尚缺乏臨床前及臨床研究的驗證。今后的研究將深入探索MTHFD2在不同腫瘤中的代謝及非代謝功能，加快MTHFD2抑制劑的臨床轉化，為腫瘤的治療提供新的策略。