《Frontiers in Oncology》：Decoding amino acid metabolism in hepatocellular carcinoma: critical nodes and novel therapeutic strategy
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氨基酸代谢重编程是肝细胞癌（HCC）代谢重塑的关键特征之一。越来越多的证据表明，特异性氨基酸代谢在促进HCC细胞增殖和耐药性发展中发挥重要作用。值得注意的是，近期研究证明，调节特定氨基酸的摄入可显著增强HCC临床干预的疗效，提示氨基酸代谢正成为有前景的治疗策略
氨基酸代谢重编程是肝细胞癌（HCC）代谢重塑的关键特征之一。越来越多的证据表明，特异性氨基酸代谢在促进HCC细胞增殖和耐药性发展中发挥重要作用。值得注意的是，近期研究证明，调节特定氨基酸的摄入可显著增强HCC临床干预的疗效，提示氨基酸代谢正成为有前景的治疗策略靶点。然而，一些关键科学问题仍未解决，包括不同氨基酸代谢之间的内在关系及其在HCC进展中的精确作用。本文中，研究人员系统综述了氨基酸代谢重编程的分子和细胞机制，重点关注谷氨酰胺（Gln）、精氨酸（Arg）和色氨酸（Trp），并探讨它们在HCC中的潜在相互联系。此外，研究人员更新了氨基酸代谢与HCC临床管理的最新进展。重要的是，研究人员讨论了未来研究中必须解决的关键挑战，旨在为开发靶向HCC氨基酸代谢重编程的新型临床干预措施提供理论基础。
1 Introduction
HCC占原发性肝癌的75%–85%，是全球癌症相关死亡的第三大原因。早期无症状导致多数患者确诊时已处于晚期，限制了手术切除和肝移植等治疗手段的效果。系统治疗（靶向与免疫治疗）虽取得进展，但耐药性和患者反应异质性仍限制其疗效。氨基酸代谢重编程被证实是HCC起始和进展的关键驱动因素，恶性肝细胞通过重编程多个合成与分解代谢通路来满足生物能量和生物合成需求。靶向氨基酸代谢的策略包括饮食限制、酶耗竭、药物抑制关键酶、阻断转运体及调控下游信号通路，旨在利用HCC细胞的代谢脆弱性。
2.1 谷氨酰胺代谢
谷氨酰胺（Gln）是人体最丰富的游离氨基酸，通过谷氨酰胺酶（GLS）水解为谷氨酸，进入三羧酸（TCA）循环提供能量及还原力。谷氨酰胺合成酶（GS）催化谷氨酸与氨合成Gln。HCC中谷氨酰胺酶1（GLS1）显著上调，而谷氨酰胺酶2（GLS2）常被抑制或功能替代。GLS1受缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）、c-Myc、视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）及微小RNA（miRNA）调控，促进Gln摄取和代谢，激活AKT/GSK3β/Cyclin D1信号通路，增强氧化应激抵抗和干细胞特性。GLS2则通过负调控PI3K/AKT通路、稳定Dicer促进miR-34a成熟等方式抑制HCC增殖和侵袭。丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运体2（ASCT2/SLC1A5）在HCC中过表达，其稳定性受RNA结合基序蛋白45（RBM45）磷酸化调控。谷氨酰胺还可与自噬协作重新激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1），促进细胞周期相关基因表达。临床前研究显示，GLS1抑制剂CB-839联合ASCT2抑制剂V-9302在HCC中具有抑瘤效果。
2.2 精氨酸代谢
精氨酸（Arg）是半必需氨基酸，主要通过尿素循环合成，精氨琥珀酸合成酶1（ASS1）和鸟氨酸氨甲酰转移酶（OTC）是限速酶。HCC中常见ASS1和/或OTC缺失，但细胞内Arg水平却升高，提示HCC细胞高度依赖外源Arg。精氨酸剥夺疗法成为有前景的策略。化疗药顺铂通过上调HIF-1α和下调c-Myc抑制ASS1表达，增强对精氨酸脱亚氨酶PEG20（ADI-PEG20）的敏感性。Arg转运体SLC7A1在HCC中上调，敲除该基因抑制HBx过表达细胞的增殖和侵袭。精氨酸酶1（ARG1）和胍丁胺酶（AGMAT）下调导致多胺合成受损，维持高Arg水平。Arg特异性结合RNA结合基序蛋白39（RBM39）上调天冬酰胺合成酶（ASNS）基因，形成正反馈环促进肿瘤代谢。精氨酸剥夺通过通用调控非抑制性蛋白2（GCN2）依赖机制诱导HCC细胞静止，GCN2抑制联合精氨酸剥夺可触发衰老和凋亡。此外，Arg饥饿损害线粒体功能导致活性氧（ROS）积累和基因组不稳定。
2.3 色氨酸代谢
色氨酸（Trp）是必需氨基酸，其代谢主要通过犬尿氨酸（Kyn）途径（>95%），色氨酸2,3-双加氧酶（TDO）和吲哚胺2,3-双加氧酶（IDO）为限速酶。HCC中TDO2和IDO过表达导致Kyn积累，激活芳烃受体（AhR），进而通过IL-6/STAT3和NF-κB/TIM4信号上调c-Myc和VEGF，促进HCC细胞增殖和上皮-间充质转化（EMT）。血清素（5-HT）通过不同受体发挥双重作用：5-HT1D受体激活PI3K/AKT/FoxO6促进HCC，而5-HT1A受体抑制DNA合成。3-羟基邻氨基苯甲酸（3-HAA）在HCC中显著降低，外源补充可结合YY1并诱导凋亡。色氨酸代谢的复杂性和双重效应提示精准调控是HCC治疗的关键。
2.4 HCC中其他氨基酸代谢
2.4.1 脯氨酸
脯氨酸（Pro）合成关键酶δ-1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）和吡咯啉-5-羧酸还原酶1（PYCR1）转录上调，分解酶脯氨酸脱氢酶（PRODH）活性下降，导致Pro积累。PYCR1转录上调胰岛素受体底物1（IRS1）激活PI3K/AKT/mTOR和MAPK/ERK通路。Pro还可稳定HIF-1α增强谷氨酰胺合成，药理学抑制Pro代谢可增敏索拉非尼并诱导凋亡。
2.4.2 丝氨酸
丝氨酸（Ser）从头合成途径中磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）、磷酸丝氨酸氨基转移酶1（PSAT1）和磷酸丝氨酸磷酸酶（PSPH）表达上调。PHGDH受锌指E-box结合同源盒1（ZEB1）转录激活。Ser代谢提供核苷酸和脂质合成前体，并产生谷胱甘肽（GSH）和NADPH维持氧化还原稳态。Ser一碳代谢与谷氨酰胺来源的α-酮戊二酸（α-KG）协同影响表观遗传修饰。
2.4.3 半胱氨酸
半胱氨酸（Cys）代谢与索拉非尼耐药密切相关。抑制巨胞饮减少Cys摄取可恢复索拉非尼敏感性并增强铁死亡。HCC中Zeste同源物2增强子（EZH2）过表达导致甜菜碱-同型半胱氨酸S-甲基转移酶（BHMT）和半胱氨酸双加氧酶1（CDO1）下调，EZH2抑制剂他泽司他可恢复这两种酶表达，增加ROS并诱导铁死亡和化疗增敏。
2.4.4 支链氨基酸
支链氨基酸（BCAAs）包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。HCC中支链氨基酸转氨酶（BCAT）上调，下游分解酶下调，导致BCAA积累。Prospero相关同源框1（PROX1）高表达通过抑制LKB1-AMPK通路维持BCAA水平，激活mTOR信号促进肿瘤发生；AMPK介导的PROX1磷酸化则促进其降解。BCAA与谷氨酰胺、精氨酸、色氨酸代谢协同激活mTORC1。
2.4.5 苯丙氨酸
苯丙氨酸（Phe）代谢关键酶谷胱甘肽S-转移酶ζ1-1（GSTZ1-1）在HCC中缺失，导致致癌代谢物琥珀酰丙酮积累。琥珀酰丙酮通过修饰Kelch样ECH相关蛋白1（KEAP1）的Cys-406激活核因子红系2相关因子2（NRF2），转录上调胰岛素样生长因子1受体（IGF1R）促进抗凋亡信号。药理学抑制NRF2或IGF1R可阻断此通路。
3 氨基酸代谢在HCC中的临床应用
3.1 早期诊断
早期HCC缺乏显著临床表现。血浆苯丙氨酸升高被鉴定为未来HCC的预测因子。血清代谢组学分析显示HCC患者亮氨酸、赖氨酸、色氨酸等降低，苯丙氨酸升高；色氨酸比值、支链氨基酸/芳香氨基酸比值等下降。苯丙氨酸-色氨酸（Phe-Trp）与甘氨胆酸（GCA）组合在检测甲胎蛋白（AFP）阴性HCC及区分小HCC与高危肝硬化结节方面优于AFP。免疫组化组合（谷氨酰胺合成酶GS、磷脂酰肌醇蛋白聚糖3 GPC3、热休克蛋白70 HSP70）有助于鉴别高分化HCC。
3.2 治疗
精氨酸剥夺疗法在HCC临床试验中显示潜力。ADI-PEG20可降低血浆精氨酸水平并缩小肿瘤，但微生物来源的免疫原性和ASS1适应性再表达限制了疗效。重组人精氨酸酶1 PEG化（rhArg1-PEG）在I期和II期试验中表现出剂量依赖性降Arg作用，联合化疗显示抗肿瘤活性。谷氨酰胺摄取抑制剂V-9302选择性抑制ASCT2，在异种移植模型中抑制肿瘤生长并增敏CB-839。SLC7A5抑制剂JPH203在I期试验中部分缓解或稳定疾病，目前正在II期试验中。GLS抑制剂（BPTES、化合物968、CB-839）在HCC中显示抗肿瘤效应，但单药疗效有限；联合用药（如968与双氢青蒿素DHA、CB-839与V-9302）显示出协同作用。
3.3 预后
GLS1高表达与总生存期（OS）缩短显著相关。基线低精氨酸水平独立预测临床获益率、无进展生存期（PFS）和OS降低。基于谷氨酰胺代谢相关基因（GMAG）的预后模型可对HCC患者进行风险分层并指导个体化治疗。
4 总结与待解决问题
氨基酸代谢重编程已成为HCC发病机制和治疗干预的核心主题。然而，氨基酸代谢在HCC中呈现复杂的双重效应：如谷氨酰胺酶亚型GLS1促癌而GLS2抑癌；精氨酸剥夺同时抑制肿瘤细胞和CD8
+T细胞功能；色氨酸代谢物作用相反。这些复杂性要求整合考虑代谢干预对肿瘤和免疫细胞的影响。不同氨基酸代谢通路之间存在广泛交叉：HIF-1α和c-Myc协同调控谷氨酰胺和精氨酸代谢；脯氨酸稳定HIF-1α；丝氨酸、半胱氨酸、精氨酸和谷氨酰胺代谢均调节ROS生成。需阐明这些通路的互作机制及对肿瘤微环境（TME）、脂质和葡萄糖代谢的影响，并探索不同病因（HBV、HCV、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病）下的代谢依赖性差异。整合全基因组关联研究、表观遗传学、转录组学和TCGA等数据库可实现系统水平分析。氨基酸代谢组学可早于传统方法检测HCC，但成本限制其临床应用。未来需深入探索联合治疗策略，如阻断半胱氨酸代谢诱导铁死亡增敏索拉非尼，联合精氨酸剥夺、GCN2抑制和BCL2阻断增强凋亡，以及IDO抑制剂联合免疫检查点抑制剂。多组学技术和CRISPR/Cas工具将助力阐明机制并指导新型临床干预。
