医学生物信息学文献第9期：mTOR信号和细胞代谢是癌症的共同决定因素

癌细胞的生长是由异常信号和代谢重编程所驱动的。癌细胞重新规划其代谢，以确保在缺乏营养和压力的微环境下生存和增殖。代谢变化影响ATP和前体分子的分解代谢途径和生物质能合成的合成代谢途径。许多癌症特异性代谢改变已被描述，包括氨基酸、葡萄糖、核苷酸、脂肪酸和脂质的异常代谢。代谢重编程通常由致癌信号介导。尤其是mTOR信号通常在肿瘤中被激活，并通过改变一些关键代谢酶的表达和/或活性来控制癌细胞的代谢。相反，代谢改变，如葡萄糖或氨基酸摄取增加，影响mTOR信号。因此，对mTOR信号和癌症代谢之间的交互有一个完整的理解可以帮助开发新的治疗策略。这篇文章回顾了mTOR信号的最新发现，重点是肿瘤特异性代谢改变。认为靶向mTOR信号和癌细胞特异性代谢依赖可能是协同作用的。

mTOR活化机制

非典型丝氨酸/苏氨酸激酶mTOR是细胞生长和代谢的主要调节因子。mTOR促进合成代谢过程，如核糖体生物合成和蛋白质、核苷酸、脂肪酸和脂质合成，并抑制分解代谢过程，如自噬。它是两个结构和功能不同的复合物的一部分，即mTORC1和mTORC2（图1）。mTORC1含有mTOR、mTOR调节相关蛋白（RAPTOR）和哺乳动物致死sec-13蛋白8（mLST8），并且对雷帕霉素敏感。mTORC2含有mTOR、雷帕霉素不敏感的mTOR伴侣（RICTOR）、哺乳动物应激激活的MAPK相互作用蛋白1（msin1；又称MAPKAP1）和mLST8，对急性雷帕霉素治疗不敏感。

生长因子和营养物质对mTORC1的激活作用

mTORC1的激活依赖于营养和生长因子。作为对营养物质的反应，mTORC1从细胞质转移到溶酶体表面，在溶酶体表面被生长因子通过PI3K-AKT信号激活。生长因子，例如胰岛素，通过同源受体磷酸肌醇依赖激酶1（PDK1）和PI3K激活AKT（图1）。AKT抑制TSC1–TSC2复合物，这是一种针对小GTPase RHEB的GTPase激活蛋白（GAP），GTP结合的RHEB直接结合并激活溶酶体上的mTORC1。

营养诱导的mTORC1溶酶体易位

营养物质，特别是氨基酸，通过RAS相关的GTP结合蛋白（RAGs促进mTORC1的溶酶体定位，从而使mTORC1遇到RHEB。RAG是形成专性异二聚体的小GTPase。RAGA或RAGB与RAGC或RAGD关联。在活动状态下，GTP结合的RAGA或RAGB和GDP结合的RAGC或RAGD结合RAPTOR ，从而招募mTORC1到溶酶体表面。RAGs的核苷酸结合状态受通过特定转运子从细胞内合成、蛋白质转换或细胞外来源获得的氨基酸的严格调控。在氨基酸中，亮氨酸、精氨酸和谷氨酰胺是最有效的mTORC1激活剂。亮氨酸和精氨酸分别与sestrin 2和CASTOR1结合，最终激活RAGs和mTORC1。溶酶体氨基酸转运体SLC38A9通过向细胞质输出必需的氨基酸来促进mTORC1的激活，例如，亮氨酸可以结合sestrin 2。精氨酸结合SLC38A9刺激亮氨酸输出。

谷氨酰胺通过促进谷氨酰胺分解来激活RAGs。在谷氨酰胺分解过程中，谷氨酰胺酶（GLS）和谷氨酸脱氢酶（GDH）将谷氨酰胺转化为α-酮戊二酸（αKG），最终通过脯氨酸羟化酶（PHDS）激活mTORC1，促进RAGB的GTP负载（图1）。亮氨酸还通过直接结合和变构激活GDH刺激αKG的产生。此外，谷氨酰胺通过小GTPase ADP-核糖基化因子1（ARF1）独立于RAG激活mTORC1。氨基酸也通过卵巢滤泡激素（FLCN）及其结合伙伴FLCN-相互作用蛋白1或2（FNIP1或FNIP12）发出信号，它们充当RAGC和/或RAGD的间隙。

生长因子激活mTORC2

与mTORC1相比，仅生长因子信号就足以激活mTORC2，但其机制尚不完全清楚。生长因子，例如胰岛素，促进PI3K的活化和磷脂酰肌醇-（3,4,5）-三磷酸（PIP3）的产生，进而结合MSIN1以减轻MSIN1介导的对mTORC2的抑制作用。PI3K还通过促进mTORC2与核糖体的结合而激活mTORC2。

mTORC1和mTORC2信号效应器

mTORC1和mTORC2通过关键代谢酶的直接磷酸化或通过下游信号效应器间接调节细胞生长和代谢。mTORC1直接激活核糖体蛋白S6激酶（S6K），抑制EIF4E结合蛋白（4EBP）增加翻译，包括代谢酶和代谢相关转录因子的翻译。此外，mTORC1和S6K直接调节代谢酶。mTORC2主要通过激活AKT促进代谢。S6K和AKT不仅调节代谢酶，而且激活关键的代谢转录因子，如MYC、缺氧诱导因子1α（HiF1α）和/或HiF2α、FOXO转录因子和固醇调节元件结合蛋白1（SREBP1）。

mTOR驱动癌症代谢重编程

在许多癌症中，mTOR常常被其上游调节因子的突变激活。其中包括PI3K的功能增益突变和抑癌基因PTEN的功能丧失突变。此外，其他致癌信号途径，如RAS信号，可以激活mTOR信号。抑制mTOR信号已被作为一种抗癌策略进行了探索，特别是抑制mTORC1，但收效甚微。例如，雷帕霉素类似物（rapalogues）不能完全抑制mTORC1效应器4EBP的磷酸化，并导致mTORC2-AKT活性的代偿性上调。如上所述，营养敏感在mTORC1的激活中起主要作用。因此，癌细胞代谢和细胞内营养素水平的变化也可能有助于mTORC1的持续激活。相反，肿瘤细胞代谢的变化是由mTOR信号驱动的，mTOR信号促进的代谢途径包括氨基酸、葡萄糖、核苷酸、脂肪酸和脂质代谢。这种相互决定论可能在癌细胞中提供新的脆弱性，可以用来改进抗癌治疗。

mTOR与氨基酸代谢

谷氨酰胺代谢

谷氨酰胺是一种非必需氨基酸，然而，许多癌细胞依靠细胞外谷氨酰胺生存。谷氨酰胺是合成氨基酸、脂类和核苷酸的氮和碳供体，用于癌细胞通过回补补充三羧酸（TCA）循环。谷氨酰胺通过SLC1A5、SLC38A1、SLC38A2或SLC38A5等在许多癌症中上调的转运蛋白导入细胞。SLC1A5的药理或生化抑制降低胃、前列腺和三阴性乳腺癌细胞的生长和mTORC1活性。然而，阻断单个谷氨酰胺转运体可能不一定足以阻止肿瘤生长，因为在骨肉瘤和宫颈癌细胞中SLC1A5基因敲除时SLC38A1的代偿性上调发生。

mTORC1和mTORC2信号通过各种机制促进谷氨酸分解（图2a）。mTORC1通过S6K增加MYC的翻译，而MYC又反过来抑制mir-23a和mir-23b的转录。mir-23a和mir-23b在转录后抑制GLS。因此，mTORC1积极调节GLS的表达，促进谷氨酰胺分解。mTORC1还通过防止去乙酰化酶 4（SIRT4）介导的GDH抑制促进谷氨酰胺分解（图2a）。mTORC2也可能通过抑制谷氨酰胺合成酶（GS）的表达促进谷氨酰胺分解。机制上，mTORC2效应器AKT阻止转录因子FOXO3和FOXO4的核定位，以抑制FOXO3依赖或FOXO4依赖的GS表达。

有趣的是，有证据表明mTOR和谷氨酰胺分解抑制剂在抑制癌细胞生长方面具有协同作用。在小鼠肺鳞状细胞癌（LSCC）模型中，慢性双重mTORC1和mTORC2抑制（以下简称mTOR抑制）阻止糖酵解。慢性mTOR抑制也会引起谷氨酸分解的适应性增加，使肿瘤细胞能够避免糖酵解的损失，从而导致对mTOR抑制的抵抗。在机制上，肿瘤细胞中的慢性mTOR抑制导致AKT的适应性激活。这反过来抑制糖原合成酶激酶3β（GSK3β），从而防止转录因子JUN和MYC的降解，并允许GLS表达和谷氨酰胺分解（图2a）。因此，通过添加变构GLS抑制剂CB-839，可以克服对mTOR抑制的抵抗，从而有效地降低患者来源的LSCC异种移植物的生长。

为了开发癌细胞对谷氨酰胺代谢的依赖性，目前正在临床前和早期临床试验中评估几种谷氨酰胺摄取和/或分解代谢抑制剂。例如，最近开发的一种SLC1A5抑制剂有效地降低体外培养的肺癌、乳腺癌和结直肠癌细胞的mTOR信号和生长，并降低活体结直肠癌异种移植模型的mTOR信号和生长。GLS抑制剂CB-839目前正在几个实体肿瘤和血液恶性肿瘤的临床试验中（表1）。一项正在进行的临床试验正在评估CB-839联合mTORC1抑制剂依维莫司治疗肾癌的疗效。

精氨酸代谢

精氨酸是一种条件必需氨基酸。除了用于蛋白质合成之外，它还是多胺、一氧化氮、肌酸、脯氨酸和谷氨酸的前体。精氨酸主要通过SLC7A1进入细胞。在结直肠癌、乳腺癌细胞系和缺乏miR-122表达(SLC7A1的负调控因子)的肝细胞癌(HCC)中，转运蛋白SLC7A1表达增加，从而增加精氨酸的摄取（图2b）。在肝癌细胞株中mir-122的敲除进一步增加了SLC7A1、细胞内精氨酸的水平和对多激酶抑制剂索拉非尼的耐药性。值得注意的是，高mTORC1活性还与HCC对索拉非尼(sorafenib)的耐药性相关，这可以通过细胞内精氨酸水平升高激活mTORC1来解释。因此，mTORC1或SLC7A1抑制剂可以对抗索拉非尼耐药。

精氨酸的合成及其靶向性。

精氨酸是在氨和天冬氨酸转化为尿素的过程中由尿素循环产生的。氨甲酰磷酸酯合成酶1（CPS1）位于线粒体中，作为尿素循环的第一步，由氨和碳酸氢盐生成氨甲酰磷酸酯。与鸟氨酸一起，氨甲酰磷酸酯被用来产生瓜氨酸。精氨酸合成中的限速酶是精氨琥珀酸合成酶1（ASS1），它由天冬氨酸和瓜氨酸形成精氨琥珀酸。精氨琥珀酸裂解酶（ASL）然后将精氨琥珀酸裂解为精氨酸和延胡索酸。

ASS1在黑色素瘤、肾癌、肝癌、胶质母细胞瘤（GBM）、小细胞肺癌（SCLC）、胰腺癌等多种肿瘤中的表达降低甚至消失。有趣的是，ASS1基因敲除导致骨肉瘤细胞mTORC1活性增加，这可能是由于天冬氨酸水平升高。由于ASS1缺陷肿瘤依靠细胞外精氨酸生存，精氨酸缺乏是这些癌症的治疗策略。已经开发出几种重组精氨酸降解酶，目前正在临床试验中进行评估（表1）。例如，重组人精氨酸酶（rhARG）将精氨酸裂解成尿素和鸟氨酸，聚乙二醇化精氨酸脱氨酶（ADI-PEG20）通过脱氨作用降解精氨酸，生成瓜氨酸和铵。rhARG可降低非小细胞肺癌（NSCLC）细胞的mTORC1活性，诱导细胞毒性和凋亡。然而，已经观察到对这些药物的耐药性。癌细胞重新表达ASS1以避免依赖细胞外精氨酸。在ADI-PEG20的情况下，治疗激活RAS信号，随后激活PI3K-AKT信号，从而导致MYC的稳定。MYC反过来通过与HiF1α竞争ASS1启动子结合位点来诱导ASS1的表达。因此，结合重组精氨酸降解酶和mTOR抑制剂可能有利于ASS1阴性癌症类型。事实上，在小鼠异种移植模型中，ADI-PEG20与PI3K抑制剂联合治疗比单独使用两种药物更有效地防止肿瘤生长。

多胺代谢

精氨酸是多胺的前体，多胺是细胞增殖所必需的代谢产物。多胺水平升高已在癌症中报道，多胺和mTOR信号之间的广泛相互作用开始出现。精氨酸在尿素循环的最后一步被胞浆精氨酸酶1（Arg1）或线粒体精氨酸酶2（Arg2）裂解成鸟氨酸和尿素。鸟氨酸脱羧酶（ODC），多胺生物合成中的限速酶和一个MYC转录靶点，然后将鸟氨酸转化为腐胺，腐胺是多胺亚精胺和精胺的直接前体（图2b）。mTORC1信号可能能够促进这一途径，因为ODC翻译与EIF4E活性相关，EIF4E活性由mTORC1–4ebp轴控制（图2b）。此外，mTORC1被证明通过促进稳定mrna结合蛋白hur（也称为elavl1）与ODC转录的关联，稳定RAS转化细胞中ODC（也称为ODC1）mRNA。

尽管多胺促进肿瘤生长和增殖，但在透明细胞RCC（ccRCC）中，精氨酸和多胺代谢的几种酶被抑制，包括ASS1、ARG2和ODC。ARG2和ASS1的过度表达分别降低精氨酸和天冬氨酸水平，从而抑制ccRCC细胞的生长。ASS1和/或ARG2过表达通过多种机制降低肿瘤生长，包括降低mTORC1活性。所观察到的mTORC1活性降低很可能是细胞内氨基酸水平（包括精氨酸）降低的直接结果，正如在ARG2过度表达的ccRCC异种移植中所观察到的那样。

从腐胺中连续合成亚精胺和精胺需要氨丙基，氨丙基由脱羧基S-腺苷蛋氨酸（DECSAM）提供（图2b）。甲硫氨酸脱羧酶1（AMD1）是由mTORC1在PTEN诱导的小鼠前列腺癌模型中稳定的前体。此外，使用mTORC1抑制剂Everolimus治疗的癌症患者AMD1表达降低。到目前为止，还没有确定mTOR抑制是否能与多胺途径抑制协同降低肿瘤生长。这将是特别有趣的调查，到目前为止，许多药物靶向多胺代谢已开发，但尚未超过二期临床试验。

支链氨基酸

支链氨基酸（BCAAs）亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸是哺乳动物必需的氨基酸。细胞通过摄取和蛋白质或氨基酸分解代谢来控制BCAA水平。BCAAs，特别是亮氨酸，通过各种机制激活mTORC1（图1）。

主要的BCAA转运体SLC7A5在包括结直肠癌、肝癌和肺癌在内的许多癌症中高度表达。它输入BCAAs和其他必需氨基酸，以换取谷氨酰胺。SLC7A5的表达由致癌转录因子诱导，包括Notch、MYC和HiF2α，导致mTORC1的激活（图2c）。例如，由HiF2α上调SLC7A5激活RCC衍生细胞系中的mTORC1。在PTEN阴性的T细胞急性淋巴细胞白血病小鼠模型中，Notch介导的SLC7A5表达激活mTORC1，进而重新编程代谢。有趣的是，如淋巴瘤细胞所示，雷帕霉素治疗的mTORC1抑制降低了包括SLC7A5在内的各种氨基酸转运蛋白的表达。

基于以上观察，亮氨酸缺乏被认为是一种癌症治疗策略。亮氨酸剥夺抑制肿瘤细胞株的增殖和诱导凋亡。转移性去势抵抗前列腺癌细胞株对亮氨酸摄取的生化或药理学抑制抑制mTORC1信号。一些前列腺癌依赖于雄激素受体（AR）介导的SLC43A1表达来摄取亮氨酸。根据亮氨酸作为mTORC1激活剂的作用，抗雄激素治疗降低了SLC43A1的表达和亮氨酸水平，从而降低了mTORC1的活性。较低的细胞内亮氨酸水平可引起SLC7A5的代偿性上调。这种反馈机制可以使亮氨酸水平正常化，并重新激活mTORC1。这可能解释了为什么雷帕霉素和抗雄激素联合治疗比单独使用两种药物更有效，正如在PTEN缺陷前列腺癌小鼠模型中观察到的。

支链氨基酸分解代谢

一旦进入细胞，BCAAs可用于生物质能的合成或分解代谢，以提供氮和碳基团。首先，支链氨基转移酶1（bcat1）和bcat2催化BCAAs转化为支链酮酸（BCKAs）（图2c）。然后BCKA通过BCKA脱氢酶（BCKD）复合物进行不可逆的氧化脱羧。进一步的氧化最终导致乙酰-CoA和琥珀酰-CoA的形成，从而为TCA循环提供燃料或为脂肪酸合成提供底物（图2C）。BCAT1水平在GBM、HCC、乳腺癌、结直肠癌和慢性髓系白血病（CML）中上调。然而，BCATs是双向酶（也可以将BCKAs转化为BCAAs），并且任何一个方向在癌细胞中都可能很重要。在GBM中，BCAT1主要脱硝BCAAs生成BCKAs和谷氨酸。相比之下，在乳腺癌和CML细胞中，BCAT1利用BCKAs和谷氨酸来再生BCAAs并激 mTORC1。这些发现表明，仅增加BCAT1的表达不足以表明mTORC1抑制剂的使用，因为mTORC1的持续激活依赖于bcat1功能的方向，而特异的bcat抑制剂还没有开发出来。

mTOR信号和葡萄糖代谢

葡萄糖是细胞能量的主要来源。癌细胞增加葡萄糖摄取，增加糖酵解通量，以维持生长和增殖。此外，好氧糖酵解是癌细胞的一个标志，它为合成代谢过程提供碳源，包括氨基酸、脂质和核苷酸的合成。

葡萄糖摄取和糖酵解

mTOR信号通过增加葡萄糖转运蛋白和糖酵解酶的表达来重新编程葡萄糖代谢。葡萄糖转运蛋白1（GLUT1；又称SLC2A1）在许多癌症中表达增加，包括肝癌和胰腺癌、乳腺癌、肺癌和结直肠癌。在这些癌症中，mTOR信号也经常被激活。mTOR信号可能通过转录因子HiF1α和MYC激活GLUT1的表达.

糖酵解将葡萄糖转化为丙酮酸（图3）。在糖酵解的第一步，己糖激酶2（HK2）磷酸化葡萄糖生成葡萄糖-6-磷酸（G6P）。癌细胞通常通过增加HK2的表达或活性来上调糖酵解。在前列腺癌细胞中，mTORC1通过增加HK2翻译促进糖酵解。HK2的表达也被HiF1α和MYC控制在转录水平。此外，MYC诱导其他几种糖酵解酶的表达，包括磷酸葡萄糖异构酶（PGI）、磷酸果糖激酶（PFK）和烯醇化酶（ENO）（图3）。mTORC2通过AKT磷酸化HK2，促进其与线粒体的结合。在GBM中，mTORC2增加了HK2活动。mTORC2还通过抑制FOXO1或FOXO3和随后激活MYC促进糖酵解，如GBM所示（图3）。癌细胞对糖酵解的依赖性导致了HK2抑制剂的发展。糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖（2-DG），其中磷酸化形式抑制HK2，在晚期实体瘤的一期临床试验中增加患者生存率。近年来，2-DG与MYC、PI3K或mTOR抑制剂在淋巴瘤细胞系中的协同作用已被报道。

丙酮酸激酶

丙酮酸激酶催化丙酮酸的形成，丙酮酸是糖酵解的最终产物（图3）。丙酮酸激酶的肿瘤特异性亚型丙酮酸激酶肌肉亚型2（PKM2）在许多癌症中上调，包括肺癌、神经母细胞瘤、肾癌和胃癌。PKM2基因敲除抑制体外和体内肿瘤模型的增殖。值得注意的是，PKM2受mTORC1调节，但也通过正反馈回路刺激mTORC1，从而在癌症中放大mTORC1信号。MYC通过异种核核糖核蛋白依赖的PKM2 mRNA表达，以mTORC1依赖的方式促进PKM2的表达，即使在正常氧下也能维持糖酵解通量。反过来，PKM2通过磷酸化mTORC1抑制剂富含脯氨酸的AKT底物1（pRAS40）激活mTORC1。磷酸化的PRAS40与RAPTOR分离，导致mTORC1活化。此外，丝氨酸作为PKM2的变构激活剂，至少在肺癌细胞中维持mTORC1活性。当丝氨酸耗尽时，PKM2被抑制，糖酵解中间产物随之积聚并转移到去新丝氨酸合成。因此，PKM2还通过促进去新生丝氨酸合成促进mTORC1活化。此外，PKM2不仅受mTORC1下游HiF1α的转录控制，而且还调节HiF1α的转录活性。PKM2作为一种转录辅激活剂，增加HiF1α靶基因结合。这就形成了一个前馈回路，以维持癌细胞的糖酵解。因此，mTORC1和PKM2可能通过促进糖酵解作用协同促进细胞增殖。PKM2抑制剂紫草素治疗晚期膀胱癌和胃癌细胞在体外和活体均显示出良好的效果。然而，PKM2抑制剂尚未在临床试验中单独或与mTORC1抑制剂联合试验。

乳酸与代谢共生

糖酵解癌细胞产生大量丙酮酸，丙酮酸被双向乳酸脱氢酶（LDH）转化为乳酸（图3）。在丙酮酸转化为乳酸的过程中，乳酸脱氢酶通过NAD+的再生，使癌细胞能够维持糖溶出。

虽然许多癌细胞分泌过多的乳酸，但有些癌细胞更愿意将其作为代谢底物。在一种称为代谢共生体的现象中，可以在肿瘤内观察到乳酸和葡萄糖的不同使用。例如，远离血管的缺氧癌细胞通过GLUT1导入葡萄糖，以执行糖溶出，并通过单羧酸转运体4（MCT4）分泌过量的乳酸。反过来，靠近血管的常氧癌细胞通过MCT1摄取乳酸，为TCA循环提供ATP生成和氨基酸合成的燃料，从而导致mTORC1激活。有趣的是，雷帕霉素对mTORC1的抑制破坏了这种环境下的代谢共生，导致正常细胞的葡萄糖摄取和糖酵解增加，缺氧细胞的葡萄糖剥夺和细胞死亡。这表明代谢共生可能是抗癌治疗的靶点。例如，MCT1抑制剂AZD-3965目前正在前列腺癌、胃癌和弥漫性大B细胞淋巴瘤患者中进行试验（表1）。因为mTOR促进糖酵解，这可以增加乳酸流量，mTORC1抑制剂与LDH或MCT抑制剂的联合治疗应该被考虑。

mTOR与核苷酸代谢

癌细胞对核苷酸的需求增加。核苷酸可以从头合成，也可以通过回收现有核苷酸降解中间产物的回收途径生成。核苷酸中嘧啶环和嘌呤环的形成需要氨基酸和核糖-5-磷酸核糖-1-焦磷酸（PRPP）以及其他亚基（图4）。PRPP是由5-磷酸核糖（R5P）产生的，该核糖在戊糖磷酸途径（PPP）中产生，该途径也受到mTOR信号的控制。

戊糖磷酸途径

PPP在其氧化和非氧化分支中代谢G6P和糖酵解途径的其他中间产物（图4）。氧化PPP分支利用G6P产生核酮糖-5-磷酸和NADPH，其限速酶为G6P脱氢酶（G6PD）。G6PD水平和活性在许多癌症中升高，包括胃癌、肾癌、乳腺癌、肺癌和其他。非氧化分支产生R5P，R5P由磷酸核糖焦磷酸合酶1（PRPS1）或PRPS2转化为PRPP。

mTORC1和mTORC2信令都促进了购买力平价。mTORC2通过AKT介导的磷酸化和活化HK2提高G6P水平以促进PPP（图3）。mTORC1通过增加至少两种PPP酶的表达来刺激通过PPP的两个分支的流量（图4）。在HCC模型中，mTORC1通过刺激糖酵解（提供PPP底物）和增加G6PD96和RP5异构酶a（RPIA）（由核酮糖-5-磷酸生成RP5）的水平增加PPP的通量。如小鼠胚胎成纤维细胞所示，mTORC1最有可能通过S6K介导的转录因子HiF1α和SREBP1的激活来刺激PPP（图4）。与此观察一致，PI3K信号刺激PTEN缺陷型乳腺癌模型中PPP两个分支的流量。

嘌呤代谢

嘌呤环的合成需要谷氨酰胺、甘氨酸、天冬氨酸、甲酰四氢叶酸和二氧化碳。嘌呤环直接组装在PRPP上，形成一磷酸肌苷（IMP）（图4）。mTOR信号间接刺激嘌呤合成，主要是通过促进传递嘌呤核苷酸组装的底物。PRPS2是嘌呤合成中的限速酶，也为嘧啶的合成提供了PRPP。mTORC1和MAPK激酶1和/或MAPK激酶2通过MYC和EIF4E诱导PRPS2的表达。mTORC1还通过上调线粒体酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2）促进嘌呤核苷酸合成。MTHFD2介导F-THF的形成，F-THF为嘌呤的合成提供碳链。

有趣的是，嘌呤核苷酸也调节mTORC1的活性。短期剥夺腺苷酸（而不是鸟苷酸）可抑制mTORC1。这种抑制（或恢复腺苷酸水平后的激活）是TSC依赖但RAG独立和AMP激活激酶（AMPK）独立的。长期的鸟苷酸饥饿抑制mTORC1活性，但其机制尚不清楚。

嘌呤合成和mTOR活性的相互决定性反映在研究ag2037对嘌呤生物合成酶甘氨酸酰胺核糖核苷酸甲酰转移酶（GARFT；又称GART）的药理抑制作用中。GARFT抑制导致NSCLC异种移植瘤生长抑制，至少部分是通过抑制mTORC1信号。此外，mTORC1依赖的癌细胞对核苷酸的需求量增加，这种脆弱性可以通过抑制鸟嘌呤核苷酸合成来利用。然而，咪唑滨，一种IMP脱氢酶（IMPDH）抑制剂，由于在缺乏核苷酸合成的情况下持续的mTORC1活性而导致癌细胞死亡。因此，在这种情况下，仅抑制鸟嘌呤核苷酸的合成就足够了，添加mTORC1抑制剂甚至会产生反作用。

嘧啶代谢

嘧啶环在与PRPP缩合前进行组装。嘧啶合成的初始步骤由三功能酶氨甲酰磷酸酯合成酶2、天冬氨酸转氨酶和二氢乳清酸酶（CAD）（图4）进行，该酶使用谷氨酰胺、天冬氨酸、碳酸氢盐（HCO3-）和ATP来形成二氢乳清酸（DHO）。DHO脱氢酶（DHOD）将DHO转化为乳清酸，后者与PRPP结合形成乳清酸单磷酸盐（OMP），即所有嘧啶核苷酸的前体（图4）。CAD是MYC TARGET，由mTORC1进行翻译后调节。mTORC1效应器S6K磷酸化CAD以促进CAD齐聚并最终合成嘧啶。

有趣的是，嘧啶的合成还与精氨酸代谢的改变有关。以CAD的氨甲酰磷酸酯合成酶2和线粒体中的CPS1为原料合成了氨甲酰磷酸酯。CPS1的表达，像mTORC1信号一样，被肝激酶b1（IKB1；也称为STK）抑制，AMPK信号（图1）。在具有致癌KRAS和LKB1缺失的NSCLC细胞中，mTORC1被激活，并且CPS1的高表达使CPS1能够非常规地产生氨甲酰磷酸酯以合成嘧啶核苷酸。此外，天冬氨酸通过其在嘧啶合成中的作用，已成为mTORC1活性的另一个正调节因子。天冬氨酸在尿素循环中被ASS1使用，在嘧啶合成中被CAD使用。缺乏ASS1的癌细胞无法在尿素循环中使用天冬氨酸，从而使更多的天冬氨酸可用于生产嘧啶。事实上，骨肉瘤细胞株中ASS1的敲除增加了细胞内天冬氨酸水平，从而促进CAD活性，从而增加嘧啶的合成和增殖。因此，联合抑制mTORC1和抑制嘧啶合成可能是一种有效的癌症治疗方法。虽然还没有直接测试，但研究表明，间接降低mTORC1活性的处理可以协同抑制嘧啶的合成。事实上，ADI-PEG20治疗（降低精氨酸109的水平，从而降mTORC1的活性，因为精氨酸是mTORC1的有效激活剂）和5-flurouracil抑制嘧啶合成在ASS1缺陷的HCC细胞系中是协同作用的。

mTOR与脂肪酸及脂质代谢

脂肪酸代谢

细胞通过摄取或从头合成获得脂肪酸，这两个过程在癌细胞中经常上调（图5）。脂肪酸合成和脂肪酸摄取都是由mTOR信号刺激的。因此，mTORC1和mTORC2都刺激SREBP1的表达和蛋白水解过程，SREBP1是诱导脂肪酸合成酶的主要转录因子，包括atp-柠檬酸裂解酶（ACLY）、乙酰辅酶a羧化酶1（ACC1）、脂肪酸合酶（fasn）和硬脂酰辅酶a去饱和酶1（SCD1；也称为SCD）和脂肪酸转运体CD36（图5）。此外，mTORC1通过阻止包括肝癌细胞系在内的多个细胞系中SREBP1的负调节因子LIPIN1的核进入来促进SREBP1的活性。在肾血管平滑肌脂肪瘤细胞系中，mTORC1-S6K信号通过丝氨酸/精氨酸丰富蛋白激酶2（SRPK2）的磷酸化和活化增加fasn、ACLY和SCD1转录物的剪接和稳定性。mTORC2通过其下游效应器AKT促进SREBP1的表达，并防止SREBP1在癌细胞中的降解。在缺乏PTEN和TSC1的小鼠中，mTORC2至少部分通过激活SREBP1来驱动肝癌（图5）。最后，mTORC2还磷酸化并激活ACLY，从而支持HER2（也称为ERBB2）阳性和PI3K突变乳腺癌细胞系的生长。

值得注意的是，MYC还调节癌细胞中ACC1、FASN和SCD1的表达。此外，MYC促进TCA循环酶的表达以增加柠檬酸盐的产量，柠檬酸盐是从头合成脂肪酸的前体（图5）。因此，脂肪酸合成的靶向性已被开发为一种抗癌策略，脂肪酸合成中的限速酶FASN抑制剂已进入临床试验阶段。例如，TVB-2640，第一个口服和选择性fasn抑制剂，最近已进入几个实体肿瘤的临床试验，包括结肠癌，乳腺癌和星形细胞瘤（表1）。另一种FASN抑制剂表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）将在结直肠癌患者中进行检测（表1）。

靶向FASN的一个障碍是癌细胞可能通过表达CD36等脂肪酸转运蛋白来增加脂肪酸摄取，从而规避脂肪酸合成的抑制。靶向mTOR信号可能是克服潜在抗性机制的一种策略，因为它促进脂肪酸吸收和脂肪酸合成。由于来自其他信号通路的mTOR独立输入，单独的mTOR抑制可能无效。这些包括MYC介导的脂肪酸合成基因的表达、ACLY的AKT非依赖性磷酸化和诱导脂肪酸合成促进转录因子碳水化合物应答元件结合蛋白（CHREBP），后者在某些癌症中上调。因此，结合脂肪酸合成和mTOR抑制剂可能被证明对癌症患者有益。这一观点得到了一项临床前研究的支持，该研究报告了mTORC1抑制剂雷帕霉素与FASN抑制剂在乳腺癌细胞中的协同作用。

脂质代谢

癌细胞需要脂质，包括甘油磷脂、鞘脂和甾醇，用于膜合成和信号传递（第二信使）（图5）。mTOR控制的转录因子SREBP1刺激极长链脂肪酸（ELOVL）的延伸表达，促进多不饱和脂肪酸的延伸，多不饱和脂肪酸是合成许多lipid的直接前体。mTORC1通过激活限速酶磷酸胆碱胞苷酰转移酶-α（CCTα；也称为PCYT1a）促进脂质磷脂酰胆碱的合成，后者也受SREBP1的转录控制。

鞘脂，如神经酰胺或鞘氨醇-1-磷酸（S1P），具有重要的信号功能（图5）。神经酰胺抑制癌细胞生长，部分是通过降低AKT活性。因此，癌细胞利用各种机制来防止神经酰胺积聚。这些机制包括葡糖神经酰胺合酶（GCS）的上调（GCS将神经酰胺转化为葡糖神经酰胺），以及（图5）。在PTEN缺乏和TSC1缺乏的肝癌小鼠模型中，mTORC2通过促进GCS的表达刺激肿瘤的发生，从而防止神经酰胺的积累。在小鼠模型中敲除gcs可预防hcc肿瘤的发生。

与神经酰胺相比，S1P促进细胞增殖和迁移。许多癌症，包括乳腺癌、结肠癌、肺癌和肾癌，增加了鞘氨醇激酶1（SPHK1）的表达，导致S1P水平升高。SPHK1-S1P信号在缺氧时被激活，促进癌细胞增殖和迁移，至少部分是通过激活mTOR信号。

特异性鞘脂合成抑制剂作为抗癌药物正在临床前和早期临床试验中进行评估。肉豆蔻苷是丝氨酸棕榈酰转移酶（SPT）抑制剂，可减少肺癌和黑色素瘤细胞株的增殖，并减轻MICE118中的HCC。此外，SPHK2抑制剂ABC294640正在胆管癌、多发性骨髓瘤和晚期HCC的临床试验中（表1）。有趣的是，ABC294640降低了结直肠癌细胞系和原发癌细胞中mTORC1和mTORC2的活性，导致生长抑制和凋亡。

结束语

值得注意的是，除了上述过程外，最近的研究还揭示了mTOR信号与未被确认为mTORC1激活剂的氨基酸（即谷氨酰胺、精氨酸和亮氨酸以外的氨基酸）代谢之间的联系。例如，mTORC1促进丝氨酸生物合成；mTORC2调节胱氨酸谷氨酸转运体XCT（也称为SLC7A11），后者在三阴性乳腺癌和GBM中上调，癌细胞的一个子集依赖脯氨酸摄取来维持mTORC1-4EBP信号。除氨基酸外，最近还发现其他代谢产物可以调节mTORC1的活性，包括s-腺苷蛋氨酸（SAM）、嘌呤核苷酸和胆固醇。相反，mTOR信号调节核苷酸、脂肪酸和脂质代谢的多个方面（见上文）。这些发现进一步表明，mTOR抑制剂可以考虑用于与mTOR相关的代谢改变的癌症。为了实现这一策略，进一步理解代谢重编程和mTOR信号的相互决定性是非常重要的。也许有必要修正我们关于驱动基因突变如何决定肿瘤发展和代谢改变的观点。最近提出的一个概念是，起源组织而不是潜在的突变决定了癌细胞如何重新编程其代谢。因此，有必要定义癌症亚型的代谢特征，以便对患者进行治疗方案分类。这样的分类也可能揭示代谢脆弱性是如何被治疗利用的。例如，在LSCC中，代谢特征被建议预测对mTOR抑制剂的反应性或抗性。一些药物，如二甲双胍、二氯乙酸酯或戒酒硫(disulfiram)，干扰细胞代谢，多年来一直被用于治疗代谢性疾病，现在正被重新用于癌症治疗。例如，二甲双胍，治疗2型糖尿病最常用的处方药，激活AMPK，抑制mTORC1，并减弱蛋白质合成、TCA循环和核苷酸合成。因此，二甲双胍单独或与其他癌症药物联合使用，已在一些模型中被证明在减少肿瘤生长方面是有效的。事实上，二甲双胍目前正在进行一些临床试验，包括与mTORC1抑制剂联合使用（表1）。一些临床试验正在评估mTOR抑制剂与其他干扰癌细胞代谢的靶向药物的联合应用。然而，为了优化治疗策略，我们需要了解靶向代谢的抗癌药物如何影响肿瘤微环境中的癌细胞和非癌细胞，这有助于避免药物诱导的免疫抑制（BOX1）。因此，针对精氨酸或葡萄糖缺乏的治疗策略也会抑制t细胞的活化和增殖，从而可能排除对肿瘤的充分免疫反应。第一代mTOR抑制剂和靶向代谢改变药物的成员作为单一药物具有微弱的治疗效果。第二代mTOR抑制剂目前正在测试中，更多干扰代谢改变的药物正在研发中。mTOR信号和代谢重编程之间的广泛相互作用强烈支持进一步探索以代谢为靶点的药物与mTOR抑制剂的结合。

文献原文：Mossmann D , Park S , Hall M N . mTOR signalling and cellular metabolism are mutual determinants in cancer[J]. Nature Reviews Cancer, 2018.