Η γλυκόζη και το αμινοξύ γλουταμίνη είναι τα δύο πιο σημαντικά θρεπτικά συστατικά που χρησιμοποιούνται από τα καρκινικά κύτταρα για τον πολλαπλασιασμό και την ανάπτυξή τους. Ενώ η γλυκολυτική οδός παράγει ATP και μεταβολικά ενδιάμεσα ,ο μεταβολισμός της γλουταμίνης μπορεί να παρέχει αμινοξέα, νουκλεϊκά οξέα και γλουταθειόνη απαραίτητα για τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων.
Μεταξύ των διαφόρων χαρακτηριστικών του καρκίνου , ο μεταβολικός μετασχηματισμός διαδραματίζει βασικό ρόλο στην προσαρμογή των καρκινικών κυττάρων σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Τα καρκινικά κύτταρα φέρουν ογκογονικές μεταλλάξεις, οδηγώντας σε αύξηση της πρόσληψης θρεπτικών ουσιών και μεταβάλλοντας το μεταβολισμό τους για να υποστηρίξουν τις αναβολικές διεργασίες για την ανάπτυξη και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων.
Προκειμένου να διασφαλιστεί ο ταχύς κυτταρικός πολλαπλασιασμός, τα καρκινικά κύτταρα πρέπει πρώτα να αυξήσουν την πρόσληψη θρεπτικών συστατικών από το εξωκυτταρικό περιβάλλον. Η γλυκόζη και η γλουταμίνη είναι δύο βασικές θρεπτικές ουσίες που απορροφούν τα καρκινικά κύτταρα από το εξωκυτταρικό περιβάλλον. Τα καρκινικά κύτταρα γίνονται εύκολα “εθισμένα” στη γλυκόζη και τη γλουταμίνη, καθώς η απόσυρσή τους μπορεί να προκαλέσει κυτταρικό θάνατο. Μέσω του καταβολισμού της γλυκόζης και της γλουταμίνης, τα κύτταρα παράγουν και τα δύο ενδιάμεσα άνθρακα ως δομικά στοιχεία για την παραγωγή μακρομορίων και την παραγωγή ΑΤΡ. Η αύξηση στην κατανάλωση γλυκόζης από καρκινικά κύτταρα περιγράφηκε για πρώτη φορά από τον Warburg που είδε ότι τα καρκινικά κύτταρα καταναλώνουν 10 φορές περισσότερη γλυκόζη από τα μη πολλαπλασιαζόμενα φυσιολογικά κύτταρα και μετατρέπουν τη γλυκόζη σε γαλακτικό, ακόμη και παρουσία οξυγόνου και πλήρως λειτουργούσας μιτοχονδριακής αναπνοής. Το λεγόμενο “αποτέλεσμα Warburg” (ή αερόβια γλυκόλυση) έχει γίνει γνωστό και κοινό μεταβολικό φαινότυπο που επιτρέπει στους όγκους να εκπληρώσουν τις ενεργειακές απαιτήσεις για κυτταρική ανάπτυξη.Τα καρκινικά κύτταρα αποκτούν ογκογονικές μεταβολές για να αυξήσουν την πρόσληψη γλυκόζης και η οδός PI3K / AKT προάγει την έκφραση του GLUT1 μεταφορέα γλυκόζης . Επιπλέον, η AKT ενισχύει τη δραστικότητα των ενζύμων {εξοκινάση και φωσφοφρουκτοκινάση} προκειμένου να προκαλέσουν κατανάλωση γλυκόζης .
Η ζήτηση υψηλής γλουταμίνης περιγράφηκε για πρώτη φορά σε καλλ/να κυτταρα τα οποια απαιτούσαν 10 έως 100 φορές περισσότερη γλουταμίνη από οποιοδήποτε άλλο αμινοξύ.Η γλουταμίνη είναι πηγή άνθρακα και αζώτου για de novo βιοσύνθεση διαφορετικών δομικών στοιχείων που περιέχουν άζωτο{αμινοξέα}αλλα και συμμετέχει στην πρόσληψη βασικών αμινοξέων από το εξωκυτταρικό περιβάλλον. Ο βασικός ρυθμιστής της χρησιμοποίησης γλουταμίνης είναι ο παράγοντας μεταγραφής c-myc , ο οποίος συχνά ρυθμίζεται προς τα πάνω στα πολλαπλασιαστικά κύτταρα [.
Μεταβολικά ενδιάμεσα για βιοσύνθεση
Παρά την αρχική ιδέα του Warburg 0ότι η αερόβια γλυκόλυση προήλθε ως συνέπεια της μιτοχονδριακής δυσλειτουργίας, οι μετέπειτα μελέτες έδειξαν ότι τα μιτοχόνδρια των καρκινικών κυττάρων είναι ακόμα λειτουργικά και ικανά να διεξάγουν οξειδωτική φωσφορυλίωση. Για να προσαρμοστούν σε ένα γρήγορο πολλαπλασιασμό, τα καρκινικά κύτταρα χρειάζονται δομικές μονάδες, ενδιάμεσους μεταβολίτες που μονο η γλυκόλυση μπορεί να προσφέρει παρέχοντας γλυκολυτικά ενδιάμεσα όπως η οδός φωσφορικής πεντόζης (PPP) που συχνά υπερεκφράζεται στον καρκίνο.
Μετά την τροφοδοσία όλων των οδών διακλάδωσης, η περίσσεια της γλυκολυτικής ροής μετατρέπεται σε γαλακτικό για να διατηρηθεί μια επαρκής δεξαμενή NAD + για τη γλυκόλυση και για να αποφευχθεί η αναστολή του κύκλου του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) λόγω της περίσσειας NADH. Εκτός από τα γλυκολυτικά ενδιάμεσα, τα ενδιάμεσα του κύκλου TCA χρησιμοποιούνται επίσης για συσσώρευση βιοσυνθετικών προδρόμων με το πρώτο παράδειγμα το ακετυλ-CοΑ η παραγωγή του οποίου αυξάνεται από το ένζυμο ΑΤΡ-κιτρική λυάση (ACLY) με τη μεσολάβηση PI3K / AKT.Ο κύκλος TCA παρέχει επίσης μεταβολικούς προδρόμους για τη σύνθεση μη απαραίτητων αμινοξέων, όπως ασπαρτικό και ασπαραγίνη από οξαλοξεικό, ή προλίνη και αργινίνη από α-κετογλουταρικό. Στη συνέχεια, το ασπαρτικό χρησιμοποιείται για τη βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων. Πράγματι, η ενεργοποίηση της σύνθεσης ασπαρτικού είναι ουσιαστικός ρόλος της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης στον κυτταρικό πολλαπλασιασμό [ 30 , 31 ] .
Η κύρια αναπληρωματική πηγή στα αναπτυσσόμενα κύτταρα είναι η γλουταμίνη η ποια είναι το πιο άφθονο ελεύθερο αμινοξύ στο αίμα και φυσιολογικά βασική πηγή άνθρακα και αζώτου για τον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων.Η πρόσληψη γλουταμίνης αυξάνεται ειδικά σε καρκινικά κύτταρα που έχουν δυσρυθμισμένα ογκογονίδια και καταστολείς όγκων{ c-my}c.
Η γλουταμίνη μετατρεπεται{ γλουταμινόλυση} σε σε γλουταμινικό οξύ{από GLS}και τελικα σε α-κετογλουταρικό το οποιο εισέρχεται στον κύκλο TCA για την ανασύσταση της μάζας των μιτοχονδρίων κιτρικών
Η γλουταμίνη μπορεί να συντεθεί από τα κύτταρα μέσω GLUL / συνθετάσης γλουταμίνης (GS) η οποία καταλύει την αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ γλουταμικού και αμμωνίας κατά τρόπο εξαρτώμενο από ΑΤΡ και παράγει γλουταμίνη.Η GS εκφράζεται κυρίως στο ήπαρ, στον εγκέφαλο και στους μυς. Η GS έχει βρεθεί ότι είναι δείκτης του ηπατοκυτταρικού καρκινώματος (HCC) και η αυξημένη έκφραση συσχετίζεται με κακή επιβίωση σε γλοιοβλάστωμα.
Δοτης άνθρακα
Η ενσωμάτωση άνθρακα που προέρχεται από γλουταμίνη στον κύκλο TCA είναι απαραίτητη για τις βιοενεργειακές ανάγκες και τους βιοσυνθετικούς προδρόμους των κυττάρων.Το α-κετογλουταρικο από γλουταμίνη μπορεί να προκαλέσει σύνθεση λιπαρών οξέων μέσω της ισοκυτταρικής δεϋδρογενάσης (IDH). Το IDH καταλύει την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση ισοκυτταρικού άλατος για την παραγωγή α-κετογλουταρικού.
Δότης αζώτου
Η γλουταμίνη {εχει δύο άτομα αζωτου,το α και γ-άζωτο} δρα ως δότης αζώτου και χρησιμοποιείται στην παραγωγή ουρακίλης, θυμίνης, κυτοσίνης, αδενίνη και γουανίνης. Είναι ενδιαφέρον ότι μόνο το γ-άζωτο της γλουταμίνης χρησιμοποιείται για τη σύνθεση νουκλεοτιδίων.
Η γλουταμίνη είναι η πηγή τουλάχιστον 50% μη βασικών αμινοξέων που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση πρωτεϊνών από καρκινικά κύτταρα. .
Κατά τη διάρκεια της ογκογένεσης, τα καρκινικά κύτταρα αντιμετωπίζουν συνεχώς το οξειδωτικό στρες και προκειμένου να διατηρηθεί η οξειδωτική ομοιόσταση, τα κύτταρα πρέπει να αυξήσουν την αντιοξειδωτική τους ικανότητα με τον μεταβολισμό της γλουταμίνης να παίζει σημαντικό ρόλο στους αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς. Το γλουταμινικό που προέρχεται από γλουταμίνη χρησιμοποιείται στη σύνθεση γλουταθειόνης{συνθετάση γλουταθειόνης} και η στερηση γλουταμίνης μειώνει την συγκέντρωση γλουταθειόνης των μετασχηματισμένων κυττάρων . Η οξείδωση της γλουταμίνης υποστηρίζει την ομοιοστασία οξειδοαναγωγής με παραγωγη NADPH το οποιο χρησιμοποιείται όχι μόνο για τη σύνθεση των λιπιδίων, αλλά και για τη μείωση της οξειδωμένης γλουταθειόνης (GSSG), προστατεύοντας τα κύτταρα από το οξειδωτικό στρες
Χρωματίνη
Ο μεταβολισμός της γλουταμίνης δεν παράγει μόνο δομικά στοιχεία και ενέργεια για την ανάπτυξη των κυττάρων, αλλά παράγει και υποστρώματα για καταρράκτες που ρυθμίζουν την οργάνωση της χρωματίνης.Το α-κετογλουταρική προερχόμενο από γλουταμίνη είναι ένα συν-υπόστρωμα ενζύμων διοξυγενάσης για την ρύθμιση ιστόνης και μεθυλίωσης του DNA. Συνεπώς, ο μεταβολισμός της γλουταμίνης παίζει ένα ρόλο στην γονιδιακή έκφραση μέσω της συμβολής α-κετογλουταρικού και ηλεκτρικού άλατος στην τροποποίηση της δομής της χρωματίνης.
Εθισμός του καρκίνου στη γλουταμίνη
Λόγω της μεγάλης ζήτησης καρκινικών κυττάρων για γλουταμίνη, ο μεταβολισμός της γλουταμίνης ρυθμίζεται σε μεγάλο βαθμό προκειμένου να διατηρηθεί η κυτταρική βιοσύνθεση και η κυτταρική ανάπτυξη.
Ο πρώτος μηχανισμός για την ενίσχυση της απόκτησης γλουταμίνης είναι να επάγει πρόσληψη γλουταμίνης. Διαφορετικοί μεταφορείς γλουταμίνης συμβάλουν στην πρόσληψη γλουταμίνης
και η δραστικότητα των γλουταμινολυτικών ενζύμων, GLS και GDH, ρυθμίζονται επίσης αυστηρά.
Όταν το επίπεδο της εξωκυτταρικής γλουταμίνης είναι περιορισμένο, μερικές καρκινικές κυτταρικές σειρές είναι ικανές να επάγουν έκφραση GS προκειμένου να διαφύγουν από κυτταρικό θάνατο που προκαλείται από ανεπάρκεια γλουταμίνης. Η GS βρέθηκε να υπερεκφράζεται σε ορισμένους τύπους καρκίνου, όπως ο καρκίνος του μαστού ή το γλοιοβλάστωμα, προάγοντας τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων Η μεταγραφή GS ενεργοποιείται με διαφορετικές ογκογονικές οδούς, όπως PI3K-PKB-FOXO , c-myc και Yap1 / Hippo [
Ο εθισμός στη γλουταμίνη εμφανίζεται όταν τα καρκινικά κύτταρα υφίστανται κυτταρικό θάνατο σε συνθήκες περιορισμού της γλουταμίνης ή όταν αναστέλλεται ο μεταβολισμός της γλουταμίνης. Πολλά καρκινικά κύτταρα τα οποία βασίζονται σε γλουταμίνη καταβολισμό για την κατασκευή μπλοκ και την ενέργεια έχουν αναφερθεί να εθιστεί σε γλουταμίνη . Τα εξαρτώμενα από τη γλουταμίνη κύτταρα παρουσιάζουν μειωμένη επιβίωση ή ακόμα υποβάλλονται σε αποπτωτικό κυτταρικό θάνατο, που σχετίζεται με αυξημένη βλάβη στο DNA, υπερπαραγωγή ROS ή μειωμένη αναλογία μειωμένης / οξειδωμένης γλουταθειόνης (GSH / GSSG). Σε αυτό το πλαίσιο, ο ογκογονικός μεταγραφικός παράγοντας c-myc παίζει βασικό ρόλο στην επαγωγή του εθισμού της γλουταμίνης [Μαζί, αυτά τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι αυτός ο φαινότυπος θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως θεραπεία καρκίνου μέσω της χρήσης αναστολέων γλουταμινολυτικών ενζύμων ή θεραπείας που προκαλούν μείωση της γλουταμίνης όπως η L-ασπαραγινάση.
Αντίθετα, μερικοί τύποι κυττάρων εμφανίζουν ανεξαρτησία γλουταμίνης λόγω εφρασης της GS όπως τα κύτταρα του γλοιώματος που μπορούν να συνθέσουν γλουταμίνη από το γλουταμινικό μέσω της δραστηριότητας της GS, διατηρώντας τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων κατά τη διάρκεια της στέρησης γλουταμίνης [. Επίσης, αυτά τα κύτταρα χρησιμοποιούν γλυκόζη ως πηγή αναλλοίωσης κύκλου TCA, η οποία μπορεί επαρκώς να παρέχει α-κετογλουταρικό για σύνθεση γλουταμικού και γλουταμίνης. Εναλλακτικά, μερικοί τύποι κυττάρων μπορούν να προσαρμοστούν στην απόσυρση γλουταμίνης χρησιμοποιώντας ασπαραγίνη η οποια όμως συντίθεται από γλουταμίνη.Το πώς τα καρκινικά κύτταρα προσαρμόζουν τις μεταβολικές τους ανάγκες κατά τη διάρκεια στέρησης γλουταμίνης παραμένει να διασαφηνιστεί.
Μεταβολισμός γλουταμίνης και μονοπάτι mTORC1
Ο μεταβολισμός της γλουταμίνης και το μονοπατι mTORC1 έχουν στενή σύνδεση μέσω διαφόρων μηχανισμών. Η γλουταμινόλυση επάγει το mTORC1 και αναστέλλει την αυτοφαγία προάγοντας την κυτταρική ανάπτυξη { άξονας γλουταμινόλυσης-mTORC1 στην ανάπτυξη του καρκίνου}.
Η σύνδεση μεταξύ του μεταβολισμού της γλουταμίνης και του mTORC1 παρουσιάζει πρόσθετους κλάδους σύνδεσης, καθώς η γλουταμίνη παίζει επίσης ρόλο στην αποκατάσταση του mTORC1 που προκαλείται από την αυτοφαγία Έτσι, η ανακύκλωση της γλουταμίνης, υποστηριζόμενη από την αυτοφαγία, είναι επαρκής για την επανενεργοποίηση του mTORC1 υπό περιοριστικές συνθήκες.
Ωστόσο, και παραδόξως, η μακροχρόνια ενεργοποίηση γλουταμινόλυσης κατά τη διάρκεια του θρεπτικού περιορισμού προκαλεί μια μη ισορροπημένη ενεργοποίηση του mTORC1 κατά τη διάρκεια στέρησης θρεπτικών ουσιών και προάγει την απόπτωση [ 92 ]. Αυτός ο τύπος κυτταρικού θανάτου που προκαλείται από το μεταβολισμό ονομάζεται “γλουταμόπτωση”, ο οποίος υποστηρίζει τον ρόλο του καταστολέα όγκου του μεταβολισμού της γλουταμίνης και του mTORC1 (γνωστούς κανονικά ως προ-πολλαπλασιαστικοί επαγωγείς) κατά τη διάρκεια της διατροφικής ανισορροπίας. Κατά τη διάρκεια της γλουταμóπτωσης, η αναστολή της αυτοφαγίας με τη μεσολάβηση του mTORC1 οδηγεί στη συσσώρευση της αυτοφαγικής πρωτεΐνης που αλληλεπιδρά με την Caspase 8 και την ενεργοποιεί την απόπτωση.
Αντίθετα, το mTORC1 μπορεί να ρυθμίζει το μεταβολισμό της γλουταμίνης {τα ενζυμα GLS και GDH ρυθμίζονται από την οδό mTORC1}και η ροή γλουταμίνης μέσω μεταφορέων γλουταμίνης ενεργοποιεί τη σηματοδότηση mTOR [
Συνοπτικά, η πρόσληψη γλουταμίνης και ο μεταβολισμός έχουν στενή σύνδεση με τη σηματοδότηση mTOR. Καθώς και οι δύο οδοί ρυθμίζονται προς τα πάνω σε πολλούς καρκίνους, οι στρατηγικές που στοχεύουν τόσο τον μεταβολισμό της γλουταμίνης και τη σηματοδότηση mTORC1 έχουν δείξει συνεργιστικές επιδράσεις.
Θεραπευτικές εφαρμογές
Δεδομένης της εξάρτησης των καρκινικών κυττάρων από τον μεταβολισμό της γλουταμίνης, έχουν αναπτυχθεί στοχευμένες θεραπείες κατά του μεταβολισμού της γλουταμίνης, από την πρόσληψη γλουταμίνης σε ένζυμα που καταλύονται με γλουταμίνη. Η αναστολή της GLS κατέστησε την προσοχή λόγω της δυσλειτουργίας του GLS σε μια ποικιλία καρκίνων.
Εκτός από αναστολείς GLS, στρατηγικές που στοχεύουν στην μετατροπή του γλουταμικού σε α-κετογλουταρικό, όπως αναστολείς GDH και αμινοτρανσφεράση αναστολείς, έχουν επίσης αξιολογηθεί σε προκλινικά μοντέλα καρκίνου του μαστού και νευροβλάστωμα
Παρόλα αυτά, οι περισσότερες από τις ενώσεις αναστολεις βρίσκονται ακόμα στο προκλινικό στάδιο αξιολόγησης ή έχουν απορριφθεί άμεσα λόγω της υψηλής κυτταροτοξικότητας.
Επιπλέον, έχουν αναφερθεί ορισμένοι περιορισμοί που προέκυψαν από την αντοχή της θεραπείας σε στοχευμένες θεραπείες κατά του μεταβολισμού γλουταμίνης,ενώ η συνδυασμένη θεραπεία αναστολέων μεταβολισμού γλουταμίνης και άλλων αναστολέων της οδού προκάλεσε ισχυρότερη αποπτωτική απόκριση και ενισχυμένη αντικαρκινική αποτελεσματικότητα. Για παράδειγμα, η αναστολή του mTOR σε πολυμορφικές κυτταρικές σειρές γλοιοβλαστώματος οδήγησε σε μια αντισταθμιστική ρύθμιση προς τα πάνω του μεταβολισμού της γλουταμίνης, προωθώντας την αντίσταση του αναστολέα mTOR. Έτσι, η συνδυασμένη αναστολή των mTOR και GLS οδήγησε σε συνεργικό θάνατο κυτταρικού θανάτου και αναστολή ανάπτυξης σε μοντέλα ποντικών.
ΠΗΓΗ: Cancer Resistance Drug 2018{ Ινστιτούτο Χημείας και Βιολογίας,Πανεπιστήμιο Μπορντώ}
