Nat Rev | KRAS突变对肿瘤组织特异性和微环境的影响
撰文：xiaoyudian
IF=60.716
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亮点：
1、文中系统性的归纳了癌症细胞的代谢途径，并对参与其中的可能作用进行简单介绍。
2、文中分析了共生突变特性及关键共生突变的可能影响及组织依赖性。
3、文中总结了KRAS*驱动肿瘤TME的代谢特征和靶向的可能途径。
2021年7月9日，美国密歇根大学医学院分子与综合生理学系和纽约大学医学院病理学系的研究人员Samuel A. Kerk等人合作在《Nature Reviews Cancer》上发表了一篇“Metabolic networks in mutant KRAS-driven tumours: tissue specificities and the microenvironment”的文章。文中回顾了结肠、肺和胰腺肿瘤中由致癌突变KRAS调控的不同的代谢网络，包括代谢途径、共突变位点影响分析及对于组织的依赖性，并强调了共发生突变和肿瘤微环境的作用，最后展望如何利用这些网络来获得治疗收益。
在大肠癌、非小细胞肺癌和胰腺导管腺癌中，KRAS的致癌基因突变驱动常见的代谢程序，促进肿瘤生存、生长和免疫逃避。然而，KRAS突变体信号对恶性细胞程序和肿瘤特性的影响也取决于肿瘤抑制因子的损失和细胞和组织的生理特性。KRAS作为肿瘤药物靶点具有相当大的潜力。然而，相当比例的KRAS致癌突变(KRAS*)肿瘤并不是由G12C突变驱动的，而且RAS信号的复杂性仍然是治疗上的一个重大障碍。KRAS突变在结肠、肺和胰腺肿瘤中很常见，但KRAS信号和组织生理学的细微差别影响了KRAS*如何影响癌症生物学并不清楚。因此，本研究对KRAS*如何协调CRC、NSCLC和PDA的代谢进行综述，分析了KRAS*驱动的癌细胞的内在代谢和更广泛的TME中的代谢相互作用，探讨了从这些研究中获得的新的代谢脆弱性和相关的治疗进展。
KRAS*驱动生物能量、生物合成和氧化还原程序，其中许多以独立于肿瘤类型的方式存在。这些计划建立生物量，并支持癌细胞内有利于解除控制的增殖的整体能量状态(图1)。
KRAS*信号通路通过增加葡萄糖摄取和糖酵解通量为癌细胞提供了竞争优势，同时促进了许多分支生物合成途径。携带KRAS*的细胞高表达葡萄糖转运体，导致有效的葡萄糖摄取。由于KRAS*调控的关键糖酵解酶的表达和/或活性，葡萄糖通过糖酵解的通量升高。一些糖酵解中间体被分流到核苷酸生产、氨基酸合成或糖基化反应所必需的生物合成途径，其活性由KRAS*信号调节。线粒体作为生物合成的枢纽，参与信号和基因表达的调节，并与肿瘤的发生和发展有关。KRAS*通过诱导线粒体自噬来调节总线粒体含量和功能，而线粒体自噬的中断会延缓肿瘤的进展。
除此之外，氨基酸和蛋白质的合成也在其中发挥作用。例如，谷氨酰胺是肿瘤的碳和氮的重要来源。KRAS*也促进替代谷氨酰胺分解代谢，导致产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。KRAS*肿瘤组织中线粒体谷氨酸转运蛋白的表达升高，并且在具有KRAS*的细胞中，线粒体谷氨酸转运蛋白的阻断降低了三羧酸(TCA)循环中间体的丰度。在体外和异种肿瘤移植中，氧化还原稳态被破坏和增殖受损。
另外，癌细胞通常依靠清除和循环途径来为生物合成提供燃料，并对抗细胞应激。RAS通路激活诱导细胞内吞，提供了一系列可以在溶酶体中降解的燃料来源。在缺乏营养的条件下，赋予癌细胞以支持生物量产生的构建模块。自噬在表达KRAS*的癌细胞中受到严格调控，是急性营养剥夺下的一个重要清除途径，通过该途径，细胞内的营养可以被转移以满足生存所需的代谢需求。因此，在缺乏必需营养的缓冲盐水中培养时，线粒体底物可用性有限可能导致危险的ROS水平和耗尽的核苷酸库。在这种情况下，自噬通量为KRAS*驱动的癌细胞提供谷氨酰胺和谷氨酸，为三羧酸循环提供燃料并支持核苷酸的产生。最后，增殖的细胞需要脂肪酸合成(FAS)来生成脂质，用于膜合成等过程。来自细胞内储存或细胞外摄取的脂质也可通过脂肪酸氧化作为燃料来源来产生ATP。研究表明，脂质代谢不仅受到KRAS*的单独调控，还受到其他环境因素的调控，如细胞的能量状态等。
致癌驱动或肿瘤抑制因子的共发生突变与KRAS*合作塑造癌细胞的表型，而这些依赖于起源组织。首先，编码肿瘤抑制因子腺瘤性息肉病(APC)的基因的功能丧失(LOF)突变最初驱动了约80%的CRCs的肿瘤发生。APC是转录因子β-连环蛋白的负调控因子。KRAS*诱导CRC细胞从谷氨酰胺中产生琥珀酸。这反过来又抑制去甲基化酶，导致WNT通路成分的高甲基化和表达的增加，以及β-连环蛋白活性的升高(图2a)。MYC是β-连环蛋白的靶标，在CRC的恶性转化过程中与KRAS*发生协同作用。原发部位的结直肠肿瘤显示KRAS状态的异质性，因此，在结直肠肿瘤中存在显著的代谢异质性。进一步研究基于驱动致癌事件的肿瘤内代谢差异，可能会发现CRC原发性肿瘤维持或转移对代谢通路的不同依赖。
其次，LKB1主要通过AMPK和相关AMPK家族成员的磷酸化和激活来实施其肿瘤抑制计划。LKB1-AMPK轴感知能量应激，并在不利的营养条件下发挥代谢刹车的作用。在体内肿瘤生长中，AMPK的活性失调也是必需的，因为在KRAS*、LKB1缺陷的自体非小细胞肺癌小鼠模型中，AMPK的缺失降低了肿瘤负担。
在能量应激期间，正常肺上皮细胞内，AMPK促进FAO。LKB1缺失的AMPK活性也可诱导清除尿素循环氨中的氮，使其并入嘧啶，这是KRAS*驱动的、LKB1缺陷的人类NSCLC细胞株和异种移植瘤生长所必需的(图2b)。大约20% KRAS*驱动的NSCLC患者的肿瘤中，编码KEAP1的基因存在LOF突变，KEAP1是NRF2的负调控因子。KEAP1缺失促进NSCLC进展，相反，NRF2缺失阻断NSCLC和PDA自体小鼠模型的肿瘤生长。
事实上，KEAP1突变的细胞可以利用谷氨酰胺分解作为PPP的替代来产生谷胱甘肽并补充细胞内的谷氨酸，特别是NRF2可以诱导SLC7A11的转录。因此，NRF2过度活跃的癌细胞依赖于谷氨酰胺酶1 (GLS1)的谷氨酰胺分解来维持足够的谷氨酸池，以输入胱氨酸并为TCA循环提供燃料(图2b)。相反，野生型KEAP1 NSCLC细胞在体内对GLS1抑制不敏感，这是由于葡萄糖代偿性地掺入TCA循环，而不是依赖谷氨酰胺导致胸膜缺失。总的来说，这些数据说明了共发生突变如何驱动肺癌的代谢异质性，并强调了确定肺癌遗传亚型的代谢依赖的重要性。
在KRAS*环境中，大约50%的PDAs中观察到编码肿瘤抑制p53的TP53基因的LOF突变。研究证实，无论p53状态如何，在PDA中，氧化磷酸化、ROS调节和肿瘤生长都需要自噬。
在原位同种异体移植、自体小鼠模型和人类PDA中，p53通过调节TCA循环中间α-酮戊二酸(α-KG)，在细胞状态的表观遗传调节中也发挥了作用。p53缺失导致的α-KG水平降低削弱了某些染色质修饰酶的活性，最终诱导细胞去分化状态，增强细胞适合度。相反，野生型p53的重新表达导致α-KG水平升高，并促进一种分化的、侵略性较低的状态。这是p53在PDA中抑制肿瘤进展的重要机制(图2c)。
肿瘤抑制因子p16 (INK4A)在超过90%的KRAS* PDAs中失活。与表达p16的细胞相比，KRAS*细胞系中p16缺失导致NOX4水平上调，糖酵解通量增加。因此，NOX4活性通过氧化NADPH维持糖酵解，由于p16缺失，支持KRAS*诱导的更广泛的代谢过程(图2c)。
每一种肿瘤都是独特的、有时是罕见的突变的复杂混合物，它们都与KRAS*协同工作，从而驱动异常的新陈代谢。该研究的目的是将这些研究用于结肠、肺和胰腺肿瘤，以证明共发生突变在塑造肿瘤代谢中的重要性。考虑到患者的遗传异质性，仍有很多工作要做，既要建模这种异质性，又要确定这些疾病的特定遗传亚型中可以靶向的代谢途径。
尽管我们可以通过先进的基因组学和高通量测序来快速识别患者肿瘤中的驱动突变，但我们也必须考虑细胞起源和组织限制对肿瘤生物学的影响。在这里，本研究将讨论这是如何受到组织结构的影响，以及如何影响营养和氧气的获取。
缺氧和慢性炎症都有助于CRC的发展。HIF调节细胞对低氧张力的反应，并整合氧感测、代谢和炎症。在CRC中，KRAS*调控基因和HIF调控基因存在重叠。缺氧增加CRC细胞系中KRAS*的表达，KRAS*通过多个效应通路相互稳定HIF1α，表明HIF和KRAS*之间存在潜在的正反馈回路(图3a)，从而促进缺氧下CRC细胞的存活。
结肠的一个重要功能是从饮食中吸收营养。铁是红细胞发育和全身氧气输送所必需的，也是许多代谢反应的辅助因子。在CRC中，HIF2α通过二价金属转运体1 (DMT1)介导的铁输入促进了JAK STAT信号通路和肿瘤生长(图3a)。
正常的肺对葡萄糖敏感，并释放乳酸。乳酸是肺细胞内三羧酸循环的主要碳源。离血管较远的细胞将葡萄糖转化为乳酸盐，而乳酸盐可以被靠近含氧血管的细胞作为替代燃料来源(图3b)。非小细胞肺癌肿瘤在葡萄糖利用方面存在代谢异质性。肿瘤的更多灌注区使用乳酸盐等替代燃料来源，而灌注差的区域依赖于糖酵解和葡萄糖并入TCA循环(图3b)。
正常的腺泡细胞通过表达BCAT2来调节BCAAs并入蛋白来执行其细胞功能，而KRAS*的导管细胞劫持BCAT2分解代谢活性以满足生物合成和能量需求(图3c)。然而，与KRAS*单独驱动的PDA模型不同的是，同时具有KRAS*和p53缺失的肿瘤显示出较低的BCAA分解代谢，小鼠皮下同种异体移植物的生长不受KRAS*的影响BCAT1和BCAT2双丢失。此外，最近的一项研究发现，肿瘤基质中的胰腺癌相关成纤维细胞(CAFs)合成并释放BCAAs，而BCAAs在人类PDA细胞中的活性是BCAAs用于氧化和蛋白质合成所必需的。这些关于BCAA代谢的看似矛盾的发现表明了KRAS*、共发生突变和环境背景之间的复杂相互作用。
KRAS*驱动的癌症细胞影响细胞组成及TME的血管分布和结构。这反过来影响了营养物质和氧气的可用性，同时建立了pH和代谢副产物的梯度，共同决定了TME1的代谢性质。此外，癌症异常代谢所导致的代谢物的消耗或积累对周围免疫细胞和基质细胞的功能有影响。为了应对TME带来的代谢挑战，癌症细胞和非癌症细胞参与协同代谢相互作用，支持肿瘤生长，以及竞争性代谢相互作用，通过限制抗肿瘤免疫系统的营养可得性，从而限制抗肿瘤免疫系统的活性，从而促进肿瘤生存(图4)。
实体肿瘤的特征是长时间、紊乱的炎症反应。KRAS*在肿瘤进展的早期驱动炎症信号，并与外源因素相互作用，产生炎症环境，增强致癌信。类似地，KRAS*驱动异常增殖和信号传递，这有助于肿瘤缺氧。
KRAS*信号转导、肿瘤缺氧和HIF的激活重塑了肿瘤中的免疫微环境。而TME中的促炎症信号增强PDA中失调的代谢方案。TME中的增殖细胞类型，如效应免疫细胞，对KRAS*驱动的肿瘤中常见的葡萄糖耗竭状态敏感。肿瘤细胞对TME摄取和利用的升高导致的低糖水平阻止了T细胞的扩张和细胞因子的释放(图4b)。此外，非小细胞肺癌患者样本中糖酵解酶的表达与T细胞浸润呈负相关。机制上，小鼠CRC癌细胞上的PDL1和T细胞上的PD1之间的相互作用可以刺激癌细胞的糖酵解(图4b)。这表明免疫检查点封锁可以抑制癌细胞的糖酵解，增加效应T细胞的葡萄糖可用性。CAFs在激活后进行代谢重编程，其特征是糖酵解增加和对葡萄糖的依赖(图4b)。与正常成纤维细胞相比，来自人结直肠癌组织的CAFs糖酵解酶表达增加，TCA循环活性降低。这些CAFs与小鼠皮下异种移植的CRC细胞系共注射促进肿瘤生长。同位素示踪研究同样表明胰腺CAFs具有高度糖酵解活性。因此，进一步的工作仍然是确定CAFs和癌细胞如何在有限葡萄糖的TME中参与协同糖代谢。
KRAS*驱动的癌细胞通过糖酵解快速的葡萄糖代谢导致TME中乳酸的积累(图4b)。乳酸由单羧酸转运蛋白家族(MCTs)转运。最近的一项研究发现，巨噬细胞暴露于由KRAS*驱动的CRC细胞调节的乳酸高介质中，或辅以外源性乳酸，与正常生长培养基培养的巨噬细胞相比，TAM抗炎状态相关基因表达增加(图4b)。此外，T细胞内乳酸的积累阻碍了糖酵解通量，使T细胞无法对癌细胞行使细胞毒性功能(图4b)。此外，由于细胞内pH升高和线粒体ROS的产生，结肠肝转移癌TME中的乳酸可诱导浸润性自然杀伤细胞凋亡(图4b)。总的来说，这些数据表明了KRAS*驱动的癌细胞代谢的副产品乳酸是如何产生免疫抑制的TME的。
表达KRAS*的癌细胞的代谢途径导致TME中某些氨基酸的消耗(图4c)。具体来说，KRAS*介导的谷氨酰胺摄取和代谢增加使TME中的谷氨酰胺耗尽(图4c)。这一过程剥夺了T细胞激活的重要燃料来源，因为效应T细胞在抗肿瘤反应中也依赖谷氨酰胺增殖和产生细胞因子。
癌细胞和肿瘤间质之间的协同作用补偿了有限的氨基酸可利用性(图4d)。如前所述，在营养剥夺过程中，自噬可以被利用来回收关键的代谢物。事实上，与正常成纤维细胞相比，非小细胞肺癌和PDA中的CAFs显示自噬水平升高，可能对癌细胞有利。
TME中的脂质组成受到KRAS*驱动的癌细胞的脂肪酸代谢的影响，这些癌细胞进入细胞内的脂质存储或吸收细胞外的脂质。这会导致TME中脂质物种的积累或消耗，从而影响周围细胞的代谢。
鉴于目前缺乏针对其他KRAS突变体的药物，需要考虑的一个重要策略是单独靶向下游代谢效应通路，与其他效应通路联合使用，甚至与KRAS*抑制联合使用，以阻断癌细胞固有或由TME驱动的耐药机制。当KRAS*驱动的肿瘤以代谢为目标时，抑制与KRAS*合作的共发生突变诱导的机制是另一个考虑的途径。药物和控制免疫系统也有可能调节KRAS*肿瘤作用。更好地理解KRAS*下游的效应途径，如代谢失调，可能会导致单独或联合直接抑制KRAS*的强化治疗干预。这将需要未来的工作来解开由特定KRAS突变介导的代谢途径，并与共发生突变的协同作用，以及由起源组织决定的背景线索。
综上所述，本研究对KRAS*信号如何直接和间接地影响TME的更广泛的代谢，包括KRAS*驱动的代谢、介导治疗耐药性和抑制免疫系统的代谢网络，将发现切断营养来源、增强化疗和/或促进抗肿瘤免疫反应的机会等内容进行总结。未来，根据遗传和环境背景开发CRC、NSCLC和PDA的代谢网络是一种有前途的治疗策略，可以改善KRAS*驱动的肿瘤的治疗。
教授介绍
Costas A. Lyssiotis，美国密歇根大学分子与综合生理学助理教授，胃肠内科助理教授，罗格癌症中心会员，荣获AACR下一代年轻研究员、Dale F. Frey突破性科学家。Lysiotis教授当前致力于肿瘤代谢，肿瘤生物化学，免疫代谢，肿瘤微环境，胰腺癌，代谢组学，免疫治疗，癌症-饮食相互作用，弥漫性内源性桥脑胶质瘤的研究。他当前以肿瘤生存和生长的生化途径和代谢需求为重点，探讨癌症代谢、肿瘤微环境和免疫代谢等领域的组学信息，并将这些信息转化为癌症和其他疾病的靶向治疗。目前已在Nature及子刊上发表相关文章。
参考文献
Kerk, S.A.,Papagiannakopoulos, T., Shah, Y.M. et al. Metabolic networks in mutantKRAS-driven tumours: tissue specificities and the microenvironment. Nat RevCancer (2021). https://doi.org/10.1038/s41568-021-00375-9.
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