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1、2023突变型KRAS在胰腺导管腺癌代谢中的作用(全文)胰腺癌是一种侵袭力强、致死率高的恶性肿瘤，由于其发病隐匿，进展迅速，预后不良，胰腺癌在癌症相关死亡原因中位居前列。2021年中国国家癌症中心统计数据显示,胰腺癌位居我国男性恶性W瘤发病率第7位t女性第11位，占恶性B中瘤相关死亡率第6位。2021年美国统计数据显示，在所有恶性肿瘤中，胰腺癌新发病例男性居第10位，女性居第8位；死亡率在男性、女性中均位居第4位。2020年,美国有57600例新发胰腺癌病例,其中47050例死亡。胰腺导管腺癌(PDAC)是最常见的胰腺癌类型，2018年数据显示，PDAC患者的5年生存率仅为9%0。目前，手术切
2、除仍是治疗胰腺癌的唯一方法，但只有20%患者符合指征而接受外科手术，即使手术成功切除者，超过80%患者最终仍会发生局部复发或转移也近期,一线化疗手段在提高PDAC患者生存率方面取得重要突破，然而二线或后期治疗中仍然缺乏高效的治疗方案。此外，作为治疗癌症的新兴策略，使用检查点抑制剂的单一疗法对PDAC几乎完全无效，这主要是由PDAC免疫抑制肿瘤微环境所致。综上所述，针对PDAC的治疗需寻求新突破。肿瘤代谢相关的基因突变被认为是胰腺癌进展和预后不良的基础。KRAS致癌突变是胰腺癌中最常见的基因突变，超过90%PDAC患者可检测出KRAS突变。KRAS突变损害蛋白内在三磷酸鸟苜(GTP)酶活性,阻止
3、其从活性形式GTP向非活性形式二磷酸鸟苜(GDP)的转化,使KRAS蛋白始终与GTP结合而被永久激活并作为分子开关激活下游多种细胞内信号通路和转录因子，诱导细胞增殖、迁移、转化和存活。本文将重点介绍由突变型KRAS介导的肿瘤代谢改变在胰腺癌发生和进展中的作用，以及靶向KRAS治疗策略的研究现状与前景。1、PDAC的肿瘤代谢特点不同类型肿瘤代谢差异显著，这是由特定的基因突变、组织来源或肿瘤微环境决定的。PDAC肿瘤微环境的特点是缺氧、低营养水平、高间质压力和结缔组织增生。其肿瘤微环境富含致密纤维，主要由细胞外基质（如胶原蛋白和透明质酸）组成。除了透明质酸、细胞因子、趋化因子和多种胶原蛋白外，PD
4、AC的肿瘤微环境中还包含多种细胞成分，如巨噬细胞、树突细胞、T淋巴细胞和B淋巴细胞。局部免疫抑制为肿瘤发生、进展以及远处转移提供了理想环境。以CD4+调节性T淋巴细胞为主的冷肿瘤通常会逃避免疫系统；致密结缔组织增生阻碍了治疗药物的局部摄取。致密间质压迫血管，使得血管形成受阻,灌注不足，导致肿瘤内严重持续缺氧叫但PDAC细胞却能在供氧不足、营养匮乏的条件下展现出非凡的生长优势，这依赖于其独特的代谢途径：（1）对细胞内营养物质的能量代谢进行重编程，包括葡萄糖、氨基酸和脂质；（2）通过清除和循环利用来改善养分的摄取；（3）与微环境中的其他成分交联互通，进行代谢调控。而在不利微环境下的适应性突变（或选
5、择）则是W瘤生存的关键。KRAS高突变发生率促使人们探讨其对胰腺癌侵袭性、转移，性及代谢重编程的影响。2、KRAS基因及其编码蛋白的功能KRAS基因编码蛋白质KRAS,一种小GTP酶。它通过偶联细胞膜生长因子受体与细胞内信号通路和转录因子，充当多种细胞过程的分子开关。KRAS蛋白含有两个功能域：G结构域和细胞膜锚定域,G结构域参与结合和水解GTP,细胞膜锚定域C端由CAAX基序构成，这一结构对膜锚定作用很重要。KRAS与GTP结合时被激活，与GDP结合时失活。一旦KRAS蛋白与GTP结合，它会与下游80多个效应蛋白和信号通路相互作用，包括丝裂原活化蛋白激酶-MAPK激酶通路（MAPK-MEK通
6、路）、磷脂酰肌醇3激酶-蛋白激酶B-雷帕霉素靶蛋白通路（PI3K-AKT-mTOR通路）、加速性纤维肉瘤-MAPK激酶-细胞外调节蛋白激酶通路（RAf-MEK-ERK通路）等。核转录因子如E1.KxJUN和MYC也会被激活，进而刺激细胞分化、增殖、迁移、转化、黏附和存活匠划。KRAS基因第12位密码子上的激活点突变是大部分胰腺癌病例（70%95%）的起始事件,其中KRASG12D较为常见。KRAS的点突变破坏了RAS的内在GTP酶活性，使GTP酶活化蛋白（GAP）失去对GTP的失活作用（即促进GTP向GDP转化），因此KRAS蛋白与GTP永久结合，持续激活下游信号通路，维持细胞存活和增殖【划（
7、图1）。图1KRAS信号通路及其对细胞功能的作用注：KRAS在与GTP结合时被激活，启动下游多种信号通路,最终促进细胞存活、增殖、转化、侵袭、胞吞/胞吐功能。KRAS的突变破坏RAS的内在GTP酶活性，使GAP失去对GTP的失活作用，促进GTP向GDP转化，导致KRAS及其下游信号通路的持续激活。GEF:鸟苗酸交换因子；RA1.GEF:鸟瞟岭核昔酸交换因子;RA1.A:RaS样蛋白A;RA1.B:Ras样蛋白B;P1.C:磷酯酶C;NK-B:核因子KB;MEKK1234:MAPK激酶1/2/3/4;JNK:C-Jun氨基末端激酶。3、 KRAS突变与PDAC肿瘤代谢PDAC肿瘤微环境表现为缺氧
8、、低营养水平、高间质压力和结缔组织增生。为了在这种恶劣微环境中生存，PDAC肿瘤细胞改变代谢通路，参与葡萄糖、氨基酸、脂质代谢的重编程；利用溶酶体清除途径，如细胞自噬和巨胞饮作用(macropinocytosis),获取生存生长的燃料，支持、维护代谢稳态；PDAC的肿瘤微环境中多种细胞成分，如癌症相关成纤维细胞(CAF)、神经元和免疫细胞在营养限制的条件下支撑PDAC的生长【11在PDAC中,致癌突变型KRAS与葡萄糖摄取增加、转向合成代谢途径分流、谷氨酰胺重编程以及活性氧(RoS)调控有关H1.此外，为了解决营养稀缺或供应不平衡，致癌突变型KRAS激活独特的代谢清除途径。2020年的研究9.
9、1引表明，在PDAC小鼠模型中，致癌突变型KRAS通过上调细胞因子，促进免疫细胞浸润，重新编程PDAC肿瘤代谢。3.1 PDAC肿瘤细胞代谢重编程3.1.1 糖代谢Warburg效应是肿瘤细胞代谢的共同特征,表现为葡萄糖摄取增加，线粒体氧化磷酸化转变为有氧糖酵解。这种代谢变化有利于癌细胞在恶劣环境(缺氧、营养缺乏)中存活生长。突变型KRAS通过调节细胞代谢通路参与这一过程。突变型KRAS通过增加葡萄糖转运体、糖代谢关键酶(如Hk1、Hk2、Pfk1、1.dha)、己糖胺生物合成途径(HBP)的限速酶谷氨酰胺6-磷酸果糖转移酶以及非氧化性磷酸戊糖途径(PPP)中5-磷酸核丁糖异构酶和5-磷酸核丁
10、糖-3-差向异构酶的表达，提高葡萄糖摄取和乳酸产量，从而促进糖酵解通量。其机制在于突变型KRAS可持续激活下游MAPK信号通路与转录因子Myc,在转录水平调节上述基因的表达己糖激酶1、己糖激酶2、磷酸果糖激酶1以及乳酸脱氢酶A作为糖酵解的限速酶，这些酶类的编码基因表达上调有助于增强Warburg效应和糖酵解过程。HBP作为葡萄糖代谢的分支途径，为蛋白质和脂质糖基化提供了底物，这一代谢途径的增强被认为是肿瘤进展的关键。除了调控糖酵解外，突变的KRAS刺激磷酸甘油酸激酶1向线粒体易位，导致癌细胞中丙酮酸脱氢酶激酶I(PDHK1.)磷酸化，磷酸化PDHK1抑制丙酮酸脱氢酶(PDH)复合物，抑制PDA
11、C细胞中线粒体氧化磷酸化(OXPHoS)Ui(图2)。图2KRAS突变影响胰腺导管腺癌代谢重编程注：葡萄糖在胞液中可裂解为丙酮酸，是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始途径。在正常细胞中，氧供充足，丙酮酸主要进入线粒体，经历三竣酸循环，遵循糖的有氧氧化途径（黑色箭头路线所示）。（DKRAS突变,致使葡萄糖转运体、糖酵解限速酶、糖代谢分支途径的关键酶（棕色）上调，糖代谢以无氧氧化为主（棕色箭头路线所示），从而促进葡萄糖摄取，增加糖酵解通量。（2）KRAS突变,刺激磷酸甘油酸激酶1向线粒体易位，致使癌细胞中丙酮酸脱氢酶激酶1磷酸化抑制丙酮酸脱氢酶（蓝色箭头路线所示），从而抑制胰腺癌细胞中线粒体氧化磷
12、酸化，产能减少。GFPT1:谷氨酰胺6-磷酸果糖转移酶；RPE:5-磷酸核丁糖-3-差向异构酶;RPIA:5-磷酸核丁糖异构酶。3.1.2 脂代谢脂质代谢在癌症进展中有着至关重要的作用。与依赖膳食脂肪的正常细胞不同,肿瘤细胞中约93%的三酰甘油脂肪酸是由线粒体内柠檬酸（线粒体内乙酰辅酶A与胞质内乙酰辅酶A之间的中间体）从头合成。致癌突变型KRAS可诱导肿瘤细胞从胞外溶血磷脂摄取单不饱和脂肪酸，PDAC的缺氧肿瘤微环境对这一过程也有促进作用。此外，致癌突变型KRAS可调节激素敏感性脂肪酶，进而调控胰腺癌细胞的脂质储存【同。近期研究【I显示，酰基辅酶A合成酶长链3（ACS1.3）在KRAS驱动的胰
13、腺癌中过度表达。ACS1.3将细胞外不饱和脂肪酸转化为无法出胞的亲水性脂肪酰基辅酶A酯(hydrophi1.icfattyacy1.-CoAesters),从而促进细胞外不饱和脂肪酸的活化和保存B1.。在胰腺癌的小鼠模型中，敲除基因ACS1.3降低肿瘤细胞增殖，部分原因是抑制了纤溶酶原激活物抑制剂-1的生成，进而减弱了肿瘤微环境中结缔组织增生和免疫抑制【IQ瑞士伯尔尼大学的一项新近研究(2022年)19表明，通过限制血脂或抑制ACS1.3来消耗细胞外来源的脂质会触发细胞自噬，这一过程保护PDAC肿瘤细胞避免生物能中间体的损耗。细胞外脂质供应在PDAC肿瘤细胞的脂肪酸供应中占据核心地位，发现这一
14、肿瘤细胞代谢脆弱性对PDAC的治疗有着指导意义。3.1.3 氨基酸代谢突变型KRAS对肿瘤细胞氨基酸代谢发挥调节作用。谷氨酰胺代谢作为氮和碳的主要来源，有助于大分子合成和氧化还原平衡，对癌细胞的生存至关重要。在PDAC中，致癌突变型KRAS诱导磷酸戊糖途径的代谢重组，从而使5-磷酸核糖的生物合成与NADPH的生成解耦联。这种代谢改变促使癌细胞嗜谷氨酰胺。为满足对NADPH的需求,KRAS通过转录抑制谷氨酸脱氢酶、诱导天冬氨酸转氨酶的表达来促进谷氨酰胺的代谢，维持肿瘤生长和存活。其中，线粒体各氨酰胺来源的天冬氨酸(ASP)一旦被转运到细胞质，就会转化为草酰乙酸、苹果酸，最终成为丙酮酸以生成NAD
15、PH,从而平衡细胞氧化还原稳态与大分子合成。此外，由共激活因子相关精氨酸甲基转移酶1诱导的苹果酸脱氢酶1精氨酸甲基化能抑制肿瘤生长，但KRAS的激活可以解除这一抑制，保持癌细胞的活力，促进细胞增殖2虱如前所述，线粒体各氨酰胺来源的Asp必须被转运到细胞质中才能进行后续的转化，因此负责转运过程的线粒体蛋白至关重要。线粒体解耦连蛋白2(UCP2)催化Asp的转运并促进肿瘤的生长。研究显示，UCP2沉默的KRASmut细胞系谷氨酰胺分解减少，NADPH/NADP+比值降低，活性氧水平升高。体内与体外实验都表明，UCP2基因沉默强烈抑制了KRAS突变型PDAC肿瘤细胞的生长21UCP2以其Asp转运活
16、性连接线粒体与细胞质反应，为致癌突变型KRAS诱导的谷氨酰胺代谢重组所必需，因此它也被视为PDAC治疗的关键代谢靶点。3.2 肿瘤细胞的巨胞饮与自噬作用巨胞饮作用是一种营养清除途径，是细胞通过内吞作用大量摄取细胞外液获得营养的过程，已被确认为营养限制条件下维持PDAC生存、生长的重要机制【22】。PDAC肿瘤细胞可通过巨胞饮作用从细胞外液中摄取细胞外蛋白(如血清白蛋白)，蛋白随后被溶酶体降解，为中心碳代谢供应氨基酸。可见,巨胞饮作用对维持PDAC肿瘤细胞的氨基酸供应有着重要作用。突变型KRAS与肿瘤细胞表面的v3和半孚廉凝集素3(ga1.ectin-3)形成复合物，促进癌细胞的巨胞饮作用；这一复合物也维持胰腺癌细胞的氧化还原平衡。已有研究【23】表明，致癌性RAS诱导巨胞饮作用需要多种效应因子如PI3K信号通路、小GTP酶(RaC1.、Cdc42)的活性液泡ATP酶(V-ATPaSe)则是RAS依赖的巨
