编辑推荐：
本文是一篇关于支链氨基酸（BCAAs）代谢在肿瘤进展中作用的综述。文章阐述了 BCAAs 代谢网络及其在肿瘤细胞中的重编程，探讨了其通过激活 mTORC 信号通路等机制影响肿瘤发展、治疗耐药和免疫反应，为癌症治疗提供了新策略。
### 支链氨基酸代谢与肿瘤的紧密联系
在肿瘤的发生发展过程中，细胞的能量代谢会发生重编程，这一现象对于肿瘤细胞的生长、存活以及适应免疫微环境至关重要。其中，氨基酸代谢的改变在肿瘤发展中扮演着关键角色，而支链氨基酸（Branched-chain amino acids，BCAAs）作为一类特殊的必需氨基酸，更是备受关注。
BCAAs 包括亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）和缬氨酸（Val），它们无法由哺乳动物自身合成，必须从饮食摄入或蛋白质降解获取。在正常生理状态下，BCAAs 的摄入与消耗处于精确的平衡，一旦这种平衡被打破，就可能引发多种疾病，癌症便是其中之一。
支链氨基酸代谢网络及在肿瘤细胞中的重编程
BCAAs 的摄入
L 型氨基酸转运蛋白（L-type amino acid transporter，LAT）家族是 BCAAs 进入细胞质的主要途径，LAT1（SLC7A5）是其中的关键转运蛋白。在肝癌（hepatocellular carcinoma，HCC）中，LAT1 对肿瘤发展起着重要作用，敲低 LAT1 会减弱 BCAAs 的转运活性，显著抑制 HCC 细胞的增殖。在乳腺癌细胞中，高表达的 LAT1 会增加亮氨酸的摄取，导致患者对他莫昔芬产生耐药性，缩短患者的生存时间。此外，G 蛋白偶联受体家族 C 组 5 成员 C（GPRC5C）的过表达会激活 NF-κB-LAT1 轴，增加循环中 BCAAs 的浓度，增强 BCAAs 的分解代谢，进而提高急性髓系白血病（acute myeloid leukaemia，AML）细胞的侵袭性。目前，LAT1 抑制剂 JPH203 已进入 I 期临床试验，有望通过抑制 LAT1 来抑制晚期实体瘤的增殖，改善患者预后。
BCAA 的分解代谢
BCAAs 的分解代谢主要包括两个关键步骤：转氨作用和支链酮酸氧化脱羧。分支链转氨酶（Branched-chain aminotransferases，BCATs）负责催化 BCAAs 的转氨反应，生成相应的支链 α- 酮酸（BCKAs）和谷氨酸。BCATs 有两种同工酶，BCAT1 存在于细胞质中，主要在脑、肾等组织中表达；BCAT2 广泛分布于除肝脏外的各种组织中。在细胞质中，BCAAs 可用于蛋白质合成或在 BCATs 的催化下进行可逆的转氨反应。而 BCKAs 经 SLC25A44 转运进入线粒体后，可进一步氧化为乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）和 / 或琥珀酰辅酶 A（succinyl-CoA），进入三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle），也可重新氨基化。位于线粒体内膜的支链 α- 酮酸脱氢酶（BCKDH）复合物是 BCAAs 分解代谢的第一个关键限速酶，其活性受到 BCKD 激酶（BCKDK）和线粒体靶向蛋白磷酸酶Mg2+和Mn2+依赖的 1K（PPM1K）的调节。BCKDK 使 BCKDH 的 E1α 亚基磷酸化，从而抑制其活性；PPM1K 则使 E1α 亚基去磷酸化，重新激活 BCKDH 复合物。
BCAA 代谢与其他必需氨基酸
必需氨基酸不仅是构建生命所需物质的基本单位，还能作为信号分子参与细胞生命过程的调控。例如，蛋氨酸参与多胺生物合成、DNA 甲基化和谷胱甘肽的形成；色氨酸代谢失调会抑制肿瘤免疫微环境，促进肿瘤生长和免疫逃逸；苏氨酸是 tRNA 修饰酶 YRDC 的重要底物，能维持胶质母细胞瘤干细胞的自我更新能力。BCAAs 是细胞中仅次于谷氨酰胺的第二大氮源，在肿瘤中，它主要通过激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路发挥致癌作用，这一点与其他必需氨基酸有所不同。
支链氨基酸代谢重编程介导肿瘤进展的机制
不同肿瘤中 BCAA 代谢的失调方式存在差异，主要分为两类：一是 BCAA 代谢降低导致其积累，激活 mTOR 信号通路；二是 BCAA 摄取和分解代谢增强，为其他途径提供中间产物，并介导表观遗传调控。
BCAA 低分解代谢促进肿瘤发展
在 BCAA 分解代谢的起始阶段，BCKAs 的逆向反应增加或 BCAA 分解代谢减少，会使血浆和肿瘤组织中 BCAAs 水平升高，这与肿瘤的形成和进展密切相关。在多种肿瘤中都观察到了 BCAAs 水平的升高，如鳞状细胞肺癌患者循环中总 BCAAs、异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸水平与患病风险显著相关；HCC 患者血浆中 BCAAs 浓度明显升高，可作为疾病的生物标志物；结直肠癌（colorectal cancer，CRC）患者 BCAAs 水平升高与死亡风险增加有关，胰腺癌患者血浆中 BCAAs 水平升高会使患病风险加倍。此外，在胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma，PDAC）细胞中，BCAAs 可作为碳源诱导脂质合成，满足肿瘤细胞增殖对生物膜快速合成的需求；乳腺癌患者血浆中 BCAAs 水平也会升高，且癌组织中 BCAAs 水平和 BCAT1 表达水平均高于相邻正常组织。
BCAAs 积累会激活 mTORC1 信号通路，mTORC1 和 AMP 激活蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信号通路是细胞内主要的能量感知机制。亮氨酸可通过调节 Sestrin2 的泛素化状态影响 mTORC1 在 CRC 中的活性。当亮氨酸缺乏时，E3 泛素连接酶 RNF167 催化 Sestrin2 泛素化，促进其与 GATOR2 相互作用，抑制 mTORC1 信号；亮氨酸充足时，STAM 结合蛋白样 1（STAMBPL1）去除 Sestrin2 上的泛素链，激活 mTORC1 信号。此外，当亮氨酸摄取减少或因分解代谢受阻导致能量产生降低时，mTORC1 活性会通过调节 AMPK 信号通路受到抑制，AMPK 可直接磷酸化 Raptor 抑制 mTORC1 活性。
BCAAs 积累还可能源于 BCATs 表达增加，促进 BCAA 代谢的逆向反应，以及 BCAA 分解代谢相关酶表达降低，减弱分解代谢。例如，EZH2 在正常造血过程中可使 BCAT1 表观遗传沉默，NRASG12D突变会促进谷氨酰胺向谷氨酸的转化，EZH2 缺乏与 NRASG12D共同作用可使 BCAT1 重新激活，促进 BCKAs 向 BCAAs 的转化，维持细胞内高 BCAAs 水平，激活 mTORC1 信号，诱导骨髓增殖性肿瘤向白血病转化。在慢性髓系白血病（chronic myeloid leukaemia，CML）患者中，致癌 RNA 结合蛋白 Musashi2（MSI2）通过上调 BCAT1 的表达，促进 BCKAs 重新氨基化为 BCAAs，激活 mTORC1 信号，推动 CML 的恶性进展。在 CRC 患者的肿瘤组织中，BCAT2 的 mRNA 和蛋白水平降低，导致 BCAAs 积累，激活 mTORC1 信号，促进肿瘤发生；HCC 肿瘤组织中 BCKDH 复合物表达下调，也会使 BCAAs 积累，激活 mTORC1 信号，促进肿瘤细胞生长；在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中，BCKDHA 表达下调会减弱 BCAA 分解代谢，通过促进 Rab1A - mTORC1 信号通路促进肿瘤增殖。
此外，BCAA 低分解代谢还会诱导表观遗传重塑和调节氧化应激。PPM1K 缺乏导致 BCKDH 功能障碍，使 BCAAs 水平升高，上调 E3 泛素连接酶成员细胞周期蛋白 20（CDC20），介导 MEIS1 和 p21 的泛素化，抑制造血干细胞（haematopoietic stem cells，HSCs）和白血病起始细胞（leukaemia-initiating cells，LICs）的糖酵解和静止状态，损害其干性，抑制白血病发展。高浓度的 BCAAs 可通过激活 PI3K/Akt 信号通路促进线粒体活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，导致线粒体功能障碍；而 BCKDK 的过表达虽会导致 BCAAs 积累，但能调节 ATP 柠檬酸裂解酶（ATP-citrate lyase，ACLY）活性，使柠檬酸生成乙酰辅酶 A 和草酰乙酸，维持糖酵解，减少 ROS 积累，保护 NSCLC 细胞免受凋亡。
BCAA 高分解代谢促进肿瘤发展
部分肿瘤细胞会增加 BCAA 分解代谢以满足自身能量和生长需求。例如，在谷氨酰胺缺乏的情况下，肝癌细胞会通过增加 BCAA 分解代谢来维持生存。
BCAA 高分解代谢会导致中间代谢产物 α-KG 减少和谷氨酸增加，这些变化不仅影响细胞能量代谢，还会通过参与表观遗传调控和调节氧化应激促进肿瘤发生。在表观遗传重塑方面，BCATs 可调节细胞内 α-KG 水平，α-KG 作为 TCA 循环的中间代谢产物和 α-KG 依赖的双加氧酶家族的限速底物，在缺氧信号转导、维持细胞氧化还原稳态和表观遗传修饰中发挥重要作用。BCAT1 过表达会消耗 α-KG，与性别决定区 Y 框蛋白 2（SOX2）的上调密切相关，SOX2 是维持癌症干细胞（cancer stem cell，CSC）可塑性的重要转录因子，在调节干细胞特性和促进肺癌、胶质母细胞瘤细胞转移中起关键作用。BCAT1 介导的 α-KG 水平降低可增加 miR-200c 基因启动子的甲基化，促进 SOX2 表达，导致肺癌细胞转移。在 IDH 突变的胶质母细胞瘤（glioblastoma，GBM）中，IDH 突变使 α-KG 还原为致癌代谢物 2 - 羟基戊二酸（2-HG），2-HG 竞争性抑制 TET DNA 去甲基化酶，导致 BCAT1 启动子高甲基化，BCAT1 表达受到抑制；而在野生型 IDH 的 GBM 细胞中，BCAT1 过表达可通过增强 BCAA 代谢促进肿瘤细胞增殖，并通过促进谷氨酸外流增加对周围神经元的神经毒性损伤。在 AML 中，高表达的 BCAT1 会降低细胞内 α-KG 水平，增加 H3K9me3 水平，抑制重要的 DNA 损伤修复分子共济失调毛细血管扩张突变蛋白（ataxia-telangiectasia mutated protein，ATM）的功能，使细胞对聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（polyadenosine diphosphate ribose polymerase，PARP）抑制剂 BMN673 更敏感。
在 PDAC 细胞中，BCAA 分解代谢途径至关重要。KRAS 基因突变驱动的胰腺腺泡细胞中，组蛋白乙酰化水平升高导致腺泡 - 导管化生（acinar-to-ductal metaplasia，ADM），亮氨酸是乙酰辅酶 A 的主要来源。BCAT2 在胰腺上皮内瘤变导管细胞中上调，影响源自 BCAAs 的乙酰辅酶 A 浓度。KRAS 可抑制脾酪氨酸激酶（SYK）诱导的 BCAT2 磷酸化，减少 BCAT2 与 E3 连接酶 TRIM21 的结合，降低 BCAT2 的泛素化，维持 BCAA 分解代谢和线粒体呼吸，促进 PDAC 细胞的恶性转化。高浓度的 BCAA 可通过抑制 GCN2-eIF2α 信号通路增加泛素特异性蛋白酶 1（USP1）的翻译，USP1 使 BCAT2 在 K229 位点去泛素化，稳定其蛋白表达，促进 BCAAs 分解代谢，推动 PDAC 细胞增殖。此外，BCAA 代谢还可促进 PRC2 成分 EZH2 和胚胎外胚层发育蛋白（EED）的转录，维持 PRC2 的活性，对维持干细胞特性至关重要，PRC2 通过催化靶基因的 H3K27me3，维持人 AML 和急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukaemia，ALL）细胞中干细胞相关基因的表达，促进肿瘤进展。
在调节氧化应激方面，肿瘤细胞需要维持氧化还原稳态，谷氨酸是抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）和硫氧还蛋白（TxN）的主要来源。ROS 激活的缺氧诱导因子 - 1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）可结合到 BCAT1 基因第一个内含子的缺氧反应元件（hypoxia response element，HRE）上，促进其转录。BCAT1 上调介导的 BCAA 代谢重编程是维持 GBM 细胞中谷氨酸水平的关键机制，有助于支持还原代谢，促进肿瘤细胞增殖、迁移和侵袭。此外，ROS 积累会导致乳酸脱氢酶 A（lactate dehydrogenase A，LDHA）转位到细胞核，促进甲基转移酶 DOT1L 诱导的组蛋白 H3K79 超甲基化，DOT1L 可上调 BCAT1 表达，增强 BCAA 分解代谢，间接增加源自谷氨酸的 TxN，平衡 GBM 的氧化还原状态，促进肿瘤细胞增殖。
BCAA 代谢重编程与肿瘤耐药及免疫
BCAA 代谢与肿瘤耐药
肿瘤耐药是癌症有效治疗的主要障碍，研究表明，部分肿瘤细胞的化疗耐药与 BCAA 代谢重编程有关。在乳腺癌中，雌激素 - E2 诱导的支架蛋白 LLGL2 促进 SLC7A5 表达，增加亮氨酸摄取，使雌激素受体阳性（ERα+）乳腺癌细胞适应营养应激，对他莫昔芬产生耐药性。LAT1 抑制剂 KMH-233 可降低癌细胞中 mTOR 的蛋白水平，增强顺铂和苯丙氨酸对乳腺癌细胞的抗增殖作用。在 HCC 中，转录因子 c-Myc 过表达会使 BCAT1 转录上调，促进肝癌细胞增殖，降低对顺铂的敏感性。顺铂诱导 BCAT1 表达上调，增加 BCAA 分解代谢，抑制 mTORC 信号通路，激活自噬，对抗顺铂诱导的细胞死亡。在肺癌中，BCAT1 上调与非致死性酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitors，TKIs）治疗的不良反应相关，H3K9 甲基化对 BCAT1 的负调控减弱，导致谷氨酸合成增加，增强细胞内抗氧化剂 GSH 的合成，消除 ROS，介导 TKI 耐药。在上皮性卵巢癌（epithelial ovarian cancer，EOC）中，敲低 BCAT1 可显著抑制醛酮还原酶家族 1 成员 C1（AKR1C1）的表达，AKR1C1 可通过减少 ROS 积累诱导人 EOC 细胞对卡铂的耐药性。此外，BCKDK 在化疗耐药的卵巢癌中表达上调，降低乳腺癌和卵巢癌细胞对紫杉醇的敏感性，抑制 BCKDK 或降低 BCAA 水平可与紫杉醇协同抑制肿瘤细胞有丝分裂。
BCAA 代谢与肿瘤免疫
在肿瘤微环境中，BCAA 代谢重编程对免疫细胞功能有重要影响，不同免疫细胞亚群中 BCAA 代谢重编程的调节机制和对细胞表型及功能的影响各不相同。
在 T 淋巴细胞方面，亮氨酸介导的 mTORC 激活是 T 细胞激活、分化和代谢的关键调节因素。TCR 信号上调 CD4+T 细胞中 BCAT1 的表达，增加 BCAA 转氨作用，抑制 mTORC 信号通路和糖酵解速率，从而抑制 T 细胞分化。Foxp3+调节性 T（Treg）细胞中，Slc3A2 与 LAT1 相互作用形成中性氨基酸转运体，促进 BCAAs 转运进入 Tregs，维持 Treg 细胞的增殖和功能。BCAAs 可通过激活 PI3K/AKT/FOXO1 轴和 mTORC 信号通路，上调葡萄糖转运蛋白 1（Glu1），增加 CD8+T 细胞的葡萄糖摄取，促进其产生 IFNγ，增强抗肿瘤免疫。在乳腺癌中，IFNγ 释放可促进非 CSC 向 CSC 转化，增强 CSC 的成球能力、对放化疗的抗性和转移能力，BCAT1 抑制剂与癌症免疫疗法联合使用可诱导抗肿瘤 T 细胞反应，阻断 IFNγ 诱导的免疫逃逸。此外，敲除 BCAT1 可促进胶质母细胞瘤细胞分化，维持 CD8+T 细胞在免疫微环境中的持续浸润，抑制肿瘤生长。而 BCAT2 可通过下调 CD8+T 细胞相关趋化因子的表达，降低其趋化能力，减弱细胞毒性 T 淋巴细胞（CTLs）的细胞毒性，促进膀胱癌进展，敲除 BCAT2 与抗 PD-1 抗体联合治疗可有效抑制肿瘤生长。
在 B 淋巴细胞方面，亮氨酸通过 SLC7A5 进入 B 细胞，激活 mTORC1，促进 B 细胞分化，支持 IgG 和细胞因子的产生。此外，亮氨酸可诱导产生高表达亮氨酰 - tRNA 合成酶 - 2（LARS2）的 B 细胞亚群，通过促进 LARS2 依赖的线粒体 NAD+再生和上调去乙酰化酶 SIRT1 的表达，增加关键转录因子 PAX5 的活性，促进 TGF-β1 的产生，形成免疫抑制性肿瘤微环境，导致 CRC 免疫逃逸、肿瘤生长和进展。
在巨噬细胞方面，脂多糖诱导的巨噬细胞激活过程中，BCAT1 失活会诱导 ROS 产生，下调免疫反应基因 1 蛋白（IRG1）的表达，抑制巨噬细胞的促炎功能。在高表达 BCAT1 的 GBM 细胞中，BCKAs 通过单羧酸转运蛋白 1（MCT1）排出细胞，被肿瘤相关巨噬细胞摄取并重新氨基化为 BCAAs，减弱巨噬细胞的吞噬活性，促进 GBM 生长。
BCAA 补充疗法和代谢酶抑制剂的临床及体内研究
目前，许多临床研究表明，适当补充 BCAAs 对改善肝癌患者的预后有益。口服 BCAAs 颗粒可<
