代谢改变是癌症细胞的一个主要特征，核苷酸三磷酸的增加合成和使用是不同癌症类型和遗传背景下癌症细胞的关键和普遍的代谢依赖性。癌症细胞的许多攻击行为，包括不受控制的增殖、化疗抵抗、免疫逃避和转移，严重依赖于增强的核苷酸代谢。小编今天就通过这篇月前才发表在nature reviews cancer（IF:69.8）上的文章，为大家介绍核苷酸代谢在肿瘤免疫、转移以及耐药中的重要作用。

三磷酸核苷酸（NTP）及其脱氧对应物（dNTP）的过度合成和使用是癌症细胞的一个普遍特征，具有高度的药物敏感性。细胞内核苷酸的超生理丰度有助于癌症细胞行为的许多方面，包括不受控制的增殖、免疫逃避、转移和治疗抵抗。许多致癌驱动因子已被证明上调核苷酸生物合成，这表明该表型对癌基因激活下游的癌症启动和进展至关重要。癌症细胞对超活性核苷酸合成的依赖反映了这样一个事实，即(d)NTPs对癌症细胞中自身超活性的几个基本生物过程起着速率调节作用，包括DNA复制和修复、转录、核糖体生物生成和翻译后蛋白糖基化。

嘌呤和嘧啶核苷酸的合成通过两种不同的途径进行：从头途径和核苷/核碱基挽救途径，从头途径涉及在能量密集的多步酶促反应中将小的前体掺入核苷酸中，其中核苷或核碱基分别在单一磷酸化或磷酸核糖基转移酶反应中转化为其同源核苷一磷酸（NMP）。嘧啶和嘌呤的从头合成和挽救合成存在重大差异，对于哪些底物可以被挽救以绕过从头合成的阻断具有重要意义（图1）。

核苷酸代谢

嘧啶和嘌呤的合成

嘧啶从头途径首先构建芳香碱基（乳清酸盐），然后在磷酸核糖基焦磷酸（PRPP）依赖性反应中添加核糖5-磷酸部分，而嘌呤从头途径始于PRPP，并以逐步的方式将芳香碱基构建到核糖骨架上。然而，这两种从头途径都需要ATP、谷氨酰胺衍生的氮和天冬氨酸。

嘧啶核苷挽救途径通过（脱氧）核苷的磷酸化在尿苷-胞苷激酶1（UCK1）和UCK2、脱氧胞苷激酶（DCK）和胸苷激酶1（TK1）和TK2催化的单一ATP依赖性步骤中形成(d)NMP。在哺乳动物细胞中，嘧啶核碱基——尿嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶——不能被PRPP依赖性磷酸核糖基转移酶反应挽救，也不能转化为乳清酸盐进入从头途径，因此游离嘧啶核碱基不能有效挽救。

嘌呤核糖核苷-腺苷，鸟苷和肌苷-不能转化为其同源NMP，必须首先通过嘌呤核苷磷酸化酶分解代谢为其同源核碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤和次黄嘌呤），然后在腺嘌呤磷酸核糖转移酶或次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸核糖基转移酶催化的PRPP依赖性磷酸核糖转移反应中转化为NMP。然而，嘌呤脱氧核苷脱氧腺苷和脱氧鸟苷可以被DCK磷酸化，分别形成dAMP和dGMP——这组反应被认为是嘌呤核苷-核碱基挽救途径（图1）。

核苷酸水平的生理控制

为了进行细胞分裂，静息细胞必须将其dNTP和NTP池分别显著增加5-10倍和至少10倍。尽管就碳和能量而言，从头核苷酸合成远比核苷回收昂贵，但需要迅速扩大核苷酸库以满足这些需求。增殖细胞中NTP的浓度约为100 µM至几毫摩尔，而dNTP浓度通常在10-100的数量级 µM，相对dNTP浓度通常在给定的细胞类型内保持平衡。从头途径活性在非增殖细胞中通常非常低或不存在，并且必须被诱导以产生足够的(d)NTP用于增殖。许多典型的细胞增殖驱动因素，如哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）信号传导，增加了关键从头途径酶的表达和活性，包括氨基甲酰基磷酸合成酶2、天冬氨酸转氨酰酶和二氢乳清酶复合物（CAD）。为了确保各种(d)NTP的相对丰度平衡，关键的从头途径酶，如核糖核苷酸还原酶和CAD复合物组分，在负反馈环中被其(d)NTP终产物变构下调。此外，核苷酸合成通过核苷酸分解代谢来平衡，核苷酸分解代谢由核苷酸磷酸化酶启动。这种复杂的相互作用使细胞能够动态地微调其核苷酸库，以满足细胞分裂的需求。

核苷酸代谢与癌症

核苷酸合成的致癌激活

(d)NTPs的精确细胞内浓度因细胞类型、细胞环境和培养条件的不同而有很大差异，癌症细胞的dNTPs浓度平均比非恶性增殖细胞高6-11倍，而NTPs含量则高1.25-5倍。许多众所周知的致癌基因已被证明能促进过度活跃的(d)NTP合成，例如，突变型KRAS、PI3K和MYC都是人类癌症的常见驱动因素，它们促进了关键从头途径酶的活性和表达，并通过增加细胞对葡萄糖和其他营养素的吸收间接支持从头途径流量，以提供所需的ATP、核糖和氨基酸。

相反，据报道，功能缺失突变或核苷酸分解代谢酶沉默，如SAM结构域和含HD结构域1，其将dNTP转化为脱氧核苷，可通过防止核苷酸降解增加核苷酸库。鉴于人类癌症中普遍存在的核苷酸水平上调，以及它在各种恶性细胞行为中发挥的关键作用，以及从头开始的途径活性对于大多数哺乳动物组织的体内平衡是不必要的，从头开始的路径酶是癌症治疗的合理靶点。

抑制(d)NTP合成对生长和增殖的影响

核苷酸和脱氧核苷酸是许多合成代谢过程的重要底物，对细胞生长和增殖至关重要。因此，使用从头途径抑制剂的(d)NTP耗竭会损害促进肿瘤生长的几个过程，包括DNA复制/修复、核糖体生物发生和蛋白质翻译、致癌mRNA转录、翻译后蛋白质糖基化和维持稳态细胞氧化还原平衡（图2）。

NTP合成抑制对DNA复制和修复的影响

脱氧胸苷三磷酸（dTTP）是合成DNA所必需的。通过抑制胸苷合酶消耗dTTP导致脱氧尿苷三磷酸（dUTP）的积累和dUTP与dTTP比率的增加。由于DNA聚合酶不能区分dUTP和dTTP，这导致尿嘧啶的广泛错误结合和大规模的DNA损伤反应，最终导致“无胸腺死亡”。

由从头途径抑制引起的dNTP不足导致停滞的DNA复制叉的积累，这被称为复制应激。复制应激反应和核苷酸合成的联合抑制已显示出对p53缺陷型实体瘤、B细胞急性淋巴细胞白血病、急性髓细胞白血病和磷酸酶和紧张素同源物缺陷型乳腺癌的合成致死性。

NTP合成抑制对核糖体生物发生和蛋白质翻译的影响

虽然核糖体RNA（rRNA）在所有细胞中占绝大多数RNA质量，但在癌症细胞中经常观察到rRNA质量增加和核仁肥大，这有助于过度活跃的蛋白质翻译。尽管DNA合成需要dNTP，但NTP是RNA转录所必需的，并且使用阻断dNTP和NTP形成的抑制剂（如DHODH或IMPDH抑制剂）来消耗它们，预计会限制rRNA转录和翻译能力（图2b）。最近报道，在多形性胶质母细胞瘤肿瘤异种移植物中，需要IMPDH1和IMPDH2的基因缺失或它们使用MPA的药理学抑制来抑制rRNA和tRNA的转录，从而使核仁质量和形态正常化，并抑制肿瘤生长。

NTP合成抑制对mRNA转录和癌症细胞分化控制的影响

核苷酸饥饿显著影响癌症细胞的转录组特征。在一项使用黑色素瘤起始的斑马鱼模型的研究中，研究者发现DHODH抑制的效果与Spt5基因缺失引起的效果相似，Spt5是一种RNA聚合酶II（Pol II）相关因子，对Pol II从启动子近端暂停状态转变为生产性延伸至关重要（图2b）。来氟米特对嘧啶核苷酸的消耗在体外总体上破坏了Pol II的延伸并抑制了关键黑色素瘤驱动基因的表达，来氟米特对小鼠的治疗抑制了黑色素瘤异种移植物肿瘤的生长。这些发现还有待推广到其他恶性肿瘤。

NTP合成抑制对翻译后蛋白糖基化的影响

三磷酸尿苷或三磷酸胞苷是糖基化反应中糖部分活化所必需的。因此，嘧啶NTPs的缺失可能会损害糖基化反应。尽管嘧啶缺失下游对蛋白质（和脂质）糖基化的总体影响仍有待表征，但这种关系已被证实与O-连接的N-乙酰葡糖胺（O-Glc-NAc）的糖基化有关（图2c）。O-Glc-NAc修饰发生在丝氨酸和苏氨酸残基上，通常与磷酸化修饰直接竞争，并且已经证明可以调节直接调节癌症进展的蛋白质的功能和稳定性，如MYC。鉴于癌症中O-Glc-NAcylation的全面上调以及关键代谢酶、转录因子和表观遗传修饰物的调节，嘧啶缺乏下游受损的癌症细胞O-Glc-NAcylation可能具有多效性后果。

核苷酸代谢改变调节ROS稳态

癌症细胞必须通过将活性氧（ROS）水平保持在一个狭窄的范围内来管理氧化应激。许多不同的代谢紊乱或基因毒性紊乱的下游，或微环境的改变的下游，通常是细胞抗氧化剂NADPH和还原型谷胱甘肽的耗尽，都会破坏癌症细胞ROS的稳态。有趣的是，嘧啶核苷尿苷和脱氧尿苷已经成为氧化应激的强大缓解剂。最近的研究表明，胞苷脱氨酶（CDA）产生脱氧尿苷会减弱用他普司加林或吉西他滨处理的胰腺导管腺癌细胞中ROS的积累并减轻内质网应激。CDA或DHODH的抑制耗尽了细胞内脱氧尿苷并加重了thapsigargin介导的细胞死亡，而补充脱氧尿苷通过减轻氧化应激和内质网应激，使细胞免于他普司加京毒性（图2d）。这些发现表明，核苷库的重新编程是在治疗诱导的氧化应激和ER应激中存活的重要适应机制。

核苷酸代谢改变导致癌症细胞免疫逃避

越来越多的临床前证据表明，错乱的癌症细胞代谢通过改变肿瘤微环境的代谢景观促进免疫逃避。例如，增加癌症细胞对葡萄糖和谷氨酰胺的摄取可以剥夺免疫效应细胞的这些营养素，从而抑制其抗癌活性。相反，癌症细胞分泌的乳酸或犬尿蛋白可以直接抑制免疫细胞效应器功能。有证据表明，癌症细胞对核苷酸的改变通过各种机制促进其免疫逃逸。

嘌呤能信号传导在免疫和自身免疫中的作用

嘌呤核苷腺苷是一种抗癌免疫抑制剂。腺苷通过细胞表面腺苷受体的信号传导抑制TME中T细胞、巨噬细胞、先天免疫细胞和树突细胞的抗癌活性（图3）。腺苷的产生是一个有吸引力的治疗靶点，因为在各种实体瘤中都观察到腺苷在TME中的积聚，并与不良的患者预后相关。腺苷的积累可以通过5′-外核苷酸酶CD39和CD73的顺序作用分解细胞外ATP来发生，CD39将ATP或ADP转化为AMP，CD73将AMP转化为腺苷；这些酶在人类癌症中经常上调，并与预后不良有关。

细胞外ATP本身是一种强烈的促炎信号，通常以极高的水平存在于TME中。高浓度的细胞外ATP通常表明细胞裂解，因为ATP只能在坏死或其他形式的免疫原性细胞死亡时大量进入细胞外环境。凋亡调节性T细胞已被证明释放大量ATP，然后通过其自身的细胞表面CD39和CD73将其转化为腺苷，从而通过其自身细胞死亡引起免疫抑制。这些发现表明，除了产生细胞外腺苷外，CD39和CD73还通过清除TME中的ATP来抑制免疫。

转移中的核苷酸代谢

转移是实体瘤患者大多数癌症相关死亡的主要原因。与转移相关的转录特征已经得到了很好的研究；然而，癌症细胞代谢，特别是核苷酸代谢的作用仍在显现。这里介绍了这一领域的最新进展（图4）。

单体GTPase蛋白是最显著的是RHO GTPase家族成员，在癌症细胞转移所必需的几个过程中发挥着关键作用，包括迁移、侵袭和细胞外基质降解。研究表明，通过过表达GMP还原酶（GMPR）或通过抑制IMPDH来消耗GTP库会在体外损害黑色素瘤的迁移和侵袭，并可以损害肿瘤异种移植物模型中的转移。相对于原发性肿瘤组织，人类转移性黑色素瘤病变经常表现出GMPR下调和IMPDH2上调，这表明GTP库增加驱动黑色素瘤转移。

在结直肠癌小鼠模型中，嘧啶从头途径的抑制被证明可以消除肝转移，嘧啶从头途径中间体在转移性结直肠癌患者来源的异种移植物组织中大量富集，使用来氟米特治疗对DHODH的抑制持续减少了该系统中的肝转移。

核苷酸代谢与治疗耐药性

核苷酸合成抑制剂是最早发现的抗肿瘤药物之一，仍然是许多癌症适应症的治疗支柱。最近，核苷酸合成在各种大规模、无偏见的功能基因组和化学筛选方法以及基于代谢组学的特定癌症研究中被多次“重新发现”为关键的癌症易损性。但是，癌症抗药性是指医疗干预无法根除肿瘤或控制肿瘤生长，可被视为大多数癌症死亡的原因。核苷酸代谢与许多癌症治疗的耐药性有关，目前其机制主要包括：

1.内源性核苷酸与核苷类似物化疗药物的分子竞争；

2.嘧啶dNTP缺失损害DNA修复对基因毒性化疗的反应；

3.(d)NTPs促进对放射治疗的耐药性；

4.(d)NTP合成抑制剂与致癌信号激酶抑制剂协同作用；

5.(d)NTP合成抑制剂与细胞死亡诱导剂协同作用。

小结

核苷酸代谢失调对不同癌症类型的几乎所有恶性细胞活动都有很大影响，除了作为核酸生物生成底物的典型作用外，核苷酸还为癌症细胞中高度活跃的一系列过程提供燃料。因此，核苷酸合成抑制剂作为尚未完全实现的联合治疗策略的组成部分具有巨大的潜力。药物开发活动可能会产生更有效和选择性的现有临床药物靶点抑制剂，并可能使其他关键酶受到临床药理学控制。这些发展对医学的影响将超越肿瘤学，并将为治疗感染、自身免疫性疾病、神经退行性综合征和其他疾病开辟新的途径。所以，还等什么呢，抓住核苷酸代谢这个角度，想要利用生信分析快速hold住的小伙伴，抓紧上车~