第 588 期

研究發展
新抗癌分子標靶之探索
麩醯胺酸酶抑制劑藉由降低mTORC1活性及提升細胞自噬作用進而抑制癌細胞生長
Discovery of selective inhibitors of Glutaminase-2, which inhibit mTORC1, activate autophagy and inhibit proliferation in cancer cells

瓦氏效應（Warburg effect）是指癌細胞的生長速度遠高於正常細胞，起因於其在葡萄糖代謝途徑上差異所造成之現象，相較於正常細胞多進行有氧呼吸代謝葡萄糖，癌細胞則傾向利用麩醯胺酸分解作用（glutaminolysis）取得能量。研究發現，癌細胞中的M2型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M2, PKM2）活性會受到抑制，使得葡萄糖進行無氧呼吸代謝產生乳酸，迫使癌細胞必須從其他的代謝途徑獲取能量。麩醯胺酸（glutamine）為人體中含量最豐富的非必需胺基酸，所以癌細胞利用提高麩醯胺酸分解作用來代謝細胞內麩醯胺酸。首先麩醯胺酸酶（glutaminase, GA）將麩醯胺酸轉化為麩胺酸（glutamate），再由麩胺酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase）進一步轉變麩胺酸為產物α酮戊二酸（α-ketoglutarate），最後進入檸檬酸循環（citric acid cycle, TCA cycle），取得癌細胞生長的另一能量來源。其中關鍵酵素為麩醯胺酸酶（glutaminase）催化麩醯胺酸轉變成麩胺酸（圖一）。

在人體內麩醯胺酸酶可由GLS1和GLS2二個基因轉錄，因交替的轉錄作用（alternative transcription）產生4種亞型麩醯胺酸酶。GLS1包含腎型（Kidney isoform, KGA）與C型麩醯胺酸酶（C isoform, GAC）；GLS2包含肝型（liver isoform, LGA）與B型麩醯胺酸酶（B isoform, GAB）。目前研究報導發現，降低GLS1酵素活性能抑制癌細胞的生長，但是GLS2在癌細胞所扮演的角色尚未有清楚的定論。目前對GLS2是否為一個致癌基因仍有正反二方的研究，因此需要更多的研究與探討GLS2是否可作為發展抗癌藥物的一個分子標靶。

本院生技與藥物研究所李秀珠副研究員研究團隊發現從黑星紫金牛（Ardisia virens）與高士佛紫金牛（A. kusukuensis）分離純化的天然物alkyl benzoquinones能有效抑制癌細胞內麩醯胺酸酶活性與麩胺酸的產生，且相較於KGA（GLS1），這些alkyl benzoquinones天然化合物對GAB（GLS2）的酵素活性抑制效果更好，屬於具選擇性的麩醯胺酸酶抑制劑（selectivity inhibitor）。此外利用同源模擬法（homologous modeling）、分子嵌合法（molecular docking）和突變作用（mutagenesis）分析，探討其中強效AV-1化合物（又稱：紫金牛醌，ardisianone）可能與GAB酵素結合之位置與作用之胺基酸，結果指出AV-1結合在一個異位結合位置（allosteric binding pocket），並鑑定出影響AV-1選擇性抑制活性的特定胺基酸（圖二）。此外不論我們以這些alkyl benzoquinones天然化合物抑制癌細胞內麩醯胺酸酶之活性或以shRNA降低癌細胞內GLS2酵素的表現量，都能抑制癌細胞的生長，由此結果支持GLS2可作為研發抗癌藥物的一個目標分子。

研究團隊更進一步探討AV-1化合物透過降低麩醯胺酸酶活性而抑制癌細胞生長之分子作用機制。由於AV-1降低麩醯胺酸酶活性而減少癌細胞透過麩醯胺酸代謝獲得能量，當癌細胞處於養分能量缺乏的環境時，AMPK（AMP-activated protein kinase）會受到活化進而磷酸化修飾下游訊息分子。ULK1在絲胺酸（Ser317）的位置受AMPK磷酸化會直接引發細胞的自噬作用（autophagy）；Raptor在絲胺酸（Ser792）與Tuberin蘇胺酸（Thr1387）的位置受到AMPK磷酸化而抑制下游mTOR complex 1（mTORC1）的活性，當mTOR受到抑制後，降低mTOR對ULK1絲胺酸（Ser757）的磷酸化，使得ULK1與mTOR分開並與AMPK結合而活化。另外，AV-1抑制麩醯胺酸酶活性，亦會藉由PI3K/AKT調控Tuberin之磷酸化（減少蘇胺酸Thr1462磷酸化）來抑制mTORC1之活性，導致細胞走向自噬作用而抑制癌細胞生長（圖三）。這些研究結果已發表在Oncotarget期刊（2014; Aug 5(15): 6087–6101）。
《文/圖：生技與藥物研究所楊政偉博士、李約志研究助理、張心瑜研究助理、徐幸瑜研究助理、 李秀珠副研究員》