研究背景：

代謝改變是癌細胞的重要標志，而三磷酸核苷酸的合成和使用是不同癌癥類型和遺傳背景的癌細胞的重要和普遍的代謝依賴。癌細胞的許多侵襲性行為，包括失控的增殖、化療耐藥、免疫逃避和轉移，在很大程度上依賴于增強的核苷酸代謝。此外，大多數(shù)已知的致癌驅動基因上調核苷酸的生物合成能力，這表明這一表型是癌癥發(fā)生和發(fā)展的先決條件。盡管有大量數(shù)據(jù)證明了核苷酸合成抑制劑在臨床前癌癥模型中的療效，并且這些藥物在某些癌癥環(huán)境中的臨床應用已經成熟，但這些藥物的全部潛力仍未實現(xiàn)。

針對核苷酸代謝酶重點是聯(lián)合治療策略的新興途徑(表1)

研究結果：

一、核苷酸代謝概述

1、簡要解釋了嘧啶和嘌呤核苷酸的生物合成途徑，討論了核苷酸水平在細胞分裂過程中的調節(jié)，并突出了常見的核苷酸代謝異常的致癌例子。

2、嘧啶和嘌呤的合成：嘧啶和嘌呤的從頭和挽救途徑通過不同的條件發(fā)生（圖1）。嘧啶從頭合成途徑首先生成芳香族堿基(乳清酸)，然后在磷酸核糖焦磷酸(PRPP)依賴的反應中添加核糖5-磷酸部分，而嘌呤從頭合成途徑從PRPP開始，逐步將芳香族堿基構建到核糖骨架上。嘌呤脫氧核苷、脫氧腺苷和脫氧鳥苷可被DCK磷酸化，分別形成dAMP和dGMP，這組反應被認為是嘌呤核苷-核堿基挽救途徑。

3、核苷酸水平的生理控制：

為了進行細胞分裂，靜息細胞必須顯著增加其dNTP和NTP池，分別增加5 -10倍和至少10倍。盡管從頭合成核苷酸在碳和能量方面遠比回收核苷昂貴，但需要迅速擴大核苷酸庫來滿足這些需求。增殖細胞中NTP的濃度在100μM到幾個μ mol之間，而dNTP的濃度通常在10-100μM之間，在特定的細胞類型中，dNTP的相對濃度通常是平衡的。細胞增殖的許多典型驅動因子，如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號傳導，可增加關鍵從頭途徑酶的表達和活性，包括氨甲酰磷酸合成酶2 (CPSII)、天冬氨酸氨甲酰轉移酶(ATC)和二氫乳糜蛋白酶(DHOase)復合物(CAD)。為了確保各種(d)NTP相對豐度的平衡，關鍵從頭途徑酶(如RNR和CAD復合物成分)在負反饋回路中被其(d)NTP終產物變構下調。此外，由核苷酸磷酸化酶啟動的核苷酸分解代謝平衡核苷酸合成。這種復雜的相互作用使細胞能夠動態(tài)地調整它們的核苷酸池，以滿足細胞分裂的需要。

4、核苷酸合成的致癌活化：

雖然(d)NTPs的精確細胞內濃度因細胞類型、細胞環(huán)境和培養(yǎng)條件而有很大差異，但一篇對600多個已發(fā)表數(shù)值的綜述估計，癌細胞的dNTP平均水平是非惡性增殖細胞的6 - 11倍，NTP濃度是非惡性增殖細胞的1.25 - 5倍。許多眾所周知的癌基因已被證明會加強(d)NTP合成的過度活躍;例如，突變體KRAS8,25, PI3K26和MYC都是人類癌癥的常見驅動因子，它們促進關鍵從頭途徑酶的活性和表達，并通過增加細胞對葡萄糖和其他營養(yǎng)物質的攝取來提供所需的ATP、核糖和氨基酸，從而間接支持從頭途徑通量。相反，據(jù)報道，核苷酸分解代謝酶(例如將dNTP轉化為脫氧核苷的SAM結構域和HD結構域包含蛋白1 [SAMDH1])的功能缺失突變或沉默可通過阻止核苷酸降解而增加核苷酸庫。鑒于核苷酸水平在人類癌癥中普遍上調，以及核苷酸水平在各種惡性細胞行為中發(fā)揮的關鍵作用，以及新生途徑活性對大多數(shù)哺乳動物組織的內環(huán)境穩(wěn)態(tài)無關，因此新生途徑酶是癌癥治療的合理靶點。

二、靶向核苷酸合成

1、核苷酸合成酶已被證明是高度易處理的藥物靶點。簡要討論突出的臨床可用藥酶，其抑制劑和其作用機制。表2提供了臨床相關核苷酸合成抑制劑的代表性描述。

2、DHFR抑制劑：Farber和Diamond在20世紀40年代描述了抗葉酸化合物對兒童白血病的療效，此后，靶向葉酸代謝和下游胸腺嘧啶合成的藥物已成為許多癌癥治療的支柱。甲氨蝶呤(MTX)是DHFR的競爭性抑制劑，常用于治療各種癌癥和自身免疫性疾病。DHFR抑制導致葉酸循環(huán)中間體耗竭，這些中間體分別是從頭合成胸腺嘧啶和嘌呤的甲基和甲酰供體。

3、TS的抑制劑：TS抑制劑如5-氟尿嘧啶(5-FU)和葉酸類似物培美曲塞的抗癌效果說明了dTTP的重要性。

4、DHODH抑制劑：DHODH是由天門冬氨酸合成一磷酸尿苷(UMP)途徑中的關鍵酶，它的抑制會導致所有的嘧啶(d)NTPs枯竭，因為它們都來自UMP(圖1a)。

5、IMPDH抑制劑：單磷酸肌苷(IMP)是嘌呤從頭途徑中的一種中間體，可以轉化為AMP或GMP(圖1b)。該途徑的兩步GMP生產臂是幾種已批準的藥物的靶點。霉酚酸(MPA)是IMPDH1和IMPDH2的非競爭性抑制劑，可在GMP合成前將IMP轉化為XMP。

6、RNR抑制劑：RNR是所有dntp從頭合成所必需的，因為它會降低ndp的核糖部分的2 '碳以生成dNDP。羥基脲是一種批準的RNR抑制劑，用于治療鐮狀細胞性貧血、骨髓增生性疾病和其他疾病。

三、抑制(d)NTP合成對生長和增殖的影響

1、核苷酸和脫氧核苷酸是許多對細胞生長和增殖至關重要的合成代謝過程的必需底物。因此，(d)NTP使用從頭途徑抑制劑去除NTP會損害幾個促進腫瘤生長的過程，包括DNA復制/修復、核糖體生物發(fā)生和蛋白質翻譯、致癌mRNA轉錄、翻譯后蛋白質糖基化和維持穩(wěn)態(tài)細胞氧化還原平衡。

2、(d)NTP合成抑制對DNA復制和修復的影響：在DNA復制過程中，四種dNTP的相對豐度受到RNR和SAMDH1的嚴格控制，dNTP池的失衡會導致堿基的錯誤摻和，導致突變或DNA損傷。5-FU、培美曲塞或MTX對TS的抑制導致脫氧尿苷三磷酸(dUTP)比dTTP大量過剩(圖2a)。

3、(d)NTP合成抑制核糖體生物發(fā)生和蛋白質翻譯的影響：雖然核糖體RNA (rRNA)占所有細胞RNA質量的絕大多數(shù)，但在癌細胞中經常觀察到rRNA質量增加和核仁肥大，從而促進了蛋白翻譯的過度活躍。dNTP是DNA合成所必需的，而NTPs是RNA轉錄所必需的，使用阻斷dNTP和NTP形成的抑制劑(如dhdh或IMPDH抑制劑)清除它們預計將限制rRNA轉錄和翻譯能力(圖2b)。

4、(d)抑制NTP合成對mRNA轉錄和控制癌細胞分化的影響：核苷酸饑餓顯著影響癌細胞的轉錄組譜。在一項使用斑馬魚黑色素瘤起始模進行的優(yōu)雅研究中，White等發(fā)現(xiàn)，DHODH抑制產生的效應與Spt5基因缺失產生的效應相似，Spt5是RNA聚合酶ⅱ(Polⅱ)相關因子，對于Polⅱ從啟動子近端暫停狀態(tài)轉變?yōu)楦咝а娱L至關重要68(圖2b)。

5、(d)NTP合成抑制對翻譯后蛋白糖基化的影響：三磷酸尿苷或三磷酸胞苷(CTP)是激活糖部分進行糖基化反應所必需的。因此，嘧啶NTPs的消耗可能會損害糖基化反應。雖然嘧啶耗竭對蛋白質(和脂質)糖基化下游的整體影響仍有待確定，但這種關系已在o -連接n -乙酰葡萄糖胺(O-GlcNAc)的糖基化中得到驗證(圖2c)。

6、核苷酸代謝改變調節(jié)ROS穩(wěn)態(tài)：癌癥細胞必須通過將活性氧(ROS)水平維持在狹窄范圍內來管理氧化應激。癌細胞ROS穩(wěn)態(tài)的破壞可發(fā)生于許多不同代謝擾動(如高血糖)或遺傳毒性擾動(如吉西他濱)的下游，或者通過微環(huán)境的改變(如酸中毒)，通常是通過細胞抗氧化劑NADPH和還原型谷胱甘肽(GSH)的耗竭。有趣的是，嘧啶核苷尿苷和脫氧尿苷已成為氧化應激的強效緩解劑。事實上，最近的研究表明，在毒胡蘿卜素或吉西他濱處理的胰腺導管腺癌(PDAC)細胞中，胞苷脫氨酶(CDA)產生的脫氧尿嘧啶核苷可減少ROS積累，并減輕內質網(ER)應激。抑制CDA(通過四氫尿苷)或DHODH(通過來氟米特)消耗細胞內脫氧尿嘧啶核苷，加重毒胡蘿卜素介導的細胞死亡，而補充脫氧尿嘧啶核苷通過減輕氧化和內質網應激挽救細胞免受毒胡蘿卜素毒性(圖2d)。

四、改變的核苷酸代謝驅動癌細胞免疫逃避

1、越來越多的臨床前證據(jù)表明，紊亂的癌細胞代謝通過改變腫瘤微環(huán)境(TME)的代謝景觀促進免疫逃避。

2、嘌呤能信號在免疫和自身免疫中的作用：嘌呤核苷腺苷是一種抗癌免疫抑制劑。通過細胞表面腺苷受體進行的腺苷信號傳導抑制了TME中T細胞、巨噬細胞、固有免疫細胞和樹突狀細胞的抗癌活性(圖3a)。

3、有報道最近闡明了FAMIN抑制抗原特異性免疫和預防流感感染后有害自身炎癥的復雜機制。樹突狀細胞中FAMIN的基因失活增強了它們的攝取、MHCⅱ類分子介導的抗原呈遞和MHCⅰ類分子介導的抗原交叉呈遞，導致T細胞的擴增啟動。在機制上，樹突狀細胞中的FAMIN失活有兩個主要影響:首先，它增加了通過IMPDH1和IMPDH2的通量(可能是通過阻止FAMIN介導的PNP活性來限制嘌呤核堿基挽救)，從而增加細胞質NADH - NAD +比值;這反過來又引起細胞質酸化，導致囊泡運輸加速。其次，它減少了肌苷的合成和分泌，而肌苷通常通過類似于腺苷的方式通過T細胞腺苷A2A受體發(fā)出信號，從而在樹突狀細胞啟動期間抑制T細胞活化(圖3b)。

4、(d)NTP合成抑制對TLRs核苷激活的影響：核糖核苷鳥苷和尿苷分別通過結合toll樣受體7 (TLR7)和TLR8促進促炎信號。雖然核苷酸合成抑制劑對TLR7和TLR8信號傳導的影響尚不明確，但尿苷或鳥苷的消耗可能會抑制TLR7和TLR8的活性，并抑制樹突狀細胞或單核細胞的促炎反應。這一機制可能是DHDH抑制劑或IMPDH1/2抑制劑具有免疫調節(jié)活性的部分原因，它們可能分別消耗溶酶體尿苷或鳥苷。

5、TS和IMPDH1/2抑制劑改善免疫檢查點阻斷治療的反應：一些應用最廣泛的抗癌藥物針對TS，包括5-FU、培美曲塞和甲氨蝶呤。2018年，培美曲塞、卡鉑和抗pd1抗體帕博利珠單抗(pembrolizumab)成為首個獲得FDA批準的化療聯(lián)合免疫治療方案，其依據(jù)是晚期非小細胞肺癌患者的無進展生存期和總緩解率高于單獨化。在動物模型中，培美曲塞通過誘導腫瘤細胞的免疫原性細胞死亡、促進有利免疫亞群(如活化的CD8+ T細胞)浸潤到腫瘤中以及增加T細胞執(zhí)行OXPHOS的能力，從而增強其效應功能，從而增強抗癌免疫和抗PDL1抗體療效。

6、核苷酸合成抑制劑對自身免疫和癌癥的雙重作用：核苷酸合成抑制劑聯(lián)合免疫檢查點阻斷的療效似乎是矛盾的，因為這些藥物也通常用于治療自身免疫綜合征。

五、轉移中的核苷酸代謝

1、轉移是大多數(shù)實體瘤患者癌癥相關死亡的關鍵原因。轉移性定植是一個多步驟的過程，需要癌細胞從原發(fā)腫瘤部位逃逸，在體循環(huán)的惡劣條件下存活并隨后建立遠端器官的新生境。

2、GTP激活轉移前GTPase:單體GTP酶蛋白(最顯著的是RHO GTP酶家族成員)在癌細胞轉移所需的幾個過程中發(fā)揮關鍵作用，包括遷移、侵襲和細胞外基質降解125。這些蛋白質只在GTP結合的“on”狀態(tài)下有活性，因此人們可能會認為它們的激活依賴于足夠的GTP池來驅動鳥嘌呤核苷酸交換因子。

3、通過過表達GMP還原酶(GMPR)或通過抑制IMPDH來減少GTP池在體外損害黑色素瘤的遷移和侵襲，并通過阻止RHO GTP酶家族成員RHO, RAC和CDC42的活化來損害腫瘤異種移植模型中的轉移(圖4)。

4、DHODH是轉移的驅動因素：最近，在小鼠結直腸癌模型中，抑制嘧啶從頭途徑被證明可以消除肝轉。在以往的研究中，從結直腸癌患者制備了患者來源的異種移植物(PDX)，并比較了有效轉移至小鼠肝臟的PDX組織與未有效轉移至小鼠肝臟的PDX組織的代謝特征。

六、核苷酸代謝與治療耐藥性

1、癌癥治療抵抗，定義為醫(yī)療干預未能根除腫瘤或控制腫瘤生長，可以被視為大多數(shù)癌癥死亡的原因。核苷酸代謝與多種癌癥療法的耐藥性相關，包括遺傳毒性化療、放療和靶向藥物(以及上文討論的免疫治療)。

2、內源性核苷酸與核苷類似物化療藥物的分子競爭：吉西他濱或2 '，2 ' -二氟脫氧胞苷是一種脫氧核苷類似物前體藥物，必須通過嘧啶核苷補救途徑才能被激活。吉西他濱被核苷轉運體攝取后，被DCK磷酸化形成吉西他濱一磷酸，然后進一步磷酸化形成吉西他濱二磷酸和吉西他濱三磷酸，分別通過抑制RNR或并入DNA引起鏈終止來發(fā)揮其毒。吉西他濱代謝物與其內源性脫氧胞苷酸對應物競爭(圖5a)，吉西他濱的毒性與靶細胞中吉西他濱衍生的代謝物與內源性dNTP的比率相關。PDAC細胞對吉西他濱的獲得性耐藥是由黏蛋白1 (MUC1)和缺氧誘導因子1α (HIF1α)下游的脫氧CTP (dCTP)池增加引起，這些脫氧CTP (dCTP)池通過非氧化磷酸戊糖途徑輸送葡萄糖，從而提供PRPP用于從頭合成嘧啶，并增強CTP合成酶活性，從而增加dCTP池(圖5a)。

3、嘧啶dNTP損耗損害基因毒性化療的DNA修復：DHODH抑制可提高癌細胞對遺傳毒性藥物的敏感性，即使這些藥物不是與(d)NTPs有直接分子競爭的核苷類似物。例如，在體外，三陰性乳腺癌細胞對多柔比星或順鉑產生應答，通過嘧啶從頭途徑上調通量，導致dCTP和dTTP池增加，從而促進遺傳毒性應激下的DNA修復。

4、(d)NTP促進對放射治療的抵抗：放射治療是許多癌癥的有效治療方法，但對于一些侵襲性癌癥，如GBM，治療后復發(fā)和隨后的疾病進展常見。大量GBM細胞系的代謝譜分析表明，嘌呤核苷酸豐度，尤其是(d)GTP豐度與放射治療的耐藥性密切相關。

5、從概念上講，核苷酸耗竭聯(lián)合遺傳毒性化療或放療不同于聯(lián)合多種遺傳毒性藥物或聯(lián)合多種遺傳毒性藥物+放療，因為核苷酸耗竭會使細胞喪失DNA修復所需的dNTP(圖5b)。

6、(d)NTP合成抑制劑與致癌信號激酶抑制劑協(xié)同作用：通過嘧啶從頭途徑的通量在各種致癌信號通路的下游增。在PI3K或MAPK通路激活的下游，CAD活性分別通過S6K (Ser1869或ERK (Thr456)的磷酸化來加速。因此，PTEN缺失或EGFR擴增的GBM腫瘤分別顯示CADS1869或CADT456磷酸化增加。

7、(d)NTP合成抑制劑與細胞死亡誘導因子協(xié)同作用：DHODH通過還原泛素醇(一種專性DHODH反應產物)的形式向線粒體內膜提供還原力，因此限制了線粒體內膜中脂質的過氧化作用(鐵死亡的關鍵步驟。據(jù)報道，dHDH抑制劑可降低線粒體膜電位，而維持線粒體膜電位在對抗細胞凋亡中起關鍵作用142。因此，DHODH抑制劑有可能與維奈托克(venetoclax)等誘導凋亡藥物和其他BCL-2拮抗劑合作(圖5c)。

七、對核苷酸合成抑制劑的耐藥性

1、有三種可能的機制可以解釋癌細胞對核苷酸合成抑制劑的耐藥性。首先，盡管NTP嚴重短缺，癌細胞仍可能進行致癌生長。第二，盡管抑制了關鍵的從頭途徑酶，癌細胞仍可能獲得足夠的(d)NTPs，從而使疾病進展。最后，體內核苷酸消耗的程度和時間可能不足以導致癌細胞的核苷酸饑餓，原因可能是與靶點的結合不足或給藥方案欠佳。

2、核苷挽救和耐藥：由于核苷補救途徑可獨立于從頭合成途徑提供核苷酸，因此預期補救途徑可導致對從頭合成途徑抑制劑的耐藥。

3、核苷攝取阻斷劑可以克服對從頭途徑抑制劑的耐藥性：許多研究報道了brequinar與平衡核苷轉運蛋白1 (ENT1)和ENT2抑制劑雙嘧達莫(dipyridamole)之間的體外協(xié)同作用，被認為是核苷內流的主要介。然而，這一聯(lián)合策略的臨床前體內表現(xiàn)好壞參半，與brequinar單藥治療相比，最多有小幅改善，但這可能受到brequinar單藥治療在這些模型系統(tǒng)中令人印象深刻的療效的影響

4、靶向核苷打撈酶可以克服novo途徑抑制劑的耐藥性：核苷挽救途徑酶與DHODH抑制劑耐藥有關。與DCTD表達相對較高的PDAC和肺腺癌基因工程小鼠模型相比，小細胞肺癌基因工程小鼠模型對brequinar的敏感性。DCTD產生dUMP，否則會對dHDH抑制產生限制;因此，DCTD敲除增強了來自PDAC細胞系和肺腺癌小鼠模型的brequinar敏感性。

5、通過自噬介導的RNA降解的核苷酸循環(huán)：除新生和挽救途徑外，細胞還可以通過自噬(特別是自噬體中細胞核酸的降解)獲得核苷酸。此過程產生(d)NMPs，且不依賴細胞外核苷的攝取，也不依賴核苷補救酶對核苷或核堿基的磷酸化或磷酸核糖基化。最近的研究發(fā)現(xiàn)，去除嘌呤或嘧啶NTPs可誘導HEK-293T細胞的自噬。嘌呤缺失通過拮抗mTOR激活激活自噬，而嘧啶缺失通過明顯不依賴mTOR的機制實現(xiàn)這一作用。這些結果表明，NTP豐度在調節(jié)自噬方面具有不同的作用，需要進一步研究這些機制是否在癌癥中起作用。

八、評估核苷酸合成抑制劑

1、代謝酶抑制劑與含鉑類藥物、環(huán)磷酰胺、替莫唑胺和白消安等烷化化療有本質區(qū)別。對于烷化劑，隨時間推移的累積藥物暴露量(曲線下面積)與抗癌療效和患者毒性成正比，這反映出這些藥物共價結合DNA和其他分子，因此通過發(fā)揮其毒性而消耗物理能量。

2、目標參與監(jiān)測：對于靶酶抑制，縱向定量血漿生物標志物(例如監(jiān)測二氫乳清酸鹽或dhdh抑制劑的其他上游代謝物)是確保體內持續(xù)藥效學靶點結合的一種有用的無創(chuàng)方法。如果可能，對這些生物標志物治療前和治療中水平的直接比較將有力地證實靶酶抑制。

總結：
紊亂的核苷酸代謝對各種癌癥類型的幾乎所有惡性細胞活動都有重要影響，因此代表了泛癌癥的代謝依賴性。除了作為核酸生物發(fā)生的底物的典型作用，核苷酸還為癌癥細胞中過度活躍的一系列過程提供燃料。因此，核苷酸合成抑制劑作為聯(lián)合治療策略的元素具有巨大的潛力，但尚未完全實現(xiàn)。本綜述匯總了近期臨床前進展中出現(xiàn)的一組聯(lián)合治療概念，這些概念具有說明性，但絕不是全面的(有待進一步驗證)。核苷酸合成抑制劑正在進行和未來的臨床研究將受益于基于這些藥物的嚴格藥代動力學和藥效學特征的劑量方案標準化。藥物開發(fā)活動將可能產生針對現(xiàn)有臨床藥物靶點的更強效和選擇性的抑制劑，如dhdh、TS、RNR、CD73和ENT1/2，并可能將其他關鍵酶，如DCK、UCK和CDA納入臨床藥理學控制。這些進展的醫(yī)學影響將波及腫瘤學以外的領域，并將為感染、自身免疫性疾病、神經變性綜合征和其他疾病的治療開辟新的途徑。