谷氨酰胺代谢在肺纤维化疾病中的研究进展

殷娥高，杨 眉综述，雷 雯，董昭兴审校

0 引 言

肺纤维化是一种病因不明的进行性、多因素和致命性肺部疾病，目前尚无有效治疗方法。尽管食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)最近批准了治疗特发性肺纤维化的药物尼达尼布和吡非尼酮[1]，显示可延缓疾病的进展，但随着时间的推移，副作用限制了治疗效果，且对于肺功能重度下降的患者，病情较难逆转[2]。因此，目前研究的重点在于明确肺纤维化形成的机制及寻找新的治疗肺纤维化的方法。近年来，细胞代谢异常在肺纤维化发病机制中的作用受到重视，特别是谷氨酰胺代谢的异常。代谢重编程是肌成纤维细胞分化和组织纤维化过程中不可或缺的一步。肌成纤维细胞中胶原蛋白的翻译和稳定需要谷氨酰胺分解代谢增强[3]。同时，抑制谷氨酰胺分解代谢的关键酶，可减轻肺纤维化[4]。因此，谷氨酰胺代谢过程与纤维化中肌成纤维细胞的分化、胶原蛋白的产生存在密切联系。本文就谷氨酰胺分解代谢与肺纤维化相关的研究进展作一综述。

1 谷氨酰胺代谢概述

谷氨酰胺是人体内含量最丰富的非必需氨基酸[5]，广泛存在于骨骼肌、肝、脑组织、肺、以及胃等组织中。在剧烈运动、受伤、感染等应激情况下，谷氨酰胺需要量增加, 机体通过生物催化反应将其他氨基酸转化为谷氨酰胺[6]。谷氨酰胺可通过细胞膜上的丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运蛋白2从胞外转移至胞内[7], 或通过胞饮的方式进入细胞[8]。谷氨酰胺代谢是谷氨酰胺分解代谢过程，用于产生生物能量、合成蛋白质、脂质和核苷酸以及维持氧化还原稳态[9-13]。目前大量研究发现，谷氨酰胺是细胞增殖和生长的重要代谢物[14]，细胞内的谷氨酰胺在谷氨酰胺酶(Glutaminase，GLS)的作用下脱氨基生成谷氨酸(glutamicacid, Glu)[15]，谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶生成α-酮戊二酸(α-ketoglutarate, α-KG)，进入三羧酸循环 (tricarboxylic acid cycle, TCA )氧化供能[9]。这是肌成纤维细胞分化所需的关键代谢过程[16]，支持谷氨酰胺分解在肺纤维化中的重要作用[3,16-17]。此外，谷氨酰胺还参与胞内谷胱甘肽的合成, 清除活性氧, 维持胞内氧化还原稳态[18]。

2 谷氨酰胺代谢在肺纤维化中的作用

谷氨酰胺代谢与多种纤维化疾病相关，包括肝纤维化[19]、肾纤维化[20]、腹膜纤维化[21]、皮肤纤维化[22]等。研究证实，谷氨酰胺代谢对纤维化进程的影响，主要是通过影响肌成纤维细胞分化和胶原蛋白产生[3, 16, 23]。因此，干预谷氨酰胺代谢以及使用谷氨酰胺酶抑制剂有望成为治疗纤维化疾病的新手段。

2.1谷氨酰胺代谢对肌成纤维细胞分化的影响肌成纤维细胞在纤维化过程中起关键作用，阻断其分化过程，有望成为治疗肺纤维化的一种新的治疗靶点[24-25]。肌成纤维细胞对谷氨酰胺的需求较正常细胞显著增高，其为生物合成途径提供多种底物。Hewitson等[26]在肾纤维化的研究中证实，肾损伤后释放的促纤维化信号诱导代谢重编程，以满足成纤维细胞表型的高生物能量和生物合成需要，纤维化信号如转化生长因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)触发细胞代谢的重新编程，向糖酵解转变，与线粒体氧化磷酸化解偶联，谷氨酰胺代谢增强。Karen等[16]研究中发现在TGF-β诱导的肌成纤维细胞中，观察到TCA循环代谢产物的浓度增加，包括α-KG、琥珀酸、富马酸、苹果酸和柠檬酸。而且，与对照组相比，TGF-β诱导的肌成纤维细胞中谷氨酸浓度升高，而谷氨酰胺浓度降低，提示谷氨酰胺分解作用增强。故而得出谷氨酰胺分解是肌成纤维细胞代谢重编程的关键组成部分，调节肌成纤维细胞的分化。Bai等[23]的研究证实，特发性肺纤维化患者中成纤维细胞对谷氨酰胺代谢的变化比其他细胞更敏感。Robert等[27]研究也证实了谷氨酰胺和谷氨酸衍生的氨基酸的生物合成是人肺成纤维细胞分化所必需的。因此，谷氨酰胺代谢影响肌成纤维细胞的分化，参与肌成纤维细胞的代谢重编程。

2.2谷氨酰胺代谢对胶原蛋白生成的影响在肺纤维化中，TGF-β诱发成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化。肌成纤维细胞是一种合成细胞，能分泌大量细胞外基质。细胞外基质的过度集聚导致组织纤维化，其中，胶原蛋白是纤维组织中发现的主要结构蛋白。脯氨酸与甘氨酸一起占胶原氨基酸残基的57%，在胞质中通过吡咯啉-5羧酸盐直接由谷氨酸生成[28]，因此，谷氨酰胺代谢增加通过间变性反应补充TCA循环，同时也为胶原合成提供脯氨酸。Ge等[3]还发现肌成纤维细胞谷氨酰胺降解终末产物α-KG水平升高。与谷氨酰胺降解类似，α-KG可激活mTORC1，促进胶原的表达，但不能激活纤维连接蛋白、弹性蛋白或α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin，α-SMA)；α-KG对成纤维细胞胶原降解也有明显的抑制作用。Robert等[27]的研究中发现在肺成纤维细胞中，谷氨酰胺及其通过谷氨酰胺酶转化为谷氨酸是TGF-β诱导胶原蛋白产生所必需的；谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶、谷丙酮酸转氨酶或谷草转氨酶代谢成α-KG不是胶原蛋白产生所必需的。谷氨酰胺分解代谢也有报道在常氧条件下激活缺氧诱导因子-1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)[29]。HIF-1α调节TGF-β诱导的Smad3激活下游促纤维化标志物的表达[30]。因此，谷氨酰胺代谢中代谢产物直接或间接参与肺纤维化中胶原蛋白的生成，进而影响肺纤维化的形成。

2.3谷氨酰胺酶在肺纤维化中的作用GLS有2种亚型，GLS1(肾型)和GLS2(肝型)，GLS1上调与增殖率增加相关[31]。肺肌成纤维细胞中谷氨酰胺消耗增加主要由GLS1水平升高驱动[3,16]。Ge等[3]的研究证实，人肺肌成纤维细胞经历了谷氨酰胺代谢分解重编程，GLS1在肺纤维化和用促纤维化介质TGF-β处理的成纤维细胞中表达增强。同时还发现，增强的谷氨酰胺分解通过促进胶原蛋白的稳定和合成，在人肺成纤维细胞胶原蛋白的表达中起着关键作用。Cui等[4]的研究证实，博来霉素致肺纤维化小鼠肺成纤维细胞GLS1表达上调，在GLS1-/-敲低小鼠暴露于博来霉素时，小鼠中促纤维化介质减少，包括纤连蛋白、α-SMA和胶原转录减少。然后，在TGF-β暴露的小鼠肺成纤维细胞中使用了GLS1的抑制剂CB-839，发现选择性抑制Ⅰ型胶原和Ⅲ型胶原的蛋白水平，但不抑制α-SMA或纤连蛋白。还证实在CB-839处理的细胞中胶原降解加速，支持 GLS1通过胶原稳定在胶原蛋白表达中发挥作用。Choudhury等[32]的研究证实，在来自特发性肺纤维化的患者的成纤维细胞比正常肺对应物表达更多的GLS mRNA。因此，谷氨酰胺酶是肺纤维化中谷氨酰胺代谢的关键作用点。

3 靶向谷氨酰胺代谢对肺纤维化的作用

目前对靶向谷氨酰胺代谢在肺纤维化中的相关研究主要集中在靶向谷氨酰胺酶上，谷氨酰胺在细胞内首先在GLS的作用下分解为Glu和一个铵离子。因此，GLS是谷氨酰胺分解代谢中的第一个催化酶, 也是治疗肺纤维化的重要靶点。Cui等[4]的研究证实，博来霉素处理第7天后开始对博来霉素暴露小鼠进行CB-839治疗，持续2周，发现羟脯氨酸水平降低、组织学改善和胶原沉积减少；CB-839处理的细胞中胶原降解加速。Choudhury等[32]的研究证实，给予GLS1抑制剂CB-839可减轻博来霉素诱导的肺纤维化；纤维化介质不仅以CB-839剂量依赖性方式被抑制，而且在室内空气中的肺外周血氧合(SpO2)改善；GLS1抑制后，Flexivent的肺顺应性同样得到改善。鉴于CB839现在已经在肺纤维化的动物模型中被证明可减轻肺纤维化程度，因此，干预谷氨酰胺分解代谢可成为肺纤维化的潜在治疗靶点。但是，由于肺纤维化形成是多方面的，未来可将CB-839与FDA批准的IPF的药物(吡非尼酮或尼达尼布)联合治疗的疗效值得进一步探讨。

4 结 语

谷氨酰胺为纤维化疾病提供碳源、氮源, 以及维持氧化还原稳态, 是细胞重要的物质和能量来源, 在纤维化疾病的发生发展中发挥着重要的作用。谷氨酰胺代谢在肺纤维化中的作用机制逐渐被阐明。谷氨酰胺代谢通过影响肌成纤维细胞的分化及胶原蛋白的产生，从而影响肺纤维化形成。谷氨酰胺代谢的研究将有利于从代谢角度解释肺纤维化的发病机制，以及代谢参与调控肺纤维化的进展。但肺纤维化的病因及发病机制都很复杂，目前的认识还是比较局限。随着越来越多的研究及关注, 希望可寻找在谷氨酰胺代谢过程中调控纤维化的新靶点, 为抗纤维化提供新思路。