Re: 문형철 오랜 숙제 '아미노산 대사'와 인체 건강, 질병.. 2023 네이처!!

[문형철]

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Amino acid metabolism in health and disease

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• Published: 13 September 2023

Amino acid metabolism in health and disease

• Zhe-Nan Ling, 
• Yi-Fan Jiang, 
• Jun-Nan Ru, 
• Jia-Hua Lu, 
• Bo Ding & 
• Jian Wu 

Signal Transduction and Targeted Therapy volume 8, Article number: 345 (2023) Cite this article

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Abstract

Amino acids are the building blocks of protein synthesis. They are structural elements and energy sources of cells necessary for normal cell growth, differentiation and function. Amino acid metabolism disorders have been linked with a number of pathological conditions, including metabolic diseases, cardiovascular diseases, immune diseases, and cancer. In the case of tumors, alterations in amino acid metabolism can be used not only as clinical indicators of cancer progression but also as therapeutic strategies. Since the growth and development of tumors depend on the intake of foreign amino acids, more and more studies have targeted the metabolism of tumor-related amino acids to selectively kill tumor cells. Furthermore, immune-related studies have confirmed that amino acid metabolism regulates the function of effector T cells and regulatory T cells, affecting the function of immune cells. Therefore, studying amino acid metabolism associated with disease and identifying targets in amino acid metabolic pathways may be helpful for disease treatment. This article mainly focuses on the research of amino acid metabolism in tumor-oriented diseases, and reviews the research and clinical research progress of metabolic diseases, cardiovascular diseases and immune-related diseases related to amino acid metabolism, in order to provide theoretical basis for targeted therapy of amino acid metabolism.

아미노산은 

단백질 합성의 기본 구성 요소입니다. 

아미노산은 

세포의 구조적 요소이자 에너지원으로서 

정상적인 세포 성장, 분화, 기능에 필수적입니다. 

아미노산 대사 장애는 

대사성 질환, 심혈관 질환, 면역 질환, 암을 포함한 다양한 병리적 상태와 연관되어 있습니다. 

특히 종양의 경우, 

아미노산 대사의 변화는 암 진행의 임상 지표로 사용할 수 있을 뿐 아니라 

치료 전략으로도 활용될 수 있습니다. 

종양의 성장과 발달이 외부 아미노산 섭취에 의존하기 때문에, 

암 관련 아미노산 대사를 표적으로 하여 

선택적으로 종양세포를 사멸시키려는 연구가 점점 증가하고 있습니다.

또한, 

면역 관련 연구에서는 

아미노산 대사가 효과기

 T세포(effector T cell)와 조절 T세포(regulatory T cell)의 기능을 조절하여

 면역세포의 기능에 영향을 미친다는 것이 확인되었습니다.

따라서, 

질환과 연관된 아미노산 대사를 연구하고 아미노산 대사경로의 표적을 찾는 것은 

질환 치료에 도움이 될 수 있습니다.

 본 논문은 

종양을 비롯한 질병에서의 아미노산 대사 연구에 초점을 맞추어, 

아미노산 대사와 연관된 대사질환, 심혈관질환, 면역질환에 대한 연구 및 임상적 발전을 종합적으로 고찰하여,

아미노산 대사 표적 치료의 이론적 근거를 제시하고자 합니다.

Metabolic gatekeepers: harnessing tumor-derived metabolites to optimize T cell-based immunotherapy efficacy in the tumor microenvironment

Article Open access26 October 2024

Introduction

The primary function of amino acids is to act as the monomer unit in protein synthesis and as substrates for biosynthetic reactions.1,2 Amino acid metabolism disorders have been linked to the progression of various diseases. For example, the deletion of tumor suppressor genes, such as PTEN and P53 or the activation of tumor genes, such as c-Myc and Ras, may induce changes in nutrient supply, metabolic enzymes, metabolic requirements and many other metabolic characteristics. Therapeutically targeting tumor cell metabolism have been proven effective with fewer side effects compared to some conventional treatments.3,4 Moreover, therapies targeting essential amino acids, such as dietary methionine restriction has been shown to extend lifespan in mice and rats.5,6,7,8 Tumors likely rely on external supply of nonessential amino acids.9 Therefore, restriction of these amino acids can inhibit tumor growth, demonstrating the importance of amino acid metabolism. Besides its role in cancer, amino acid metabolism has been reported as an important participant in the development of metabolic diseases such as diabetes and obesity, as well as cardiovascular diseases, autoimmune diseases and neurological diseases.10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 Herein, we discussed the metabolism of amino acids in health and disease and the potential clinical application of amino acid metabolism in treating cancer and other diseases.

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1. 서론

아미노산의 주된 기능은

단백질 합성의 단량체 단위이자

생합성 반응의 기질로 작용하는 것입니다.

아미노산 대사 장애는

다양한 질병의 진행과 관련이 있습니다.

예를 들어,

PTEN 및 P53과 같은 종양 억제 유전자의 삭제나

c-Myc 및 Ras와 같은 종양 유전자의 활성화는

영양소 공급, 대사 효소, 대사 요구량 및 기타 여러 대사 특성의 변화를 유도할 수 있습니다.

종양 세포 대사를 치료적으로 표적화하는 것은

일부 전통적인 치료법에 비해 부작용이 적으면서도 효과적인 것으로 입증되었습니다.

더욱이,

식이 메티오닌 제한과 같은 필수 아미노산을 표적으로 하는 치료법은

쥐와 생쥐의 수명을 연장시키는 것으로 나타났습니다.

종양은

비필수 아미노산의 외부 공급에 의존할 가능성이 높습니다.

따라서

이러한 아미노산을 제한하면 종양 성장을 억제할 수 있으며,

이는 아미노산 대사의 중요성을 보여줍니다.

암에서의 역할 외에도,

아미노산 대사는 당뇨병 및 비만과 같은 대사 질환뿐만 아니라

심혈관 질환, 자가면역 질환 및 신경계 질환의 발달에 중요한 참여자로 보고되었습니다.

본 논문에서는

건강과 질병에서의 아미노산 대사와 암 및 기타 질병 치료에서

아미노산 대사의 잠재적인 임상 적용에 대해 논의했습니다.

Overview of amino acid metabolism

Amino acids are organic compounds containing amino and carboxyl groups, which can be divided into α-, β-, γ-, δ- amino acids according to the position of the functional groups of the core structure, the most important of which are the 22 alpha-amino acids that make up proteins and 20 of these amino acids are involved in protein synthesis. Amino acids are involved in biosynthesis, neurotic transmission, and other life processes.1,2 Peptide bonds link amino acids to form polypeptide chains, which undergo post-translational modifications and sometimes combine with other polypeptide chains to form proteins. Among amino acids that make up proteins, nine cannot be synthesized from other compounds and must be obtained from food; these are also essential amino acids.21,22 When amino acids are ingested by the human body from food, in addition to being used for protein and other biomolecular synthesis, they can also be oxidized to urea and carbon dioxide as energy sources through oxidative pathways.23

The oxidation pathway begins with aminotransferase-mediated deamination and transfers the amino group to alpha-ketoglutaric acid to form glutamate to enter the urea cycle. Another product, keto acid, enters the citric acid cycle to provide energy for life activities (Fig. 1).24 The uptake of amino acids by cells or organelles requires the participation of amino acid transporters (AATs). Different amino acids depend on specific AATs, but amino acids and transporters are not one-to-one matched. Multiple AATs can transport an amino acid, and the same transporter can also transport multiple substrates. In addition to serving as a channel for amino acids to enter and exit the cell, AATs also function as a probe for sensing amino acid levels and as an initiator of nutritional signals.25,26 According to the diversity of structure and function, AATs can be divided into different families, in which the solute carrier (SLC) superfamily accounts for about 20% of all membrane proteins encoded by the human genome and is the largest superfamily of membrane transporters.27 According to substrate specificity, AATs can be divided into neutral, basic, and acidic categories, and further subcategories, including sodium-dependent and sodium-independent types. Mechanistically, because amino acid concentrations in the intracellular fluid are generally higher than those in the extracellular fluid in mammalian cells, including humans, AATs transport amino acids through ion conjugation or amino acid exchange to produce sodium ions. Hydrogen or chloride cotransporters and potassium reverse transporters maintain intracellular and extracellular Na+ and K+ concentration gradients through Na+/K+-ATP pumps.28 For the specific classification, function, and mechanism of AATs in the human body, we invite readers to review the following literature.27,29,30

아미노산 대사 개요

아미노산은

아미노기와 카르복실기를 포함하는 유기 화합물로,

핵심 구조의 작용기 위치에 따라 α-, β-, γ-, δ- 아미노산으로 나눌 수 있으며,

이 중 가장 중요한 것은 단백질을 구성하는 22개의 알파-아미노산이며

이 중 20개가 단백질 합성에 관여합니다.

아미노산은

생합성, 신경 전달 및 기타 생명 과정에 관여합니다.

펩타이드 결합은

아미노산을 연결하여 폴리펩타이드 사슬을 형성하며,

이는 번역 후 변형을 거치고 때로는 다른 폴리펩타이드 사슬과 결합하여 단백질을 형성합니다.

단백질을 구성하는 아미노산 중 9개는

다른 화합물로부터 합성될 수 없어

반드시 음식을 통해 섭취해야 하며,

이를 필수 아미노산이라고 합니다.

아미노산이 인체에 음식으로 섭취될 때,

단백질 및 기타 생체 분자 합성에 사용되는 것 외에도,

산화 경로를 통해 요소와 이산화탄소로 산화되어 에너지원으로 사용될 수 있습니다.

산화 경로는

아미노기전이효소(aminotransferase)에 의한 탈아미노화로 시작하여

아미노기를 알파-케토글루타르산으로 전달하여

글루탐산을 형성하고 요소 회로로 들어갑니다.

다른 생성물인 케토산은

시트르산 회로로 들어가 생명 활동에 에너지를 제공합니다(그림 1).

세포나 세포 소기관에 의한 아미노산 흡수에는

아미노산 수송체(AATs)의 참여가 필요합니다.

다른 아미노산은

특정 AATs에 의존하지만,

아미노산과 수송체가 일대일로 대응하는 것은 아닙니다.

여러 AATs가 하나의 아미노산을 수송할 수 있고,

동일한 수송체가 여러 기질을 수송할 수도 있습니다.

AATs는

아미노산이 세포 안팎으로 드나드는 통로 역할을 할 뿐만 아니라,

아미노산 수준을 감지하는 탐지기 및 영양 신호의 개시자 역할도 합니다.

구조와 기능의 다양성에 따라 AATs는 여러 패밀리로 나눌 수 있으며,

이 중 용질 운반체(SLC) 슈퍼패밀리는

인간 게놈에 의해 암호화된 모든 막 단백질의 약 20%를 차지하며

막 수송체의 가장 큰 슈퍼패밀리입니다.

기질 특이성에 따라 AATs는

중성, 염기성, 산성 카테고리로 나눌 수 있으며,

나트륨 의존성 및 나트륨 비의존성 유형을 포함한 하위 카테고리로 더 나뉩니다.

기계적으로,

인간을 포함한 포유류 세포에서 세포 내액의 아미노산 농도는

일반적으로 세포 외액보다 높기 때문에,

AATs는 이온 결합 또는 아미노산 교환을 통해

아미노산을 수송하여 나트륨 이온을 생성합니다.

수소 또는 염화물 공동수송체와 칼륨 역수송체는

Na+/K+-ATP 펌프를 통해 세포 내외의 Na+ 및 K+ 농도 구배를 유지합니다.

Fig. 1

Overview of amino acid metabolism.

The human body can obtain amino acids through food digestion and absorption, tissue decomposition, internal synthesis of three ways.

Amino acids in amino acid metabolism pool can be deacidified to produce amino and carbon dioxide.

Or participate in the synthesis of purine, pyrimidine and other nitrogenous compounds in the transformation of metabolites;

Or deamination produces α-ketoacid and NH3.

According to different enzymes and pathways, α-ketoacid can produce keto bodies, or participate in oxidative energy supply or sugar and lipid synthesis;

NH3 enters the urea cycle. 

그림 1. 아미노산 대사 개요. 

인체는 음식 소화 및 흡수, 조직 분해, 내부 합성을 통해 아미노산을 얻을 수 있습니다.

아미노산 대사 풀의 아미노산은 탈산(be deacidified)되어 아미노기와 이산화탄소를 생성할 수 있습니다.

또는 대사산물 전환 과정에서 퓨린, 피리미딘 및 기타 질소 화합물 합성에 참여할 수 있습니다.

혹은 탈아미노화되어 α-케토산과 NH₃를 생성합니다.

다른 효소와 경로에 따라 α-케토산은 케톤체를 생성하거나 산화적 에너지 공급 또는 당 및 지질 합성에 참여할 수 있습니다.

NH₃는 요소 회로로 들어갑니다.

In addition to being components of peptides and proteins, amino acids are involved in key pathways that maintain cell growth, metabolism, and immunity.31,32,33,34,35 For example, the mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathway is a major mechanism that regulates protein synthesis.36 The mTOR system contains rapamycin-sensitive complex 1 (mTORC1) and rapamycin-insensitive complex 2 (mTORC2). mTORC1 is activated by glutamine (Gln), arginine (Arg), and Leucine (Leu), and activates protein synthesis by phosphorylation of eIF4E binding protein 1 (4E-BP1) and ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1).37,38,39 

Furthermore, alanine (Ala) can regulate gluconeogenesis and glycolysis by inhibiting alanine kinase, thereby maintaining the amount of glucose produced by the starved liver.38 

Arginine regulates the active state of the urea cycle by acting as an allosteric activator of N-acetyl glutamate synthetase (a mitochondrial enzyme that converts glutamate and acetyl CoA to N-acetyl glutamate).40 In terms of immunity, amino acids are involved in immune cell proliferation, differentiation and functional activation. For example, T cell activation upregulates a variety of amino acid transporters, including SLC7A5, and deletion of SLC7A5 leads to activation of the mTOR signaling pathway and upregulation of the transcription factor MYC to inhibit T cell proliferation.41 When T cells are deprived of Trp and Arg, activated T cells cannot enter the S phase, which proves that Trp and Arg are key substances for T cells to enter the cell cycle. Moreover, the depletion of Leu and isoleucine (iLe) induces T cells to enter the S-G1 phase, which then stops dividing and expires.42,43,44

In summary, amino acids are essential organic compounds for life support, as raw materials for biosynthesis and as a source of energy for life activities. The cellular uptake of amino acids requires the involvement of AATs. Transporters serve as the entry and exit channels of amino acids and act as probes for sensing amino acid concentrations and promoters of nutritional signals. In addition to being a raw material for biomass and an energy source, amino acids are also involved in key pathways in terms of cell growth, metabolism and immunity.

펩타이드와 단백질의 구성 요소일 뿐만 아니라,

아미노산은 세포 성장, 대사 및 면역을 유지하는 핵심 경로에 관여합니다.

예를 들어,

포유류 라파마이신 표적(mTOR) 신호 전달 경로는

단백질 합성을 조절하는 주요 메커 '니즘입니다.

mTOR 시스템은

라파마이신 민감성 복합체 1(mTORC1)과 라파마이신 비민감성 복합체 2(mTORC2)를 포함합니다.

mTORC1은

글루타민(Gln), 아르기닌(Arg), 류신(Leu)에 의해 활성화되며,

eIF4E 결합 단백질 1(4E-BP1)과 리보솜 단백질 S6 키나아제 1(S6K1)의 인산화를 통해

단백질 합성을 활성화시킵니다.

또한,

알라닌(Ala)은

알라닌 키나아제를 억제하여 포도당 신생합성과 해당과정을 조절함으로써

기아 상태의 간에서 생산되는 포도당 양을 유지할 수 있습니다.

alanine (Ala) can regulate gluconeogenesis and glycolysis by inhibiting alanine kinase, thereby maintaining the amount of glucose produced by the starved liver

AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)는 세포, 조직, 및 전신 대사 조절에 기여하는 중요한 영양소 감지자로 인정받고 있습니다. 본 연구에서는 AMPK를 조절할 수 있는 특정 아미노산을 식별하고, 이를 통해 세포 및 전신 대사への 영향을 규명하는 것을 목표로 했습니다. 방법 AMPK 활성화 물질을 식별하기 위해 편향 없는 아미노산 스크리닝을 수행했습니다. 배양된 간암 세포에서 세포 신호전달 및 대사 분석을 상세히 수행했으며, in vivo에서 일반 사료 급여 마우스와 고지방 사료 급여로 비만 유도된 마우스에서 글루코스 대사 및 대사체 패턴을 평가했습니다. 결과 알라닌은 배양된 간세포 및 in vivo에서 알라닌으로 처리된 쥐의 간에서 AMP 키나아제를 급성적으로 활성화합니다. 경구 알라닌 투여는 일반 사료 및 고지방 사료 급여 쥐에서 전신 포도당 내성을 개선하며, AMPK 활성이 감소한 쥐에서는 알라닌의 효능이 감소합니다. 우리 데이터는 알라닌에 의한 AMPK 활성화가 세포 내 알라닌 대사 의해 매개되며, 이는 TCA 회로 대사물을 감소시키고 AMP/ATP 비율을 증가시키며 NH3 생성을 활성화함을 나타냅니다. 결론 알라닌은 유익한 AMPK 신호 전달 경로를 활성화하는 긍정적 신호를 제공하는 독특한 아미노산 에너지 센서로 작용할 수 있습니다.

아르기닌은

N-아세틸 글루탐산 합성효소(글루탐산과 아세틸 CoA를 N-아세틸 글루탐산으로 전환하는 미토콘드리아 효소)의

알로스테릭 활성제로 작용하여 요소 회로의 활성 상태를 조절합니다.

면역 측면에서, 아미노산은

면역 세포 증식, 분화 및 기능 활성화에 관여합니다.

예를 들어,

T 세포 활성화는 SLC7A5를 포함한 다양한 아미노산 수송체를 상향 조절하며,

SLC7A5의 삭제는 mTOR 신호 전달 경로의 활성화와 전사 인자 MYC의 상향 조절을 통해

T 세포 증식을 억제합니다.

T cell activation upregulates a variety of amino acid transporters, including SLC7A5, and deletion of SLC7A5 leads to activation of the mTOR signaling pathway and upregulation of the transcription factor MYC to inhibit T cell proliferation.

T 세포가 Trp과 Arg이 결핍되면,

활성화된 T 세포는 S기로 들어갈 수 없으며,

이는 Trp과 Arg이 T 세포가 세포 주기에 들어가는 데 핵심적인 물질임을 증명합니다.

더욱이,

Leu와 이소류신(iLe)의 고갈은 T 세포를 S-G1기로 유도하여

분열을 멈추고 사멸하게 합니다.

요약하자면,

아미노산은

생합성을 위한 원료이자 생명 활동을 위한 에너지원으로서

생명 유지에 필수적인 유기 화합물입니다.

세포의 아미노산 흡수에는

AATs의 참여가 필요합니다.

수송체는 아미노산의 출입 통로 역할을 하며,

아미노산 농도를 감지하는 탐지기 및 영양 신호의 촉진자 역할을 합니다.

바이오매스의 원료이자 에너지원일 뿐만 아니라,

아미노산은 세포 성장, 대사 및 면역 측면에서 핵심적인 경로에도 관여합니다.

Branched-chain amino acids (BCAAs)

BCAAs metabolism

BCAAs are a class of fatty side chain amino acids with one branch, including Leu, iLe, and valine. Three BCAAs account for 35% of the essential amino acids in muscle as essential amino acids in the human body. The breakdown process of BCAAs is similar in all species, initially forming branched-chain α-keto acids (BCKAs) via branched-chain amino acid transferase (BCATs) and transferring nitrogen to nitrogen receptors (the most common nitrogen receptor is α-ketoglutaric acid (α-KG) to form glutamate).45 The second step is an irreversible rate-limiting reaction catalyzed by branched-chain α-keto acid dehydrogenase (BCKDH), which is phosphorylated and inactivated by the specific kinase BCKDH kinase (BCKDK) and dephosphorylated and activated by Protein phosphatase 1 K (PPM1K). The products are then involved in different physiological activities through further oxidation (Fig. 2).

분지사슬 아미노산(BCAAs)BCAAs 대사

BCAAs는

하나의 가지를 가진 지방족 측쇄 아미노산의 한 종류로,

류신, 이소류신, 발린을 포함합니다.

세 가지 BCAAs는 인체의 필수 아미노산으로서

근육 내 필수 아미노산의 35%를 차지합니다.

BCAAs의 분해 과정은

모든 종에서 유사하며,

처음에는 분지사슬 아미노기전이효소(BCATs)를 통해 분지사슬 α-케토산(BCKAs)을 형성하고

질소를 질소 수용체(가장 일반적인 질소 수용체는 α-케토글루타르산(α-KG)으로 글루탐산을 형성)로

전달합니다.

두 번째 단계는

분지사슬 α-케토산 탈수소효소(BCKDH)에 의해 촉매되는 비가역적인 속도 제한 반응으로,

특정 키나아제인 BCKDH 키나아제(BCKDK)에 의해 인산화되어 비활성화되고

단백질 포스파타아제 1K(PPM1K)에 의해 탈인산화되어 활성화됩니다.

그 후 생성물은

추가적인 산화를 통해 다른 생리적 활동에 관여합니다(그림 2).

Fig. 2

Glutamine and BCAA metabolism.

BCAAs can be absorbed by the cell through L-type amino acid transporter (LATs), and L-type amino acid transporter 1(LAT1) can also exchange intracellular glutamine with extracellular leucine. In cells, BCAAs are catalyzed to formα-ketoisocaproate (KIC), α-ketoisovalerate (KIV), and α-keto-β-methylvalerate (KMV). The three substances are collectively known as branched alpha-ketoacids (BCKAs). Further, BCKAs produce acetyl-CoA through an irreversible rate-limiting reaction catalyzed by branched alpha-ketoate dehydrogenase (BCKDH) and subsequent reactions. Acetyl-CoA may be involved in the TCA cycle or other amino acid synthesis. Glutamine can be transported by SLC1A5 (ASCT2), LAT1 (L-type amino acid transporter), and xCT (SLC7A11). Glutamine is involved in glutathione (GSH) synthesis and cell REDOX homeostasis regulation in cytoplasm. In the mitochondria, glutamine produces Glutamate through a reaction catalyzed by glutaminase (GLS), which participates in the TCA cycle by producing α-KG by aminotransferase (ATs) and Glutamate dehydrogenase (GLUD). Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 2. 글루타민 및 BCAA 대사.

 BCAAs는 L형 아미노산 수송체(LATs)를 통해 세포에 흡수될 수 있으며, L형 아미노산 수송체 1(LAT1)은 또한 세포 내 글루타민을 세포 외 류신과 교환할 수 있습니다. 세포 내에서 BCAAs는 촉매 작용을 통해 α-케토이소카프로에이트(KIC), α-케토이소발레레이트(KIV), α-케토-β-메틸발레레이트(KMV)를 형성합니다. 이 세 가지 물질을 통틀어 분지사슬 알파-케토산(BCKAs)이라고 합니다. 더 나아가, BCKAs는 분지사슬 알파-케토산 탈수소효소(BCKDH)와 후속 반응에 의해 촉매되는 비가역적인 속도 제한 반응을 통해 아세틸-CoA를 생성합니다. 아세틸-CoA는 TCA 회로나 다른 아미노산 합성에 관여할 수 있습니다. 글루타민은 SLC1A5(ASCT2), LAT1(L형 아미노산 수송체), xCT(SLC7A11)에 의해 수송될 수 있습니다. 글루타민은 세포질에서 글루타티온(GSH) 합성에 관여하고 세포 산화환원 항상성을 조절합니다. 미토콘드리아에서 글루타민은 글루타미나아제(GLS)에 의해 촉매되는 반응을 통해 글루탐산을 생성하고, 이는 아미노기전이효소(ATs)와 글루탐산 탈수소효소(GLUD)에 의해 α-KG를 생성하여 TCA 회로에 참여합니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

BCAAs participate in a variety of physiological processes. In terms of metabolism and signaling pathway research, BCAAs, especially Leu, are effective activators of the mTOR signaling pathway. Leu can bind to Sestrin2 (a negative regulator of mTORC1 activity) to promote mTORC1 activation,46 thereby promoting protein synthesis in the liver and other tissues.47 In addition, BCAAs also promote glycogen absorption by the liver and skeletal muscle and enhance glycogen synthesis.48 Furthermore, BCAAs are essential for the proper function of immune cells in the immune system, promoting lymphocyte proliferation and cytotoxic T-cell activation through the oxidative decomposition of dehydrogenase and decarboxylase expressed by immune cells.49

BCAAs는

다양한 생리적 과정에 참여합니다.

대사 및 신호 전달 경로 연구에서, BCAAs,

특히 류신은 mTOR 신호 전달 경로의 효과적인 활성제입니다.

류신은

Sestrin2(mTORC1 활성의 음성 조절자)에 결합하여

mTORC1 활성화를 촉진함으로써

간 및 기타 조직에서 단백질 합성을 촉진합니다.

또한, BCAAs는

간 및 골격근에 의한 글리코겐 흡수를 촉진하고

글리코겐 합성을 향상시킵니다.

더욱이,

BCAAs는 면역 세포에 의해 발현되는 탈수소효소 및 탈카르복실효소의 산화적 분해를 통해

림프구 증식과 세포독성 T세포 활성화를 촉진하는 등

면역계의 면역 세포가 적절히 기능하는 데 필수적입니다.

BCAA in cancer

Changes in circulating levels of BCAAs have been reported in cancer patients.50,51 Recent metabonomics retrospective studies had shown that increased plasma levels of BCAAs are associated with an increased risk of pancreatic cancer, which was validated in a genetically engineered mouse model of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC). This phenomenon may be caused by systematic protein breakdown to satisfy the BCAAs needed for its growth during the tumorigenic period.51 Moreover, another study suggested that KRAS mutations can promote BCAA metabolism. Although KRAS activation and P53 deletion are present in non-small cell lung cancer (NSCLC) and PDAC, the two tumors utilize BCAA differently despite the same initial events. PDAC cells tend to decompose and utilize extracellular proteins for amino acids, while NSCLC cells extract nitrogen by breaking down circulating BCAAs.52 In addition, Lei et al. found that CBP (cAMP-responsive element-binding (CREB)-binding protein) and SIRT4 in PDAC cells bind the K44 site of BCAT2 to acetylate this site, which further promotes the degradation of BCAT2 through the ubiquitin-protein pathway, reduces the metabolic rate of BCAAs in PDAC, and, in turn, inhibits the growth of tumor cells.53 In addition, KRAS and USP1 can also regulate the expression‎ of BCAT2 in PDAC through the ubiquitin-proteasome pathway: KRAS can stabilize the expression‎ of BCAT2 in PDAC by inhibiting the ubiquitination of BCAT2 by spleen tyrosine kinase (SYK) and E3 ubiquitination ligase TRIM21,54 while USP1 deubiquitinates the K229 site of BCAT2, and BCAAs promote USP1 protein expression‎ at the translation level through the GCN2-eIF2a pathway. Another study found that the expression‎ levels of USP1 and BCAT2 were consistently positively correlated in gene-edited mice and clinical samples.55 The Lei’s result further clarified why BCAAs metabolism of PDAC is lower than that of surrounding normal tissues and then turns to other ways to obtain nitrogen (Fig. 3).

BCAAs와 암

암 환자에서 순환하는 BCAAs 수치의 변화가 보고되었습니다.

최근 대사체학 후향적 연구에 따르면,

혈장 BCAAs 수치 증가는 췌장암 위험 증가와 관련이 있으며,

이는 췌관 선암종(PDAC)의 유전자 조작 마우스 모델에서 검증되었습니다.

이 현상은 종양 형성 기간 동안 성장에 필요한 BCAAs를 충족시키기 위한 전신적인 단백질 분해에 의해 발생할 수 있습니다.

더욱이, 다른 연구에서는 KRAS 돌연변이가 BCAA 대사를 촉진할 수 있다고 제안했습니다.

비소세포폐암(NSCLC)과 PDAC에서 KRAS 활성화와 P53 삭제가 존재하지만,

동일한 초기 사건에도 불구하고 두 종양은 BCAA를 다르게 활용합니다.

PDAC 세포는 아미노산을 얻기 위해 세포 외 단백질을 분해하고 활용하는 경향이 있는 반면,

NSCLC 세포는 순환하는 BCAA를 분해하여 질소를 추출합니다.

또한, Lei 등은 PDAC 세포에서 CBP(cAMP-반응 요소 결합(CREB)-결합 단백질)와 SIRT4가 BCAT2의 K44 부위에 결합하여 이 부위를 아세틸화하고, 이는 유비퀴틴-단백질 경로를 통해 BCAT2의 분해를 촉진하여 PDAC의 BCAA 대사 속도를 감소시키고, 결과적으로 종양 세포의 성장을 억제한다는 것을 발견했습니다.

또한, KRAS와 USP1은 유비퀴틴-프로테아좀 경로를 통해 PDAC에서 BCAT2의 발현을 조절할 수도 있습니다.

KRAS는 비장 티로신 키나아제(SYK)와 E3 유비퀴틴 리가아제 TRIM21에 의한 BCAT2의 유비퀴틴화를 억제하여 PDAC에서 BCAT2의 발현을 안정화시킬 수 있으며, USP1은 BCAT2의 K229 부위를 탈유비퀴틴화하고, BCAAs는 GCN2-eIF2a 경로를 통해 번역 수준에서 USP1 단백질 발현을 촉진합니다.

다른 연구에서는 유전자 편집 마우스와 임상 샘플에서 USP1과 BCAT2의 발현 수준이 일관되게 양의 상관관계를 보인다는 것을 발견했습니다. Lei의 결과는 PDAC의 BCAA 대사가 주변 정상 조직보다 낮은 이유를 명확히 하고, 질소를 얻기 위해 다른 방법을 사용하는 이유를 설명합니다(그림 3).

Fig. 3

BCAAs metabolism in Cancer.

In pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), KRAS can inhibit the ubiquitination of BCAT2 by spleen tyrosine kinase (SYK) and E3 ubiquitination ligase TRIM21, thereby stabilizing the expression‎ level of BCAT2 in PDAC cells and promoting the proliferation of tumor cells. BCAAs promote Ubiquitin Specific Peptidase 1 (USP 1) through the GCN2-eIF2a pathway and inhibit the degradation of BCAT2 by deubiquitination of the K299 site of BCAT2. This process is inhibited during the BCAAs deprivation. cAMP-responsive Elin-Binding (CREB)-binding protein (CBP) and SIRT4 compete to bind the K44 site of BCAT2, regulating the acetylation level of this site and the degradation of BCAT2. In triple-negative breast cancer, tumor cells can activate MAPK and PI3K/AKT signaling through IGF-1 and insulin signaling, and PI3K/AKT signaling can go on to activate Foxo3a, mTOR signaling, BCAT in the cytoplasm of tumor cells can also promote mitochondrial genesis and mitochondrial function by activating Foxo3a, AKT, mTOR, and Nrf2 to gain survival advantages. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition; The dotted line indicates that the middle step is omitted)

그림 3. 암에서의 BCAAs 대사. 췌관 선암종(PDAC)에서 KRAS는 비장 티로신 키나아제(SYK)와 E3 유비퀴틴 리가아제 TRIM21에 의한 BCAT2의 유비퀴틴화를 억제하여 PDAC 세포에서 BCAT2의 발현 수준을 안정화시키고 종양 세포의 증식을 촉진할 수 있습니다. BCAAs는 GCN2-eIF2a 경로를 통해 유비퀴틴 특이적 펩티다아제 1(USP 1)을 촉진하고, BCAT2의 K299 부위의 탈유비퀴틴화를 통해 BCAT2의 분해를 억제합니다. 이 과정은 BCAAs 결핍 시 억제됩니다. cAMP-반응 요소 결합(CREB)-결합 단백질(CBP)과 SIRT4는 BCAT2의 K44 부위에 경쟁적으로 결합하여 이 부위의 아세틸화 수준과 BCAT2의 분해를 조절합니다. 삼중 음성 유방암에서 종양 세포는 IGF-1과 인슐린 신호를 통해 MAPK와 PI3K/AKT 신호 전달을 활성화할 수 있으며, PI3K/AKT 신호 전달은 Foxo3a, mTOR 신호를 활성화할 수 있습니다. 종양 세포의 세포질에 있는 BCAT는 또한 Foxo3a, AKT, mTOR, Nrf2를 활성화하여 미토콘드리아 생성과 기능을 촉진하여 생존 이점을 얻을 수 있습니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄; 점선은 중간 단계가 생략되었음을 나타냄)

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Increasing evidence suggests that elevated plasma BCAAs is a risk factor for pancreatic cancer. Yet, whether elevated circulating BCAAs promotes PDAC progression or PDAC produces more BCAAs. Elevated circulating BCAAs have been observed in both human and mouse models of pancreatic cancer in the early stages of progression, and blood BCAAs levels rise due to excessive protein breakdown in the tissues surrounding pancreatic cancer.51,56 Zhu et al. assessed the metabolic reprogramming in tumors and found that metabolic signals were cross-linked between PDAC and CAFs. CAFs significantly increase the catabolism of BCAAs and the secretion of BCKAs in the nutrient-poor tumor microenvironment (TME). PDAC uses BCKAs secreted by CAFs as substrates for BCAAs synthesis or increases the oxidative metabolic flux of BCKA in a BCKDH-dependent mode.57 This study suggests the feasibility of targeting BCAAs metabolism in TME mesenchymal and cancer cells for PDAC therapy (Fig. 4).

증가하는 증거는

혈장 BCAAs 상승이 췌장암의 위험 인자임을 시사합니다.

그러나

순환하는 BCAAs 상승이

PDAC 진행을 촉진하는지,

아니면 PDAC가 더 많은 BCAAs를 생산하는지는 아직 논쟁의 여지가 있습니다.

순환하는 BCAAs 상승은 인간 및 마우스 췌장암 모델의 초기 진행 단계에서 관찰되었으며, 혈중 BCAAs 수치는 췌장암 주변 조직의 과도한 단백질 분해로 인해 상승합니다. Zhu 등은 종양의 대사 재프로그래밍을 평가하고 PDAC와 CAF(암 연관 섬유아세포) 간에 대사 신호가 교차 연결되어 있음을 발견했습니다. CAF는 영양이 부족한 종양 미세환경(TME)에서 BCAAs의 이화작용과 BCKAs의 분비를 크게 증가시킵니다. PDAC는 CAF에서 분비된 BCKAs를 BCAAs 합성 기질로 사용하거나 BCKDH 의존적 방식으로 BCKA의 산화 대사 흐름을 증가시킵니다. 이 연구는 PDAC 치료를 위해 TME의 간엽세포와 암세포에서 BCAAs 대사를 표적으로 하는 것의 가능성을 시사합니다(그림 4).

Fig. 4

BCAAs metabolism in tumor microenvironment. In triple-negative breast cancer, tumor cells can activate MAPK and PI3K/AKT signaling through IGF-1 and insulin signaling, and PI3K/AKT signaling can go on to activate Foxo3a, mTOR signaling, BCAT in the cytoplasm of tumor cells can also promote mitochondrial genesis and mitochondrial function by activating Foxo3a, AKT, mTOR, and Nrf2 to gain survival advantages. In Leukemia, the RNA-binding protein Musashi 2 (MSI2) binds to BCAT1 mRNA to promote the translation of BCAT1. BCAT1 containing CXXC motif has strong reductive and antioxidant properties, and in wild-type BCAT1 leukemia cells with CXXC motif, The number of cell surface markers CD11b, CD14, CD68, and CD36 decreased. BCKAs excretion in glioblastoma is heavily mediated by monocarboxylate transporter 1 (MCT 1), and the excreted BCKAs are phagocytic and resynthesized into BCAAs by tumor-related macrophages (TAM), but phagocytic activity of macrophages exposed to BCKAs is significantly reduced. BCAT 1 is selectively upregulated in isocitrate dehydrogenase (IDH) wild-type (WT) GBM, alpha-ketoglutaric acid (α-KG) mediates cell death in BCAT 1-deprived IDH WT GBM, and the combination of BCAT 1 inhibitor Gabapentin and α-KG induces tumor cell death.In the tumor microenvironment, CAFs upregulate the transcription of BCAT1 through SMAD5 under the influence of transforming growth factor β (TGF-β) signal, significantly increase the catabolism of BCAAs and secrete BCKAs. PDAC uses BCKAs secreted by CAFs as substrates for BCAAs synthesis or in a BCKDH-dependent mode to promote the increase of BCKA oxidative metabolic flux. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 4. 종양 미세환경에서의 BCAAs 대사. 

삼중 음성 유방암에서 종양 세포는 IGF-1과 인슐린 신호를 통해 MAPK와 PI3K/AKT 신호 전달을 활성화할 수 있으며, PI3K/AKT 신호 전달은 Foxo3a, mTOR 신호를 활성화할 수 있습니다. 종양 세포의 세포질에 있는 BCAT는 또한 Foxo3a, AKT, mTOR, Nrf2를 활성화하여 미토콘드리아 생성과 기능을 촉진하여 생존 이점을 얻을 수 있습니다. 백혈병에서 RNA 결합 단백질 Musashi 2(MSI2)는 BCAT1 mRNA에 결합하여 BCAT1의 번역을 촉진합니다. CXXC 모티프를 포함하는 BCAT1은 강력한 환원 및 항산화 특성을 가지며, CXXC 모티프를 가진 야생형 BCAT1 백혈병 세포에서는 세포 표면 마커 CD11b, CD14, CD68, CD36의 수가 감소했습니다. 교모세포종에서 BCKAs 배설은 모노카르복실산 수송체 1(MCT 1)에 의해 크게 매개되며, 배설된 BCKAs는 종양 관련 대식세포(TAM)에 의해 포식되어 BCAAs로 재합성되지만, BCKAs에 노출된 대식세포의 포식 활동은 현저히 감소합니다. BCAT 1은 이소시트르산 탈수소효소(IDH) 야생형(WT) GBM에서 선택적으로 상향 조절되며, 알파-케토글루타르산(α-KG)은 BCAT 1 결핍 IDH WT GBM에서 세포 사멸을 매개하고, BCAT 1 억제제 가바펜틴과 α-KG의 조합은 종양 세포 사멸을 유도합니다. 종양 미세환경에서 CAF는 형질전환 성장인자 β(TGF-β) 신호의 영향 하에 SMAD5를 통해 BCAT1의 전사를 상향 조절하고, BCAAs의 이화작용을 크게 증가시키며 BCKAs를 분비합니다. PDAC는 CAF에서 분비된 BCKAs를 BCAAs 합성 기질로 사용하거나 BCKDH 의존적 방식으로 BCKA 산화 대사 흐름의 증가를 촉진합니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

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Lung tumors show higher BCAAs uptake than PDAC. Analysis of labeled BCAAs metabolites showed more labeled α-Ketoisocaproate (α-KIC) and Leu-derived BCKAs in NSCLC cells. Meanwhile BCKDK was highly expressed in NSCLC and regulated ROS production in cells, affecting cell survival.58

Interestingly, Chi et al. found that high expression‎ of BCAAs in breast tumor tissues can reduce breast cancer N-cadherin’s expression‎ level and thus inhibit tumor metastasis.59 Shafei reported that BCAT1 inhibited the Ras/ERK pathway and activates PI3K/AKT pathway through insulin/IGF-1, ultimately promoting the expression‎ levels of FOXO3a and Nrf2 and regulating the proliferation, migration, and invasion in triple-negative breast cancer (TNBC).55 The above studies imply that breast cancers can be classified into subtypes based on their preference for BCAAs metabolism. Another study found that the subtypes of BCATs are correlated with breast cancer subtypes. BCAT1 expressed in the cytoplasm was highly expressed in human epidermal growth factor receptor 2 positive (HER2+) breast cancer, while BCAT2 expressed in the mitochondria tended to be highly expressed in estrogen receptor-positive (ER+) breast cancer. This suggests that BCATs may regulate tumors through different signaling pathways in different breast cancer subtypes.60 Similarly, BCAT1, which is highly expressed in breast cancer cells, promotes mitochondrial production and function by activating the mTOR signaling pathway and ultimately promotes breast cancer cell growth.61 The mechanism of action of BCAAs and their metabolic enzymes and metabolites in different breast cancer subtypes still needs further study (Fig. 4).

Silva et al. showed that in glioblastoma (GBM), BCKAs are heavily mediated by monocarboxylate transporter 1 (MCT 1) and that BCKAs expressed in large quantities are phagocytized and resynthesized into BCAAs by tumor-related macrophages (TAM). However, the phagocytic activity of macrophages exposed to BCKAs was significantly reduced.62 Overall, BCAAs metabolism has a key role in GBM and that metabolites of BCKAs may have a direct role in tumor immunosuppression. Moreover, recent study found that hypoxia-inducible factor (HIF)−1 and HIF-2 in GBM cells jointly mediate upregulation of the mRNA and protein expression‎ levels of the BCAAs transporter LAT 1 and the BCAAs metabolizing enzyme BCAT1, and ultimately promote the growth of cells under hypoxia conditions.63 Furthermore, BCAT 1 is selectively upregulated in isocitrate dehydrogenase (IDH) wild-type (WT) GBM, and α-ketoglutarate (α-KG) mediates cell death in BCAT 1-deficient IDH WT GBM. This argument was supported by the combination of BCAT 1 inhibitor and α-KG induced tumor cell death in patient-derived IDH WT GBM. Mechanistically, high expression‎ of BCAT1 reduces the NAD+/NADH ratio, increases mTORC1 activity, and promotes oxidative phosphorylation and nucleotide biosynthesis.64 The results of Zhang et al. illustrate the feasibility of targeting BCAAs metabolism in GBM for tumor therapy (Fig. 4).

BCATs are the first enzymes in the BCAAs metabolic pathway, including BCAT c encoded by BCAT 1 gene, mainly expressed in the cytoplasm, and BCAT m encoded by BCAT 2 gene, which is expressed in the mitochondria. BCAT 1 and BCAT 2 share a conserved sequence, the CXXC motif, which has been shown to act as a REDOX switch in BCAT enzymatic action.65 However, different isomers react differently to ROS, and the sensitivity of BCAT 2 is many orders of magnitude higher than that of BCAT 1.66 On the contrary, BCAT 1 has stronger reducing and antioxidant properties. In acute myeloid leukemia (AML), wild-type (WT) BCAT 1 can metabolize hydrogen peroxide (H2O2), while CXXC motif mutants (CXXS) and wild-type (WT) BCAT 2 cannot. In addition, AML cells overexpressing WT BCAT 1 had lower ROS, and the number of bone marrow markers (CD11b, CD14, CD68, and CD36) that marked cell differentiation on the cell surface was lower, suggesting the involvement of the BCAT 1 CXXC motif in ROS buffering and cell development in AML cells. CXXC motif affects the process of leukemogenesis mediated by ROS. Aberrant activation of BCAT 1 was similarly detected in CML. Hattori et al. revealed that the transcript of BCAT 1 is positively regulated by the oncogenic RNA binding protein Musashi 2 (MSI2), which promotes the production of BCAA in leukemia cells and the development of the disease (Fig. 4).

BCAAs metabolism is altered in various tumors such as PDAC, NSCLC, BRCA, GBM, etc. At present, even in the same type of tumor, different tumor subtypes may have different requirements for BCAAs metabolism and regulatory signaling pathways. In order to achieve precise treatment targeting BCAAs metabolism, we still need to conduct more studies on the relationship and regulatory mechanism between tumor subtypes and BCAAs-related metabolic enzymes and metabolites in the future.

폐암은 PDAC보다 더 높은 BCAAs 흡수를 보입니다. 표지된 BCAAs 대사산물 분석 결과, NSCLC 세포에서 더 많은 표지된 α-케토이소카프로에이트(α-KIC)와 류신 유래 BCKAs가 나타났습니다. 한편, BCKDK는 NSCLC에서 높게 발현되었으며 세포 내 ROS 생산을 조절하여 세포 생존에 영향을 미쳤습니다. 흥미롭게도 Chi 등은 유방암 조직에서 BCAAs의 높은 발현이 유방암 N-카드헤린의 발현 수준을 감소시켜 종양 전이를 억제할 수 있다는 것을 발견했습니다. Shafei는 BCAT1이 Ras/ERK 경로를 억제하고 인슐린/IGF-1을 통해 PI3K/AKT 경로를 활성화하여 궁극적으로 FOXO3a와 Nrf2의 발현 수준을 촉진하고 삼중 음성 유방암(TNBC)의 증식, 이동 및 침입을 조절한다고 보고했습니다. 위의 연구들은 유방암이 BCAAs 대사에 대한 선호도에 따라 아형으로 분류될 수 있음을 시사합니다. 다른 연구에서는 BCATs의 아형이 유방암 아형과 상관관계가 있음을 발견했습니다. 세포질에서 발현되는 BCAT1은 인간 표피 성장인자 수용체 2 양성(HER2+) 유방암에서 높게 발현된 반면, 미토콘드리아에서 발현되는 BCAT2는 에스트로겐 수용체 양성(ER+) 유방암에서 높게 발현되는 경향이 있었습니다. 이는 BCATs가 다른 유방암 아형에서 다른 신호 전달 경로를 통해 종양을 조절할 수 있음을 시사합니다. 유사하게, 유방암 세포에서 높게 발현되는 BCAT1은 mTOR 신호 전달 경로를 활성화하여 미토콘드리아 생산과 기능을 촉진하고 궁극적으로 유방암 세포 성장을 촉진합니다. 다른 유방암 아형에서 BCAAs와 그 대사 효소 및 대사산물의 작용 메커니즘은 여전히 추가 연구가 필요합니다(그림 4).

Silva 등은 교모세포종(GBM)에서 BCKAs가 모노카르복실산 수송체 1(MCT 1)에 의해 크게 매개되며, 대량으로 발현된 BCKAs는 종양 관련 대식세포(TAM)에 의해 포식되어 BCAAs로 재합성된다고 보여주었습니다. 그러나 BCKAs에 노출된 대식세포의 포식 활동은 현저히 감소했습니다. 전반적으로, BCAAs 대사는 GBM에서 핵심적인 역할을 하며, BCKAs의 대사산물은 종양 면역 억제에 직접적인 역할을 할 수 있습니다. 더욱이, 최근 연구에서는 GBM 세포의 저산소 유도 인자(HIF)-1과 HIF-2가 BCAAs 수송체 LAT 1과 BCAAs 대사 효소 BCAT1의 mRNA 및 단백질 발현 수준을 공동으로 매개하여 상향 조절하고, 궁극적으로 저산소 조건에서 세포 성장을 촉진한다는 것을 발견했습니다. 또한, BCAT 1은 이소시트르산 탈수소효소(IDH) 야생형(WT) GBM에서 선택적으로 상향 조절되며, α-케토글루타르산(α-KG)은 BCAT 1 결핍 IDH WT GBM에서 세포 사멸을 매개합니다. 이 주장은 환자 유래 IDH WT GBM에서 BCAT 1 억제제와 α-KG의 조합이 종양 세포 사멸을 유도함으로써 뒷받침되었습니다. 기계적으로, BCAT1의 높은 발현은 NAD+/NADH 비율을 감소시키고, mTORC1 활성을 증가시키며, 산화적 인산화와 뉴클레오티드 생합성을 촉진합니다. Zhang 등의 결과는 GBM에서 종양 치료를 위해 BCAAs 대사를 표적으로 하는 것의 가능성을 보여줍니다(그림 4).

BCATs는 BCAAs 대사 경로의 첫 번째 효소로, 주로 세포질에서 발현되는 BCAT c(BCAT 1 유전자에 의해 암호화)와 미토콘드리아에서 발현되는 BCAT m(BCAT 2 유전자에 의해 암호화)을 포함합니다. BCAT 1과 BCAT 2는 보존된 서열인 CXXC 모티프를 공유하며, 이는 BCAT 효소 작용에서 산화환원 스위치 역할을 하는 것으로 나타났습니다. 그러나 다른 이성질체는 ROS에 다르게 반응하며, BCAT 2의 민감도는 BCAT 1보다 여러 자릿수 높습니다. 반대로, BCAT 1은 더 강력한 환원 및 항산화 특성을 가집니다. 급성 골수성 백혈병(AML)에서 야생형(WT) BCAT 1은 과산화수소(H₂O₂)를 대사할 수 있는 반면, CXXC 모티프 돌연변이체(CXXS)와 야생형(WT) BCAT 2는 그렇지 못합니다. 또한, WT BCAT 1을 과발현하는 AML 세포는 ROS가 낮았고, 세포 표면의 골수 마커(CD11b, CD14, CD68, CD36) 수가 적어, AML 세포에서 ROS 완충 및 세포 발달에 BCAT 1 CXXC 모티프가 관여함을 시사합니다. CXXC 모티프는 ROS에 의해 매개되는 백혈병 발생 과정에 영향을 미칩니다. BCAT 1의 비정상적인 활성화는 CML에서도 유사하게 감지되었습니다. Hattori 등은 BCAT 1의 전사물이 종양 유발 RNA 결합 단백질 Musashi 2(MSI2)에 의해 긍정적으로 조절되며, 이는 백혈병 세포에서 BCAA 생산과 질병의 발달을 촉진한다고 밝혔습니다(그림 4). BCAAs 대사는 PDAC, NSCLC, BRCA, GBM 등 다양한 종양에서 변경됩니다. 현재, 동일한 유형의 종양 내에서도 다른 종양 아형은 BCAAs 대사 및 조절 신호 전달 경로에 대한 요구 사항이 다를 수 있습니다. BCAAs 대사를 표적으로 하는 정밀 치료를 달성하기 위해, 우리는 앞으로 종양 아형과 BCAAs 관련 대사 효소 및 대사산물 간의 관계와 조절 메커니즘에 대한 더 많은 연구를 수행해야 합니다.

BCAAs in disease

Metabolic disease

Existing studies point out that BCAAs and their metabolites are the strongest biomarkers of metabolic diseases such as obesity, insulin resistance, and type 2 diabetes (T2D).10 Elevated BCAAs and their metabolites are key in the early progression of metabolic diseases such as T2D.60 Each BCAA has a unique metabolic effect. Yu et al. found that a low-iLe diet can increase liver sensitivity to insulin, increase energy expenditure, and activate the FGF21-UCP1 axis; a low-valine diet has similar but more modest effects as a low-iLe diet, while the low-Leu diet has no effect. Moreover, a low-iLe diet can quickly restore the metabolic health of obese mouse models induced by a high-fat diet.67 iLe could act as a regulator of metabolic health and that a low-iLe diet can ameliorate the adverse metabolic effects of obesity. In addition, obesity could inhibit hepatic utilization of BCAAs and cause the inactivation of BCKDH by increasing the ratio of BCKDK (BCKDH kinase)/PPM1K (BCKDH dephosphorylase) in hepatocytes. This phenomenon can be reversed by BCAA diet restriction or regulating the BCKDK/PPM1K ratio in mouse models of obesity and insulin resistance. In addition, White et al. found that the transcription factor ChREBP can also promote BCKDK and inhibit PPM1K expression‎ to inhibit BCKDH activation and promote ATP citrate lyase (ACLY) activation, upregulate the lipid synthesis pathway, and induce hepatic steatosis in the obesity model of high-sugar diet.68 Another study showed that knockout of BCAT 2 in white adipose tissue (WAT) confers resistance to high-fat diet-induced obesity through browning of WAT and increased thermogenesis. Mechanistically, acetyl-CoA, a derivative of BCKAs, inhibits the interaction between PR domain-containing protein 16 (PRDM16) and peroxisome proliferator-activated receptor-γ (PPAR-γ) by acetylating the k915 site of PRDM16 to maintain WAT characteristics. When BCAT 2 is knocked down, depletion of BCKAs and its derivative acetyl-CoA promotes WAT brown steatosis and energy expenditure.69 In addition, Ma et al. also found that telmisartan, an antihypertensive drug, can directly bind to BCAT2 and inhibit its activity, thereby reducing obesity.

Recently, it was also found that valsartan, an angiotensin II inhibitor, could inhibit BCKDH-BCKDK interaction, decrease BCKDH phosphorylation, and decrease plasma BCAA concentration to increase BCKDH enzyme activity. In addition to valsartan, candesartan and irbesartan have also been found to have similar effects, suggesting that such drugs may have a similar steric structure to bind BCKDK to promote its separation from BCKDH.70 BCKDK inhibitors are also effective in attenuating insulin resistance in mouse models of obesity, and the development of a new generation of more powerful BCKDK inhibitors is important for diseases that require inhibition of BCAA catabolism.71 In addition, extra-mitochondrial localization of branched-chain α-keto acid dehydrogenase (BCKDH), a rate-limiting enzyme in BCAAs metabolism, has been reported in type 2 diabetic rat model (OLETF). This portion of BCKDH is present on the endoplasmic reticulum (ER) and interacts with AMP deaminase 3 (AMPD3), and is negatively regulated by AMPD3.72 Upregulation of AMPD3 has been reported to impair energy metabolism in OLETF hearts. This study further suggested that AMPD3 may induce cardiometabolic changes through AMPD3-BCKDH expression‎ imbalance in cardiomyocytes of diabetic individuals, providing new insights into the mechanism of the development of this disease.

질병에서의 BCAAs대사 질환

기존 연구들은 BCAAs와 그 대사산물이 비만, 인슐린 저항성, 제2형 당뇨병(T2D)과 같은 대사 질환의 가장 강력한 바이오마커임을 지적합니다. 상승된 BCAAs와 그 대사산물은 T2D와 같은 대사 질환의 초기 진행에 핵심적입니다. 각 BCAA는 독특한 대사 효과를 가집니다. Yu 등은 저-이소류신(iLe) 식단이 간의 인슐린 민감도를 높이고, 에너지 소비를 증가시키며, FGF21-UCP1 축을 활성화시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 저-발린 식단은 저-이소류신 식단과 유사하지만 더 완만한 효과를 가지는 반면, 저-류신 식단은 효과가 없었습니다. 더욱이, 저-이소류신 식단은 고지방 식단으로 유도된 비만 마우스 모델의 대사 건강을 신속하게 회복시킬 수 있습니다. 이소류신은 대사 건강의 조절자로 작용할 수 있으며, 저-이소류신 식단은 비만의 불리한 대사 효과를 완화할 수 있습니다. 또한, 비만은 간세포에서 BCKDK(BCKDH 키나아제)/PPM1K(BCKDH 탈인산화효소)의 비율을 증가시켜 BCKDH의 비활성화를 유발함으로써 간의 BCAA 활용을 억제할 수 있습니다. 이 현상은 BCAA 식단 제한이나 비만 및 인슐린 저항성 마우스 모델에서 BCKDK/PPM1K 비율을 조절함으로써 역전될 수 있습니다. 또한, White 등은 전사 인자 ChREBP가 BCKDK를 촉진하고 PPM1K 발현을 억제하여 BCKDH 활성화를 억제하고 ATP 시트르산 리아제(ACLY) 활성화를 촉진하며, 지질 합성 경로를 상향 조절하고 고당 식단 비만 모델에서 간 지방증을 유도할 수 있다는 것을 발견했습니다. 다른 연구에서는 백색 지방 조직(WAT)에서 BCAT 2를 녹아웃시키면 WAT의 갈색화와 열 생성 증가를 통해 고지방 식단으로 유도된 비만에 대한 저항성을 부여한다는 것을 보여주었습니다. 기계적으로, BCKAs의 유도체인 아세틸-CoA는 PR 도메인 함유 단백질 16(PRDM16)의 k915 부위를 아세틸화하여 PRDM16과 퍼옥시좀 증식자 활성화 수용체-γ(PPAR-γ)의 상호작용을 억제하여 WAT 특성을 유지합니다. BCAT 2가 녹다운되면, BCKAs와 그 유도체인 아세틸-CoA의 고갈은 WAT의 갈색 지방증과 에너지 소비를 촉진합니다. 또한, Ma 등은 고혈압 치료제인 텔미사르탄이 BCAT2에 직접 결합하여 그 활성을 억제함으로써 비만을 감소시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 최근에는 안지오텐신 II 억제제인 발사르탄이 BCKDH-BCKDK 상호작용을 억제하고, BCKDH 인산화를 감소시키며, 혈장 BCAA 농도를 감소시켜 BCKDH 효소 활성을 증가시킬 수 있다는 것도 발견되었습니다. 발사르탄 외에도 칸데사르탄과 이르베사르탄도 유사한 효과를 가지는 것으로 밝혀졌으며, 이는 이러한 약물들이 BCKDK에 결합하여 BCKDH로부터 분리를 촉진하는 유사한 입체 구조를 가질 수 있음을 시사합니다. BCKDK 억제제는 또한 비만 마우스 모델에서 인슐린 저항성을 완화하는 데 효과적이며, BCAA 이화작용 억제가 필요한 질병을 위해 더 강력한 차세대 BCKDK 억제제 개발이 중요합니다. 또한, 제2형 당뇨병 쥐 모델(OLETF)에서 BCAAs 대사의 속도 제한 효소인 분지사슬 α-케토산 탈수소효소(BCKDH)의 미토콘드리아 외 위치가 보고되었습니다. 이 BCKDH 부분은 소포체(ER)에 존재하며 AMP 탈아미노효소 3(AMPD3)과 상호작용하고 AMPD3에 의해 음성적으로 조절됩니다. AMPD3의 상향 조절은 OLETF 심장에서 에너지 대사를 손상시키는 것으로 보고되었습니다. 이 연구는 AMPD3가 당뇨병 환자의 심근세포에서 AMPD3-BCKDH 발현 불균형을 통해 심장 대사 변화를 유도할 수 있음을 추가로 시사하며, 이 질병의 발달 메커니즘에 대한 새로운 통찰을 제공합니다.

Liver and kidney disease

In patients with cirrhosis, enhanced catabolism of BCAAs, increased glutamate synthesis, and decreased circulating BCAAs levels in a hyperammonemia environment have been suggested as hallmarks of the disease and associated with increased risk of hepatic encephalopathy.73,74 Elevated circulating BCAAs have been detected in nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). Also, this disturbed BCAAs metabolism has a synergistic effect with the development of T2DM.75 Other studies showed that BCAAs supplementation helps restore glucose homeostasis and enhance immune system function in patients with chronic liver disease.76,77,78

In renal disease, circulating BCAAs levels are significantly decreased in patients with chronic renal failure.79,80 This phenomenon has been seen in patients with chronic kidney disease (CKD), and a phase II CKD cohort study found that plasma Leu and valine are significantly decreased in CKD patients compared with normal controls.81 This may be due to decreased BCAAs levels caused by long-term malnutrition and hemodialysis in CKD patients. Metabolic acidosis also enhances branched-chain amino acid dehydrogenase (BCKD) activity and accelerates protein breakdown. However, supplementing BCAAs and other essential amino acids to patients with chronic renal failure can help maintain protein balance and reduce uremic toxicity.82,83,84

간 및 신장 질환

간경변 환자에서는 BCAAs의 이화작용이 향상되고, 글루탐산 합성이 증가하며, 고암모니아혈증 환경에서 순환하는 BCAAs 수치가 감소하는 것이 질병의 특징으로 제안되었으며, 이는 간성 뇌병증 위험 증가와 관련이 있습니다. 비알코올성 지방간 질환(NAFLD)에서는 순환하는 BCAAs 상승이 감지되었습니다. 또한, 이 교란된 BCAAs 대사는 제2형 당뇨병(T2DM) 발달과 시너지 효과를 가집니다. 다른 연구에서는 BCAAs 보충이 만성 간 질환 환자에서 포도당 항상성을 회복하고 면역 체계 기능을 향상시키는 데 도움이 된다고 보여주었습니다. 신장 질환에서는 만성 신부전 환자에서 순환하는 BCAAs 수치가 현저히 감소합니다. 이 현상은 만성 신장 질환(CKD) 환자에서 나타났으며, 2상 CKD 코호트 연구에서는 정상 대조군에 비해 CKD 환자에서 혈장 류신과 발린이 현저히 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 CKD 환자의 장기간 영양실조와 혈액투석으로 인한 BCAAs 수치 감소 때문일 수 있습니다. 대사성 산증은 또한 분지사슬 아미노산 탈수소효소(BCKD) 활성을 향상시키고 단백질 분해를 가속화합니다. 그러나 만성 신부전 환자에게 BCAAs와 기타 필수 아미노산을 보충하면 단백질 균형을 유지하고 요독성 독성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

Aspartate (Asp)

Aspartate metabolism

Asp is an α-amino acid used in protein synthesis that has an α-amino group, an α-carboxylic acid group, and a side-chain carboxamide.85 It is a non-essential amino acid because the body can synthesize it. Oxaloacetate is the precursor of Asp. Transaminase transfers amino groups from glutamate to oxaloacetate, producing α-ketoglutarate and Asp. In Asn synthetase-mediated enzymatic reactions, Gln provides an amino group, which combines with β-aspartate-AMP to form asparagine (Asn) and AMP.86 Asn is an amino acid necessary for brain development. Since Asp in the blood cannot directly pass through the blood-brain barrier, the development of nerve cells depends on its synthesisation in the brain. When the level of Asn synthetase in the brain is insufficient, the proliferation of brain cells will be limited or even leading to cell death.13 In turn, during catabolism, Asn is hydrolyzed by aspartase to Asp, which is then aminated with α-ketoglutarate to form glutamate and oxaloacetic acid. Then oxaloacetic acid enters the citric acid cycle (Fig. 5).86

아스파르트산(Asp)아스파르트산 대사

아스파르트산(Asp)은

단백질 합성에 사용되는 α-아미노산으로, α-아미노기, α-카르복실산기, 그리고 측쇄 카르복사미드를 가지고 있습니다.

체내에서 합성할 수 있기 때문에

비필수 아미노산입니다.

옥살로아세테이트는 Asp의 전구체입니다.

아미노기전이효소는

글루탐산에서 옥살로아세테이트로 아미노기를 전달하여 α-케토글루타르산과 Asp를 생성합니다.

아스파라긴 합성효소가 매개하는 효소 반응에서,

글루타민이 아미노기를 제공하고,

이것이 β-아스파르트산-AMP와 결합하여 아스파라긴(Asn)과 AMP를 형성합니다

. Asn은 뇌 발달에 필요한 아미노산입니다.

혈중 Asp는

혈액-뇌 장벽을 직접 통과할 수 없기 때문에,

신경 세포의 발달은 뇌에서의 합성에 의존합니다.

뇌의 아스파라긴 합성효소 수치가 불충분하면 뇌세포 증식이 제한되거나 심지어 세포 사멸로 이어질 수 있습니다. 반대로, 이화 과정에서 Asn은 아스파르테이스에 의해 Asp로 가수분해되고, 이는 α-케토글루타르산과 아민화되어 글루탐산과 옥살로아세트산을 형성합니다. 그 후 옥살로아세트산은 시트르산 회로로 들어갑니다(그림 5).

Fig. 5

Aspartate, Arginine and Methionine metabolism. Aspartate aminotransferase (ASAT) catalyzes the transfer of amino groups from glutamine to oxaloacetic acid to produce aspartate and α-ketoglutaric acid. Aspartic acid is catalyzed by aspartic synthase (ASNS), and the amino group is provided by glutamine to form asparagine. Aspartic acid can participate in NAD biosynthesis by aspartic oxidase (AO). Aspartate is also involved in the synthesis of Tyrosine and Phenylalanine through its conversion to Arogenate. Aspartic acid can be transformed into Aspartate semialdehyde through aspartic kinase (AK), which further catalyzes o-phospho-l-homoserine (OPLH) to participate in Lysine, Methionine, Threonine, Synthesis of Isoleucine. Arginine in cells is catalyzed by Arginase to produce Ornithine and enter the ornithine cycle. Ornithine transcarbamylase (OTC) catalyzes the production of citrulline in mitochondria. In the cytoplasm, arginine produces citrulline and nitric oxide by nitric oxide synthase (NOS), the first step in the urea cycle. Citrulline is produced by Argininosuccinate synthase (ASS) to arginine, which is catalyzed by Argininosuccinate Lythase (ASL) to produce arginine, and the resultant fumaric acid enters the TCA cycle. In addition, ornithine in mitochondria can be converted from glutamic acid and proline. Methionine can be catalyzed by methionine adenosine transferase (MAT) to produce S-adenosine methionine (SAM). As a methyl donor, SAM participates in the methylation of histones, nucleic acids and proteins under the catalysis of methyltransferase, and produces S-homocysteine (SAH). SAH is catalyzed to produce HOMOcysteine by Adenosylhomocysteinase (AHCY), which may participate in glutathione synthesis (GSH) or in folate recycling and resynthesis of methionine via methionine synthase (MS). In the methionine remedial synthesis pathway, SAM participates in polyamine metabolism via Adenosylmethionine decarboxylase 1 (AMD1), 5,-methylthioadenosine (MTA) is produced and then phosphorylase is re-synthesized through 5-methylthioadenosine (MTAP) and the subsequent reaction. Created with BioRender.com. (The dotted line represents the intermediate process omission)

Asp is also a metabolite of the urea cycle, carrying reduction equivalents in the malate-Asp shuttle, providing nitrogen atoms in inosine synthesis, and acting as a hydrogen acceptor in ATP synthesis. Asp is also the precursor of four essential amino acids (methionine, threonine, lysine, and isoleucine). Asp can also act as an amino acid exchange factor, becoming a medium for amino acids in and out of cells, especially histidine, arginine and serine. Asp regulates serine metabolism, nucleotide synthesis, and mTORC1 activity through amino acid exchange factor function.87

그림 5. 아스파르트산, 아르기닌 및 메티오닌 대사. 아스파르트산 아미노기전이효소(ASAT)는 글루타민에서 옥살로아세트산으로 아미노기를 전달하여 아스파르트산과 α-케토글루타르산을 생성하는 반응을 촉매합니다. 아스파르트산은 아스파르트산 합성효소(ASNS)에 의해 촉매되며, 아미노기는 글루타민에서 제공되어 아스파라긴을 형성합니다. 아스파르트산은 아스파르트산 산화효소(AO)에 의해 NAD 생합성에 참여할 수 있습니다. 아스파르트산은 또한 아로겐산으로 전환되어 티로신과 페닐알라닌 합성에 관여합니다. 아스파르트산은 아스파르트산 키나아제(AK)를 통해 아스파르트산 세미알데히드로 변형될 수 있으며, 이는 O-포스포-L-호모세린(OPLH)을 추가로 촉매하여 라이신, 메티오닌, 트레오닌, 이소류신 합성에 참여합니다. 세포 내 아르기닌은 아르기나아제에 의해 촉매되어 오르니틴을 생성하고 오르니틴 회로로 들어갑니다. 오르니틴 트랜스카르바밀라아제(OTC)는 미토콘드리아에서 시트룰린 생성을 촉매합니다. 세포질에서 아르기닌은 산화질소 합성효소(NOS)에 의해 시트룰린과 산화질소를 생성하며, 이는 요소 회로의 첫 번째 단계입니다. 시트룰リン은 아르기니노숙신산 합성효소(ASS)에 의해 아르기닌으로 생성되고, 이는 아르기니노숙신산 리아제(ASL)에 의해 촉매되어 아르기닌을 생성하며, 생성된 푸마르산은 TCA 회로로 들어갑니다. 또한, 미토콘드리아의 오르니틴은 글루탐산과 프롤린으로부터 전환될 수 있습니다. 메티오닌은 메티오닌 아데노신 전이효소(MAT)에 의해 촉매되어 S-아데노신 메티오닌(SAM)을 생성할 수 있습니다. 메틸 공여체로서 SAM은 메틸전이효소의 촉매 작용 하에 히스톤, 핵산, 단백질의 메틸화에 참여하고, S-호모시스테인(SAH)을 생성합니다. SAH는 아데노실호모시스테이나아제(AHCY)에 의해 촉매되어 호모시스테인을 생성하며, 이는 글루타티온 합성(GSH)에 참여하거나 엽산 재활용 및 메티오닌 합성효소(MS)를 통해 메티오닌을 재합성하는 데 참여할 수 있습니다. 메티오닌 구제 합성 경로에서 SAM은 아데노실메티오닌 탈카르복실효소 1(AMD1)을 통해 폴리아민 대사에 참여하고, 5'-메틸티오아데노신(MTA)이 생성된 후 포스포릴라아제를 통해 5-메틸티오아데노신(MTAP)과 후속 반응을 거쳐 재합성됩니다. (BioRender.com으로 제작) (점선은 중간 과정 생략을 나타냄)

Asp는 또한 요소 회로의 대사산물이며, 말산-Asp 셔틀에서 환원 당량을 운반하고, 이노신 합성에서 질소 원자를 제공하며, ATP 합성에서 수소 수용체로 작용합니다. Asp는 또한 네 가지 필수 아미노산(메티오닌, 트레오닌, 라이신, 이소류신)의 전구체입니다. Asp는 또한 아미노산 교환 인자로 작용하여 세포 안팎의 아미노산, 특히 히스티딘, 아르기닌, 세린의 매개체가 될 수 있습니다. Asp는 아미노산 교환 인자 기능을 통해 세린 대사, 뉴클레오티드 합성 및 mTORC1 활성을 조절합니다.

Aspartate in cancer

TP53 is a gene with the highest mutation frequency in human cancer. The protein p53 encoded by this gene inhibits the development of tumors through the regulation of the cell cycle, apoptosis, genomic stability and other pathways.88,89,90 Deng et al. reported that Asp and Asn in colon cancer cell lines could inhibit their activities by binding to LKB1 (encoding filament, threonine kinase, and direct phosphorylation of protein products to activate AMPK), thus inhibiting AMPK-mediated p53 activation.91 Activation of p53 can disrupt Asp-Asn homeostasis and promote cell senescence and cycle arrest in lymphoma and colorectal tumor models.91 Under hypoxia, Asp is a limiting factor for tumor growth. Hypoxia inhibits the electron transport chain (ETC), affecting energy and Asp synthesis. Garcia-Bermudez et al. studied the sensitivity of tumor cells to mitochondrial ETC inhibitors and found that tumor cells insensitive to ETC inhibition maintain intracellular Asp concentrations through the Asp/glutamate transporter SLC1A3, which gives tumor cells a survival advantage.92 In another study on tumor metabolism, Sullivan et al. found that Asp synthesis was a limiting factor for bladder cancer growth when oxygen was lacking in the environment. In bladder cancer cells, the poor permeability of Asp cells prevents the uptake of Asp by tumor cells from the environment. While cells have higher permeability with Asn than Asp, the activity of asparaginase in bladder cancer cells was insufficient, which could not convert Asn into Asp.93 After using guinea pig asparaginase 1 (gpASNase1) to promote the conversion of Asn to Asp in tumor cells, the growth rate of tumor cells was significantly increased, suggesting that Asp acquisition is an endogenous metabolic limitation in tumors with difficult Asp acquisition.93 It was suggested that Asp is an intrinsic limit to the growth of some tumors in vivo, and breaching this limit will promote tumor growth. The Asp-glutamate transporter SLC1A3 is closely associated with the effect of ETC inhibitors, and the SLC1A3 site is amplified in subclusters of non-glial epithelial tumors and thus against aspartic restriction.92 Sun et al. found that SLC1A3 promotes breast cancer cells to L-asparaginase (ASNase) resistance. Also, ASNase consumption of Asp and glutamate could be supplemented by SLC1A3, thus eliminating the inhibitory effect of ASNase and promoting tumor development.94 Furthermore, Xu et al. confirmed that overexpressed SLC1A3 in gastric cancer activates the PI3K/AKT pathway, upregulates the expression‎ levels of Glucose transporter 1 (GLUT1), Hexokinase 2 (HK2), and Lactate dehydrogenase A (LDHA), and promotes the growth of gastric cancer, while treatment with the PI3K/AKT inhibitor LY294002 could inhibit the growth-promoting effect of SLC1A3 overexpression‎ on gastric cancer.95 Moreover, Wong et al. found that another amino acid transporter, SLC25A22, could promote Asp synthesis, activate the AMPK pathway and reduce oxidative stress in KRAS mutant colorectal cancer (CRC) cells (Fig. 6).96 These studies have shown that AATs are potential targets for tumor metabolic reprogramming. Drugs currently being tested that target AATs are shown in (Table 1).

암에서의 아스파르트산

TP53은 인간 암에서 돌연변이 빈도가 가장 높은 유전자입니다. 이 유전자에 의해 암호화된 p53 단백질은 세포 주기, 세포 사멸, 게놈 안정성 및 기타 경로의 조절을 통해 종양의 발달을 억제합니다. Deng 등은 결장암 세포주에서 Asp와 Asn이 LKB1(필라멘트, 트레오닌 키나아제를 암호화하고, 단백질 산물을 직접 인산화하여 AMPK를 활성화)에 결합하여 그 활동을 억제함으로써 AMPK 매개 p53 활성화를 억제할 수 있다고 보고했습니다. p53의 활성화는 Asp-Asn 항상성을 교란시키고 림프종 및 결장직장 종양 모델에서 세포 노화와 주기 정지를 촉진할 수 있습니다. 저산소 상태에서 Asp는 종양 성장의 제한 인자입니다. 저산소증은 전자전달계(ETC)를 억제하여 에너지 및 Asp 합성에 영향을 미칩니다. Garcia-Bermudez 등은 미토콘드리아 ETC 억제제에 대한 종양 세포의 민감도를 연구하고, ETC 억제에 둔감한 종양 세포는 Asp/글루탐산 수송체 SLC1A3을 통해 세포 내 Asp 농도를 유지하여 종양 세포에 생존 이점을 제공한다는 것을 발견했습니다. 종양 대사에 관한 다른 연구에서, Sullivan 등은 환경에 산소가 부족할 때 Asp 합성이 방광암 성장의 제한 인자임을 발견했습니다. 방광암 세포에서 Asp 세포의 낮은 투과성은 종양 세포가 환경으로부터 Asp를 흡수하는 것을 방지합니다. 세포가 Asp보다 Asn에 대한 투과성이 높지만, 방광암 세포의 아스파라기나아제 활성은 불충분하여 Asn을 Asp로 전환할 수 없었습니다. 기니피그 아스파라기나아제 1(gpASNase1)을 사용하여 종양 세포에서 Asn을 Asp로 전환하도록 촉진한 후, 종양 세포의 성장 속도가 현저히 증가했으며, 이는 Asp 획득이 어려운 종양에서 Asp 획득이 내인성 대사 제한임을 시사합니다. 이는 Asp가 생체 내 일부 종양 성장의 내인성 한계이며, 이 한계를 넘으면 종양 성장을 촉진할 것임을 시사합니다. Asp-글루탐산 수송체 SLC1A3은 ETC 억제제의 효과와 밀접한 관련이 있으며, SLC1A3 부위는 비-교질 상피 종양의 하위 클러스터에서 증폭되어 아스파르트산 제한에 저항합니다. Sun 등은 위암에서 과발현된 SLC1A3이 PI3K/AKT 경로를 활성화하고, 포도당 수송체 1(GLUT1), 헥소키나아제 2(HK2), 젖산 탈수소효소 A(LDHA)의 발현 수준을 상향 조절하며 위암의 성장을 촉진하는 반면, PI3K/AKT 억제제 LY294002 치료는 SLC1A3 과발현이 위암에 미치는 성장 촉진 효과를 억제할 수 있음을 발견했습니다. 더욱이, Wong 등은 다른 아미노산 수송체인 SLC25A22가 KRAS 돌연변이 결장직장암(CRC) 세포에서 Asp 합성을 촉진하고, AMPK 경로를 활성화하며 산화 스트레스를 감소시킬 수 있다는 것을 발견했습니다(그림 6). 이러한 연구들은 AATs가 종양 대사 재프로그래밍의 잠재적인 표적임을 보여주었습니다. 현재 AATs를 표적으로 시험 중인 약물은 (표 1)에 나와 있습니다.

Fig. 6

Aspartate metabolism in solid tumor. The high expression‎ of SLC1A3 in tumor cells promoted the absorption of aspartate, supplemented the low aspartate state caused by ASNase, and produced resistance to ASNase therapy. SLC25A22 expressed on mitochondria can increase the intake of mitochondrial aspartate, promote mitochondrial function and reduce oxidative stress. KRAS activates NRF2-ATF4 axis through PI3K/AKT signaling pathway, promotes ASNS transcription and increases intracellular asparagine concentration. Asparagine (Asn) can bind to SRC family tyrosine kinase LCK to assist in phosphorylation of LCK at Tyr394. Enhance LCK activity and T cell receptor signaling, and promote AKT, RAS activation. Asparagine can inhibit AMPK signaling pathway activity by binding to LKB1. In T lymphocytic leukemia cells, ATF4 binds to ASNS gene promoter through ZBTB1 (Zinc Finger and BTB domain-containing protein 1), promotes ASNS transcription, increases intracellular Asparagine concentration. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 6. 고형 종양에서의 아스파르트산 대사. 종양 세포에서 SLC1A3의 높은 발현은 아스파르트산 흡수를 촉진하고, ASNase에 의해 유발된 낮은 아스파르트산 상태를 보충하며, ASNase 치료에 대한 저항성을 생성했습니다. 미토콘드리아에 발현된 SLC25A22는 미토콘드리아 아스파르트산 섭취를 증가시키고, 미토콘드리아 기능을 촉진하며 산화 스트레스를 감소시킬 수 있습니다. KRAS는 PI3K/AKT 신호 전달 경로를 통해 NRF2-ATF4 축을 활성화하고, ASNS 전사를 촉진하며 세포 내 아스파라긴 농도를 증가시킵니다. 아스파라긴(Asn)은 SRC 계열 티로신 키나아제 LCK에 결합하여 Tyr394에서 LCK의 인산화를 돕고, LCK 활성과 T 세포 수용체 신호를 향상시키며, AKT, RAS 활성화를 촉진합니다. 아스파라긴은 LKB1에 결합하여 AMPK 신호 전달 경로 활성을 억제할 수 있습니다. T 림프구성 백혈병 세포에서 ATF4는 ZBTB1(아연 집게 및 BTB 도메인 함유 단백질 1)을 통해 ASNS 유전자 프로모터에 결합하여 ASNS 전사를 촉진하고, 세포 내 아스파라긴 농도를 증가시킵니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

Table 1 Drugs that target amino acid metabolism in clinical trials

Table 1 Drugs that target amino acid metabolism in clinical trials

From: Amino acid metabolism in health and disease

NameResearch and development codeTargetDiseasePhaseTrial registration number

AXA1125	AXA-1125		NAFLD		NCT04073368
			NASH	Phase 2	NCT04880187
			COVID-19	Phase 2	NCT05152849
BCAT 1 Inhibitor	ERG-24; ERG-245	Basigin (BSG); Branched Chain Amino Acid Transaminase 1 (BCAT1); Matrix Metallopeptidase 2 (MMP2); Matrix Metallopeptidase 9 (MMP9)	cancer/rheumatoid arthritis	Pre-clinical
BCAT2 modulator		Branched Chain Amino Acid Transaminase 2 (BCAT2)	organic acidemia/diabetes mellitus	Pre-clinical
BCKDK inhibitor		Branched Chain Keto Acid Dehydrogenase Kinase (BCKDK)	Insulin resistance; Maple glycosuria; Metabolic disorder; Type 2 diabetes	Pre-clinical
Nanvuranlat	JPH-203	L-type amino acid transporter 1 (LAT1)	Biliary tract carcinoma; Skin allergy; Solid tumor	Phase 2
4-L-[131I]iodo-phenylalanine	131I-ACD-101	L-type amino acid transporter 1 (LAT2)	glioblastoma	Phase 2	NCT03849105
QBS-10072S	QBS-10072S	L-type amino acid transporter 1 (LAT3)	Advanced solid tumor; Astrocytoma; Cholangiocarcinoma; Glioblastoma; Mesothelioma; Metastatic bladder cancer; Metastatic brain tumor; Metastatic breast cancer; Metastatic colorectal cancer; Metastatic esophageal carcinoma; Metastatic head and neck cancer; Metastatic liver cancer; Metastatic lung cancer; Metastatic ovarian cancer; Metastatic pancreatic cancer; Metastatic prostate cancer; Metastatic renal cell carcinoma; Metastatic gastric cancer; Metastatic urinary tract carcinoma; Sarcoma; Stage IV melanoma; Thymus tumor; Tongue disease; Cervical cancer	Phase 2	NCT04430842
O-(2-[18F] fluoroethyl)-L-tyrosine	TLX101-CDx	L-type amino acid transporter 1 (LAT4)	Glioblastoma; glioma	Clinical	NCT05632562; NCT03451123; NCT03216148; NCT02286531; NCT01579253; NCT01443676
4-L-[124I] iodo-L-phenylalanine	124I-ACD-101	L-type amino acid transporter 1 (LAT5)	Brain tumor	Phase 1
astatinated IPA	211At-TLX-102	L-type amino acid transporter 1 (LAT6)	Multiple myeloma	Pre-clinical
R-OKY-034F	OKY-034	L-type amino acid transporter 1 (LAT7)	Pancreatic tumor	Phase 2
[18F] AA-7	[18 F] NKO-028	L-type amino acid transporter 1 (LAT8)	Cancer; glioma	Clinical
Crisantaspase	JZP-341	Asparaginase	Acute lymphoblastic leukemia; Adenocarcinoma; Advanced solid tumor; Hematologic tumor; Metastatic colorectal cancer	Pre-clinical
L-asparaginase	ERY-001	Asparaginase	Metastatic breast cancer; Metastatic pancreatic cancer; Ductal adenocarcinoma of pancreas; Solid tumor	Phase 3	NCT05660473; NCT05631327; NCT05581030; NCT05326984; NCT05326516; NCT04956666; NCT03618238
Pegaspargase biosimilar	PF-690	Asparaginase	Acute lymphoblastic leukemia; hematoma	Pre-clinical
PJ-017	PJ-017	Asparaginase	Advanced solid tumor	Pre-clinical
Pegargiminase	ADI-PEG-20	Arginine deiminase (ADI)	Acute myelogenous leukemia; Advanced solid tumor; Glioblastoma; Glioma; Hepatocellular carcinoma; Melanoma; Mesothelioma; Metastatic pancreatic cancer; Non-small cell lung cancer; Prostate tumor; Soft tissue sarcoma; Solid tumor; Uveal melanoma	Phase 3	NCT05616624; NCT05001828; NCT04587830; NCT03449901
Pegzilarginase	AEB-1102	Arginase 1 (ARG1)	Acute myelogenous leukemia; Amino acid and protein metabolism disorders; Melanoma; Myelodysplastic syndrome; Small cell lung cancer; Uveal melanoma	New drug marketing application
Eryminase		Arginine deiminase (ADI)	Protein metabolism disorder	Pre-clinical
PFI-102	PFI-102	Peptidyl Arginine Deiminase 4 (PADI4)	Rheumatoid arthritis; Systemic lupus erythematosus	Pre-clinical
JBI-1044	JBI-1044	Peptidyl Arginine Deiminase 4 (PADI4)	Autoimmune disease; Cancer; Novel coronavirus pneumonia infection (COVID-19); Hidradenitis suppurativa; Inflammatory disease; Metastatic liver cancer; Rheumatoid arthritis; vasculitis	Pre-clinical
Arginine-depleting enzym	NEI-01		Acute myelogenous leukemia; Advanced solid tumor	Phase 1	NCT05226468
PEGylated arginine degrading enzymes	PJ-016	Arginase (ARG)	Metastatic carcinoma	Drug discovery
TNG-462	TNG-462	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Cholangiocarcinoma; Mesothelioma; Metastatic non-small cell lung cancer; Neuro-tumor; Solid tumor	Pre-clinical
AMG-193	AMG-193	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Non-small cell lung cancer	Phase 2	NCT05094336
MRTX-9768	MRTX-9768	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	cancer	Pre-clinical
TNG-908	TNG-908	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Bladder cancer; Cholangiocarcinoma; Glioblastoma; Mesothelioma; Metastatic non-small cell lung cancer; Neuro-tumor; Squamous cell carcinoma	Phase 2	NCT05275478
PRT-543	PRT-543	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Acute myelogenous leukemia; Adenomatoid tumor; Advanced solid tumor; Breast tumor; Chronic granular monocytic leukemia; Diffuse large B-cell lymphoma; Hematologic tumor; Mantle cell lymphoma; Myelodysplastic syndrome; Myelofibrosis; Non-small cell lung cancer; Ovarian tumor; Spina bifida; Uveal melanoma	Phase 1	NCT03886831
PRT-811	PRT-811	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Brain tumor; Glioblastoma; Glioma; myelofibrosis	Phase 1	NCT04089449
MRTX-1719	MRTX-1719	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor	Phase 2	NCT05245500
Onametostat	JNJ-64619178	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Myelodysplastic syndrome; Non-hodgkin’s lymphoma	Phase 1	NCT03573310
PRMT-5 inhibitors	CTx-0262135	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Cancer; hematopathy	Drug discovery
SKL-27969	SKL-27969	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor	Phase 2	NCT05388435
SYHX-2001	SYHX-2001	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Acute myelogenous leukemia; Adenomatoid tumor; Advanced solid tumor; Hematologic tumor; Melanoma; Pancreatic tumor	Phase 1	NCT05407909
GSK-3226593	GSK-3226593	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Soft tissue sarcoma	Pre-clinical
SH-3765	SH-3765	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Non-hodgkin’s lymphoma	Phase 1	NCT05015309
AM-9747	AM-9747	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Cancer	Pre-clinical
PF-06939999	PF-06939999	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Endometrial carcinoma; Metastatic bladder cancer; Metastatic esophageal carcinoma; Metastatic head and neck cancer; Metastatic non-small cell lung cancer; Squamous cell carcinoma; Cervical cancer	Phase 1	NCT03854227
AGX-323	AGX-323	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Cancer	Pre-clinical
ALG-070043	ALG-070043	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Hepatocellular carcinoma; Non-small cell lung cancer	Pre-clinical
PRT-220	PRT-220	Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Graft versus host disease	Pre-clinical
OATD-02	OATD-02	Arginase 1 (ARG1); Arginase 2 (ARG2)	Advanced solid tumor; Metastatic colorectal cancer; Metastatic ovarian cancer; Metastatic pancreatic cancer; Metastatic renal cell carcinoma	Phase 1	NCT05759923
IO-112	IO-112	Arginase 1 (ARG1)	Solid tumor	Phase 1	NCT03689192
Resminostat	YHI-1001	Arginase 1 (ARG1); Histone deacetylase (HDAC); Histone Deacetylase 1 (HDAC1); Histone Deacetylase 2 (HDAC2); Histone Deacetylase 3 (HDAC3); Histone Deacetylase 6 (HDAC6)	Biliary tract tumor; Cholangiocarcinoma; Colorectal cancer; Cutaneous T-lymphoblastoma; Gallbladder tumor; Hepatocellular carcinoma; Hodgkin,s lymphoma; Mycosis fungoides; Non-small cell lung cancer; Pancreatic neoplasm; Sezary syndrome; Solid tumor	Phase 2	NCT02400788
CB-280	CB-280	Arginase (ARG)	Cystic fibrosis	Phase 1	NCT04279769
Arginase inhibitor	AZD-0011	Arginase (ARG)	Cancer	Pre-clinical
Numidargistat	INCB-01158	Arginase (ARG); T cell receptor gene (TCR)	Advanced solid tumor; Biliary tract carcinoma; Bladder cancer; Cancer; Colorectal cancer; Endometrial carcinoma; Esophageal tumor; Head and neck tumors; Lung tumor; Melanoma; Mesothelioma; Multiple myeloma; Non-small cell lung cancer; Ovarian tumor; Renal cell carcinoma; Squamous cell carcinoma; Gastric tumor; Transitional cell carcinoma	Phase 2	NCT03314935; NCT02903914
OATD-05	OATD-05	Arginase (ARG)	Cancer	Drug discovery
Pegylated, cobalt-replaced human arginase	PT-01	Arginase (ARG)	Cancer; Metastatic carcinoma; Metastatic liver cancer; Stage III melanoma; Stage IV melanoma	Phase 1	NCT04136834
Bicyclic arginase inhibitors		Arginase 1 (ARG1)	Cancer	Pre-clinical
C-0021158	C-0021158	Arginase 2 (ARG2)	Cancer	Drug discovery
Pegylated human arginase	PEG-BCT-100	Arginase (ARG)	Acute lymphoblastic leukemia; Acute myelogenous leukemia; Advanced solid tumor; Cancer; Glioma; Hepatocellular carcinoma; Hormone-resistant prostate cancer; Neuroblastoma; Renal cell carcinoma; Retinopathy; Sarcoma; Stage IV melanoma	Phase 2	NCT03455140; NCT02899286; NCT02285101; NCT02089633; NCT02089763; NCT01092091; NCT00988195
AB-474	AB-474	Arginase 1 (ARG1)	Cancer	Pre-clinical
ZB-49-0010	ZB-49-0010	Arginase 2 (ARG2)	Atherosclerosis; Cardiovascular diseases; hypertension	Pre-clinical
SCR-6920	SCR-6920	Methylthioadenosine Phosphorylase (MTAP); protein arginine N-methyltransferase (PRMT); Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5)	Advanced solid tumor; Hematologic tumor; Metastatic non-small cell lung cancer; Non-hodgkin,s lymphoma	Phase 1	NCT05528055
Telaglenastat hydrochloride	CB-839	Glutaminase (GLS)	Cervical cancer	Pre-clinical
Sirpiglenastat	DRP-104	Glutaminase (GLS)	Advanced solid tumor; Autoimmune disease; Cancer; AIDS related dementia syndrome; Inflammatory disease; Laryngeal tumor; Lung tumor; Metastatic non-small cell lung cancer; Oral tumor; Throat tumor; Squamous cell carcinoma; Urinary tract tumor	Phase 2	NCT04471415
IPN-60090	IPN-60090	Glutaminase (GLS)	Ovarian tumor	Pre-clinical
Macrocyclic glutaminase 1		Glutaminase (GLS)	Advanced solid tumor	Pre-clinical
BPTES	D-JHU-29	Glutaminase (GLS)	Breast tumor; Hematologic tumor; Pancreatic neoplasm; Rett syndrome	Pre-clinical
RP-10107	RP-10107	Glutaminase (GLS)	Solid tumor	Pre-clinical
DRP-367	DRP-367	Glutaminase (GLS)	Autoimmune disease; Cancer; Inflammatory disease	Drug discovery
Tiptuximab		Glutaminase (GLS)	Cancer; Non-small cell lung cancer	Pre-clinical
Kidney mitochondrial glutaminase inhibitors		Glutaminase (GLS)	Cancer	Pre-clinical
Sirpiglenastat	JHU-083	Glutaminase (GLS)	Advanced solid tumor; Autoimmune disease; Cancer; AIDS related dementia syndrome; Inflammatory disease; Laryngeal tumor; Lung tumor; Metastatic non-small cell lung cancer; Oral tumor; Throat tumor; Squamous cell carcinoma; Urinary tract tumor	Phase 2
xCT inhibitor		Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Ovarian tumor	Pre-clinical
Florilglutamic acid (18F)	BAY-94–9392	Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Cancer; Hepatocellular carcinoma	Phase 1
DC-10	DC-10	Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Cancer	Pre-clinical
AX-09	AX-09	Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Colorectal cancer; Metastatic breast cancer; Non-small cell lung cancer	Pre-clinical
xCT-mAb	AbX-09	Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Colorectal cancer; Metastatic breast cancer; Non-small cell lung cancer	Pre-clinical
Cysteine/cystine	PR0–071	Solute Carrier Family 7 Member 11 (SLC7A11)	Central nervous system diseases; Impulse control disorder; Obsessive compulsive disorder; Schizophrenia; trichotillomania	Phase 2
MEDI-7247	MEDI-7247	Solute Carrier Family 1 Member 5 (SLC1A5)	Hematologic malignancy	Phase 1	NCT03811652; NCT03106428
IDE-397	IDE-397	Methionine Adenosyltransferase 2A (MAT2A)	Advanced solid tumor; Metastatic bladder cancer; Metastatic esophageal carcinoma; Metastatic head and neck cancer; Metastatic non-small cell lung cancer; Metastatic pancreatic cancer; Metastatic gastric cancer	Phase 2	NCT04794699
S-95035	S-95035	Methionine Adenosyltransferase 2A (MAT2A)	Solid tumor	Pre-clinical
AG-270	AG-270	Methionine Adenosyltransferase 2A (MAT2A)	Advanced solid tumor; Lymphoma; Metastatic non-small cell lung cancer; Ductal adenocarcinoma of pancreas	Phase 1	NCT03435250
SCR-7952	SCR-7952	Methionine Adenosyltransferase 2A (MAT2A)	Cancer; Solid tumor	Pre-clinical
S-095033	S-095033	Methionine Adenosyltransferase 2A (MAT2A)	Metastatic esophageal carcinoma; Squamous cell carcinoma	Pre-clinical
Evexomostat	SDX-7320	Methionyl Aminopeptidase 2 (METAP2)	Cancer; Hepatocellular carcinoma; Idiopathic pulmonary fibrosis; Metastatic breast cancer; Metastatic colorectal cancer; Metastatic non-small cell lung cancer; Metastatic prostate cancer; Type 2 diabetes mellitus; Prostatic tumor	Phase 2	NCT05570253; NCT02743637
APL-1202	APL-1202	Methionyl Aminopeptidase 2 (METAP2)	Bladder cancer	Phase 3	NCT04813107; NCT04736394; NCT04601766; NCT04498702; NCT04490993; NCT03672240
M-8891	M-8891	Methionyl Aminopeptidase 2 (METAP2)	Advanced solid tumor; cancer	Phase 1
SDX-7195	SDX-7195	Methionyl Aminopeptidase 2 (METAP2)	Metabolic disorder	Pre-clinical	NCT04073368

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Asparagine has received extensive attention as a new target for cancer treatment. Knott et al. reported that the expression‎ level of asparagine synthetase (ASNS) in breast cancer is closely related to metastatic recurrence and that inhibition of ASNS or restriction of dietary Asn can reduce tumor metastasis.97 In non-small cell lung cancer (NSCLC), activating transcription factor 4 (ATF4) can alter amino acid uptake and increase Asn synthesis through AKT and NRF2 downstream of KRAS. In addition, the use of AKT inhibitors in combination with extracellular asparagine (ASN) depletion can significantly inhibit tumor growth (Fig. 6).98

Asn also has a key role in the growth and function of immune cells. Hope et al. found that CD8+T cells hardly express asparagine synthase (ASNS) during the early stage of CD8+T cell activation and that the growth, activation, and metabolic reprogramming of CD8+T cells are disrupted in the context of Asn deprivation.99 Wu et al. also demonstrated that Asn levels are increased in activated CD8+T cells and bind to the SRC family tyrosine kinase LCK, assisting in the phosphorylation of LCK at Tyr394 and 505, enhancing LCK activity and T-cell receptor signaling.100 Asn also has a key role in hematological malignancies. Williams et al. found that activating transcription factor 4 (ATF4) binds to the ASNS gene promoter through Zinc Finger and BTB domain-containing protein 1 (ZBTB1) to promote ASNS transcription in drug-resistant T-cell leukemia. However, ZBTB1 null T-cell leukemia cells are sensitive to ASNase (Fig. 6).101 The current use of bacterial-derived L-asparaginase (ASNase) in pediatric acute lymphoblastic leukemia (ALL) has significantly improved cure rates.102 However, in solid tumors, several clinical trials have shown the occurrence of drug-related toxic side effects such as pancreatitis, neutropenia, and hypoproteinemia.103,104,105 These toxic side effects are caused, at least in part, by the synergistic activity of glutaminase in ASNase.106,107 Based on the purpose of improving the efficacy of ASNase in hematological malignancies, expanding the use of ASNase and reducing side effects, a new generation of ASNase is being developed (Tables 1, 2).

표 1. 임상 시험 중인 아미노산 대사 표적 약물

아스파라긴은 암 치료의 새로운 표적으로 광범위한 주목을 받았습니다. Knott 등은 유방암에서 아스파라긴 합성효소(ASNS)의 발현 수준이 전이성 재발과 밀접한 관련이 있으며, ASNS 억제나 식이 Asn 제한이 종양 전이를 감소시킬 수 있다고 보고했습니다. 비소세포폐암(NSCLC)에서 활성화 전사 인자 4(ATF4)는 KRAS의 하류인 AKT와 NRF2를 통해 아미노산 흡수를 변경하고 Asn 합성을 증가시킬 수 있습니다. 또한, AKT 억제제와 세포 외 아스파라긴(ASN) 고갈을 병용하면 종양 성장을 현저히 억제할 수 있습니다(그림 6). Asn은 또한 면역 세포의 성장과 기능에 핵심적인 역할을 합니다. Hope 등은 CD8+T 세포가 CD8+T 세포 활성화 초기 단계에서 아스파라긴 합성효소(ASNS)를 거의 발현하지 않으며, Asn 결핍 상황에서 CD8+T 세포의 성장, 활성화, 대사 재프로그래밍이 방해받는다는 것을 발견했습니다. Wu 등은 또한 활성화된 CD8+T 세포에서 Asn 수치가 증가하고 SRC 계열 티로신 키나아제 LCK에 결합하여 Tyr394와 505에서 LCK의 인산화를 돕고, LCK 활성과 T세포 수용체 신호를 향상시킨다는 것을 입증했습니다. Asn은 또한 혈액암에서도 핵심적인 역할을 합니다. Williams 등은 활성화 전사 인자 4(ATF4)가 약물 저항성 T세포 백혈병에서 아연 집게 및 BTB 도메인 함유 단백질 1(ZBTB1)을 통해 ASNS 유전자 프로모터에 결합하여 ASNS 전사를 촉진한다는 것을 발견했습니다. 그러나 ZBTB1이 없는 T세포 백혈병 세포는 ASNase에 민감합니다(그림 6). 현재 소아 급성 림프구성 백혈병(ALL)에서 세균 유래 L-아스파라기나아제(ASNase)를 사용하는 것은 치료율을 크게 향상시켰습니다. 그러나 고형 종양에서는 여러 임상 시험에서 췌장염, 호중구 감소증, 저단백혈증과 같은 약물 관련 독성 부작용이 발생했습니다. 이러한 독성 부작용은 적어도 부분적으로 ASNase의 글루타미나아제 시너지 활성에 기인합니다. 혈액암에서 ASNase의 효능을 개선하고, ASNase의 사용을 확장하며 부작용을 줄이는 목적으로 차세대 ASNase가 개발되고 있습니다(표 1, 2).

Table 2 Approved drugs targeting amino acid metabolism

Aspartate in disease

Immune disease

Abnormal metabolism of immune cells in autoimmune diseases can promote the chemotaxis of inflammatory cells and the production of inflammatory factors. In rheumatoid arthritis (RA), overproduction of the cytokine tumor necrosis factor (TNF) is a central event in pathogenesis, and endoplasmic reticulum (ER) rich T cells are the major releasers of TNF in inflamed joints.108,109 Wu et al. found that the abundance of mitochondrial Asp in T cells in rheumatoid arthritis (RA) was decreased, which inhibited NAD+ turnover, resulting in a decrease in NAD+/NADH ratio and a reduction in ADP-ribosylation of proteins which is NAD+ dependent. The absence of ADP ribosylation of the endoplasmic reticulum (ER) chaperone BiP releases ER stress proteins, driving ER dilation and TNF production. Moreover, treating T cells in rheumatoid arthritis with exogenous NAD+ or Asp prevents ER expansion and suppresses RA inflammation.12

The treatment strategy for RA and other autoimmune diseases is to use antibodies to block cytokines or their receptors. The latest small molecule inhibitors are targeted Janus kinase (JAK) inhibitors.110 These therapeutic strategies are designed to block the downstream practice of inflammatory pathways. However, these downstream signaling pathways are widely distributed in cell types other than immune cells, which contributes to adverse events such as thrombosis.111,112 Therefore, the research on upstream inflammation in autoimmune diseases is helpful in preventing the development of the disease from the source.

질병에서의 아스파르트산

면역 질환

자가면역 질환에서 면역 세포의 비정상적인 대사는 염증 세포의 화학 주성과 염증 인자 생성을 촉진할 수 있습니다. 류마티스 관절염(RA)에서 사이토카인 종양 괴사 인자(TNF)의 과잉 생산은 병인 발생의 중심 사건이며, 소포체(ER)가 풍부한 T 세포는 염증이 있는 관절에서 TNF의 주요 방출원입니다. Wu 등은 류마티스 관절염(RA) T 세포에서 미토콘드리아 Asp의 양이 감소하여 NAD+ 전환을 억제하고, 이로 인해 NAD+/NADH 비율이 감소하며, NAD+ 의존적인 단백질의 ADP-리보실화가 감소한다는 것을 발견했습니다. 소포체(ER) 샤페론 BiP의 ADP 리보실화가 없으면 ER 스트레스 단백질이 방출되어 ER 팽창과 TNF 생산을 유도합니다. 더욱이, 류마티스 관절염 T 세포를 외인성 NAD+나 Asp로 처리하면 ER 팽창을 예방하고 RA 염증을 억제합니다. RA 및 기타 자가면역 질환의 치료 전략은 항체를 사용하여 사이토카인이나 그 수용체를 차단하는 것입니다. 최신 소분자 억제제는 표적화된 야누스 키나아제(JAK) 억제제입니다. 이러한 치료 전략은 염증 경로의 하류 실천을 차단하도록 설계되었습니다. 그러나 이러한 하류 신호 전달 경로는 면역 세포 외의 세포 유형에 널리 분포되어 있어 혈전증과 같은 부작용에 기여합니다. 따라서 자가면역 질환의 상류 염증에 대한 연구는 질병의 근원적인 발달을 예방하는 데 도움이 됩니다.

Neurological disease

Asparagine synthesis disorder (ASD) is a newly discovered neurological disorder associated with mutations in the ASNS gene on chromosome 7q2. ASD seriously impacts early neurodevelopment, leading to intellectual disability, developmental delay, intractable seizures, progressive brain atrophy and respiratory defects.13,14,15,16,17,18 Currently, the disease can only be diagnosed by DNA sequencing, and only a subset of individuals have detectable reductions in Asn levels in serum and cerebrospinal fluid, hindering the use of this test for initial screening. Because Asn does not actively accumulate in the brain due to the blood-brain barrier, reduced activity of ASNS in the brain is thought to contribute to the disease.13,14 So far, 15 ASD-related mutations have been reported, some of which disrupt the protein structure and reduce the substrate binding ability and catalytic efficiency of ASNS. For example, R49Q is a mutation located in the Gln-binding pocket of the N-terminal domain, and this mutation causes the loss of hydrogen bonds not only to the second β-sheet but also to Gln. Moreover, G289A and T337I mutations are located proximal to the ATP-binding pocket of the C-terminal domain, G289A would cause steric conflict with Ser293, and T337I would cause a hydrophobic patch on the protein surface and reduce protein solubility.16

In terms of treatment, dietary Asp supplementation has not been as effective as expected, and artificially elevated blood Asn may affect the absorption of other amino acids due to competition for cotransporters.113,114 Current treatments are only partially effective, and further understanding of the disease’s mechanism are needed to develop effective drugs.

In neurological diseases, functional defects in N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) are the major defects that cause neural signaling disorders. NMDARs are a class of glutamate and ion channel receptors. NMDA receptor signaling is mediated by Ca2+ permeability and the C-terminal domain of GluN2 subunit-associated network signaling and scaffold proteins. Mutations in NDMARs subunits are associated with neurodevelopmental disorders.115,116 D-aspartate (D-Asp) has been shown to influence the signaling of NMDARs by acting as an agonist to bind to the agonist site of NMDARs and activate this glutamate receptor. D-Asp is present in the cytoplasm, peroxisome and extracellular neurons. Endogenous D-Asp is converted from L-Asp by racemization in the central nervous system and endocrine system.117 Several preclinical studies have shown that D-Asp is associated with the NMDA-dependent phenotype associated with schizophrenia (Sch). In a D-Asp oxidase knockout mouse model, treatment with D-Asp significantly alleviated phencyclidine-induced cortico-limbic thalamic dysfunction and reduced neuronal prepulse deficits induced by psychotropic drugs (amphetamine and MK-801).118,119 Sacchi et al. found that extracellular D-Asp and L-Glu levels were increased in the prefrontal cortex of olanzapine-treated mice but not in a D-Asp oxidase knockout mouse model. Regulation of D-Asp metabolism in the central nervous system may have an impact on olanzapine treatment in patients with drug-resistant schizophrenia (TRS).120 Currently, research on D-Asp as a treatment for TRS disease is still in its early stages, and animal experiments are ongoing.

신경 질환

아스파라긴 합성 장애(ASD)는 7번 염색체 7q21.3에 위치한 ASNS 유전자의 돌연변이와 관련된 새로 발견된 신경 질환입니다. ASD는 초기 신경 발달에 심각한 영향을 미쳐 지적 장애, 발달 지연, 난치성 발작, 진행성 뇌 위축 및 호흡기 결함을 유발합니다. 현재 이 질병은 DNA 시퀀싱으로만 진단할 수 있으며, 일부 개인만이 혈청 및 뇌척수액에서 Asn 수치가 검출 가능한 수준으로 감소하여 초기 스크리닝에 이 검사를 사용하는 데 어려움이 있습니다. Asn은 혈액-뇌 장벽 때문에 뇌에 활발하게 축적되지 않으므로, 뇌의 ASNS 활성 감소가 질병에 기여하는 것으로 생각됩니다. 지금까지 15개의 ASD 관련 돌연변이가 보고되었으며, 그중 일부는 단백질 구조를 파괴하고 기질 결합 능력과 ASNS의 촉매 효율을 감소시킵니다. 예를 들어, R49Q는 N-말단 도메인의 Gln 결합 주머니에 위치한 돌연변이로, 이 돌연변이는 두 번째 β-시트뿐만 아니라 Gln과의 수소 결합도 상실하게 합니다. 더욱이, G289A와 T337I 돌연변이는 C-말단 도메인의 ATP 결합 주머니 근처에 위치하며, G289A는 Ser293과의 입체적 충돌을 일으키고, T337I는 단백질 표면에 소수성 패치를 유발하여 단백질 용해도를 감소시킵니다. 치료 측면에서, 식이 Asp 보충은 예상만큼 효과적이지 않았으며, 인위적으로 상승된 혈중 Asn은 공동수송체 경쟁으로 인해 다른 아미노산의 흡수에 영향을 미칠 수 있습니다. 현재 치료법은 부분적으로만 효과적이며, 효과적인 약물을 개발하기 위해서는 질병의 메커니즘에 대한 추가적인 이해가 필요합니다. 신경 질환에서, N-메틸-D-아스파르트산 수용체(NMDARs)의 기능적 결함은 신경 신호 전달 장애를 유발하는 주요 결함입니다. NMDARs는 글루탐산 및 이온 채널 수용체의 한 종류입니다. NMDA 수용체 신호 전달은 Ca²⁺ 투과성과 GluN2 소단위 관련 네트워크 신호 전달 및 스캐폴드 단백질의 C-말단 도메인에 의해 매개됩니다. NDMARs 소단위의 돌연변이는 신경 발달 장애와 관련이 있습니다. D-아스파르트산(D-Asp)은 NMDARs의 작용제 부위에 결합하여 이 글루탐산 수용체를 활성화함으로써 NMDARs의 신호 전달에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. D-Asp는 세포질, 퍼옥시좀 및 세포 외 뉴런에 존재합니다. 내인성 D-Asp는 중추 신경계 및 내분비계에서 라세미화에 의해 L-Asp로부터 전환됩니다. 여러 전임상 연구에서 D-Asp가 조현병(Sch)과 관련된 NMDA 의존적 표현형과 관련이 있음을 보여주었습니다. D-Asp 산화효소 녹아웃 마우스 모델에서, D-Asp 치료는 펜시클리딘으로 유도된 피질-변연계-시상 기능 장애를 현저히 완화하고, 향정신성 약물(암페타민 및 MK-801)로 유도된 신경 전펄스 결핍을 감소시켰습니다. Sacchi 등은 올란자핀으로 치료한 쥐의 전두엽 피질에서 세포 외 D-Asp와 L-Glu 수치가 증가했지만, D-Asp 산화효소 녹아웃 마우스 모델에서는 그렇지 않다는 것을 발견했습니다. 중추 신경계에서 D-Asp 대사의 조절은 약물 저항성 조현병(TRS) 환자의 올란자핀 치료에 영향을 미칠 수 있습니다. 현재, TRS 질환 치료로서의 D-Asp에 대한 연구는 아직 초기 단계이며, 동물 실험이 진행 중입니다.

Glutamine (Gln)

Glutamine metabolism

Gln is an α-amino acid used in protein synthesis. It is structurally similar to glutamate, but the carboxylic acid group of the side chain is replaced by an amide. Gln is a non-essential amino acid obtained from food121 and the most consumed amino acid and is involved in synthesizing all nonessential amino acids (NEAAs) and proteins.9 Muscle tissue produces the most Gln in the human body, accounting for about 90% of all synthesized Gln. The brain and lungs can also release a small amount of Gln. Although the liver can also synthesize Gln, its main function is to regulate the large amount of Gln absorbed from the intestine. Gut cells, kidney cells, activated immune cells, and various tumor cells are the most urgent consumers of Gln.122,123,124 Gln enters the cell via the amino acid transporter ASCT2/SLC1A5 and is converted to glutamate in the mitochondria by a deamination reaction involving glutaminase (GLS). Glutamate is then catalyzed by glutamate dehydrogenase (GDH) or glutamate transaminase, or aspartate transaminase (TAs) to produce α-ketoglutarate (α-KG). α-KG is an intermediate product of the TCA cycle (Fig. 5). Under hypoxia or mitochondrial dysfunction, α-KG can be converted to citrate by Isocitrate dehydrogenase (IDH 2) catalyzed carboxylation reaction, which is used for the synthesis of amino acids and fatty acids and the production of reducing agent NADPH.125,126,127

글루타민 대사

글루타민(Gln)은 단백질 합성에 사용되는 α-아미노산입니다. 구조적으로 글루탐산과 유사하지만, 측쇄의 카르복실산기가 아미드기로 대체되어 있습니다. Gln은 음식으로부터 얻는 비필수 아미노산이며 가장 많이 소비되는 아미노산으로, 모든 비필수 아미노산(NEAAs)과 단백질 합성에 관여합니다. 근육 조직은 인체에서 가장 많은 Gln을 생산하며, 모든 합성 Gln의 약 90%를 차지합니다. 뇌와 폐도 소량의 Gln을 방출할 수 있습니다. 간도 Gln을 합성할 수 있지만, 그 주요 기능은 장에서 흡수된 다량의 Gln을 조절하는 것입니다. 장 세포, 신장 세포, 활성화된 면역 세포 및 다양한 종양 세포는 Gln의 가장 긴급한 소비자입니다. Gln은 아미노산 수송체 ASCT2/SLC1A5를 통해 세포로 들어가고, 미토콘드리아에서 글루타미나아제(GLS)가 관여하는 탈아미노화 반응을 통해 글루탐산으로 전환됩니다. 글루탐산은 그 후 글루탐산 탈수소효소(GDH) 또는 글루탐산 트랜스아미나아제 또는 아스파르트산 트랜스아미나아제(TAs)에 의해 촉매되어 α-케토글루타르산(α-KG)을 생성합니다. α-KG는 TCA 회로의 중간 산물입니다(그림 5). 저산소 또는 미토콘드리아 기능 장애 시, α-KG는 이소시트르산 탈수소효소(IDH 2)에 의해 촉매되는 카르복실화 반응을 통해 시트르산으로 전환될 수 있으며, 이는 아미노산 및 지방산 합성과 환원제 NADPH 생산에 사용됩니다.

Glutamine in cancer

Tumor cells are urgent consumers of Gln. The signaling molecules Akt, Ras, and AMPK can induce lactate production by activating glycolysis to cause the Warburg effect, prompting tumor cells to meet energy demand through Gln metabolism. Gln metabolism is regulated by oncogenes/tumor suppressor genes such as c-Myc and p53 in various tumors.128 The oncogene c-Myc upregulates Gln metabolism through transcriptional activation of GLS and SLC1A5 genes. Mukha et al. reported that GLS-driven Gln metabolism is a regulator of radiotherapy tolerance in prostate cancer (PCa) and that high expression‎ of GLS 1 and c-MYC, key regulators of Gln, are significantly associated with reduced progression-free survival in prostate cancer patients treated with radiotherapy. Gln metabolism can maintain prostate cancer stem cells (CSCs) through α-KG-dependent chromatin dioxygenase. Inhibition of Gln metabolism reduces the frequency of CSCs population in vivo and the rate of tumor growth in mouse models.129 Amaya et al. found that signal transducers and activators of transcription 3 (STAT3) promote MYC expression‎ in tumor cells in AML, which in turn regulates the transcription of amino acid transporter SLC1A5, promotes Gln metabolism in AML cells, and oxidative phosphorylation (OXPHOS) of leukemia stem cells (LSCs). Small-molecule inhibitors of STAT3 selectively kill AML stem cells and preserve normal hematopoietic cells.130 In addition, Tajan et al. found that in colon cancer, Gln deprivation stimulates p53 activation and promotes the expression‎ of the aspartate/glutamate transporter SLC1A3, thereby promoting glutamate, Gln and nucleotide synthesis, maintaining electron transport chain and tricarboxylic acid cycle activity. Loss of SLC1A3 reduces tumor cell resistance to Gln starvation and inhibits tumor cell growth.131 In addition, it has been shown that tumor cells with high expression‎ of cystine/glutamate anti-transporter SLC7A11/xCT are highly dependent on Gln metabolism. In the absence of amino acids such as cystine, cells promote translation of ATF4 via the general control non-repressor 2 (GCN2) -eukaryotic initiation factor (eIF2a) signaling pathway, which promotes transcription of genes involved in amino acid metabolism and stress response, including SLC7A11, enabling cells to cope with amino acid starvation.132 In lung cancer, the RNA-binding protein RBMS1 was reported to interact directly with eIF3d to promote SLC7A11 translation (Fig. 7).133 Because tumor cells exchange intracellular glutamate for extracellular cystine through SLC7A11, intracellular glutamate is consumed, which causes cells to absorb more Gln and activate glutaminase to supplement intracellular glutamate, making cells with high expression‎ of SLC7A11 become Gln-dependent. In triple-negative breast cancer (TNBC), cells with high SLC7A11 expression‎ consume more Gln and are more sensitive to Gln starvation compared to other breast cancer cells.134 SLC7A11 is also highly expressed in lung, PDAC, renal, and liver cancers.135,136,137 Moreover, Badgley et al. found that deletion of SLC7A11 has no effect on normal pancreatic tissue development in mice but severely impairs KRAS-driven PDAC growth.137 The non-necessity of SLC7A11 under physiological conditions and the high expression‎ of SLC7A11 in tumors make SLC7A11 a promising target for cancer therapy (Table 1).

암에서의 글루타민

종양 세포는 Gln의 긴급한 소비자입니다. 신호 전달 분자인 Akt, Ras, AMPK는 해당과정을 활성화하여 바르부르크 효과를 유발함으로써 젖산 생산을 유도하고, 종양 세포가 Gln 대사를 통해 에너지 수요를 충족시키도록 합니다. Gln 대사는 다양한 종양에서 c-Myc 및 p53과 같은 종양 유전자/종양 억제 유전자에 의해 조절됩니다. 종양 유전자 c-Myc는 GLS 및 SLC1A5 유전자의 전사 활성화를 통해 Gln 대사를 상향 조절합니다. Mukha 등은 GLS 구동 Gln 대사가 전립선암(PCa)의 방사선 치료 내성을 조절하며, Gln의 핵심 조절자인 GLS 1과 c-MYC의 높은 발현이 방사선 치료를 받은 전립선암 환자의 무진행 생존율 감소와 유의하게 관련이 있다고 보고했습니다. Gln 대사는 α-KG 의존적 염색질 이산소화효소를 통해 전립선암 줄기세포(CSC)를 유지할 수 있습니다. Gln 대사 억제는 생체 내에서 CSC 집단의 빈도를 감소시키고 마우스 모델에서 종양 성장 속도를 감소시킵니다. Amaya 등은 AML에서 신호 변환기 및 전사 활성자 3(STAT3)이 종양 세포에서 MYC 발현을 촉진하고, 이는 아미노산 수송체 SLC1A5의 전사를 조절하며, AML 세포의 Gln 대사와 백혈병 줄기세포(LSC)의 산화적 인산화(OXPHOS)를 촉진한다는 것을 발견했습니다. STAT3의 소분자 억제제는 정상적인 조혈 세포는 보존하면서 AML 줄기세포를 선택적으로 죽입니다. 또한, Tajan 등은 결장암에서 Gln 결핍이 p53 활성화를 자극하고 아스파르트산/글루탐산 수송체 SLC1A3의 발현을 촉진하여 글루탐산, Gln 및 뉴클레오티드 합성을 촉진하고, 전자전달계와 트리카르복실산 회로 활성을 유지한다는 것을 발견했습니다. SLC1A3의 손실은 Gln 결핍에 대한 종양 세포의 저항성을 감소시키고 종양 세포 성장을 억제합니다. 또한, 시스틴, 글루탐산 역수송체 SLC7A11/xCT의 발현이 높은 종양 세포는 Gln 대사에 고도로 의존하는 것으로 나타났습니다. 시스틴과 같은 아미노산이 없을 때, 세포는 일반 제어 비억제자 2(GCN2)-진핵 개시 인자(eIF2a) 신호 전달 경로를 통해 ATF4의 번역을 촉진하고, 이는 SLC7A11을 포함한 아미노산 대사 및 스트레스 반응에 관여하는 유전자의 전사를 촉진하여 세포가 아미노산 결핍에 대처할 수 있도록 합니다. 폐암에서 RNA 결합 단백질 RBMS1은 eIF3d와 직접 상호작용하여 SLC7A11 번역을 촉진하는 것으로 보고되었습니다(그림 7). 종양 세포는 SLC7A11을 통해 세포 내 글루탐산을 세포 외 시스틴과 교환하기 때문에, 세포 내 글루탐산이 소비되어 세포가 더 많은 Gln을 흡수하고 글루타미나아제를 활성화하여 세포 내 글루탐산을 보충하게 되므로, SLC7A11의 발현이 높은 세포는 Gln 의존적이 됩니다. 삼중 음성 유방암(TNBC)에서 SLC7A11 발현이 높은 세포는 다른 유방암 세포에 비해 더 많은 Gln을 소비하고 Gln 결핍에 더 민감합니다. SLC7A11은 또한 폐암, PDAC, 신장암, 간암에서도 높게 발현됩니다. 더욱이, Badgley 등은 SLC7A11의 삭제가 마우스의 정상적인 췌장 조직 발달에는 영향을 미치지 않지만 KRAS 구동 PDAC 성장을 심각하게 손상시킨다는 것을 발견했습니다. 생리적 조건에서 SLC7A11의 불필요성과 종양에서 SLC7A11의 높은 발현은 SLC7A11을 암 치료의 유망한 표적으로 만듭니다(표 1).

Fig. 7

Glutamine metabolism in tumor. GCN5L1 (general control of amino acid synthesis 5 like 1) in mitochondria can promote the acetylation and inactivation of GLS, thus inhibiting the activation of mTORC1 and cell proliferation. GOT2 catalyzes the production of α-KG (α-ketoglutaric acid) from glutamate. When the expression‎ level of GOT2 is decreased, the participation of Glu in the synthesis of GSH increases and Glu is sensitive to the glutaminase inhibitor CB-839. Treatment with CB-839 increased ROS (reactive oxygen species) levels and promoted the activation of 5-FU through the NRF2 (Nuclear factor erythroid 2-related factor 2)-UPP1 (Uridine phosphorylase 1) axis. SASP(Sulfasalazine) reduces intracellular glutamate and extracellular cystine exchange by inhibiting SLC7A11. Glutamine deprivation increases the expression‎ of SLC1A3 on the surface of colon cancer cells by stimulating p53. In glutamine depletion environment, T cells secreted less Granzyme B and IFN-γ, and their function was inhibited. Acute myeloid leukemia (AML) cells promote SLC1A5 transcription via the STAT3-MYC axis. RNA-binding protein RBMS1 in lung cancer promotes SLC7A11 translation by binding to eIF3d. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 7. 종양에서의 글루타민 대사. 미토콘드리아의 GCN5L1(아미노산 합성 5 유사 1의 일반 제어)은 GLS의 아세틸화와 비활성화를 촉진하여 mTORC1 활성화와 세포 증식을 억제할 수 있습니다. GOT2는 글루탐산으로부터 α-KG(α-케토글루타르산) 생성을 촉매합니다. GOT2의 발현 수준이 감소하면, GSH 합성에 Glu의 참여가 증가하고 Glu는 글루타미나아제 억제제 CB-839에 민감해집니다. CB-839 치료는 ROS(활성 산소종) 수치를 증가시키고 NRF2(핵 인자 에리트로이드 2 관련 인자 2)-UPP1(유리딘 포스포릴라아제 1) 축을 통해 5-FU의 활성화를 촉진했습니다. SASP(설파살라진)는 SLC7A11을 억제하여 세포 내 글루탐산과 세포 외 시스틴 교환을 감소시킵니다. 글루타민 결핍은 p53을 자극하여 결장암 세포 표면의 SLC1A3 발현을 증가시킵니다. 글루타민 고갈 환경에서 T 세포는 그랜자임 B와 IFN-γ를 적게 분비하고 그 기능이 억제되었습니다. 급성 골수성 백혈병(AML) 세포는 STAT3-MYC 축을 통해 SLC1A5 전사를 촉진합니다. 폐암의 RNA 결합 단백질 RBMS1은 eIF3d에 결합하여 SLC7A11 번역을 촉진합니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

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Glutaminase, which hydrolyzes Gln to glutamate, is a key enzyme in Gln metabolism. The expression‎ of glutaminase is tissue-specific. Glutaminase is actively expressed in periportal liver cells, renal epithelial cells, and the central nervous system, which is used to synthesize urea and neurotransmitters. Four isoforms of human glutaminase are divided into two highly active renal glutaminase types encoded by GLS1 and two low active hepatic glutaminase types encoded by GLS2.138 The heterogeneity of GLS1 and GLS2 expression‎ in different tumors indicates that malignant cells have different requirements for Gln metabolism. Zhang et al. found that general control of amino acid synthesis 5 like 1 (GCN5L1) in mitochondria of liver cancer cells can promote the acetylation and inactivation of GLS1 and GLS2 isomers, thus inhibiting mTORC1 activation and cell proliferation. In a mouse model of hepatocellular carcinoma induced by diethylnitrosamine (DEN), liver GCN5L1 knockout increased DEN sensitivity in the model. In addition, hepatoma cells with low expression‎ of glutamic oxalacetic transaminase 2 (GOT2) showed sensitivity to the glutaminase inhibitor CB-839. Specifically, hepatoma cells with low expression‎ of GOT2 showed a high dependence on Gln metabolism by increasing Gln metabolism, nucleotide synthesis, and glutathione synthesis to support cellular antioxidants (Fig. 7).139 Interestingly, in prostate cancer treated with androgen deprivation therapy, Xu et al. found that although androgen deprivation therapy inhibited the expression‎ of renal glutaminase (KGA) in the GLS1 subtype, the expression‎ of glutaminase C (GAC) was upregulated in tumor cells, which is an androgen-independent GLS1 subtype with stronger enzymatic activity. This switch leads to increased Gln utilization by tumor cells and promotes tumor proliferation and metastasis. Therapeutic approaches inhibiting GAC may increase the efficacy of castration-resistant prostate cancer.140 In clear-cell ovarian cancer (OCCC), the glutaminase inhibitor CB-839 inhibited ARID1A (AT-rich interactive domain-containing protein 1A) -mutated PDX tumor growth. ARID1A is a member of the SWI/SNF family, and the inhibition of GLS1 by SWI/SNF is weakened in OCCC with ARID1A mutation, which promotes Gln utilization and metabolism IN tumor cells.141 SWI/SNF mutations are present in nearly 25% of cancers, which led us to wonder whether other SWI/ SNF-mutated tumors are also sensitive to glutaminase inhibitors.142,143

Best et al. reported that LKB1 mutation in KRAS mutant lung adenocarcinoma confers a glutamate enriched phenotype in TME, and this feature was associated with CD8+T cell activation against PD-1, whereas treatment with the glutaminase inhibitor CB-839 inhibited CD8+T cell expansion and activation. Their data suggested that glutaminase inhibitors could inhibit CD8+T cells activated by PD-1 immunotherapy in lung adenocarcinoma.144 Morevoer, Zhao et al. reported that CB-839 could promote the production of reactive oxygen species (ROS) in colorectal cancer cells, cause nuclear translocation of Nrf2, and subsequently upregulate the expression‎ of uridine phosphorylase 1 (UPP1), which promotes the activation of 5-fluorouracil (5-FU).145 Existing preclinical and clinical experiment data show that Gln inhibitor CB-839 joint capecitabine can effectively treat type PI3KCA mutations in colorectal cancer (NCT02861300).

A randomized, double-blind, controlled phase II trial in advanced renal cell carcinoma (RCC) demonstrated synergistic anticancer effects with the combination of the glutaminase inhibitor telaglenastat (CB-839) and the mTOR inhibitor everolimus (TelaE), which was well tolerated by patients previously treated with TKIs. Also, TelaE could improve progression-free survival (PFS) compared with placebo plus everolimus (PboE).146 Another phase I b clinical trial also showed good tolerability and clinical activity of TelaE or telaglenastat combined with cabozantinib (TelaC) in treating RCC.147

글루타민을 글루탐산으로 가수분해하는 글루타미나아제는 Gln 대사의 핵심 효소입니다. 글루타미나아제의 발현은 조직 특이적입니다. 글루타미나아제는 문맥 주변 간세포, 신장 상피세포 및 중추신경계에서 활발하게 발현되며, 요소와 신경전달물질을 합성하는 데 사용됩니다. 인간 글루타미나아제의 네 가지 동형효소는 GLS1에 의해 암호화된 두 개의 고활성 신장 글루타미나아제 유형과 GLS2에 의해 암호화된 두 개의 저활성 간 글루타미나아제 유형으로 나뉩니다. 다른 종양에서 GLS1과 GLS2 발현의 이질성은 악성 세포가 Gln 대사에 대해 다른 요구 사항을 가지고 있음을 나타냅니다. Zhang 등은 간암 세포의 미토콘드리아에 있는 아미노산 합성 5 유사 1의 일반 제어(GCN5L1)가 GLS1 및 GLS2 이성질체의 아세틸화 및 비활성화를 촉진하여 mTORC1 활성화 및 세포 증식을 억제할 수 있다는 것을 발견했습니다. 디에틸니트로사민(DEN)으로 유도된 간세포암종 마우스 모델에서, 간 GCN5L1 녹아웃은 모델에서 DEN 민감도를 증가시켰습니다. 또한, 글루탐산 옥살아세트산 트랜스아미나아제 2(GOT2)의 발현이 낮은 간세포암 세포는 글루타미나아제 억제제 CB-839에 대한 민감도를 보였습니다. 구체적으로, GOT2의 발현이 낮은 간세포암 세포는 Gln 대사를 증가시키고, 뉴클레오티드 합성과 글루타티온 합성을 통해 세포 항산화제를 지원함으로써 Gln 대사에 대한 높은 의존도를 보였습니다(그림 7). 흥미롭게도, 안드로겐 박탈 요법으로 치료받은 전립선암에서 Xu 등은 안드로겐 박탈 요법이 GLS1 아형인 신장 글루타미나아제(KGA)의 발현을 억제했지만, 종양 세포에서 더 강력한 효소 활성을 가진 안드로겐 비의존적 GLS1 아형인 글루타미나아제 C(GAC)의 발현이 상향 조절된다는 것을 발견했습니다. 이러한 전환은 종양 세포에 의한 Gln 활용을 증가시키고 종양 증식과 전이를 촉진합니다. GAC를 억제하는 치료 접근법은 거세 저항성 전립선암의 효능을 증가시킬 수 있습니다. 투명세포 난소암(OCCC)에서 글루타미나아제 억제제 CB-839는 ARID1A(AT-풍부 상호작용 도메인 함유 단백질 1A) 돌연변이 PDX 종양 성장을 억제했습니다. ARID1A는 SWI/SNF 계열의 구성원이며, SWI/SNF에 의한 GLS1 억제는 ARID1A 돌연변이를 가진 OCCC에서 약화되어 종양 세포에서 Gln 활용과 대사를 촉진합니다. SWI/SNF 돌연변이는 거의 25%의 암에서 존재하며, 이는 다른 SWI/SNF 돌연변이 종양이 글루타미나아제 억제제에 민감한지 궁금하게 만듭니다. Best 등은 KRAS 돌연변이 폐 선암종에서 LKB1 돌연변이가 TME에서 글루탐산이 풍부한 표현형을 부여하며, 이 특징은 PD-1에 대한 CD8+T 세포 활성화와 관련이 있다고 보고했습니다. 반면, 글루타미나아제 억제제 CB-839 치료는 CD8+T 세포의 확장과 활성화를 억제했습니다. 그들의 데이터는 글루타미나아제 억제제가 폐 선암종에서 PD-1 면역 요법에 의해 활성화된 CD8+T 세포를 억제할 수 있음을 시사했습니다. 더욱이, Zhao 등은 CB-839가 결장직장암 세포에서 활성산소종(ROS) 생성을 촉진하고, Nrf2의 핵 이동을 유발하며, 이후 5-플루오로우라실(5-FU)의 활성화를 촉진하는 유리딘 포스포릴라아제 1(UPP1)의 발현을 상향 조절한다고 보고했습니다. 기존의 전임상 및 임상 실험 데이터에 따르면 Gln 억제제 CB-839와 카페시타빈의 병용은 결장직장암의 PI3KCA 돌연변이 유형을 효과적으로 치료할 수 있습니다(NCT02861300). 진행성 신세포암(RCC)에서의 무작위, 이중 맹검, 대조 2상 시험에서는 글루타미나아제 억제제 텔라글레나스타트(CB-839)와 mTOR 억제제 에베롤리무스(TelaE)의 조합이 이전에 TKI로 치료받은 환자에게서 시너지적인 항암 효과를 보였으며, 잘 견딜 수 있었습니다. 또한, TelaE는 위약과 에베롤리무스(PboE)에 비해 무진행 생존율(PFS)을 개선할 수 있었습니다. 다른 1b상 임상 시험에서도 RCC 치료에서 TelaE 또는 텔라글레나스타트와 카보잔티닙(TelaC)의 병용이 좋은 내약성과 임상 활성을 보였습니다.

Glutamine in disease

Pancreatitis

Gln can be used as a nutritional supplement for a variety of diseases. Several meta-analyses found that Gln supplementation can reduce the mortality, complication rate, and total length of hospital stay for patients with severe pancreatitis.148,149,150,151 A randomized, double-blind, placebo-controlled clinical study showed that supplementation of Gln to the low fermentable oligo-monosaccharides and polyols (FODMAP) diet improves irritable bowel syndrome (IBS) symptoms.152 In terms of promoting wound healing, Arribas-Lopez et al. found that arginine and Gln supplementation could positively affect wound healing, and Gln supplementation significantly affected nitrogen balance in patients and reduced the length of hospital stay and mortality.153 However, Gln supplementation does not seem to significantly affect the prognosis of burn patients. Moreover, in a double-blind, randomized, placebo-controlled trial enrolling 1200 patients, survival to hospital discharge was 40 days in the Gln-supplementation group versus 38 days in the placebo group. Mortality was 17.2% in the Gln group, which was not significantly different from 16.2% in the placebo group, and Gln supplementation did not reduce the length of hospital stay.154 In their study, Heyland et al. showed the benefits and risks of Gln supplementation, while clinical trials in burns and other diseases have shown conflicting results. The benefits and risks of Gln supplementation in various diseases still need more data from clinical trials.

질병에서의 글루타민췌장염

Gln은 다양한 질병의 영양 보충제로 사용될 수 있습니다. 여러 메타 분석에서 Gln 보충이 중증 췌장염 환자의 사망률, 합병증 발생률 및 총 입원 기간을 줄일 수 있다는 것을 발견했습니다. 무작위, 이중 맹검, 위약 대조 임상 연구에서는 저발효성 올리고-단당류 및 폴리올(FODMAP) 식단에 Gln을 보충하면 과민성 대장 증후군(IBS) 증상이 개선된다는 것을 보여주었습니다. 상처 치유 촉진 측면에서, Arribas-Lopez 등은 아르기닌과 Gln 보충이 상처 치유에 긍정적인 영향을 미칠 수 있으며, Gln 보충이 환자의 질소 균형에 유의미한 영향을 미치고 입원 기간과 사망률을 감소시킨다는 것을 발견했습니다. 그러나 Gln 보충은 화상 환자의 예후에 유의미한 영향을 미치지 않는 것으로 보입니다. 더욱이, 1200명의 환자를 등록한 이중 맹검, 무작위, 위약 대조 시험에서, 병원 퇴원까지의 생존 기간은 Gln 보충군에서 40일, 위약군에서 38일이었습니다. 사망률은 Gln군에서 17.2%로, 위약군의 16.2%와 유의미한 차이가 없었으며, Gln 보충은 입원 기간을 단축시키지 않았습니다. 그들의 연구에서 Heyland 등은 Gln 보충의 이점과 위험을 보여주었지만, 화상 및 기타 질병에 대한 임상 시험에서는 상반된 결과를 보였습니다. 다양한 질병에서 Gln 보충의 이점과 위험은 임상 시험에서 더 많은 데이터가 필요합니다.

Cardiovascular disease

In cardiovascular disease, Myc and Myc-related factor X (Max) upregulate the Gln transporters SLC1A5 and SLC7A5 and mitochondrial malate in pulmonary hypertension, thereby promoting glutaminolysis-induced right ventricular hypertrophy.19 Under oxidative stress, the glutathione (GSH) level in cardiomyocytes decreases by 60–70%, and the levels of Gln, glutamate and α-ketoglutarate (α-KG) also decrease significantly, while the enzyme activity of GLS, which converts Gln to glutamate, is enhanced. However, inhibition of GLS activity can reduce ATP and GSH levels produced by cardiomyocytes under oxidative stress conditions.

T2DM is a major risk factor for the development of cardiovascular disease. Dysregulation of skeletal muscle metabolism in diabetes affects insulin sensitivity and glucose homeostasis. Dollet et al. found that Gln is a key amino acid in the regulation of glucose stability and insulin sensitivity, and the level of Gln affects the inflammatory response of skeletal muscle and regulates the expression‎ of the adaptive protein GRB10, an insulin signaling inhibitor. Moreover, the systemic elevation of Gln improves insulin sensitivity and restores glucose homeostasis in mouse models of obesity.155

The anthracycline antibiotic doxorubicin (DOX) is a widely used anti-tumor drug in solid malignant tumors; yet, this therapy may lead to serious cardiotoxicity due to free radicals and oxidative stress. Gln supplementation significantly reduced cardiac lipid peroxide levels and increased peroxidase and glutathione levels, protecting cardiac function in DOX-treated rat models.156,157

Drugs targeting cardiac Gln metabolism are being developed. Oridinon (Ori), a natural terpenoid derived from the plant Isodon rubescens (Hemsl.), can increase cardiac Gln levels and inhibit the decline of ATP/ADP ratio, protecting cardiomyocytes and reducing infarct size in a rat model of myocardial injury.158

심혈관 질환

심혈관 질환에서 Myc 및 Myc 관련 인자 X(Max)는 폐 고혈압에서 Gln 수송체 SLC1A5 및 SLC7A5와 미토콘드리아 말산을 상향 조절하여, 글루타민 분해로 유도된 우심실 비대를 촉진합니다. 산화 스트레스 하에서 심근세포의 글루타티온(GSH) 수치는 60-70% 감소하고, Gln, 글루탐산 및 α-케토글루타르산(α-KG) 수치도 현저히 감소하는 반면, Gln을 글루탐산으로 전환하는 GLS의 효소 활성은 향상됩니다. 그러나 GLS 활성 억제는 산화 스트레스 조건 하에서 심근세포가 생산하는 ATP 및 GSH 수치를 감소시킬 수 있습니다. 제2형 당뇨병(T2DM)은 심혈관 질환 발병의 주요 위험 인자입니다. 당뇨병에서 골격근 대사의 조절 장애는 인슐린 민감성과 포도당 항상성에 영향을 미칩니다. Dollet 등은 Gln이 포도당 안정성과 인슐린 민감성 조절의 핵심 아미노산이며, Gln 수치가 골격근의 염증 반응에 영향을 미치고 인슐린 신호 전달 억제제인 적응 단백질 GRB10의 발현을 조절한다는 것을 발견했습니다. 더욱이, Gln의 전신적 상승은 비만 마우스 모델에서 인슐린 민감성을 개선하고 포도당 항상성을 회복시킵니다. 안트라사이클린계 항생제인 독소루비신(DOX)은 고형 악성 종양에서 널리 사용되는 항암제이지만, 이 치료법은 자유 라디칼과 산화 스트레스로 인해 심각한 심장 독성을 유발할 수 있습니다. Gln 보충은 DOX로 치료받은 쥐 모델에서 심장 지질 과산화물 수치를 현저히 감소시키고 과산화효소 및 글루타티온 수치를 증가시켜 심장 기능을 보호했습니다. 심장 Gln 대사를 표적으로 하는 약물이 개발되고 있습니다. 식물 Isodon rubescens (Hemsl.)에서 유래한 천연 테르페노이드인 오리디논(Ori)은 심장 Gln 수치를 증가시키고 ATP/ADP 비율 감소를 억제하여 심근세포를 보호하고 심근 손상 쥐 모델에서 경색 크기를 줄일 수 있습니다.

Severe acute respiratory syndrome

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the cause of coronavirus disease 2019 (COVID-19). The disease is spread through close person-to-person contact or respiratory secretions from infected people. Risk factors for COVID-19 include cardiovascular disease and diabetes, and such high-risk groups exhibit common metabolic features of low levels of Gln, NAD+, and overproduction of hyaluronic acid (HA).159,160,161 Levels of Gln and NAD+ cause dysregulation of SIRT1, a key negative regulator of the Hyaluronan synthase 2 (HAS2) gene.162 These metabolic alterations eventually lead to the overproduction of HA and Plasminogen activator inhibitor 1 (PAI-1) and the expansion of Tregs and myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) populations. Therefore, Gln deficiency has led to immune dysfunction and HA overproduction in people at high risk of COVID-19. HA can activate STAT3 through PAI-1.163 Due to dysregulation of SIRT1, STAT3, and O-GlcNacylation induce hyaluronic acid storm through activation of HAS2. In addition, although SARS-CoV-2 vaccines have significantly reduced COVID-19 cases, cells are placed under intense oxidative stress conditions after SARS-CoV-2 infection, which promotes the consumption of Gln to synthesize glutathione.164 This process exacerbates Gln deficiency in high-risk populations and may induce metabolic dysfunction. At the same time, it can also cause STAT3 pathway inactivation and PAI-1 activation, leading to severe complications of COVID-19 in some people. Small clinical trials have shown that Gln supplementation reduces post-infection severity in patients with COVID-19.165,166 However, this part of the study needs to be expanded to more accurately assess the value of Gln in the treatment of COVID-19.

중증 급성 호흡기 증후군

중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)는 코로나바이러스 감염증 2019(COVID-19)의 원인입니다. 이 질병은 감염된 사람과의 긴밀한 접촉이나 호흡기 분비물을 통해 전파됩니다. COVID-19의 위험 인자에는 심혈관 질환과 당뇨병이 포함되며, 이러한 고위험군은 낮은 Gln, NAD+ 수치와 히알루론산(HA) 과잉 생산이라는 공통된 대사적 특징을 보입니다. Gln과 NAD+ 수치는 히알루론산 합성효소 2(HAS2) 유전자의 핵심 음성 조절자인 SIRT1의 조절 장애를 유발합니다. 이러한 대사 변화는 결국 HA와 플라스미노겐 활성제 억제제 1(PAI-1)의 과잉 생산 및 Tregs와 골수 유래 억제 세포(MDSCs) 집단의 확장을 초래합니다. 따라서, Gln 결핍은 COVID-19 고위험군 사람들에게 면역 기능 장애와 HA 과잉 생산을 초래했습니다. HA는 PAI-1을 통해 STAT3을 활성화할 수 있습니다. SIRT1, STAT3, O-GlcNacylation의 조절 장애로 인해 HAS2 활성화를 통한 히알루론산 폭풍이 유도됩니다. 또한, SARS-CoV-2 백신이 COVID-19 사례를 크게 감소시켰지만, SARS-CoV-2 감염 후 세포는 강한 산화 스트레스 조건에 놓여 글루타티온을 합성하기 위해 Gln 소비를 촉진합니다. 이 과정은 고위험군 인구에서 Gln 결핍을 악화시키고 대사 기능 장애를 유발할 수 있습니다. 동시에, 이는 STAT3 경로 비활성화와 PAI-1 활성화를 유발하여 일부 사람들에게 COVID-19의 심각한 합병증을 유발할 수 있습니다. 소규모 임상 시험에서는 Gln 보충이 COVID-19 환자의 감염 후 중증도를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 연구 부분은 COVID-19 치료에서 Gln의 가치를 더 정확하게 평가하기 위해 확대될 필요가 있습니다.

Arginine (Arg)

Arginine metabolism

Arginine, also known as L-arginine, is a raw material for protein synthesis and an intermediate product of the urea and nitric oxide cycles.40,167 Arginine is classified as a conditionally essential amino acid, and its requirement depends on developmental stage and health status. In humans, small intestinal epithelial cells convert Gln and glutamate to citrulline, which is then transported by the circulatory system to renal proximal tubular cells, where arginine is synthesized by arginine-succinate synthetase and arginine-succinate lyase in the urea cycle. Arginine synthesis is impaired when small intestine and kidney function is impaired, thus creating a dietary requirement for arginine. In other cell types, arginine synthesis by citrulline is very low but dramatically increases when inducible nitric oxide synthase (NOS) increases (Fig. 5). Under these conditions, citrulline, a byproduct of nitric oxide synthesis, can recover arginine via the arginine-citrulline pathway.168 Arginine is important for cell division, wound healing, and immune function.169,170,171 Arginine from proteins can be catalyzed by PAD enzymes to citrulline, a process called citrullination, which is part of the normal immune process. Another type of post-translational modification is methylation by arginine methyltransferases (PRMTs), in which arginine can be methylated to either monomethylated arginine or dimethylated arginine. Arginine methyltransferases can be divided into three following classes: Type I PRMTs (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6, and PRMT8) catalyze the production of asymmetric dimethylarginine; Type II PRMTs (PRMT5 and PRMT9) catalyze the formation of symmetrical dimethylarginine; Type III PRMTs are currently the only known PRMT7, which produces only monomethylarginine.172 Arginine methylation usually occurs in the glycine and arginine-rich "GAR motif". Many arginine-methylated proteins have been shown to interact with DNA or RNA, and the arginine residue acts as an important hydrogen donor for the phosphate backbone.173,174 In addition, arginine methylation also affects protein–protein interactions involved in various cellular processes such as protein trafficking, signal transduction and transcriptional regulation.173

아르기닌(Arg)아르기닌 대사

아르기닌(L-아르기닌)은 단백질 합성의 원료이자 요소 및 산화질소 순환의 중간 산물입니다. 아르기닌은 조건부 필수 아미노산으로 분류되며, 그 필요량은 발달 단계와 건강 상태에 따라 달라집니다. 인간에서 소장 상피 세포는 글루타민과 글루탐산을 시트룰린으로 전환하고, 이는 순환계를 통해 신장 근위 세뇨관 세포로 운반되어 요소 회로에서 아르기닌-숙신산 합성효소와 아르기닌-숙신산 리아제에 의해 아르기닌이 합성됩니다. 소장과 신장 기능이 손상되면 아르기닌 합성이 손상되어 아르기닌의 식이적 필요가 생깁니다. 다른 세포 유형에서 시트룰린에 의한 아르기닌 합성은 매우 낮지만, 유도성 산화질소 합성효소(NOS)가 증가하면 극적으로 증가합니다(그림 5). 이러한 조건에서, 산화질소 합성의 부산물인 시트룰린은 아르기닌-시트룰린 경로를 통해 아르기닌을 회수할 수 있습니다. 아르기닌은 세포 분열, 상처 치유 및 면역 기능에 중요합니다. 단백질의 아르기닌은 PAD 효소에 의해 시트룰린으로 촉매될 수 있으며, 이 과정을 시트룰린화라고 하며 정상적인 면역 과정의 일부입니다. 또 다른 유형의 번역 후 변형은 아르기닌 메틸전이효소(PRMTs)에 의한 메틸화로, 아르기닌은 단일메틸화 아르기닌 또는 이중메틸화 아르기닌으로 메틸화될 수 있습니다. 아르기닌 메틸전이효소는 다음 세 가지 클래스로 나눌 수 있습니다: I형 PRMTs(PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6, PRMT8)는 비대칭 디메틸아르기닌 생성을 촉매합니다. II형 PRMTs(PRMT5, PRMT9)는 대칭 디메틸아르기닌 형성을 촉매합니다. III형 PRMTs는 현재 알려진 유일한 PRMT7로, 단일메틸아르기닌만 생산합니다. 아르기닌 메틸화는 일반적으로 글리신과 아르기닌이 풍부한 "GAR 모티프"에서 발생합니다. 많은 아르기닌 메틸화 단백질이 DNA 또는 RNA와 상호작용하는 것으로 나타났으며, 아르기닌 잔기는 인산 골격에 중요한 수소 공여체 역할을 합니다. 또한, 아르기닌 메틸화는 단백질 운송, 신호 전달 및 전사 조절과 같은 다양한 세포 과정에 관여하는 단백질-단백질 상호작용에도 영향을 미칩니다.

Arginine in cancer

Citrulline and aspartate can be converted to arginine in normal cells by arginine-succinate synthetase 1 (ASS1) and arginine-succinate lyase (ASL) in the urea cycle.175 Arginine-succinate synthetase 1 (ASS1) transcriptional repression occurs in various tumors, creating a dependence on external arginine and enabling arginine-deprivation therapy. Use of the arginine-depleting agent pegylated arginine deiminase ADI-PEG20 in GBM can increase nitric oxide (NO) synthesis and produce cytotoxic pernitrite, increasing the sensitivity of tumor cells to ionizing radiation and significantly enhancing the effect of radiotherapy on GBM.176 The combination of ADI with Palomid 529 or chloroquine showed a synergistic tumor inhibition effect in vitro. Combination with suberoylanilide hydroxamic acid (SAHA) can effectively control the growth of GBM xenografts.177 ASS1 is downregulated in hepatocellular carcinoma (HCC); therefore, arginine dystrophy is also present. Treatment of HCC cells with ADI-PEG20 downregulates the key enzymes of pyrimidine synthesis in the TCA cycle, carbamoyl phosphate synthetase 2, thymine synthase (TS), aspartate transcarbamylase and dihydrooratase (CAD) and malate dehydrogenase 1 (MDH-1) activities, making tumor cells more susceptible to 5-fluorouracil (5-FU). The effect of this synergistic treatment is ASS-dependent, and the activity of the enzymes mentioned above can be restored by transfection of ASS, eliminating the sensitivity of tumor cells to ADI-PEG20 combined with 5-FU treatment.178 Meanwhile, arginine deprivation promotes GCN2-dependent cycle arrest in HCC cells, and inhibition of GCN2 in arginine-deprived HCC cells promotes cellular senescence and increases the efficacy of senolytic compounds (Fig. 8).179 Ass-deficient prostate and pancreatic cancers have also been shown to be sensitive to ADI-PEG20, and ADI-PEG20 promotes cell death by inducing autophagy and apoptosis.180,181

암에서의 아르기닌

시트룰린과 아스파르트산은 정상 세포에서 요소 회로의 아르기닌-숙신산 합성효소 1(ASS1)과 아르기닌-숙신산 리아제(ASL)에 의해 아르기닌으로 전환될 수 있습니다. 다양한 종양에서 아르기닌-숙신산 합성효소 1(ASS1)의 전사 억제가 발생하여 외부 아르기닌에 대한 의존성을 만들고 아르기닌 결핍 요법을 가능하게 합니다. GBM에서 아르기닌 고갈제인 페길화 아르기닌 탈이미나아제 ADI-PEG20을 사용하면 산화질소(NO) 합성을 증가시키고 세포독성 퍼옥시니트라이트를 생성하여 종양 세포의 이온화 방사선에 대한 민감도를 높이고 GBM에 대한 방사선 치료 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다. ADI와 팔로미드 529 또는 클로로퀸의 조합은 시험관 내에서 시너지적인 종양 억제 효과를 보였습니다. 수베로일아닐리드 하이드록삼산(SAHA)과의 조합은 GBM 이종이식편의 성장을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 간세포암(HCC)에서는 ASS1이 하향 조절되므로 아르기닌 영양 결핍도 존재합니다. HCC 세포를 ADI-PEG20으로 처리하면 TCA 회로의 피리미딘 합성 핵심 효소인 카르바모일 인산 합성효소 2, 티민 합성효소(TS), 아스파르트산 트랜스카르바밀라아제 및 디히드로오라타아제(CAD), 말산 탈수소효소 1(MDH-1)의 활성이 하향 조절되어 종양 세포가 5-플루오로우라실(5-FU)에 더 민감해집니다. 이 시너지 치료 효과는 ASS에 의존적이며, ASS를 형질감염하면 위에서 언급한 효소의 활성이 회복되어 종양 세포가 ADI-PEG20과 5-FU 병용 치료에 대한 민감성을 잃게 됩니다. 한편, 아르기닌 결핍은 HCC 세포에서 GCN2 의존적 주기 정지를 촉진하고, 아르기닌 결핍 HCC 세포에서 GCN2를 억제하면 세포 노화를 촉진하고 노화세포 제거 화합물의 효능을 증가시킵니다(그림 8). ASS 결핍 전립선암과 췌장암도 ADI-PEG20에 민감한 것으로 나타났으며, ADI-PEG20은 자가포식과 세포 사멸을 유도하여 세포 사멸을 촉진합니다.

Fig. 8

Arginine metabolism in tumor cells. Arginine depletion can increase the phosphorylation level of GCN2 in hepatocellular cancer cells, activate GCN, increase the expression‎ level of SLC7A11 and increase the uptake of arginine. Activated GCN2 can also be mediated by p21 cell cycle arrest; GCN2 also increases protein synthesis by activating mTORC1 via sestrin. ARG2 in the mitochondria of melanoma cells increases transfer-promoting gene transcription via the p66SC-H2O2-Stat3 axis. Myeloid cells can promote intracellular p38 and ARG1 transcription by receiving tumor cell-derived CSF and activation of STAT3. In addition, low pH of tumor microenvironment also promoted ARG1 transcription through H+ activation of intracellular cAMP-CREB axis. IL-6 and IL-8 promote ARG1 transcription by activating the PI3K/AKT pathway. The arginine metabolism of myeloid cells with high expression‎ of ARG1 was enhanced, and the arginine metabolism of T cells was inhibited, and the tumor immunity was inhibited. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 8. 종양 세포에서의 아르기닌 대사. 아르기닌 고갈은 간세포암 세포에서 GCN2의 인산화 수준을 증가시키고, GCN을 활성화하며, SLC7A11의 발현 수준을 높이고 아르기닌 흡수를 증가시킬 수 있습니다. 활성화된 GCN2는 또한 p21 세포 주기 정지에 의해 매개될 수 있습니다. GCN2는 또한 세스트린을 통해 mTORC1을 활성화하여 단백질 합성을 증가시킬 수 있습니다. 흑색종 세포의 미토콘드리아에 있는 ARG2는 p66SC-H₂O₂-Stat3 축을 통해 전달 촉진 유전자 전사를 증가시킵니다. 골수 세포는 종양 세포 유래 CSF를 수용하고 STAT3을 활성화하여 세포 내 p38 및 ARG1 전사를 촉진할 수 있습니다. 또한, 종양 미세환경의 낮은 pH도 세포 내 cAMP-CREB 축의 H⁺ 활성화를 통해 ARG1 전사를 촉진했습니다. IL-6와 IL-8은 PI3K/AKT 경로를 활성화하여 ARG1 전사를 촉진합니다. ARG1의 높은 발현을 보이는 골수 세포의 아르기닌 대사는 향상되었고, T 세포의 아르기닌 대사는 억제되었으며, 종양 면역은 억제되었습니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

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The arginase isoenzymes arginase1 (ARG1) and arginase2 (ARG2) are abnormally upregulated in various cancers. ARG1 is mainly expressed in the cytoplasm of hepatocytes and plays a role in the urea cycle. In contrast, ARG2 is expressed in mitochondria of multiple tissues, with the most abundant expression‎ in the kidney and prostate, and mediates arginine/ornithine balance.182,183 In neuroblastoma, overexpression‎ of ARG1 can increase AKT and ERK phosphorylation and promote cell proliferation.184 In gastric cancer, serum factors IL-6 and IL-8 can stimulate CD45+CD33lowCD11bdim MDSCs to express ARG1 and ultimately inhibit CD8+ T cell function through the PI3K-AKT signaling pathway (Fig. 8).185 GM-CSF derived from breast cancer tumor cells can promote ARG1 expression‎ in tumor-infiltrating myeloid cells through STAT3 and p38 MAPK signaling pathways, enhance the function of tumor-infiltrating myeloid cells, and promote the development of immunosuppressive TME (Fig. 8).186 Studies have also found that the expression‎ level of ARG2 in malignant thyroid tumors is significantly higher than that in normal tissues, and ARG2 inhibition can reduce the expression‎ level of AKT and promote tumor cell apoptosis.187

In head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC), phosphorylated STAT3 can directly bind to the ARG1 promoter region of MDSCs to promote transcription, thereby contributing to the immunosuppressive effect of MDSCs.188 ARG2 has also been reported to promote melanoma tumor metastasis through the H2O2-STAT3 pathway (Fig. 8).189 Multiple tissue-derived tumor samples show a large number of Arg1-positive myeloid cells in the tumor microenvironment. In cancer patients, ARG1 is increased while L-Arginine is decreased in plasma samples. Administration of CB-1158 (a small molecule inhibitor of arginase) can slow tumor growth rates, block myeloid cell-mediated suppression of T-cell proliferation, and increase the number of tumor-infiltrating CD8+ T cells and NK cells in mouse models of multiple tumors.190 Piceatannol (PIC), another natural arginase inhibitor, can effectively inhibit TGF-β1 /TGF-β receptor type 1 (TGF-βR1) signaling pathway, limit M2-type macrophage polarization to regulate TME and inhibit CRC progression and metastasis.191 These results suggest that ARG is a potential target for tumor metabolism. Arginase inhibitors have been developed and experimentally eval‎uated in various tumors.

아르기나아제 동형효소인 아르기나아제1(ARG1)과 아르기나아제2(ARG2)는 다양한 암에서 비정상적으로 상향 조절됩니다. ARG1은 주로 간세포의 세포질에서 발현되며 요소 회로에서 역할을 합니다. 반면, ARG2는 여러 조직의 미토콘드리아에서 발현되며 신장과 전립선에서 가장 풍부하게 발현되고 아르기닌/오르니틴 균형을 매개합니다. 신경모세포종에서 ARG1의 과발현은 AKT와 ERK 인산화를 증가시키고 세포 증식을 촉진할 수 있습니다. 위암에서 혈청 인자 IL-6와 IL-8은 CD45+CD33lowCD11bdim MDSCs를 자극하여 ARG1을 발현시키고 궁극적으로 PI3K-AKT 신호 전달 경로를 통해 CD8+ T 세포 기능을 억제합니다(그림 8). 유방암 종양 세포에서 유래한 GM-CSF는 STAT3과 p38 MAPK 신호 전달 경로를 통해 종양 침윤 골수 세포에서 ARG1 발현을 촉진하고, 종양 침윤 골수 세포의 기능을 향상시키며, 면역 억제성 TME의 발달을 촉진합니다(그림 8). 연구에 따르면 악성 갑상선 종양에서 ARG2의 발현 수준이 정상 조직보다 현저히 높으며, ARG2 억제는 AKT의 발현 수준을 감소시키고 종양 세포 사멸을 촉진할 수 있습니다. 두경부 편평세포암(HNSCC)에서 인산화된 STAT3은 MDSCs의 ARG1 프로모터 영역에 직접 결합하여 전사를 촉진함으로써 MDSCs의 면역 억제 효과에 기여할 수 있습니다. ARG2는 또한 H₂O₂-STAT3 경로를 통해 흑색종 종양 전이를 촉진하는 것으로 보고되었습니다(그림 8). 여러 조직 유래 종양 샘플은 종양 미세환경에서 다수의 Arg1 양성 골수 세포를 보여줍니다. 암 환자에서 ARG1은 증가하고 혈장 샘플에서 L-아르기닌은 감소합니다. 아르기나아제의 소분자 억제제인 CB-1158을 투여하면 종양 성장 속도를 늦추고, 골수 세포 매개 T세포 증식 억제를 차단하며, 여러 종양의 마우스 모델에서 종양 침윤 CD8+ T 세포와 NK 세포의 수를 증가시킬 수 있습니다. 또 다른 천연 아르기나아제 억제제인 피세아탄놀(PIC)은 TGF-β1/TGF-β 수용체 1형(TGF-βR1) 신호 전달 경로를 효과적으로 억제하고, M2형 대식세포 분극을 제한하여 TME를 조절하며 CRC 진행과 전이를 억제할 수 있습니다. 이러한 결과는 ARG가 종양 대사의 잠재적인 표적임을 시사합니다. 아르기나아제 억제제는 다양한 종양에서 개발되고 실험적으로 평가되었습니다.

Protein arginine methyltransferases (PRMTs)

PRMTs are SAM-dependent enzymes that catalyze the mono- and di-methylation of peptidyl arginine residues. Many studies have shown that the activity of PRMTs is related to cancer stem cells (CSCs), which can self-renew and generate differentiated progeny. This is an important factor leading to tumor drug resistance, metastasis and recurrence. PRMT5 is highly expressed in breast cancer and chronic myeloid leukemia (CML) stem cells, and the knockdown of PRMT5 or the use of PRMT5 inhibitors can significantly impair the self-renewal capacity of CSCs.192,193 PRMT5 can also promote DVL3 expression‎, thereby driving Wnt/β-catenin signaling.192 In addition, PRMT1 is a key regulatory molecule that maintains the pluripotent state of progenitor cells.194 PRMT7 can promote the transcription of Oct4, c-Myc, Nanog, and Klf4 by regulating the histone methylation of miR-24-2 and miR-221 promoters and inhibiting the expression‎ of miRNA.195,196 PRMT8 can also maintain ES cell diversity by inducing SOX2 expression‎.197 In breast cancer, arginine 21 (R21) and lysine 108 (K108) on mitochondrial ribosomal protein S23 (MRPS23) are methylated by methyltransferase 7 (PRMT7) and SET-domain-containing protein 6 (SETD6), respectively. Methylation of R21 promotes the polyubiquitination and degradation of MRPS23, which inhibits mitochondrial phosphorylation (OXPHOS) and increases ROS levels, thereby promoting breast cancer cell metastasis. On the other hand, K108 methylation cooperates with R21 methylation to maintain low levels of OXPHOS, which favors breast cancer cell survival.198 The use of the PRMTs inhibitor MS023 in TNBC induces an interferon response and exerts an antitumor effect.199 In GBM, PRMT2 participates in oncogene transcription by mediating H3R8me2a modification.200 PRMT5 expression‎ levels are elevated and associated with poor patient prognosis. Also, PRMT5 knockdown impairs the self-renewal ability of GBM cells and promotes apoptosis.201,202 Administration of the PRMT6 inhibitor EPZO20411 can inhibit the arginine methylation of chromatin condensation regulator 1 (RCC1), block the tyrosine kinase 2 (CK2) -PRMT6-RCC1 signaling axis, inhibit the proliferation of glioblastoma stem cells (GSCs) and increase their sensitivity to radiotherapy.203 Targeting PRMT7 reduces glycine decarboxylase expression‎, leading to the reprogramming of glycine metabolism and production of methylglyoxal, impairing the self-renewal capacity of leukemia stem cells (LSCs) and slowing the progression of leukemia.204 Similarly, administration of the PRMT5 inhibitor PJ-68 in a CML mouse model with high expression‎ of PRMT5 LSCs could deplete DVL3, thereby inhibiting Wnt/β-catenin signaling and significantly prolonging the survival time of a retroviral BCR-ABL-driven CML mouse model.193 These studies prove that PRMTs are potential targets for cancer therapy, and several PRMTs inhibitors are currently in clinical trials (Table 1).

단백질 아르기닌 메틸전이효소(PRMTs)

PRMTs는 펩티딜 아르기닌 잔기의 단일 및 이중 메틸화를 촉진하는 SAM 의존성 효소입니다. 많은 연구에서 PRMTs의 활성이 암 줄기세포(CSCs)와 관련이 있으며, 이는 자가 갱신하고 분화된 자손을 생성할 수 있어 종양 약물 저항성, 전이 및 재발을 유발하는 중요한 요인이라는 것을 보여주었습니다. PRMT5는 유방암 및 만성 골수성 백혈병(CML) 줄기세포에서 높게 발현되며, PRMT5의 녹다운이나 PRMT5 억제제 사용은 CSCs의 자가 갱신 능력을 현저히 손상시킬 수 있습니다. PRMT5는 또한 DVL3 발현을 촉진하여 Wnt/β-카테닌 신호 전달을 구동할 수 있습니다. 또한, PRMT1은 전구세포의 다능성 상태를 유지하는 핵심 조절 분자입니다. PRMT7은 miR-24-2와 miR-221 프로모터의 히스톤 메틸화를 조절하고 miRNA의 발현을 억제함으로써 Oct4, c-Myc, Nanog, Klf4의 전사를 촉진할 수 있습니다. PRMT8은 또한 SOX2 발현을 유도하여 ES 세포 다양성을 유지할 수 있습니다. 유방암에서 미토콘드리아 리보솜 단백질 S23(MRPS23)의 아르기닌 21(R21)과 라이신 108(K108)은 각각 메틸전이효소 7(PRMT7)과 SET 도메인 함유 단백질 6(SETD6)에 의해 메틸화됩니다. R21의 메틸화는 MRPS23의 다중유비퀴틴화와 분해를 촉진하여 미토콘드리아 인산화(OXPHOS)를 억제하고 ROS 수치를 증가시켜 유방암 세포 전이를 촉진합니다. 다른 한편으로, K108 메틸화는 R21 메틸화와 협력하여 낮은 수준의 OXPHOS를 유지하며, 이는 유방암 세포 생존에 유리합니다. TNBC에서 PRMTs 억제제 MS023을 사용하면 인터페론 반응을 유도하고 항종양 효과를 발휘합니다. GBM에서 PRMT2는 H3R8me2a 변형을 매개하여 종양 유전자 전사에 참여합니다. PRMT5 발현 수준은 상승하며 환자의 예후가 좋지 않은 것과 관련이 있습니다. 또한, PRMT5 녹다운은 GBM 세포의 자가 갱신 능력을 손상시키고 세포 사멸을 촉진합니다. PRMT6 억제제 EPZO20411을 투여하면 염색질 응축 조절자 1(RCC1)의 아르기닌 메틸화를 억제하고, 티로신 키나아제 2(CK2)-PRMT6-RCC1 신호 축을 차단하며, 교모세포종 줄기세포(GSCs)의 증식을 억제하고 방사선 치료에 대한 민감도를 증가시킬 수 있습니다. PRMT7을 표적으로 하면 글리신 탈카르복실효소 발현이 감소하여 글리신 대사 재프로그래밍과 메틸글리옥살 생성을 유도하고, 백혈병 줄기세포(LSCs)의 자가 갱신 능력을 손상시키며 백혈병 진행을 늦춥니다. 유사하게, PRMT5 LSCs의 발현이 높은 CML 마우스 모델에 PRMT5 억제제 PJ-68을 투여하면 DVL3가 고갈되어 Wnt/β-카테닌 신호 전달을 억제하고, 레트로바이러스 BCR-ABL 구동 CML 마우스 모델의 생존 시간을 현저히 연장할 수 있었습니다. 이러한 연구들은 PRMTs가 암 치료의 잠재적인 표적임을 증명하며, 여러 PRMTs 억제제가 현재 임상 시험 중에 있습니다(표 1).

Arginine in disease

Wound healing

In the process of wound healing, arginine participates in the response of inflammatory factors through the arginine-NO pathway. In addition, ornithine and urea produced by arginase degradation of arginine are essential during this process and have a key role in the synthesis of collagen and polyamines.171,205,206 Arginine can promote fibroblast proliferation through GPRC6A-ERK1/2 and PI3K/Akt signaling pathways.207 Arginine can also increase monocyte migration and proinflammatory factor production in peripheral blood during the early stages of inflammation.208 In the later stage of inflammation, arginine can also inhibit the activity of immune cells and regulate immune status. In myeloid cells, activated nitric oxide synthase (NOS) and NO inhibit T lymphocyte function by interfering with IL-2.209 In summary, arginine and its metabolites are essential for wound healing and are involved in multiple stages of wound healing, including collagen formation, cell proliferation, and immune regulation.

Dietary arginine supplementation is the most convenient way and has multiple benefits for wound healing. Arginine supplementation enhances the body’s DNA synthesis.210 In colitis models, arginine supplements inhibit the expression‎ of inflammatory factors and chemokines, suppress the inflammatory response, and promote the repair of injured tissues.211 Patients undergoing trauma/hemorrhagic shock have difficulty achieving wound healing due to reduced collagen synthesis. On the contrary, arginine supplementation significantly alleviates the above problems and increases wound strength.212 During diabetic wound healing, arginine supplementation can reverse the insufficient synthesis of NO and restore the concentration of NO in damaged tissues, promoting wound healing.213 Arginine has also been used to mitigate the risk of pressure ulcers, and supplementation of arginine in patients at high risk for pressure ulcers can significantly accelerate pressure ulcer healing.214

질병에서의 아르기닌상처 치유

상처 치유 과정에서 아르기닌은 아르기닌-NO 경로를 통해 염증 인자 반응에 참여합니다. 또한, 아르기나아제에 의한 아르기닌 분해로 생성된 오르니틴과 요소는 이 과정에서 필수적이며 콜라겐과 폴리아민 합성에 핵심적인 역할을 합니다. 아르기닌은 GPRC6A-ERK1/2 및 PI3K/Akt 신호 전달 경로를 통해 섬유아세포 증식을 촉진할 수 있습니다. 아르기닌은 또한 염증 초기 단계에서 말초 혈액의 단핵구 이동과 전염증성 인자 생산을 증가시킬 수 있습니다. 염증 후기 단계에서 아르기닌은 또한 면역 세포의 활성을 억제하고 면역 상태를 조절할 수 있습니다. 골수 세포에서 활성화된 산화질소 합성효소(NOS)와 NO는 IL-2를 방해하여 T 림프구 기능을 억제합니다. 요약하자면, 아르기닌과 그 대사산물은 상처 치유에 필수적이며 콜라겐 형성, 세포 증식 및 면역 조절을 포함한 여러 상처 치유 단계에 관여합니다. 식이 아르기닌 보충은 가장 편리한 방법이며 상처 치유에 여러 이점을 가집니다. 아르기닌 보충은 신체의 DNA 합성을 향상시킵니다. 대장염 모델에서 아르기닌 보충제는 염증 인자와 케모카인의 발현을 억제하고, 염증 반응을 억제하며, 손상된 조직의 복구를 촉진합니다. 외상/출혈성 쇼크를 겪는 환자는 콜라겐 합성 감소로 인해 상처 치유에 어려움을 겪습니다. 반대로, 아르기닌 보충은 위의 문제를 현저히 완화하고 상처 강도를 증가시킵니다. 당뇨병성 상처 치유 중에 아르기닌 보충은 불충분한 NO 합성을 역전시키고 손상된 조직의 NO 농도를 회복시켜 상처 치유를 촉진할 수 있습니다. 아르기닌은 또한 욕창 위험을 완화하는 데 사용되었으며, 욕창 고위험군 환자에게 아르기닌을 보충하면 욕창 치유를 현저히 가속화할 수 있습니다.

Alzheimer’s disease (AD)

Alzheimer’s disease (AD) is characterized by senile plaques and neurofibrillary tangles (NFTs) caused by amyloid-β and phosphorylated tau deposition. Advanced glycation end products (AGEs) modify proteins to cause their dysfunction. Glycosylation of the AMPK-γ subunit inhibits AMPK function, and arginine treatment protects AMPK-γ from glycosylation and increases AMPK phosphorylation in a mouse model of AD, thereby ameliorating AD disease.215 In patients with mild AD/cognitive impairment (MCI), a combination of L-arginine, HMG-CoA inhibitor simvastatin, and tetrahydrobiopterin to enhance the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) pathway modestly increases cerebral blood flow and improves cognition.216 In addition, PRMT4-catalyzed asymmetric dimethylarginine (ADMA) has been reported to bind to NOS as a ligand, leading to NOS dysfunction, resulting in decreased cerebral blood flow and aggravating AD, which can be reversed by inhibition of PRMT4.217

알츠하이머병(AD)

알츠하이머병(AD)은 아밀로이드-β와 인산화된 타우 침착으로 인한 노인성 반점과 신경섬유 엉킴(NFTs)이 특징입니다. 최종 당화산물(AGEs)은 단백질을 변형시켜 그 기능 장애를 유발합니다. AMPK-γ 소단위의 당화는 AMPK 기능을 억제하며, 아르기닌 치료는 AD 마우스 모델에서 AMPK-γ를 당화로부터 보호하고 AMPK 인산화를 증가시켜 AD 질환을 개선합니다. 경증 AD/인지 장애(MCI) 환자에서 L-아르기닌, HMG-CoA 억제제 심바스타틴 및 테트라하이드로바이오프테린의 조합은 내피 산화질소 합성효소(eNOS) 경로를 향상시켜 뇌 혈류를 약간 증가시키고 인지를 개선합니다. 또한, PRMT4-촉매 비대칭 디메틸아르기닌(ADMA)은 NOS에 리간드로 결합하여 NOS 기능 장애를 유발하고, 이로 인해 뇌 혈류가 감소하여 AD를 악화시키는 것으로 보고되었으며, 이는 PRMT4 억제에 의해 역전될 수 있습니다.

Lung disease

Asthma is a variable, recurrent, long-term inflammatory disease of the respiratory tract. Imbalances in the metabolism of Arg and nitric oxide have been implicated in the pathophysiology of asthma. An analysis of plasma metabolic mass spectrometry in children with asthma showed that Arg, Lys, and Met levels were significantly decreased in the susceptible asthma group compared to the non-susceptible asthma group.218 Althoff et al. also showed significant increases in serum concentrations of asymmetric dimethylarginine (ADMA), enhanced inhibition of NOS, enhanced catabolism of Arg, increased levels of ornithine (Orn) and proline (Pro), and decreased Arg/Orn ratio in patients with asthma and obstructive sleep apnea (OSA).219 A controlled trial conducted by Liao et al. showed that adding L-Arginine to labeled asthma medications did not significantly reduce asthma exacerbations.220 This may be due to a marked increase in the activity of arginase induced by IL-4 and IL-13 and a marked increase in the downstream product putreamine in allergen-stimulated lungs.221 The addition of L-citrulline (a precursor of the L-arginine cycle and NO synthesis) to medications in obese asthmatic patients may assist in asthma control and improve fractional NO excretion (FeNO) levels.222

In chronic obstructive pulmonary disease (COPD), monocytes in lung tissue induce the transcription of PRMT7 through the NF-κB/RelA signaling pathway. High expression‎ of PRMT7 promotes the methylation of RAP1A regulatory element histones and regulates monocyte adhesion and migration. Decreased expression‎ of PRMT7 reduces monocyte recruitment to sites of lung injury.223

폐 질환

천식은 호흡기의 가변적이고 재발성이며 장기적인 염증성 질환입니다. Arg 및 산화질소 대사의 불균형은 천식의 병태생리학에 연루되어 있습니다. 천식이 있는 어린이의 혈장 대사 질량 분석 결과, 감수성 천식군에서 비감수성 천식군에 비해 Arg, Lys, Met 수치가 현저히 감소한 것으로 나타났습니다. Althoff 등은 또한 천식 및 폐쇄성 수면 무호흡증(OSA) 환자에서 혈청 비대칭 디메틸아르기닌(ADMA) 농도의 현저한 증가, NOS의 향상된 억제, Arg의 향상된 이화작용, 오르니틴(Orn) 및 프롤린(Pro) 수치 증가, Arg/Orn 비율 감소를 보여주었습니다. Liao 등이 수행한 대조 시험에서는 라벨이 붙은 천식 약물에 L-아르기닌을 추가해도 천식 악화가 크게 감소하지 않는 것으로 나타났습니다. 이는 IL-4와 IL-13에 의해 유도된 아르기나아제 활성의 현저한 증가와 알레르겐 자극 폐에서 하류 산물인 푸트레아민의 현저한 증가 때문일 수 있습니다. 비만 천식 환자의 약물에 L-시트룰린(L-아르기닌 순환 및 NO 합성의 전구체)을 추가하면 천식 조절을 돕고 분획 NO 배출(FeNO) 수치를 개선할 수 있습니다. 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)에서 폐 조직의 단핵구는 NF-κB/RelA 신호 전달 경로를 통해 PRMT7의 전사를 유도합니다. PRMT7의 높은 발현은 RAP1A 조절 요소 히스톤의 메틸화를 촉진하고 단핵구 부착 및 이동을 조절합니다. PRMT7의 발현 감소는 폐 손상 부위로의 단핵구 모집을 감소시킵니다.

Cardiovascular diseases

Patients with hypercholesterolemia and vascular disease commonly have elevated asymmetric dimethylarginine (ADMA), which is associated with impaired NO synthesis and an early marker of endothelial dysfunction.20 ADMA is an endogenous nitric oxide synthase (NOS) inhibitor that can significantly reduce the synthesis of vasodilator NO, leading to the development of cardiovascular disease. The abnormal activity of PRMTs results in increased ADMA and MMA, which increases the risk of cardiovascular disease. Loss of PRMT7 in the heart reduces symmetrical dimethylation of β-catenin, enhances Wnt-β-catenin signaling, and promotes myocardial hypertrophy.224 PRMT1 is the main enzyme that catalyzes ADMA. It regulates gene activation by regulating histone methylation modification in the promoter region of myocartin. Ablation of PRMT1 can downregulate the expression‎ of contractile genes such as myocartin and significantly reduce the contractility of the aorta and the traction force of vascular smooth muscle cells (VSMCs).225 Administration of the PRMT4 inhibitor TP-064 in a mouse model of atherosclerotic cardiovascular disease can induce a decrease in monocyte tumor necrosis factor-α (TNF-α) secretion, downregulate the gene expression‎ of the glycogen metabolism-related protein G6pc in the liver, and reduce plasma triglyceride levels, exerting regulatory effects from inflammatory and metabolic pathways.226

Inhibitors targeting PRMTs are being developed and experimentally tested. Arg methylase inhibitors (AMIs), symmetric sulfonated urea, specifically inhibit PRMT activity and, in a rat model, cyclooxygenase-2 (COX-2) expression‎ and suppress inflammation.227 MS023, another selective PRMT type I inhibitor, reduced ADMA, increased MAA and SDMA levels, and shifted PRMTs activity from type I to type II/III in cells treated with MS023.228

심혈관 질환

고콜레스테롤혈증 및 혈관 질환 환자는 일반적으로 비대칭 디메틸아르기닌(ADMA)이 상승하며, 이는 NO 합성 손상 및 내피 기능 장애의 초기 표지와 관련이 있습니다. ADMA는 내인성 산화질소 합성효소(NOS) 억제제로, 혈관 확장제 NO의 합성을 현저히 감소시켜 심혈관 질환 발병을 유발할 수 있습니다. PRMTs의 비정상적인 활성은 ADMA 및 MMA를 증가시켜 심혈관 질환의 위험을 높입니다. 심장에서 PRMT7의 손실은 β-카테닌의 대칭 디메틸화를 감소시키고, Wnt-β-카테닌 신호 전달을 향상시키며, 심근 비대를 촉진합니다. PRMT1은 ADMA를 촉매하는 주요 효소입니다. 이는 미오카르틴의 프로모터 영역에서 히스톤 메틸화 변형을 조절하여 유전자 활성화를 조절합니다. PRMT1의 절제는 미오카르틴과 같은 수축 유전자의 발현을 하향 조절하고 대동맥의 수축성과 혈관 평활근 세포(VSMC)의 견인력을 현저히 감소시킬 수 있습니다. 동맥경화성 심혈관 질환 마우스 모델에서 PRMT4 억제제 TP-064를 투여하면 단핵구 종양 괴사 인자-α(TNF-α) 분비가 감소하고, 간의 당원 대사 관련 단백질 G6pc의 유전자 발현이 하향 조절되며, 혈장 트리글리세리드 수치가 감소하여 염증 및 대사 경로로부터 조절 효과를 발휘합니다. PRMTs를 표적으로 하는 억제제가 개발되고 실험적으로 시험되고 있습니다. Arg 메틸라아제 억제제(AMI), 대칭 술폰화 요소는 특이적으로 PRMT 활성을 억제하고, 쥐 모델에서 시클로옥시게나아제-2(COX-2) 발현 및 염증을 억제합니다. 또 다른 선택적 PRMT I형 억제제인 MS023은 ADMA를 감소시키고, MAA 및 SDMA 수치를 증가시키며, MS023으로 처리된 세포에서 PRMTs 활성을 I형에서 II/III형으로 전환시켰습니다.

Methionine (Met)

Methionine metabolism

Met is an essential amino acid and a precursor of other amino acids such as cysteine (Cys) and taurine, as well as S-adenosyl-L-methionine (SAM) and glutathione (GSH). The backbone of Met biosynthesis is mainly derived from aspartate.229

Aspartate is first converted to homoserine through the reduction reaction of the β-aspartate semialdehyde terminal. The intermediate aspartate semialdehyde can be condensation with pyruvate to participate in the Lys biosynthesis pathway, and homoserine itself can also participate in threonine biosynthesis. The homoserine hydroxyl group is then activated by phosphate, succinyl, or acetyl groups, and the hydroxyl group is then replaced by cysteine, methyl thiol, or hydrogen sulfide by displacement reactions. It reacts with Cys under the catalysis of cystathionine-γ-synthetase to produce cystathionine, which is cleaved by cystathionine-β-lyase to form homocysteine. In reaction with free hydrogen sulfide, homocysteine is formed under the catalysis of O-acetyl-homoserine aminocarboxypropyl transferase. The reaction with methanethiol yields Met directly.229 Cysteine and homocysteine can be interconverted through the sulfur transfer pathway. This pathway includes both forward and reverse. The forward pathway is present in bacteria such as Escherichia coli and Bacillus subtilis and can transfer sulfhydryl groups from cysteine to homocysteine.230,231 The reverse pathway exists in organisms, including humans, to transfer sulfhydryl groups from homocysteine to cysteine.232 Even though Met is classified as an essential amino acid because of the reverse sulfur conversion pathway in humans, cysteine does not fall into this category.

In catabolism, Met is catalyzed by Met adenosine transferase (MAT) to SAM. As a methyl donor, SAM participates in various methyl transfer reactions and is converted to S-adenosylhomocysteine (SAH) in the reaction. Met can increase the intracellular concentration of glutathione, promote cellular REDOX regulation, and protect cells by binding to oxidative metabolites (Fig. 5).233

메티오닌(Met)메티오닌 대사

메티오닌(Met)은 필수 아미노산이며 시스테인(Cys) 및 타우린과 같은 다른 아미노산의 전구체이자 S-아데노실-L-메티오닌(SAM) 및 글루타티온(GSH)의 전구체입니다. Met 생합성의 골격은 주로 아스파르트산에서 유래합니다. 아스파르트산은 먼저 β-아스파르트산 세미알데히드 말단의 환원 반응을 통해 호모세린으로 전환됩니다. 중간체 아스파르트산 세미알데히드는 피루브산과 축합하여 Lys 생합성 경로에 참여할 수 있으며, 호모세린 자체도 트레오닌 생합성에 참여할 수 있습니다. 그 후 호모세린 수산기는 인산, 숙시닐 또는 아세틸 그룹에 의해 활성화되고, 수산기는 치환 반응에 의해 시스테인, 메틸 티올 또는 황화수소로 대체됩니다. 시스타티오닌-γ-합성효소의 촉매 작용 하에 Cys와 반응하여 시스타티오닌을 생성하며, 이는 시스타티오닌-β-리아제에 의해 절단되어 호모시스테인을 형성합니다. 자유 황화수소와의 반응에서, O-아세틸-호모세린 아미노카르복시프로필 전이효소의 촉매 작용 하에 호모시스테인이 형성됩니다. 메탄티올과의 반응은 직접 Met를 생성합니다. 시스테인과 호모시스테인은 황 전달 경로를 통해 상호 전환될 수 있습니다. 이 경로는 순방향과 역방향 모두를 포함합니다. 순방향 경로는 Escherichia coli 및 Bacillus subtilis와 같은 박테리아에 존재하며 시스테인에서 호모시스테인으로 황하이드릴 그룹을 전달할 수 있습니다. 역방향 경로는 인간을 포함한 유기체에 존재하여 호모시스테인에서 시스테인으로 황하이드릴 그룹을 전달합니다. 인간의 역방향 황 전환 경로 때문에 Met가 필수 아미노산으로 분류되지만, 시스테인은 이 범주에 속하지 않습니다. 이화작용에서 Met는 Met 아데노신 전이효소(MAT)에 의해 SAM으로 촉매됩니다. 메틸 공여체로서 SAM은 다양한 메틸 전달 반응에 참여하고 반응에서 S-아데노실호모시스테인(SAH)으로 전환됩니다. Met는 세포 내 글루타티온 농도를 증가시키고, 세포 산화환원 조절을 촉진하며, 산화 대사산물에 결합하여 세포를 보호할 수 있습니다(그림 5).

Methionine in cancer

Met, as an essential amino acid, has an important role in tumor growth and metabolism. In addition to exogenous supply, the Met salvage pathway is the only Met source. This pathway requires the activity of methyladenosine phosphorylase (MTAP) as well as Met synthase (MS).234 MTAP is located in the periphery of the tumor suppressor cyclin-dependent kinase inhibitor 2 A (CDNK2A), and the co-deletion of the two genes occurs in ~15% of cancers and results in a highly aggressive tumor with a poor prognosis. These enzymes are often downregulated in malignant tumors, resulting in a strong dependence of the cells on Met intake from the external environment.234,235 In addition, Met is broken down by the Met cycle, in which Met adenosine transferase 2A (MAT2A) is upregulated and highly active in tumors.236 MAT2A has been proposed as a lethal target in MTAP null tumors. In the absence of MTAP, the substrate methyl thionyl adenosine (MTA) accumulates and acts as a selective inhibitor of PRMT5 to inhibit PRMT5 methylation activity,237 whereas MAT2A can produce the PRMT5 substrate SAM,238 allowing PRMT5 to exert its oncogenic effect. Valosin-Containing Protein P97/P47 Complex-Interacting Protein 1 (VCIP135) binds and stabilizes MAT2A in response to folate signaling in HCC and promotes tumor formation and progression in DEN/high-fat diet (HFD)—induced HCC mouse models (Fig. 9).239 Treatment with MAT2A inhibitors AG-24152 and AG-270 significantly reduces SAM levels, inhibits PRMT5 activity, and causes DNA damage and mitotic defects in tumor cells. Also, AG-270 showed a synergistic antiproliferative effect with the anti-mitotic drug taxane in vitro and in vivo.240 It has also been shown that MTA accumulation and secretion occur in MTAP-deficient GBM, but no significant MTA accumulation was detected in vivo because the stromal cells in the TME express WTAP and consume the MTA emitted by tumor cells and increase the activity of PRMT5. PRMT5 inhibitors GSK591 and ly-283 caused a broad inhibition of transcriptome splicing in GBM cells, particularly affecting the products of cell cycle genes and prolonged survival in the PDX mouse model.241

암에서의 메티오닌

필수 아미노산으로서 Met는 종양 성장과 대사에 중요한 역할을 합니다. 외인성 공급 외에도 Met 구제 경로는 유일한 Met 공급원입니다. 이 경로는 메틸아데노신 포스포릴라아제(MTAP) 및 Met 합성효소(MS)의 활성을 필요로 합니다. MTAP는 종양 억제제 사이클린 의존성 키나아제 억제제 2A(CDNK2A)의 주변에 위치하며, 두 유전자의 동시 삭제는 약 15%의 암에서 발생하며, 예후가 나쁜 매우 공격적인 종양을 초래합니다. 이러한 효소는 악성 종양에서 종종 하향 조절되어 세포가 외부 환경으로부터의 Met 섭취에 강하게 의존하게 됩니다. 또한, Met는 Met 순환에 의해 분해되며, 여기서 Met 아데노신 전이효소 2A(MAT2A)는 종양에서 상향 조절되고 매우 활성적입니다. MAT2A는 MTAP 결핍 종양에서 치명적인 표적으로 제안되었습니다. MTAP가 없는 경우, 기질 메틸 티오닐 아데노신(MTA)이 축적되어 PRMT5의 선택적 억제제로 작용하여 PRMT5 메틸화 활성을 억제하는 반면, MAT2A는 PRMT5 기질 SAM을 생성하여 PRMT5가 종양 유발 효과를 발휘하도록 합니다. 발로신 함유 단백질 P97/P47 복합체 상호작용 단백질 1(VCIP135)은 HCC에서 엽산 신호에 반응하여 MAT2A를 결합하고 안정화시키며, DEN/고지방 식이(HFD) 유도 HCC 마우스 모델에서 종양 형성과 진행을 촉진합니다(그림 9). MAT2A 억제제 AG-24152 및 AG-270 치료는 SAM 수치를 현저히 감소시키고, PRMT5 활성을 억제하며, 종양 세포에서 DNA 손상과 유사분열 결함을 유발합니다. 또한, AG-270은 시험관 내 및 생체 내에서 항유사분열 약물 탁산과 시너지적인 항증식 효과를 보였습니다. 또한 MTA 축적 및 분비가 MTAP 결핍 GBM에서 발생하지만, TME의 기질 세포가 WTAP을 발현하고 종양 세포에서 방출된 MTA를 소비하며 PRMT5의 활성을 증가시키기 때문에 생체 내에서는 유의미한 MTA 축적이 감지되지 않았습니다. PRMT5 억제제 GSK591 및 ly-283은 GBM 세포에서 전사체 접합의 광범위한 억제를 유발했으며, 특히 세포 주기 유전자 산물에 영향을 미치고 PDX 마우스 모델에서 생존을 연장했습니다.

Fig. 9

Methionine metabolism in tumor cells. In hepatocellular carcinoma, valosin-containing protein P97/P47 complex-interacting protein 1 (VCIP135) responded to folic acid signals to bind and stabilize MAT2A. In MTAP deficient cells, the MTAP substrate, MTA, accumulates and inhibits PRMT5 activity. Tumor cells can increase methionine intake through high expression‎ of SLC43A2, competitive consumption of methionine in the environment, resulting in methionine deficiency in T cells. T cell methionine restriction can inhibit the normal methylation in cells, resulting in the transcription of STAT5 gene obstruction, affecting T cell survival and function. On the other hand, methionine metabolism inhibited PD-L1 and V-domain Ig suppressor of T cell activation (VISTA) immune checkpoint translation. Created with BioRender.com. (The red blunt line represents inhibition)

그림 9. 종양 세포에서의 메티오닌 대사. 간세포암종에서 발로신 함유 단백질 P97/P47 복합체 상호작용 단백질 1(VCIP135)은 엽산 신호에 반응하여 MAT2A에 결합하고 안정화시켰습니다. MTAP 결핍 세포에서 MTAP 기질인 MTA가 축적되어 PRMT5 활성을 억제합니다. 종양 세포는 SLC43A2의 높은 발현을 통해 메티오닌 섭취를 증가시키고 환경의 메티오닌을 경쟁적으로 소비하여 T 세포의 메티오닌 결핍을 유발할 수 있습니다. T 세포 메티오닌 제한은 세포의 정상적인 메틸화를 억제하여 STAT5 유전자 전사를 방해하고 T 세포 생존과 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. 다른 한편으로, 메티오닌 대사는 PD-L1 및 V-도메인 Ig T 세포 활성 억제제(VISTA) 면역 관문 번역을 억제했습니다. (BioRender.com으로 제작) (붉은색 뭉툭한 선은 억제를 나타냄)

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Because of its central role in methylation, Met is considered a candidate target for tumor therapy driven by ten-eleven translocation (TET), isocitrate dehydrogenase (IDH) proteins, methyltransferases, and other phenotypic modifiers. Anti-tumor effects of the Met-free diet were first reported in Walker-256 sarcoma-bearing Sprague-Dawley rats.242 Met restricted diet can reduce N6-methyladenosine (m6A) methylation and immune checkpoint translation, such as PD-L1 and V-domain Ig suppressor of T cell activation (VISTA) in tumor cells. In addition, it increases the number of tumor-infiltrating CD8+ T cells to inhibit tumor immune escape (Fig. 9).243 In AML, the level of H3K36me3 changes most dramatically before and after Met deprivation, and inhibition of STED2, the H3K36-specific methyltransferase, can reproduce most of the cytotoxic phenotypes produced by Met deprivation.244 In addition, tumor cells can consume a large amount of Met in the environment by highly expressing Met transporter SLC43A2, which can inhibit the Met metabolism of T cells in the microenvironment, resulting in the loss of dimethylation of histone H3K79me2 lysine 79 in T cells, low expression‎ of STAT5, and inhibition of T cell function. Met supplementation or inhibition of SLC43A2 expression‎ in tumor cells can reverse the above-mentioned functional suppression of T cells and activate tumor immunity (Fig. 9).245

The hepatocyte nuclear factor 4α (HNF4α) regulates sulfur amino acid (SAA) metabolism in the liver. Knocking down HNF4α in hepatocellular carcinoma impairs SAA metabolism, increases tumor cell tolerance to Met deprivation and sorafenib, and promotes tumor EMT. In contrast, restoring SAA metabolism alleviated the tumor phenotype resulting from HNF4α deficiency.246 These studies suggest that Met starvation not only suppresses tumor cell metabolism but also involves immune cells and that tumor cells themselves have complex preferential pathways to regulate Met metabolism. Therefore, more precise and focused treatment methods should be developed for tumor cell Met metabolism. Targeting STED2 and SLC43A2 provides new insights.

메틸화에서의 중심적인 역할 때문에, Met는 텐-일레븐 전위(TET), 이소시트르산 탈수소효소(IDH) 단백질, 메틸전이효소 및 기타 표현형 변형인자에 의해 구동되는 종양 치료의 후보 표적으로 간주됩니다. Met 결핍 식단의 항종양 효과는 워커-256 육종을 가진 스프라그-돌리 쥐에서 처음 보고되었습니다. Met 제한 식단은 종양 세포에서 N6-메틸아데노신(m6A) 메틸화 및 PD-L1 및 V-도메인 Ig T 세포 활성 억제제(VISTA)와 같은 면역 관문 번역을 감소시킬 수 있습니다. 또한, 종양 침윤 CD8+ T 세포의 수를 증가시켜 종양 면역 회피를 억제합니다(그림 9). AML에서, Met 결핍 전후에 H3K36me3 수치가 가장 극적으로 변하며, H3K36 특이적 메틸전이효소인 STED2를 억제하면 Met 결핍으로 생성되는 대부분의 세포독성 표현형을 재현할 수 있습니다. 또한, 종양 세포는 Met 수송체 SLC43A2를 고도로 발현하여 환경의 다량의 Met를 소비할 수 있으며, 이는 미세환경에서 T 세포의 Met 대사를 억제하여 T 세포에서 히스톤 H3K79me2 라이신 79의 이중메틸화 손실, STAT5의 낮은 발현 및 T 세포 기능 억제를 초래할 수 있습니다. 종양 세포에서 Met 보충 또는 SLC43A2 발현 억제는 위에서 언급한 T 세포의 기능 억제를 역전시키고 종양 면역을 활성화할 수 있습니다(그림 9). 간세포 핵 인자 4α(HNF4α)는 간에서 황 아미노산(SAA) 대사를 조절합니다. 간세포암종에서 HNF4α를 녹다운하면 SAA 대사가 손상되고, Met 결핍 및 소라페닙에 대한 종양 세포의 내성이 증가하며, 종양 EMT를 촉진합니다. 반대로, SAA 대사를 복원하면 HNF4α 결핍으로 인한 종양 표현형이 완화되었습니다. 이러한 연구는 Met 결핍이 종양 세포 대사를 억제할 뿐만 아니라 면역 세포도 관여하며, 종양 세포 자체도 Met 대사를 조절하는 복잡한 우선적 경로를 가지고 있음을 시사합니다. 따라서 종양 세포 Met 대사에 대해 더 정밀하고 집중적인 치료 방법이 개발되어야 합니다. STED2와 SLC43A2를 표적으로 하는 것은 새로운 통찰을 제공합니다.

Methionine in disease

Fatty liver disease

Nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a disease caused by abnormal metabolic pathways leading to the accumulation of triglycerides (TG) in the liver. Obesity and T2D mellitus are strong risk factors for NAFLD. HFD and Met and choline-deficient diet (MCD) can mimic human diseases’ histological and metabolic abnormalities and are commonly used to establish NAFLD mouse models. When eval‎uating the differences in the construction of the NALFD/NASH model between the two methods, it was found that the MCD diet could spontaneously lead to liver fibrosis within 2–4 weeks and significantly affect the expression‎ of genes involved in liver fibrosis pathways. This effect of HFD was not observed until 24 weeks after insulin resistance, which resulted in less liver fibrosis.247 Clinical data show that Met levels are reduced in the early stages of NAFLD and that higher Met intake is inversely associated with fibrosis risk. Methyl donor supplementation reduces hepatic fat accumulation by activating the AMPK signaling pathway to increase fatty acid consumption.248 Also, SAM has a key role in regulating liver homeostasis, and reduced levels of SAM synthesis have been detected in various chronic liver injuries, such as NAFLD.249 SAM can alleviate fat accumulation and oxidative stress by promoting mitochondrial fatty acid β-oxidation and releasing TG.249

In alcoholic liver disease, long-term alcohol intake increases the levels of homocysteine and SAH, decreases the SAM/SAH ratio, and directly affects cellular methylation levels.250,251 At the same time, ethanol can directly affect the activities of MAT, BHMT, and other enzymes, interfere with Met metabolism, inhibit GSH formation, and weaken the antioxidant capacity of cells.252 SAM supplementation reverses GSH depletion, reduces mitochondrial DNA damage, and ameliorates steatosis and hepatocyte necrosis in ethanol-fed models.253,254 Moreover, betaine can similarly mitigate ethanol-induced liver injury by improving ethanol-induced fatty acid synthesis by targeting FA synthetases, peroxisome activator receptor γ (PPAR γ) coactivator 1, and hepatic sterol regulatory element binding protein (SREBP) − 1c.255 Methionine adenosyl-transferase α1 (MATα1) synthesizes SAM in the liver. As a transcription factor, MATα1 negatively regulates cytochrome P450 2E1 (CYP2E1) at the mRNA level. On the other hand, MATα1 directly interacts with CYP2E1 to promote the methylation of CYP2E1 at R379 site and degradation through the proteasome pathway. Patients with ALD have reduced levels of MATα1 and a reduced hepatocyte methylation/CYP2E1 ratio. MATα1 KO hepatocytes can also be detected with reduced methylation/CYP2E1 ratio, reduced mitochondrial membrane potential, increased ROS content, and are sensitive to ethanol and TNF-α-induced mitochondrial dysfunction.256 In addition, ethanol could activate kinase CK2 to phosphorylate MATα1 at Ser114, promote its interaction with PIN1 isomerase, inhibit MATα1 localization in mitochondria, and promote ethanol-induced mitochondrial dysfunction and fat accumulation. Blocking the interaction between PIN-1 and MATα1 reversed the alcohol-induced cytotoxic phenotype.257

질병에서의 메티오닌지방간 질환

비알코올성 지방간 질환(NAFLD)은 비정상적인 대사 경로로 인해 간에 중성지방(TG)이 축적되어 발생하는 질환입니다. 비만과 제2형 당뇨병은 NAFLD의 강력한 위험 인자입니다. 고지방 식이(HFD)와 Met 및 콜린 결핍 식이(MCD)는 인간 질병의 조직학적 및 대사적 이상을 모방할 수 있으며, 일반적으로 NAFLD 마우스 모델을 확립하는 데 사용됩니다. 두 방법 간의 NALFD/NASH 모델 구축 차이를 평가했을 때, MCD 식단은 2-4주 이내에 자연적으로 간 섬유화를 유발하고 간 섬유화 경로에 관여하는 유전자 발현에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. HFD의 이러한 효과는 인슐린 저항성 후 24주까지 관찰되지 않았으며, 이는 간 섬유화를 덜 유발했습니다. 임상 데이터에 따르면 NAFLD 초기 단계에서 Met 수치가 감소하며, 더 높은 Met 섭취는 섬유화 위험과 반비례 관계에 있습니다. 메틸 공여체 보충은 AMPK 신호 전달 경로를 활성화하여 지방산 소비를 증가시켜 간 지방 축적을 감소시킵니다. 또한, SAM은 간 항상성 조절에 핵심적인 역할을 하며, NAFLD와 같은 다양한 만성 간 손상에서 SAM 합성 수치 감소가 감지되었습니다. SAM은 미토콘드리아 지방산 β-산화를 촉진하고 TG를 방출하여 지방 축적과 산화 스트레스를 완화할 수 있습니다. 알코올성 간 질환에서 장기간의 알코올 섭취는 호모시스테인과 SAH 수치를 증가시키고, SAM/SAH 비율을 감소시키며, 세포 메틸화 수준에 직접적인 영향을 미칩니다. 동시에, 에탄올은 MAT, BHMT 및 기타 효소의 활성에 직접적인 영향을 미쳐 Met 대사를 방해하고, GSH 형성을 억제하며, 세포의 항산화 능력을 약화시킬 수 있습니다. SAM 보충은 GSH 고갈을 역전시키고, 미토콘드리아 DNA 손상을 감소시키며, 에탄올을 섭취한 모델에서 지방증과 간세포 괴사를 개선합니다. 더욱이, 베타인은 FA 합성효소, 퍼옥시좀 활성자 수용체 γ(PPAR γ) 보조활성자 1, 간 스테롤 조절 요소 결합 단백질(SREBP)-1c를 표적으로 하여 에탄올 유도 지방산 합성을 개선함으로써 에탄올 유도 간 손상을 유사하게 완화할 수 있습니다. 메티오닌 아데노실-전이효소 α1(MATα1)은 간에서 SAM을 합성합니다. 전사 인자로서 MATα1은 시토크롬 P450 2E1(CYP2E1)을 mRNA 수준에서 음성적으로 조절합니다. 다른 한편으로, MATα1은 CYP2E1과 직접 상호작용하여 R379 부위에서 CYP2E1의 메틸화를 촉진하고 프로테아좀 경로를 통해 분해를 촉진합니다. ALD 환자는 MATα1 수치가 감소하고 간세포 메틸화/CYP2E1 비율이 감소합니다. MATα1 KO 간세포에서도 감소된 메틸화/CYP2E1 비율, 감소된 미토콘드리아 막 전위, 증가된 ROS 함량이 감지될 수 있으며, 에탄올 및 TNF-α 유도 미토콘드리아 기능 장애에 민감합니다. 또한, 에탄올은 키나아제 CK2를 활성화하여 Ser114에서 MATα1을 인산화하고, PIN1 이성질체와의 상호작용을 촉진하며, 미토콘드리아에서 MATα1 위치를 억제하고, 에탄올 유도 미토콘드리아 기능 장애와 지방 축적을 촉진할 수 있습니다. PIN-1과 MATα1의 상호작용을 차단하면 알코올 유도 세포독성 표현형이 역전되었습니다.

Kidney disease

Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is a common monogenic disease characterized by the enlargement of renal cysts. In the ADPKD model, the levels of Met and SAM are increased, which induces the expression‎ of Mettl3. Also, Mettl3 can increase c-Myc and Avpr2 mRNA modification, activate c-Myc and cAMP pathways, and accelerate cyst growth. A Met restricted diet may slow the progression of ADPKD.258 Kidney injury markers clusterin and cystatin c significantly decreased in the methionine restriction (MR) mouse injury model. Compared with the normal feeding model, the kidney inflammation genes such as Emr1, Nos2, and Tnfa were downregulated, and the degree of basophil aggregation was lower in the MR model. The renal fibrosis genes Fn1, Serpine1, Tgfb1, and Col1a1 were downregulated, and the degree of fibrosis was milder.259

신장 질환

상염색체 우성 다낭성 신장 질환(ADPKD)은 신장 낭종의 확장이 특징인 흔한 단일 유전자 질환입니다. ADPKD 모델에서 Met와 SAM 수치가 증가하여 Mettl3의 발현을 유도합니다. 또한, Mettl3은 c-Myc와 Avpr2 mRNA 변형을 증가시키고, c-Myc와 cAMP 경로를 활성화하며, 낭종 성장을 가속화할 수 있습니다. Met 제한 식단은 ADPKD의 진행을 늦출 수 있습니다. 메티오닌 제한(MR) 마우스 손상 모델에서 신장 손상 마커인 클러스터린과 시스타틴 c가 현저히 감소했습니다. 정상 섭식 모델과 비교할 때, MR 모델에서는 Emr1, Nos2, Tnfa와 같은 신장 염증 유전자가 하향 조절되었고, 호염기구 응집 정도가 낮았습니다. 신장 섬유화 유전자 Fn1, Serpine1, Tgfb1, Col1a1이 하향 조절되었고, 섬유화 정도가 더 경미했습니다.

Diabetes

Elevated levels of circulating Met, acetyl-aspartate, and Asn can be detected in T2DM and diabetic kidney disease (DKD). Also, elevated circulating Met levels can be used to predict the risk of developing diabetes.260 Met metabolism regulates Cys and endogenous hydrogen sulfide (H2S) levels. H2S inhibits glucose-induced insulin release in pancreatic β cells and insulin-stimulated glucose uptake in adipose tissue. Cystathionine γ-lyase (CSE) is a key enzyme in H2S synthesis, and the use of CSE inhibitors increases glucose uptake by adipocytes.261 MR can enhance insulin-stimulated phosphorylation of AKT and S6 and activate PI3K/AKT signaling pathway. Meanwhile, MR can also downregulate genes involved in an inflammatory response and immune cell infiltration, such as chemokine receptor (CCRs), chemokine ligand 7 (CCL7), IL-1β, IL-6, IFN-γ, and TNF-α.262 In summary, Met restriction (MR) can alleviate diabetes by interfering with glucose homeostasis, increasing insulin sensitivity and inflammatory response.

당뇨병

순환하는 Met, 아세틸-아스파르트산, Asn 수치 상승은 T2DM 및 당뇨병성 신장 질환(DKD)에서 감지될 수 있습니다. 또한, 순환하는 Met 수치 상승은 당뇨병 발병 위험을 예측하는 데 사용될 수 있습니다. Met 대사는 Cys와 내인성 황화수소(H₂S) 수치를 조절합니다. H₂S는 췌장 β 세포에서 포도당 유도 인슐린 방출과 지방 조직에서 인슐린 자극 포도당 흡수를 억제합니다. 시스타티오닌 γ-리아제(CSE)는 H₂S 합성의 핵심 효소이며, CSE 억제제를 사용하면 지방세포에 의한 포도당 흡수가 증가합니다. MR은 인슐린 자극 AKT 및 S6 인산화를 향상시키고 PI3K/AKT 신호 전달 경로를 활성화할 수 있습니다. 한편, MR은 또한 케모카인 수용체(CCRs), 케모카인 리간드 7(CCL7), IL-1β, IL-6, IFN-γ, TNF-α와 같은 염증 반응 및 면역 세포 침윤에 관여하는 유전자를 하향 조절할 수 있습니다. 요약하자면, 메티오닌 제한(MR)은 포도당 항상성을 방해하고, 인슐린 민감성을 증가시키며, 염증 반응을 통해 당뇨병을 완화할 수 있습니다.

Amino acid metabolism in the tumor microenvironment (TME)

Over recent years, more and more studies have shown that amino acids in different cells in the TME and their interactions affect tumor immunity and therapeutic effect. Amino acids, transporters, and metabolites participate in tumor immunity through metabolic reprogramming. In addition, specific amino acid deficiency or the immunosuppressive effect of certain amino acid metabolism can damage the function of immune cells, including effector T cells, in the tumor microenvironment. The function of T cells is closely related to the effect of immunotherapy, chemotherapy and other tumor treatments.263,264 This section will present the current advances in amino acid metabolism and immunity.

종양 미세환경(TME)에서의 아미노산 대사

최근 몇 년간, TME 내 다른 세포의 아미노산과 그 상호작용이 종양 면역과 치료 효과에 영향을 미친다는 연구가 점점 더 많아지고 있습니다. 아미노산, 수송체, 대사산물은 대사 재프로그래밍을 통해 종양 면역에 참여합니다. 또한, 특정 아미노산 결핍이나 특정 아미노산 대사의 면역 억제 효과는 종양 미세환경에서 효과기 T 세포를 포함한 면역 세포의 기능을 손상시킬 수 있습니다. T 세포의 기능은 면역 요법, 화학 요법 및 기타 종양 치료 효과와 밀접한 관련이 있습니다. 이 섹션에서는 아미노산 대사와 면역의 현재 발전에 대해 제시할 것입니다.

BCAA

BCAAs have an important role in supporting immune cell function as carbon backbone providers in immune cells. A deficiency of BCAA impairs the immune function of lymphocytes and leukocytes.265 Leu depletion in T cells leads to restricted mTORC1 signaling and inhibits T-cell activation. A reduction in IFN-γ and IL-2 release from T cells was detected when T cells were co-stimulated with anti-CD3 and anti-CD28 using the Leu analog N-acetyl-Leu amide (NALA).266,267 Also, BCAA supplementation can increase CD8+ T cells to upregulate glucose transporter GLUT 1 in a FoxO1-dependent manner, increase glucose uptake and utilization, and enhance the antitumor activity of CD8+ T cells, having a synergistic role with anti-PD-1 therapy.268

There is a subset of immunomodulatory B cells in the TME with TGF-β1 as the main regulatory feature and expressing Leu-tRNA-synthase 2 (LARS2). This subpopulation of LARS B cells shows a preference for Leu metabolism, which can be induced by a Leu diet to promote mitochondrial NAD+ production and oxidative metabolism and recruit NAD+-dependent protein deacetylase SIRTUIN-1 (SIRT1) to participate in the regulation of LARS B cells. Depletion of LARS B cell subsets by LARS gene ablation or Leu depletion can inhibit immune escape in CRC.269

BCAA uptake is dependent on the type I amino acid transporter LAT, and mutations in SLC7A5 and SLC3A2, members of the LAT family, impair BCAA uptake by T cells and inhibit the proliferation and differentiation of Th1, Th17, and CTL cells.41 Slc3a2-dependent BCAA metabolism also has a key role in the physiological activities of Foxp3+ Treg cells, and either BCAA deprivation or SLC3A2 mutation can induce impaired activation of the mTORC1 pathway in Treg cells and inhibit the immunosuppressive function of Treg cells.270 Interestingly, a study on the correlation between amino acid metabolism and the immune microenvironment in LUAD (Lung adenocarcinoma) patients found that SLC7A5 expression‎ was downregulated in various T cells, especially in effector T cells. However, high expression‎ of SLC7A5 in tumor cells predicts reduced expression‎ of immune-related genes, reduced immune cell infiltration, and poor efficacy of immunotherapy.271 Another bioinformatics analysis for breast cancer reached a similar conclusion.272 In addition, BCAT isoenzymes may serve as markers of tumor TME status. In non-malignant T cells, such as activated CD4+ T cells and CTL cells, BCAT c accounts for 50% of the total BCAT expression‎ level, whereas this proportion is upregulated to 60% in T-cell lymphomas. Consistent with this phenomenon, the expression‎ level of BCAT m is decreased in tumor tissues.273 In malignant gliomas, BCAT c gene expression‎ has been reported to be positively correlated with M2-type macrophages and Treg markers,274 and GBM cells with high BCAT c expression‎ can excrete BCKAs through monocarboxylate transporter 1 (MCT1). Increased uptake of BCKAs by M1 macrophages inhibits the phagocytic capacity of M1 macrophages and may therefore produce immunosuppression.275 However, positive correlations between BCAT c gene expression‎ levels and infiltration levels of CTL, CD4+ T cells, macrophages, and dendritic cells have also been reported in colorectal and squamous cell carcinomas.276

BCAA

BCAAs는 면역 세포에서 탄소 골격 제공자로서 면역 세포 기능을 지원하는 데 중요한 역할을 합니다. BCAA 결핍은 림프구와 백혈구의 면역 기능을 손상시킵니다. T 세포에서 Leu 고갈은 mTORC1 신호 전달을 제한하고 T세포 활성화를 억제합니다. T 세포를 항-CD3 및 항-CD28로 공동 자극할 때 Leu 유사체 N-아세틸-Leu 아미드(NALA)를 사용하면 T 세포에서 IFN-γ 및 IL-2 방출 감소가 감지되었습니다. 또한, BCAA 보충은 CD8+ T 세포가 FoxO1 의존적 방식으로 포도당 수송체 GLUT 1을 상향 조절하고, 포도당 흡수 및 활용을 증가시키며, CD8+ T 세포의 항종양 활성을 향상시켜 항-PD-1 요법과 시너지 효과를 가질 수 있습니다. TME에는 TGF-β1을 주요 조절 특징으로 하고 류신-tRNA-합성효소 2(LARS2)를 발현하는 면역 조절 B 세포의 하위 집합이 있습니다. 이 LARS B 세포 하위 집단은 Leu 대사에 대한 선호도를 보이며, Leu 식단에 의해 유도되어 미토콘드리아 NAD+ 생산 및 산화 대사를 촉진하고, NAD+ 의존적 단백질 탈아세틸효소 SIRTUIN-1(SIRT1)을 모집하여 LARS B 세포 조절에 참여할 수 있습니다. LARS 유전자 절제 또는 Leu 고갈에 의한 LARS B 세포 하위 집단의 고갈은 CRC에서 면역 회피를 억제할 수 있습니다. BCAA 흡수는 I형 아미노산 수송체 LAT에 의존하며, LAT 계열의 구성원인 SLC7A5와 SLC3A2의 돌연변이는 T 세포에 의한 BCAA 흡수를 손상시키고 Th1, Th17, CTL 세포의 증식 및 분화를 억제합니다. Slc3a2 의존적 BCAA 대사는 또한 Foxp3+ Treg 세포의 생리적 활동에 핵심적인 역할을 하며, BCAA 결핍 또는 SLC3A2 돌연변이는 Treg 세포에서 mTORC1 경로의 활성화 손상을 유도하고 Treg 세포의 면역 억제 기능을 억제할 수 있습니다. 흥미롭게도, LUAD(폐 선암종) 환자의 아미노산 대사와 면역 미세환경 간의 상관관계에 대한 연구에서는 SLC7A5 발현이 다양한 T 세포, 특히 효과기 T 세포에서 하향 조절된다는 것을 발견했습니다. 그러나 종양 세포에서 SLC7A5의 높은 발현은 면역 관련 유전자 발현 감소, 면역 세포 침윤 감소 및 면역 요법의 낮은 효능을 예측합니다. 유방암에 대한 또 다른 생물정보학 분석에서도 유사한 결론에 도달했습니다. 또한, BCAT 동형효소는 종양 TME 상태의 마커 역할을 할 수 있습니다. 활성화된 CD4+ T 세포 및 CTL 세포와 같은 비악성 T 세포에서 BCAT c는 총 BCAT 발현 수준의 50%를 차지하는 반면, 이 비율은 T세포 림프종에서 60%로 상향 조절됩니다. 이 현상과 일치하게, BCAT m의 발현 수준은 종양 조직에서 감소합니다. 악성 교종에서 BCAT c 유전자 발현은 M2형 대식세포 및 Treg 마커와 양의 상관관계가 있는 것으로 보고되었으며, BCAT c 발현이 높은 GBM 세포는 모노카르복실산 수송체 1(MCT1)을 통해 BCKAs를 배출할 수 있습니다. M1 대식세포에 의한 BCKAs의 증가된 흡수는 M1 대식세포의 포식 능력을 억제하여 면역 억제를 유발할 수 있습니다. 그러나 BCAT c 유전자 발현 수준과 CTL, CD4+ T 세포, 대식세포, 수지상 세포의 침윤 수준 사이의 양의 상관관계는 결장직장암 및 편평세포암에서도 보고되었습니다.

Aspartate

As a nonessential amino acid, cells can supplement Asp via the de novo synthetic pathway. The aspartate synthesis pathway requires the mitochondrial ETC to provide electron acceptors.92 Thus, aspartate is a limiting factor for growth under hypoxic conditions. When ETC is limited, cells rely on the amino acid transporter SLC1A3 for Asp uptake from the environment. Inadequate mitochondrial Asp production is an important cause of T cell dysfunction, and lack of aspartate inhibits nicotinamide purine dinucleotide (NADH) production, causing ER expansion and TNF release.12 In addition, Asp can promote the activation of hypoxia-inducible factor HIF-1α and inflammasome in M1 macrophages and increase the production of Asn and other metabolites. At the same time, Asn can also promote IL-1β secretion by M1 macrophages.277 Inhibition of aspartate aminotransferase in macrophages inhibits nitric oxide and IL-6 production by M1-type macrophages.278 However, in T cells, Asn can enhance the antitumor effect of CD8+ T cells by binding to the SRC family protein tyrosinase LCK and assisting LCK to phosphorylate at Tyr394 and 505, thereby enhancing the activity of Lck starved T cell receptor signaling pathway.100 In helper T cell 1 (Th 1), the electron transport chain complex I, the apple-aspartate shuttle, and citrate are required for aspartate synthesis and helper T cell proliferation.279

Glutamine

Gln is the most abundant and versatile amino acid in the body. In general, the requirement for Gln by immune cells is similar to that of glucose.280 Gln can promote the proliferation of immune cells by activating ERK, JNK, and other proteins and increasing the transcription of cell proliferation genes.125 In addition, Gln can promote the expression‎ of lymphocyte surface markers such as CD25 and CD71 and increase the production of cytokines such as IFN-γ and TNF-α.281,282,283 In the TME, Gln metabolic reprogramming is essential for the survival of tumor cells and immune cells, and there is competition for Gln uptake. For example, studies have found that triple-negative breast cancer (TNBC) competes for Gln uptake in the environment, limiting Gln metabolism in tumor-infiltrating T cells and inhibiting anti-tumor responses. In contrast, in models with GLS mutations, glutamate metabolism in tumor cells is restricted, which increases Gln concentration in the microenvironment and T-cell uptake and antitumor activity.284 A similar phenomenon has been observed in Gln-dependent clear cell renal carcinoma (RCC), which competitively depletes environmental Gln, causing local Gln depletion and IL-23 release from tumor-infiltrating macrophages, which further activates Treg function to suppress tumor immunity.285 Based on the above phenomena, researchers have developed therapeutic ideas to target Gln metabolism in tumor cells, increase the concentration of Gln in TME, and promote Gln metabolism in tumor-infiltrating cells.

Administration of the Gln synthetase inhibitor CB-839 promotes the differentiation and cytokine secretion of CD4+ Th 1 cells as well as CD8+ T cells while inhibiting the differentiation and co-function of Th 17 cells.286 This suggests that T cell subsets are heterogeneous for Gln metabolism.287 The currently developed JHU-083 is a prodrug of 6-Diazo-5-oxo-L-norLeu (L-DON) generation glutaminase inhibitor that selectively activates L-DON in the TME.288 Existing studies have demonstrated that L-DON and JHU-083 can extensively inhibit Gln metabolizing enzymes and activate AMPK and c-Myc to inhibit glycolysis, thereby stopping tumor metabolic activity, alleviating hypoxia, and increasing the concentration of Gln and glucose in TME.289 At the same time, the promotion of CD8+ T cell activation and recruitment and significant inhibition of MDSCs generation and recruitment were observed in models treated with L-DON and JHU-083.290

V-9302, an inhibitor of Gln transporter SLC1A5, increases intracellular ROS and autophagosome production. A preclinical study showed that V-9302 could selectively block Gln uptake by TNBC cells, promote the activation of CD4+ T cells and CD8+ T cells, and reduce the level of Treg in a TNBC mouse model. Interestingly, CD8+ T cells compensatory upregulate the Gln transporter ATB+/SLC6A14 to maintain their Gln uptake requirement after treatment with V-9302, but this phenomenon was not observed in tumor cells.284 In addition, PD-L1 upregulation was observed in tumor cells after V-9302 treatment, and the combination of V-9302 and anti-PD-1 antibody showed greater anti-tumor efficacy than either drug alone.291,292

아스파르트산

비필수 아미노산으로서, 세포는 신생 합성 경로를 통해 Asp를 보충할 수 있습니다. 아스파르트산 합성 경로는 전자 수용체를 제공하기 위해 미토콘드리아 ETC가 필요합니다. 따라서 아스파르트산은 저산소 조건에서 성장의 제한 인자입니다. ETC가 제한될 때, 세포는 환경으로부터의 Asp 흡수를 위해 아미노산 수송체 SLC1A3에 의존합니다. 불충분한 미토콘드리아 Asp 생산은 T 세포 기능 장애의 중요한 원인이며, 아스파르트산 부족은 니코틴아미드 퓨린 디뉴클레오티드(NADH) 생산을 억제하여 ER 팽창과 TNF 방출을 유발합니다. 또한, Asp는 M1 대식세포에서 저산소 유도 인자 HIF-1α와 인플라마좀의 활성화를 촉진하고 Asn 및 기타 대사산물의 생산을 증가시킬 수 있습니다. 동시에, Asn은 또한 M1 대식세포에 의한 IL-1β 분비를 촉진할 수 있습니다. 대식세포에서 아스파르트산 아미노기전이효소를 억제하면 M1형 대식세포에 의한 산화질소 및 IL-6 생산이 억제됩니다. 그러나 T 세포에서 Asn은 SRC 계열 단백질 티로신나아제 LCK에 결합하고 Tyr394 및 505에서 LCK 인산화를 도와 Lck 결핍 T 세포 수용체 신호 전달 경로의 활성을 향상시켜 CD8+ T 세포의 항종양 효과를 향상시킬 수 있습니다. 보조 T 세포 1(Th 1)에서, 전자전달계 복합체 I, 사과산-아스파르트산 셔틀 및 시트르산은 아스파르트산 합성과 보조 T 세포 증식에 필요합니다.

글루타민

Gln은 체내에서 가장 풍부하고 다재다능한 아미노산입니다. 일반적으로 면역 세포의 Gln 요구량은 포도당과 유사합니다. Gln은 ERK, JNK 및 기타 단백질을 활성화하고 세포 증식 유전자의 전사를 증가시켜 면역 세포의 증식을 촉진할 수 있습니다. 또한 Gln은 CD25 및 CD71과 같은 림프구 표면 마커의 발현을 촉진하고 IFN-γ 및 TNF-α와 같은 사이토카인 생성을 증가시킬 수 있습니다. TME에서 Gln 대사 재프로그래밍은 종양 세포와 면역 세포의 생존에 필수적이며, Gln 흡수에 대한 경쟁이 있습니다. 예를 들어, 연구에 따르면 삼중 음성 유방암(TNBC)은 환경의 Gln 흡수를 위해 경쟁하여 종양 침윤 T 세포의 Gln 대사를 제한하고 항종양 반응을 억제합니다. 반대로 GLS 돌연변이가 있는 모델에서는 종양 세포의 글루탐산 대사가 제한되어 미세환경의 Gln 농도와 T세포 흡수 및 항종양 활성이 증가합니다. 유사한 현상이 Gln 의존성 투명세포 신세포암(RCC)에서도 관찰되었으며, 이는 환경의 Gln을 경쟁적으로 고갈시켜 국소적인 Gln 고갈과 종양 침윤 대식세포로부터의 IL-23 방출을 유발하고, 이는 Treg 기능을 더욱 활성화하여 종양 면역을 억제합니다. 위의 현상을 바탕으로 연구자들은 종양 세포의 Gln 대사를 표적으로 하고, TME의 Gln 농도를 높이며, 종양 침윤 세포의 Gln 대사를 촉진하는 치료 아이디어를 개발했습니다. Gln 합성효소 억제제 CB-839를 투여하면 CD4+ Th 1 세포 및 CD8+ T 세포의 분화 및 사이토카인 분비를 촉진하는 동시에 Th 17 세포의 분화 및 공동 기능을 억제합니다. 이는 T 세포 아형이 Gln 대사에 대해 이질적임을 시사합니다. 현재 개발된 JHU-083은 6-디아조-5-옥소-L-노르류신(L-DON) 생성 글루타미나아제 억제제의 전구약물로, TME에서 선택적으로 L-DON을 활성화시킵니다. 기존 연구에 따르면 L-DON과 JHU-083은 Gln 대사 효소를 광범위하게 억제하고 AMPK와 c-Myc를 활성화하여 해당과정을 억제함으로써 종양 대사 활동을 중단시키고 저산소증을 완화하며 TME의 Gln 및 포도당 농도를 증가시킬 수 있습니다. 동시에, L-DON 및 JHU-083으로 치료된 모델에서 CD8+ T 세포 활성화 및 모집 촉진과 MDSCs 생성 및 모집의 현저한 억제가 관찰되었습니다. Gln 수송체 SLC1A5의 억제제인 V-9302는 세포 내 ROS와 자가포식소체 생성을 증가시킵니다. 전임상 연구에 따르면 V-9302는 TNBC 세포에 의한 Gln 흡수를 선택적으로 차단하고, CD4+ T 세포와 CD8+ T 세포의 활성화를 촉진하며, TNBC 마우스 모델에서 Treg 수치를 감소시킬 수 있습니다. 흥미롭게도, CD8+ T 세포는 V-9302 치료 후 Gln 흡수 요구량을 유지하기 위해 Gln 수송체 ATB+/SLC6A14를 보상적으로 상향 조절했지만, 이러한 현상은 종양 세포에서는 관찰되지 않았습니다. 또한, V-9302 치료 후 종양 세포에서 PD-L1 상향 조절이 관찰되었으며, V-9302와 항-PD-1 항체의 조합은 단독 약물보다 더 큰 항종양 효능을 보였습니다.

Arginine

Accumulating evidence has shown that arginine has an important role in regulating the function of immune cells. Human Burkitt B lymphocytes require an adequate arginine concentration for proliferation and maturation.293 Supplementation of the diet of high-risk surgical patients with an immune-enhancing diet (IED) containing arginine reduces the incidence of infection and increases macrophage phagocytosis, IL-2 expression‎, and CD4+ T cell numbers.294,295 However, some clinical trials have shown no benefit,296,297 so the value of arginine supplementation needs to be further tested. Although the effect of arginine supplementation remains to be tested, many studies have demonstrated that the downregulation of TCR receptor complex subunit CD3ζ in T cells cultured under arginine-restricted conditions leads to the restriction of T cell proliferation.298,299,300 However, the addition of citrulline, a precursor for arginine synthesis, can promote the expression‎ of this molecule by prolonging the half-life of CD3ζ.301 In addition, arginase 1 (Arg1) administration to activated T cells leading to arginine starvation can block T cell glycolysis.302 Myeloid cells can activate their own Arg 1 expression‎ in response to tumor-derived GM-CSF stimulation through activation of STAT3, p38, and cAMP signaling pathways, and Arg 1-expressing myeloid cells depleting environmental arginine inhibits T cell function.186 However, T cells have a mechanism to combat arginine deficiency: when confronted with arginine deficiency caused by Arg1-expressing myeloid cells, T cells increase arginine biosynthesis by up-regulating ASS1 expression‎.303

Arginase 2 (Arg 2) is a regulator of activated T cells, and Arg 2-deficient or Arg2−/− CD8+ T cells exhibit enhanced cytotoxicity and synergistic effect with anti-PD-1 antibody in inhibiting tumor growth.304 In melanoma, Tregs expressing Arg 2 were detected, and Arg 2 inhibited mTOR activity and enhanced the immunosuppressive activity of Tregs.305 At the therapeutic level, therapeutic vaccines targeting Arg 1 have been shown to activate antitumor immunity in a variety of syngeneic mouse tumor models such as lung cancer, melanoma, and colon cancer, and the combination of Arg 1 vaccine with anti-PD-1 antibody can increase T cell infiltration, inhibit myeloid cell function, and increase the ratio of tumor-infiltrating M1/M2 macrophages.306 A similar conclusion was reached in the study of arginase inhibitor CB-1158. CB-1158 could block myeloid cell-mediated inhibition of T cell proliferation, increase the number of tumor-infiltrating CD8+ T cells and NK cells, and increase the expression‎ of inflammatory factors and interferon-α, thereby changing the immune microenvironment to promote inflammation and reduce tumor immune escape, inhibiting tumor cell proliferation.190

On the other hand, arginine methylases (PRMTS) are widely expressed enzymes that catalyze the arginine methylation of proteins. Among them, type I PRMTs (PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6, and PRMT8) catalyze asymmetric dimethylated arginine to regulate DNA damage and transcriptional regulation, which is closely related to the occurrence and development of tumors. Applying type I PRMT inhibitor GSK3368715 can inhibit PRMTS-mediated epigenetic modification of IFN genes, increase the response of IFN genes to immune signals, and reduce the expression‎ of VEGF in immunosuppressive cells. In anti PD-1 resistant T cell rejection models, the application of type I PRMT inhibitors PT1001B or GSK3368715 can increase the number of tumor-infiltrating T cells and increase the efficacy of anti-PD-1 therapy.307,308

아르기닌

누적된 증거에 따르면 아르기닌은 면역 세포의 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 인간 버킷 B 림프구는 증식과 성숙을 위해 적절한 아르기닌 농도를 필요로 합니다. 고위험 수술 환자의 식단에 아르기닌을 포함한 면역 강화 식단(IED)을 보충하면 감염 발생률을 줄이고 대식세포 포식 작용, IL-2 발현 및 CD4+ T 세포 수를 증가시킵니다. 그러나 일부 임상 시험에서는 이점이 없는 것으로 나타나 아르기닌 보충의 가치는 추가적인 검증이 필요합니다. 아르기닌 보충 효과는 아직 검증이 필요하지만, 많은 연구에서 아르기닌 제한 조건에서 배양된 T 세포의 TCR 수용체 복합체 소단위 CD3ζ의 하향 조절이 T 세포 증식 제한을 초래한다는 것을 입증했습니다. 그러나 아르기닌 합성 전구체인 시트룰린을 추가하면 CD3ζ의 반감기를 연장하여 이 분자의 발현을 촉진할 수 있습니다. 또한, 활성화된 T 세포에 아르기나아제 1(Arg1)을 투여하여 아르기닌 결핍을 유발하면 T 세포의 해당과정을 차단할 수 있습니다. 골수 세포는 STAT3, p38 및 cAMP 신호 전달 경로의 활성화를 통해 종양 유래 GM-CSF 자극에 반응하여 자신의 Arg 1 발현을 활성화할 수 있으며, Arg 1을 발현하는 골수 세포는 환경의 아르기닌을 고갈시켜 T 세포 기능을 억제합니다. 그러나 T 세포는 Arg1을 발현하는 골수 세포에 의해 유발된 아르기닌 결핍에 대처하는 메커니즘을 가지고 있습니다. T 세포는 ASS1 발현을 상향 조절하여 아르기닌 생합성을 증가시킵니다. 아르기나아제 2(Arg 2)는 활성화된 T 세포의 조절자이며, Arg 2 결핍 또는 Arg2−/− CD8+ T 세포는 향상된 세포독성과 항-PD-1 항체와의 시너지 효과를 보여 종양 성장을 억제합니다. 흑색종에서는 Arg 2를 발현하는 Tregs가 감지되었으며, Arg 2는 mTOR 활성을 억제하고 Tregs의 면역 억제 활성을 향상시켰습니다. 치료 수준에서 Arg 1을 표적으로 하는 치료 백신은 폐암, 흑색종 및 결장암과 같은 다양한 동종 마우스 종양 모델에서 항종양 면역을 활성화시키는 것으로 나타났으며, Arg 1 백신과 항-PD-1 항체의 조합은 T 세포 침윤을 증가시키고, 골수 세포 기능을 억제하며, 종양 침윤 M1/M2 대식세포의 비율을 증가시킬 수 있습니다. 아르기나아제 억제제 CB-1158 연구에서도 유사한 결론에 도달했습니다. CB-1158은 골수 세포 매개 T 세포 증식 억제를 차단하고, 종양 침윤 CD8+ T 세포 및 NK 세포의 수를 증가시키며, 염증 인자 및 인터페론-α의 발현을 증가시켜 면역 미세환경을 염증을 촉진하고 종양 면역 회피를 감소시켜 종양 세포 증식을 억제하도록 변경할 수 있습니다. 다른 한편으로, 아르기닌 메틸라아제(PRMTS)는 단백질의 아르기닌 메틸화를 촉매하는 널리 발현되는 효소입니다. 이 중 I형 PRMTs(PRMT1, PRMT2, PRMT3, PRMT4, PRMT6, PRMT8)는 비대칭 디메틸화 아르기닌을 촉매하여 DNA 손상 및 전사 조절을 조절하며, 이는 종양의 발생 및 발달과 밀접한 관련이 있습니다. I형 PRMT 억제제 GSK3368715를 적용하면 PRMTS 매개 IFN 유전자의 후성유전학적 변형을 억제하고, 면역 신호에 대한 IFN 유전자의 반응을 증가시키며, 면역 억제 세포에서 VEGF의 발현을 감소시킬 수 있습니다. 항 PD-1 저항성 T 세포 거부 모델에서, I형 PRMT 억제제 PT1001B 또는 GSK3368715를 적용하면 종양 침윤 T 세포의 수를 증가시키고 항-PD-1 요법의 효능을 증가시킬 수 있습니다.

Methionine

Met metabolism is involved in a variety of cellular functions, including REDOX, methylation, and immune regulation. A second group of innate lymphoid cells (ILC2s) has a key role in type II immune response. Met metabolism is critical for regulating the function of ILC2s. Blockade of Met metabolism or loss of STAT3 significantly inhibits ILC2s function.309 Recently, Met restricted diet (MRD) has been reported to have an important role in anti-tumor immune regulation. MRD inhibited SAM-induced m6A methylation and translation of immune checkpoints such as PD-L1 and V-domain Ig suppressor of T cell activation (VISTA) in various mouse tumor models such as colorectal cancer and sarcoma. It also increased the number and toxicity of tumor-infiltrating T cells and enhanced antitumor immune responses.243 Moreover, inhibition of m6A-specific binding protein YTHDF1 can enhance tumor immunity like MRD.243 In EBV (Epstein-Barr virus)-infected tumors such as Burkitt’s lymphoma, Met metabolism helps shape B-cell immortalization required to regulate EBV-latent genes. The passage of MRD impairs Epstein-Barr virus-driven B-cell immortalization and exposes EBV antigens on the surface of Burkitt’s lymphoma.310

Tregs are characterized by high Met uptake and SAM use. Met metabolism is also essential for Treg survival after IL-2 deprivation, and solute carrier protein SLC43A2 plays a key role in Met uptake and maintenance of Treg growth activity.311 High expression‎ of SLC43A2 and high activity of Met adenosine transferase 2A (MAT2A) in tumor cells imply vigorous Met metabolism and competitive inhibition of Met metabolism, STAT5 expression‎ levels, and antitumor immune function in CD8+ T cells.245,312 Meanwhile, TAMs with high MAT2A expression‎ also showed strong Met metabolic activity, increased histone H3K4 methylation level and receptor-interacting serine/threonine protein kinase 1 (RIPK1) gene expression‎.313 Several therapeutic approaches targeting Met metabolism, including Met restriction, MAT2A inhibitors IDE397 and AG-270, are in clinical trials, and their therapeutic effects need to be verified.

In summary, how to specifically inhibit the amino acid metabolism of tumor cells and immunosuppressive cells in the microenvironment, and enhance the amino acid metabolism of anti-tumor immune cells such as CD8+ T cells, is an urgent problem to be solved. One idea is to enhance the activity of amino acid metabolism of CAR-T cells by adding cytokines that promote the expression‎ of transporters related to amino acid metabolism, such as SLC1A5, SLC3A2 and SLC7A5, or directly importing transcripts encoding these AATs into T cells. Furthermore, developing small molecule inhibitors targeting BCAA transporters in tumor cells and immunosuppressive cells allows CD8+ T cells to obtain amino acid metabolic advantages in the immune microenvironment and enhance the anti-tumor effect.

메티오닌

Met 대사는 산화환원, 메틸화, 면역 조절을 포함한 다양한 세포 기능에 관여합니다. 제2형 선천성 림프구 세포(ILC2s)는 제2형 면역 반응에서 핵심적인 역할을 합니다. Met 대사는 ILC2s의 기능을 조절하는 데 중요합니다. Met 대사를 차단하거나 STAT3를 상실하면 ILC2s 기능이 현저히 억제됩니다. 최근, Met 제한 식단(MRD)이 항종양 면역 조절에 중요한 역할을 한다는 것이 보고되었습니다. MRD는 결장직장암 및 육종과 같은 다양한 마우스 종양 모델에서 SAM 유도 m6A 메틸화와 PD-L1 및 V-도메인 Ig T 세포 활성 억제제(VISTA)와 같은 면역 관문의 번역을 억제했습니다. 또한 종양 침윤 T 세포의 수와 독성을 증가시키고 항종양 면역 반응을 향상시켰습니다. 더욱이, m6A 특이적 결합 단백질 YTHDF1을 억제하면 MRD와 같이 종양 면역을 향상시킬 수 있습니다. 버킷 림프종과 같은 EBV(엡스타인-바 바이러스) 감염 종양에서 Met 대사는 EBV 잠복 유전자를 조절하는 데 필요한 B세포 불멸화를 형성하는 데 도움이 됩니다. MRD를 통과시키면 엡스타인-바 바이러스 구동 B세포 불멸화가 손상되고 버킷 림프종 표면에 EBV 항원이 노출됩니다. Tregs는 높은 Met 흡수와 SAM 사용이 특징입니다. Met 대사는 또한 IL-2 결핍 후 Treg 생존에 필수적이며, 용질 운반체 단백질 SLC43A2는 Met 흡수와 Treg 성장 활성 유지에 핵심적인 역할을 합니다. 종양 세포에서 SLC43A2의 높은 발현과 Met 아데노신 전이효소 2A(MAT2A)의 높은 활성은 활발한 Met 대사와 CD8+ T 세포에서의 Met 대사, STAT5 발현 수준 및 항종양 면역 기능의 경쟁적 억제를 의미합니다. 한편, MAT2A 발현이 높은 TAMs도 강력한 Met 대사 활성, 히스톤 H3K4 메틸화 수준 및 수용체 상호작용 세린/트레오닌 단백질 키나아제 1(RIPK1) 유전자 발현 증가를 보였습니다. Met 제한, MAT2A 억제제 IDE397 및 AG-270을 포함한 Met 대사를 표적으로 하는 여러 치료 접근법이 임상 시험 중에 있으며, 그 치료 효과는 검증이 필요합니다. 요약하자면, 미세환경에서 종양 세포와 면역 억제 세포의 아미노산 대사를 특이적으로 억제하고, CD8+ T 세포와 같은 항종양 면역 세포의 아미노산 대사를 향상시키는 방법은 시급히 해결해야 할 문제입니다. 한 가지 아이디어는 SLC1A5, SLC3A2, SLC7A5와 같은 아미노산 대사 관련 수송체의 발현을 촉진하는 사이토카인을 추가하거나, 이러한 AATs를 암호화하는 전사체를 T 세포에 직접 도입하여 CAR-T 세포의 아미노산 대사 활성을 향상시키는 것입니다. 또한, 종양 세포와 면역 억제 세포의 BCAA 수송체를 표적으로 하는 소분자 억제제를 개발하면 CD8+ T 세포가 면역 미세환경에서 아미노산 대사 이점을 얻고 항종양 효과를 향상시킬 수 있습니다.

Targeted therapies and clinical research of AA metabolism (tentative)

In the above modules, we introduced the mechanisms of amino acids, related metabolic enzymes, and metabolites related to the occurrence and development of diseases. In addition, investigators are exploring therapeutic strategies to address this metabolic feature of the disease. Therefore, this section focused on the progress of clinical trials for treating amino acid metabolism in diseases.

AXA1125 and AXA1957 are oral endogenous modulator (EMM) compositions. AXA1125 contains five amino acids (Leu, iLe, valine, arginine, and Gln) in specific ratios and the amino acid precursor N-acetylcysteine (NAC), while AXA1957 is composed of five amino acids, Leu, iLe, arginine, Gln, and serine, as well as carnitine and NAC. A multicenter, single-blind, placebo-controlled, randomized clinical study (NCT04073368) assessed the effect of AXA1125 and AXA1957 on nonalcoholic fatty liver disease (NAFLD). Patients were treated with 16 weeks and magnetic resonance imaging (MRI)-proton density fat fraction [MRI-PDFF] and homeostasis model assessment of insulin resistance [HOMA-IR]) and homeostasis model assessment of insulin resistance (HOMA-IR) fibro-inflammation markers (alanine aminotransferase [ALT], corrected T1 [cT1], keratin-18 [K-18] M65, and N-terminal type III collagen pro-peptide [Pro-C3]) was applied. The results showed that the biological activity of AXA1125 was greater in patients with T2D, compared with placebo. The MRI-PDFF (−31.2% vs.−8.3%), ALT (−34.6% vs. −13.9%) and cT1 (−105.1% vs. −42.7 ms) of AXA1125 decreased more significantly. By week 16, a larger proportion of AXA1125-treated subjects (35–40%) than those in the placebo group (8–25%) reached clinically relevant thresholds for MRI-PDFF reductions of ≥30%, ALT reductions of ≥17 IU/L, and cT1 reductions of ≥80 ms.

Moreover, a phenotypic study on human primary macrophages and stellate cells suggested that AXA1125 can inhibit lipopolysaccharide (LPS)-induced TNF-α expression‎ in M1 macrophages and increase the secretion of anti-inflammatory chemokine C-C motif ligands by M2 macrophages, as well as reduced Pro-C3 and HSP47 expression‎ in HSC.314,315 Both compositions have demonstrated multi-target activity in NAFLD and are worthy of further continuing clinical trials.316

Another Phase 2 study eval‎uating AXA1125 for the treatment of fatigue after COVID-19 infection has been completed, and a clinical study eval‎uating the safety, efficacy, and tolerability of AXA1125 in the treatment of nonalcoholic steatohepatitis (NASH) is ongoing.

BCAT

The use of BCAT1 Inhibitor 2 in the NAFLD model can inhibit the activation of JNK and AKT signaling pathways and BCL2/Bax/Caspase axis induced by oleic acid, alleviate lipid accumulation, and inhibit mitochondrial ROS formation and apoptosis.317 However, BCAT Inhibitor is currently in preclinical studies, and their clinical value has yet to be verified (Table 1).

Branched chain keto acid dehydrogenase kinase (BCKDK)

Sodium phenylbutyrate targets BCKDK and is an accelerator of BCAA catabolism. In clinical trials on insulin resistance and type 2 diabetes, phenylbutyrate could significantly improve peripheral insulin sensitivity (ΔRd:13.2 ± 1.8 vs. 9.6 ± 1.8 µmol/kg/min, p = 0.02). Plasma BCAA levels and glucose levels were also decreased (Table 1).318

LAT1

The amino acid transporter LAT1 (SLC3A2/SLC7A5) is a kind of cancer cell-specific transporter expressed in various sources of cancer, and the high expression‎ level of LAT1 is closely related to the poor prognosis of patients. α-methyl aromatic amino acids are LAT1 specific, and 18F-labeled 3-fluoro-l-α-methyl-tyrosine (FAMT) has been used as LAT1 specific probe for cancer detection. JPH-203, a LAT1-specific inhibitor designed based on LAT1 ligands, has a strong affinity and does not show obvious toxicity in preclinical studies. In phase I clinical trials, JPH-203 showed excellent inhibition of solid tumors and was well tolerated.319 Phase II clinical trials are currently underway. In addition to JPH-203, other drugs currently in preclinical and clinical trials targeting LAT1 include IPA-131, QBS-10072S, TLX101-CDx, 124I-ACD-101, 211At-TLX-102, OKY-034, [18F] NKO-028 (Table 1).320,321

ASNase

Asn is a mature target for amino acid depletion therapy in tumors. Most compounds that target tumor metabolism (methotrexate, 5-fluorouracil) fail to distinguish between tumor tissue and rapidly differentiating epithelial tissue (skin, bone marrow),4,322 whereas therapies targeting the specific amino acid dependence of tumor cells are cell-selective, such as leukemic blasts that are selectively dependent on Asn, the use of bacterial-derived ASNase in pediatric ALL has significantly improved the cure rate.102 Pegaspargase and Calaspargase pegol are two ASNase-targeted drugs that have shown good results in treating hematological tumors. In a controlled study, patients (1–21 years of age) with newly diagnosed ALL or lymphoblastic lymphoma were given pegaspargase (2500 IU/M2, once induction, 15 doses every 2 weeks starting at week 7) or calaspargase pegol (2500 IU/M2, once induction, 10 doses every 3 weeks starting at week 7). Both drugs showed significant antitumor activity, with serum asparaginase activity (SAA) ≥ 0.1 UI/ml (considered therapeutic) in ≥95% of patients in both groups after 18 days of treatment and 25 days after treatment. More patients receiving calaspargase pegol had SAA ≥ 0.1 UI/ml (88% vs. 17%; p < 0.001). Moreover, in 230 patients, 99% of those receiving pegaspargase and 95% of those receiving calaspargase and pegol achieved complete remission. In terms of prognosis, the 5-year event-free survival (EFS) was 84.9% (SE ± 3.4%) for pegaspargase and 88.1% (SE ± 3.0%) for calaspargase pegol. Treatment with both drugs achieved similar nadir SAA and survival outcomes. Therefore, it is considered that the dosing strategy can be further optimized (Table 1).323

In addition to the above two drugs, asparaginase-targeting drugs include OP-01, JZP-458, ERY-001, and PF-690. JZP-458 was well tolerated in phase I clinical trials.324 More recently, the drug has been approved for phase II/III clinical experiments showing good effectiveness and safety (NCT04145531) (Tables 1, 2).325

Argininase

The presence of arginine-succinate synthetase 1 (ASS1) deficienct tumors is arginine-dependent, thus enabling arginine-deprivation therapy. Pegylated arginase has potential arginine degradation and antitumor activity. After intravenous administration of pegylated arginase, arginine can be metabolized to ornithine and urea, reducing plasma arginine levels. Pegylated arginine arginase (PEG-BCT-100) showed promising tumor suppressive activity, survival advantage, and safety against advanced HCC in phase I clinical trials of combination chemotherapy (oxaliplatin and capecitabine).326 A phase II clinical trial is currently underway (NCT03455140). However, there is a bottleneck in this therapy. Externally introduced arginase analogs can inhibit T cells’ antitumor activity by reducing the arginine level in the tumor microenvironment, just as the tumor or immunosuppressive cells expressing arginase 1 can. An alternative therapeutic approach that has been developed on the basis of this problem is the use of arginase-1 peptide vaccines that activate T cells to target and recognize cells expressing arginase 1. Recent clinical trials showed good safety of arginase 1 peptide vaccine in patients with refractory solid tumors (NCT03689192).327 yet, its effectiveness remains to be further tested (Table 1).

AA 대사의 표적 치료 및 임상 연구 (잠정)

위의 모듈에서 우리는 질병의 발생 및 발달과 관련된 아미노산, 관련 대사 효소 및 대사산물의 메커니즘을 소개했습니다. 또한, 연구자들은 질병의 이러한 대사적 특징을 해결하기 위한 치료 전략을 탐구하고 있습니다. 따라서 이 섹션에서는 질병에서 아미노산 대사를 치료하기 위한 임상 시험의 진행 상황에 중점을 두었습니다. AXA1125와 AXA1957은 경구용 내인성 조절자(EMM) 조성물입니다. AXA1125는 특정 비율의 5가지 아미노산(류신, 이소류신, 발린, 아르기닌, 글루타민)과 아미노산 전구체 N-아세틸시스테인(NAC)을 함유하고 있으며, AXA1957은 5가지 아미노산인 류신, 이소류신, 아르기닌, 글루타민, 세린과 카르니틴 및 NAC로 구성되어 있습니다. 다기관, 단일 맹검, 위약 대조, 무작위 임상 연구(NCT04073368)는 비알코올성 지방간 질환(NAFLD)에 대한 AXA1125와 AXA1957의 효과를 평가했습니다. 환자들은 16주 동안 치료를 받았으며 자기 공명 영상(MRI)-양성자 밀도 지방 분율[MRI-PDFF] 및 인슐린 저항성 항상성 모델 평가[HOMA-IR]) 및 인슐린 저항성 항상성 모델 평가(HOMA-IR) 섬유-염증 마커(알라닌 아미노전이효소[ALT], 보정된 T1[cT1], 케라틴-18[K-18] M65, N-말단 III형 콜라겐 프로펩티드[Pro-C3])가 적용되었습니다. 결과는 AXA1125의 생물학적 활성이 위약에 비해 T2D 환자에서 더 크다는 것을 보여주었습니다. AXA1125의 MRI-PDFF(-31.2% 대 -8.3%), ALT(-34.6% 대 -13.9%) 및 cT1(-105.1% 대 -42.7ms)이 더 유의하게 감소했습니다. 16주까지, AXA1125 치료를 받은 피험자의 더 큰 비율(35-40%)이 위약 그룹(8-25%)보다 MRI-PDFF 감소 ≥30%, ALT 감소 ≥17 IU/L, cT1 감소 ≥80ms의 임상적으로 관련된 역치에 도달했습니다. 더욱이, 인간 1차 대식세포와 성상 세포에 대한 표현형 연구에 따르면 AXA1125는 M1 대식세포에서 리포폴리사카라이드(LPS) 유도 TNF-α 발현을 억제하고 M2 대식세포에 의한 항염증성 케모카인 C-C 모티프 리간드 분비를 증가시킬 수 있으며, HSC에서 Pro-C3 및 HSP47 발현을 감소시킬 수 있습니다. 두 조성물 모두 NAFLD에서 다중 표적 활성을 입증했으며, 추가적인 임상 시험을 계속할 가치가 있습니다. COVID-19 감염 후 피로 치료를 위한 AXA1125를 평가하는 또 다른 2상 연구가 완료되었으며, 비알코올성 지방간염(NASH) 치료에서 AXA1125의 안전성, 효능 및 내약성을 평가하는 임상 연구가 진행 중입니다.

BCAT

NAFLD 모델에서 BCAT1 억제제 2를 사용하면 올레산에 의해 유도된 JNK 및 AKT 신호 전달 경로와 BCL2/Bax/카스파제 축의 활성화를 억제하고, 지질 축적을 완화하며, 미토콘드리아 ROS 형성과 세포 사멸을 억제할 수 있습니다. 그러나 BCAT 억제제는 현재 전임상 연구 단계에 있으며, 그 임상적 가치는 아직 검증되지 않았습니다(표 1).

분지사슬 케토산 탈수소효소 키나아제(BCKDK)

나트륨 페닐부티레이트는 BCKDK를 표적으로 하며 BCAA 이화작용의 촉진제입니다. 인슐린 저항성 및 제2형 당뇨병에 대한 임상 시험에서, 페닐부티레이트는 말초 인슐린 민감도를 유의하게 개선할 수 있었습니다(ΔRd: 13.2 ± 1.8 대 9.6 ± 1.8 µmol/kg/min, p = 0.02). 혈장 BCAA 수치와 포도당 수치도 감소했습니다(표 1).

LAT1

아미노산 수송체 LAT1(SLC3A2/SLC7A5)은 다양한 암에서 발현되는 암세포 특이적 수송체의 한 종류이며, LAT1의 높은 발현 수준은 환자의 나쁜 예후와 밀접한 관련이 있습니다. α-메틸 방향족 아미노산은 LAT1에 특이적이며, ¹⁸F 표지 3-플루오로-l-α-메틸-티로신(FAMT)은 암 검출을 위한 LAT1 특이적 탐침으로 사용되었습니다. LAT1 리간드를 기반으로 설계된 LAT1 특이적 억제제인 JPH-203은 강력한 친화력을 가지며 전임상 연구에서 명백한 독성을 보이지 않았습니다. 1상 임상 시험에서 JPH-203은 고형 종양에 대한 우수한 억제 효과를 보였고 내약성이 좋았습니다. 2상 임상 시험이 현재 진행 중입니다. JPH-203 외에도 현재 전임상 및 임상 시험 중인 LAT1 표적 약물에는 IPA-131, QBS-10072S, TLX101-CDx, ¹²⁴I-ACD-101, ²¹¹At-TLX-102, OKY-034, [¹⁸F]NKO-028이 있습니다(표 1).

ASNase

Asn은 종양에서 아미노산 고갈 요법의 성숙한 표적입니다. 종양 대사를 표적으로 하는 대부분의 화합물(메토트렉세이트, 5-플루오로우라실)은 종양 조직과 빠르게 분화하는 상피 조직(피부, 골수)을 구별하지 못하는 반면, Asn에 선택적으로 의존하는 백혈병 세포와 같이 종양 세포의 특정 아미노산 의존성을 표적으로 하는 치료법은 세포 선택적입니다. 소아 ALL에서 세균 유래 ASNase를 사용하면 치료율이 크게 향상되었습니다. 페가스파르가아제와 칼라스파르가아제 페골은 혈액암 치료에서 좋은 결과를 보인 두 가지 ASNase 표적 약물입니다. 대조 연구에서, 새로 진단된 ALL 또는 림프모구성 림프종 환자(1-21세)에게 페가스파르가아제(2500 IU/M², 유도 1회, 7주차부터 2주마다 15회 투여) 또는 칼라스파르가아제 페골(2500 IU/M², 유도 1회, 7주차부터 3주마다 10회 투여)을 투여했습니다. 두 약물 모두 유의미한 항종양 활성을 보였으며, 치료 후 18일과 25일 후에 두 그룹의 환자 중 ≥95%에서 혈청 아스파라기나아제 활성(SAA) ≥ 0.1 UI/ml(치료적으로 간주됨)을 보였습니다. 칼라스파르가아제 페골을 투여받은 환자 중 더 많은 환자가 SAA ≥ 0.1 UI/ml을 보였습니다(88% 대 17%; p < 0.001). 더욱이, 230명의 환자 중, 페가스파르가아제를 투여받은 환자의 99%와 칼라스파르가아제 및 페골을 투여받은 환자의 95%가 완전 관해를 달성했습니다. 예후 측면에서, 5년 무사건 생존율(EFS)은 페가스파르가아제에서 84.9%(SE ± 3.4%), 칼라스파르가아제 페골에서 88.1%(SE ± 3.0%)였습니다. 두 약물 치료는 유사한 최저 SAA 및 생존 결과를 달성했습니다. 따라서 투여 전략을 추가로 최적화할 수 있다고 간주됩니다(표 1). 위의 두 약물 외에도 아스파라기나아제 표적 약물에는 OP-01, JZP-458, ERY-001, PF-690이 있습니다. JZP-458은 1상 임상 시험에서 내약성이 좋았습니다. 최근, 이 약물은 좋은 효과와 안전성을 보이는 2/3상 임상 실험에 승인되었습니다(NCT04145531)(표 1, 2).

아르기나아제

아르기닌-숙신산 합성효소 1(ASS1) 결핍 종양은 아르기닌에 의존적이므로 아르기닌 결핍 요법을 가능하게 합니다. 페길화 아르기나아제는 잠재적인 아르기닌 분해 및 항종양 활성을 가집니다. 페길화 아르기나아제를 정맥 투여한 후, 아르기닌은 오르니틴과 요소로 대사되어 혈장 아르기닌 수치를 감소시킬 수 있습니다. 페길화 아르기닌 아르기나아제(PEG-BCT-100)는 진행성 HCC에 대한 1상 복합 화학요법(옥살리플라틴 및 카페시타빈) 임상 시험에서 유망한 종양 억제 활성, 생존 이점 및 안전성을 보였습니다. 2상 임상 시험이 현재 진행 중입니다(NCT03455140). 그러나 이 요법에는 병목 현상이 있습니다. 외부에서 도입된 아르기나아제 유사체는 종양 또는 아르기나아제 1을 발현하는 면역 억제 세포와 마찬가지로 종양 미세환경의 아르기닌 수치를 감소시켜 T 세포의 항종양 활성을 억제할 수 있습니다. 이 문제에 기초하여 개발된 대안적 치료 접근법은 아르기나아제-1 펩타이드 백신을 사용하여 T 세포를 활성화시켜 아르기나아제 1을 발현하는 세포를 표적으로 인식하게 하는 것입니다. 최근 임상 시험에서는 난치성 고형 종양 환자에서 아르기나아제 1 펩타이드 백신의

Arginine deiminase (ADI)

ADI is an enzyme that catalyzes the interconversion of arginine and citrulline. As an arginine degradation tool, its analogs were investigated in treating tumors with arginine-succinate synthetase (ASS1) mutations and/or arginine-succinate lyase (ASL). Pegylated arginine deiminase (ADI-PEG-20), which duplicates arginine and increases tumor stress and cytotoxicity, increased the number of tumor-infiltrating T cells in phase I studies and was safe in combination with anti-PD-1 antibody, but with an increased risk of neutropenia.328 ADI-PEG-20, in combination with pemetrexed and cisplatin (ADIPEMCIS), was well tolerated in another phase I study of recurrent high-grade glioma (HGG) (NCT02029690).329 The role of ADI-PEG-20 in HGG warrants further investigation. In hepatocellular carcinoma (HCC) studies, ADI-PEG-20 has been shown in early clinical trials to make HCC animal models and patients more sensitive to FOLFOX chemotherapy through arginine depletion. However, a recent large global, multicenter phase II study of HCC showed that ADI-PRG-20 combined with 5-fluorouracil, leucovorin, and oxaliplatin (mFOLFOX6) was associated with an ORR of 9.3% versus 8.15% with FOLFOX4. There was a significant difference in PFS (3.8 months vs. 2.93 months), although the improvement in OS (14.4 months vs. 6.4 months) was exciting. Still, authors suggested that it is more likely to be due to the short median follow-up time and the high proportion of Censored patients. Limited treatment efficacy and low response rates with this combination led to the early termination of the study. Despite the early termination of the trial, it is interesting to note that 13 of 140 patients had a median duration of response of 10.2 months, indicating that these patients benefited from combination therapy and that exploring the mechanisms of this benefit should be the focus of future research.239 Another phase II/III study eval‎uating ADI-PEG-20 for cisplatin and pemetrexed in patients with malignant pleural mesothelioma is ongoing and has completed recruitment (NCT02709512) (Table 1).

Arginine methyltransferases (PRMTs)

Type I PRMTs catalyze asymmetric dimethylation of arginine, which is associated with cancer. The overexpression‎ of arginine methyltransferase 5 (PRMT5) in solid and hematological tumors leads to the elevation of the methylation level of arginine residues on functionally related proteins in tumor cells, which affects cell cycle regulation, mRNA splicing, cell differentiation, signal transduction, and other physiological processes. Current studies are exploring PRMT5 inhibitors as a treatment for PRMT5-dependent tumors. The PRMT5 inhibitor PF-06939999 inhibited the proliferation of non-small cell lung cancer (NSCLC) in cells and animal models and dose-dependent reduced symmetrical dimethylarginine (SDMA) levels.330 Another PRMT5 inhibitor, JNJ-64619178, has shown long-term PRMT5 inhibition and potent anti-tumor effect in lung, pancreatic, and hematological tumors. A phase I clinical trial is ongoing to eval‎uate JNJ-64619178 in advanced solid tumors (NCT03573310). GSK3368715 is a reversible type I PRMTs inhibitor that synergistically inhibits tumor growth when combined with PRMT5 inhibitors. Metabolite 2-methylthiophosphate is an endogenous inhibitor of PRMT5. Deletion of the key catalytic enzyme methylthioadenosine phosphorylase (MTAP) gene is associated with the sensitivity of GSK3368715,331 and a current phase II clinical study of GSK3368715 in breast cancer has been enrolled (NCT04676516) (Table 1).

Glutaminase (GLS)

GLS supports tumor Gln synthesis. In preclinical studies, telaglenastat (CB-839), a Gln synthetase inhibitor, promoted the function of CD4+ Th 1 cells and CD8+ T cells, and inhibited the function of Th 17 cells.286 It also induced the regression of PI3KCA-mutant tumors in xenograft models in combination with 5-fluorouracil (5-FU).145 Telaglenastat, a glutaminase inhibitor, was also eval‎uated in combination with everolimus (TelaE) in a phase I trial of advanced/metastatic renal cell carcinoma (mRCC), and TelaE therapy was well tolerated in patients previously treated with TKIs and checkpoint inhibitors (NCT03163667). The median PFS was improved compared with placebo (PboE) (3.8 months vs. 1.9 months).146 Currently, a phase II trial eval‎uating telaglenastat in cervical, prostate, and metastatic cancer is underway (NCT04824937; NCT05521997).

Another glutaminase inhibitor, JHU-083, extensively inhibits Gln-metabolizing enzymes and increases the concentrations of Gln and glucose in the TME by inhibiting glycolysis, relieving the hypoxic state.289 In addition, CD8+ T cell activation and recruitment were increased in the JHU-083 treatment model, and MDSCs generation and recruitment were significantly inhibited.290 A phase I/II trial is currently underway to eval‎uate the efficacy of JHU-083 in advanced solid tumors (NCT04471415) (Table 1).

SLC1A5

The amino acid transporter SLC1A5 (ASCT 2) is highly expressed in various tumor tissues and is associated with poor prognosis of cancer. MEDI7247 is a novel antibody-drug coupling compound (ADC) that couples an ASCT 2 human monoclonal antibody site to a dimer of peroxbenzodiazepine (PBD). In preclinical studies, the drug has shown strong anti-tumor activity and survival advantage in AML, DLBCL, cALL, and Burkitt lymphoma tumor models.332 Currently, phase I trials have been completed to eval‎uate the efficacy of MEDI7247 in treating ASCT2-positive hematological malignancies and advanced solid tumors (NCT03106428; NCT03811652). Another Gln transporter SLC1A5 inhibitor, V-9302, selectively blocked Gln uptake by TNBC cells, promoted the activation of CD4+ and CD8+ T cells, and reduced Treg levels in a TNBC mouse model (Table 1).284

MAT2A

Methylthioadenosine phosphorylase (MTAP)-deficient tumors account for ~15% of solid tumors, including ~15% of NSCLC, 28% of esophageal cancer, 26% of bladder cancer, and 10% of esophagogastric cancer. In MTAP null tumors, inhibition of Met adenosine transferase 2A (MAT2A) inhibits Met synthesis of SAM, thereby inhibiting tumor growth. MAT2A has been proposed as a therapeutic target in tumors with MTAP gene deletion.333 AG-270 is an oral selective MAT2A inhibitor that selectively inhibits the proliferation of MTAP null cells and effectively reduces the level of SAM in tumor cells in tissue and xenograft tumor models.334 A phase I study is ongoing to eval‎uate AG-270 in advanced solid tumors and lymphomas (NCT03435250). IDE-397 is another MAT2A inhibitor with low hepatotoxicity and high solubility that has shown potent modulation of SAM and symmetric dimethyarginine (SDMA) in preclinical studies. A phase I study to eval‎uate IDE-397 in solid tumors is currently underway (NCT04794699) (Table 1).

METAP

Met aminopeptidase (METAP) is a kind of cytoplasmic enzyme, metal catalytic protein hydrolysis N end Met residue in the newborn. This enzyme has a key role in angiogenesis and is essential for progressing diseases such as solid tumors and rheumatoid arthritis.335,336 First reported as the first reversible METAP inhibitor (METAPi) in 2003, LAF389 is a natural benzimide compound with dual METAP 1i and METAP 2i activities.337 Although all cell types responded to this inhibitor in vitro and showed promising therapeutic effects in vivo,337 phase I clinical trials for treating advanced solid tumors ultimately failed due to cardiovascular toxicity and wide variability in patient responses.338 A-357300, which was subsequently developed, has shown anticancer activity in mouse models of cancer, sarcoma, and nervous system tumors,339,340 and another candidate, METAPi A-800141, which was selected based on affinity selection based on mass spectrometry, has better selectivity and efficacy than A-357300.341,342 A-800141 has demonstrated anti-angiogenic and anti-tumor activity in multiple xenograft models, including neuroblastoma, colon cancer, prostate cancer, and B-cell lymphoma.343 Evexomostat (SDX-7320), which irreversibly binds METAP2 and regulates insulin, leptin, and adiponectin downstream, was one of the first drugs developed for cancer patients with metabolic complications. The efficacy of evexomostat in inhibiting the angiogenic proteins FGF (Fibroblast growth factors) and VEGF (Vascular endothelial growth factor) was validated in a phase I clinical trial in advanced solid tumors (NCT02743637). Enrollment is ongoing for phase II trials eval‎uating Evexomostat in metastatic breast cancer and in patients with diabetes (NCT05455619; NCT05570253) (Table 1).

아르기닌 디이미나제 (ADI)

ADI는 아르기닌과 시트룰린의 상호 전환을 촉매하는 효소입니다. 아르기닌 분해 도구로 사용되며, 아르기닌-수크신산 합성효소 (ASS1) 돌연변이 및/또는 아르기닌-수크신산 리아제 (ASL)를 가진 종양 치료에 대한 아르기닌 유사체들이 연구되었습니다. 아르기닌을 복제하고 종양 스트레스 및 세포 독성을 증가시키는 페길화 아르기닌 디이미나제(ADI-PEG-20)는 제1상 연구에서 종양 침투 T 세포의 수를 증가시켰으며, 항-PD-1 항체와의 병용 투여 시 안전했습니다. 하지만 중성구 감소증 위험이 증가했습니다.328 ADI-PEG-20은 페메트렉세드와 시스플라틴(ADIPEMCIS)과의 병용 요법에서 재발성 고등급 뇌종양(HGG)을 대상으로 한 다른 제1상 연구(NCT02029690)에서 잘 견뎌냈습니다.329 ADI-PEG-20의 HGG에서의 역할은 추가 연구가 필요합니다. 간세포암(HCC) 연구에서 ADI-PEG-20은 초기 임상 시험에서 아르기닌 고갈을 통해 HCC 동물 모델과 환자의 FOLFOX 화학요법에 대한 감수성을 높이는 것으로 나타났습니다. 그러나 최근 대규모 글로벌 다기관 제2상 연구에서 HCC 환자에게 ADI-PRG-20을 5-플루오로우라실, 레보루린, 옥살리플라틴(mFOLFOX6)과 병용 투여한 결과, 객관적 반응률(ORR)이 9.3%로 FOLFOX4의 8.15%와 유사했습니다. 무진행 생존 기간(PFS)은 3.8개월 대 2.93개월로 유의미한 차이를 보였으나, 전체 생존 기간(OS)의 개선(14.4개월 대 6.4개월)은 주목할 만했습니다. 그럼에도 불구하고 저자들은 이는 중간 추적 관찰 기간이 짧고 검열된 환자 비율이 높기 때문일 가능성이 높다고 제안했습니다. 이 조합의 제한된 치료 효과와 낮은 반응률로 인해 연구가 조기 종료되었습니다. 그럼에도 불구하고, 140명 중 13명의 환자가 중간 반응 지속 기간 10.2개월을 기록한 것은 이 환자들이 조합 요법으로부터 혜택을 받았음을 나타내며, 이 혜택의 메커니즘을 탐구하는 것이 향후 연구의 초점이 되어야 한다는 점을 주목할 만합니다.239 악성 흉막 중피종 환자를 대상으로 시스플라틴 및 페메트렉세드와 함께 ADI-PEG-20을 평가하는 또 다른 2/3상 연구가 진행 중이며 환자 모집이 완료되었습니다(NCT02709512)(표 1).

아르기닌 메틸트랜스퍼레이스(PRMTs)

제1형 PRMT는 암과 연관된 아르기닌의 비대칭 이메틸화를 촉매합니다. 고형암 및 혈액암에서 아르기닌 메틸전달효소 5(PRMT5)의 과발현은 종양 세포 내 기능적으로 관련된 단백질의 아르기닌 잔기 메틸화 수준을 증가시켜 세포 주기 조절, mRNA 스플라이싱, 세포 분화, 신호 전달 및 기타 생리적 과정에 영향을 미칩니다. 현재 연구에서는 PRMT5 의존성 종양의 치료제로 PRMT5 억제제를 탐구 중입니다. PRMT5 억제제 PF-06939999는 세포 및 동물 모델에서 비소세포 폐암(NSCLC)의 증식을 억제했으며, 용량 의존적으로 대칭적 디메틸아르기닌(SDMA) 수치를 감소시켰습니다.330 다른 PRMT5 억제제, JNJ-64619178은 폐, 췌장, 혈액 종양에서 장기적인 PRMT5 억제 및 강력한 항종양 효과를 보여주었습니다. 진행 중인 상위 1상 임상 시험(NCT03573310)에서 JNJ-64619178을 진행성 고형 종양에 대한 효과를 평가 중입니다. GSK3368715는 PRMT5 억제제와 병용 시 종양 성장 억제를 시너지적으로 촉진하는 가역적 유형 I PRMT 억제제입니다. 대사산물 2-메틸티오포스페이트는 PRMT5의 내인성 억제제입니다. 핵심 촉매 효소 메틸티오아데노신 포스포릴라제(MTAP) 유전자의 결손은 GSK3368715의 감수성과 연관되어 있으며, 현재 유방암에서 GSK3368715의 제2상 임상 연구가 진행 중입니다(NCT04676516)(표 1).

글루타미나제(GLS)

GLS는 종양 글루타민 합성을 지원합니다. 전임상 연구에서 글루타민 합성효소 억제제인 테라글레나스타트(CB-839)는 CD4+ Th 1 세포와 CD8+ T 세포의 기능을 촉진하고 Th 17 세포의 기능을 억제했습니다.286 또한 5-플루오로우라실(5-FU)과 병용 시 PI3KCA 돌연변이 종양의 퇴행을 유도했습니다.145 글루타미나제 억제제인 테라글레나스타트는 진행성/전이성 신세포암(mRCC)을 대상으로 한 제1상 임상시험에서 에버롤리무스(TelaE)와 병용 투여되었으며, TelaE 치료는 이전에 티로신 키나제 억제제(TKIs) 및 체크포인트 억제제를 투여받은 환자에서 잘 견딜 수 있었습니다(NCT03163667). 위약(PboE) 대비 중간 무진행 생존 기간(PFS)이 개선되었습니다(3.8개월 vs. 1.9개월).146 현재, 자궁경부암, 전립선암, 전이성 암에서 텔라글레나스타트를 평가하는 제2상 임상시험이 진행 중입니다(NCT04824937; NCT05521997).

또 다른 글루타미나제 억제제인 JHU-083은 글루타미나제 대사 효소를 광범위하게 억제하여 글루코겐 분해(glycolysis)를 차단함으로써 글루타미나(Gln)와 포도당 농도를 증가시키고 저산소 상태를 완화합니다.289 또한, JHU-083 치료 모델에서 CD8+ T 세포의 활성화 및 모집이 증가했으며, MDSC의 생성 및 모집이 유의미하게 억제되었습니다.290 현재 JHU-083의 효능을 평가하기 위한 진행성 고형 종양 대상 제1/2상 임상시험이 진행 중입니다(NCT04471415)(표 1).

SLC1A5

아미노산 운반체 SLC1A5(ASCT 2)는 다양한 종양 조직에서 고도로 발현되며 암의 예후와 관련이 있습니다. MEDI7247은 ASCT 2 인간 단일클론 항체 부위를 페록스벤조디아제핀(PBD) 이머에 결합한 새로운 항체-약물 결합체(ADC)입니다. 전임상 연구에서 이 약물은 AML, DLBCL, cALL 및 Burkitt 림프종 종양 모델에서 강력한 항종양 활성과 생존 이점을 보여주었습니다.332 현재 ASCT2 양성 혈액암 및 진행성 고형 종양 치료를 위한 MEDI7247의 효능을 평가하기 위한 제1상 임상 시험이 완료되었습니다(NCT03106428; NCT03811652). 또 다른 글루타민 운반체 SLC1A5 억제제인 V-9302는 TNBC 세포의 글루타민 흡수를 선택적으로 차단했으며, TNBC 마우스 모델에서 CD4+ 및 CD8+ T 세포의 활성화를 촉진하고 Treg 수준을 감소시켰습니다(표 1).284

MAT2A

메틸티오아데노신 포스포릴레이스(MTAP) 결핍 종양은 고형 종양의 약 15%를 차지하며, 이 중 비소세포폐암(NSCLC)의 약 15%, 식도암의 28%, 방광암의 26%, 식도위암의 10%를 차지합니다. MTAP 결핍 종양에서 메틸 아데노신 전이효소 2A (MAT2A) 억제는 SAM의 메틸 아데노신 합성을 억제하여 종양 성장 억제를 유발합니다. MAT2A는 MTAP 유전자 결손 종양에서의 치료 표적으로 제안되었습니다.333 AG-270은 MTAP 결핍 세포의 증식을 선택적으로 억제하고 조직 및 이종 이식 종양 모델에서 종양 세포의 SAM 수준을 효과적으로 감소시키는 경구용 선택적 MAT2A 억제제입니다.334 진행성 고형 종양 및 림프종에서 AG-270의 효과를 평가하기 위한 제1상 임상 시험이 진행 중입니다. (NCT03435250). IDE-397은 간독성이 낮고 용해도가 높은 또 다른 MAT2A 억제제로, 전임상 연구에서 SAM과 대칭성 디메틸아르기닌(SDMA)의 강력한 조절 효과를 보여주었습니다. IDE-397을 고형 종양에서 평가하는 제1상 임상 시험이 현재 진행 중입니다(NCT04794699) (표 1).

METAP

메타 아미노펩티다제(METAP)는 신생아에서 금속 촉매 단백질 가수분해 N-말단 메티오닌 잔기를 분해하는 세포질 효소입니다. 이 효소는 혈관新生에 핵심적인 역할을 하며 고형 종양 및 류마티스 관절염과 같은 질환의 진행에 필수적입니다.335,336 2003년에 최초로 보고된 가역적 METAP 억제제(METAPi)인 LAF389는 이중 METAP 1i 및 METAP 2i 활성을 가진 천연 벤지미드 화합물입니다.337 모든 세포 유형이 이 억제제에 체외에서 반응했으며 체내에서 유망한 치료 효과를 보여주었지만,337 진행성 고형 종양 치료를 위한 제1상 임상 시험은 심혈관 독성과 환자 반응의 광범위한 변이로 인해 실패했습니다.338 이후 개발된 A-357300은 암, 육종, 신경계 종양 마우스 모델에서 항암 활성을 보여주었으며,339,340 또 다른 후보물질인 METAPi A-800141은 질량 분석 기반 친화도 선별을 통해 선택되었으며, A-357300보다 우수한 선택성과 효능을 보였습니다.341,342 A-800141은 신경모세포종, 대장암, 전립선암, 및 B세포 림프종 등 다양한 이종 이식 모델에서 항혈관新生 및 항종양 활성을 보여주었습니다.343 에베소모스타트(SDX-7320)는 METAP2에 가역적으로 결합하여 인슐린, 렙틴, 아디포넥틴의 하류 신호전달을 조절하는 약물로, 대사 합병증을 동반한 암 환자를 대상으로 개발된 첫 번째 약물 중 하나입니다. Evexomostat의 혈관新生 단백질 FGF(섬유아세포 성장 인자) 및 VEGF(혈관 내피 성장 인자) 억제 효과는 진행성 고형 종양을 대상으로 한 제1상 임상 시험(NCT02743637)에서 검증되었습니다. 이베코마스타트를 전이성 유방암 및 당뇨병 환자에서 평가하는 제2상 임상시험의 환자 모집이 진행 중입니다(NCT05455619; NCT05570253)(표 1).

Conclusion and future perspective

Amino acids metabolism affects multiple levels of cell metabolism and many cell processes, from protein synthesis to epigenetic regulation. These physiological processes are closely related to maintaining cell homeostasis and normal function. Thus, abnormal amino acid metabolism can contribute to disease development.344 Herein, we discussed physiological, and metabolic patterns of BCAAs, Asp, Gln, Arg, Met metabolism, and the role of various amino acids and their related enzymes and products in disease.

BCAA includes Leu, iLe, and valine, and all three amino acids participate in the citric acid cycle by producing acyl-CoA derivatives via branched-chain amino acid transferase (BCAT), branched-chain α-keto acid dehydrogenase (BCKDH), which in a subsequent series of reactions produce acetyl-CoA.45 BCAA has an important role in tumor and metabolic diseases as an essential amino acid. For example, in PDAC and NSCLC, which share the same genetic mutation background (KRAS and p53 mutations), BCAA requirements are high but significantly different. Yet, the exact difference in BCAA requirement between tumors is still not fully understood. Existing evidence suggests that CBP and SIRT4 can promote the ubiquitin-proteasome degradation of BCAT2 by acetylation of BCAT2 at the K44 site in PDAC.53 This reveals a novel BCAA metabolism inhibition mode in the context of KRAS inhibition of BCAT2 ubiquitination degradation, explaining the preference for PDAC amino acid metabolism. However, on the other hand, studies on the interaction of different cells in the microenvironment have found that CAFs cells have a high metabolism of BCAA and provide BCKA to PDAC cells to assist tumor cells in BCAA metabolism.57 In addition, the phagocytic activity of macrophages exposed to BCKA is inhibited.275 This provides an idea for treating PDAC by targeting the BCAA metabolism of CAF cells in the tumor environment and also proves that the tumor and various cells in the environment communicate with each other as a whole. Subsets with different preferences for BCAA metabolism have also been found in breast cancer, and further studies are needed to determine whether this is due to differences in tumor cells or the involvement of other cells in the microenvironment.55,59 BCAA metabolism is equally important for the function of proinflammatory CD4+ and CD8+ T cells and immunosuppressive regulatory Treg cells,41,265,266,267,268,269,270,271,272 which plays key role in metabolic diseases, liver and kidney diseases.10,11,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,345,346 Currently, drugs targeting BCAA uptake-dependent amino acid transporter LAT1 and metabolic enzymes BCAT and BCKDK are in trials.317,318,319,320,321,347

Aspartate is a nonessential amino acid, but it is also an intrinsic limiting factor in the growth of some tumors.92,93 The transamination product of Asp, asparagine (Asn), is more permeable than Asp, but when cellular asparaginase activity is inhibited, Asn cannot be converted to Asp.93 Bladder cancer cells lack asparaginase, leading to dysfunction in converting Asn to Asp. Under hypoxia, the mitochondrial ETC is inhibited, and energy synthesis and Asp synthesis are limited, which leads to the dependence of tumor cells on the environmental uptake of Asp. The amino acid transporter SLC1A3 has an important role in maintaining Asp concentrations inside tumor cells and antagonizing the therapeutic effects of ASNase.94 SLC1A3 inhibitors can promote cell cycle arrest and apoptosis and counteract SLC1A3-induced ASNase resistance.94 Moreover, SLC1A3 is mainly expressed in brain tissue, and its high expressions in some solid tumors, such as clear cell renal cell carcinoma, papillary renal cell carcinoma, hepatocellular carcinoma and gastric adenocarcinoma, may make SLC1A3 inhibitors a solution to ASNase resistance. Another glutaminase inhibitor, JHU-083, extensively inhibits Gln-metabolizing enzymes and increases the concentrations of Gln and glucose in the TME by inhibiting glycolysis, relieving the hypoxic state.289 One limitation of ASNase therapy, which promotes tumor cell death by systematically lowering the asparagine concentration, is that it impairs ASN requirements in normal immune cells.99,100 This may explain the immune-related side effects of ASNase drugs and limit the application of ASNase in cancer treatment. Therefore, limiting Asn metabolism in tumor cells and immunosuppressive cells in the TME and protecting and promoting Asn metabolism in anti-tumor immune cells should be a problem to be solved. In treating solid tumors, developing more tumor-targeting ASNase is one aspect, and the SLC1A3 inhibitor mentioned earlier also provides an idea to solve this problem.

Gln is extensively consumed by intestinal, renal, immune, and tumor cells.122,123,124 The key Gln-regulated enzyme GLS and the amino acid transporter SLC1A5 are regulated by the oncogene c-Myc.128 Meanwhile, SLC1A5 expression‎ was also regulated by STAT3 in AML cells. Gln depletion therapy can inhibit Gln metabolism in tumor cells, but in colon cancer, it has been observed that Gln depletion promotes the expression‎ of the aspartate/glutamate transporter SLC1A3 in tumor cells, increasing the intracellular glutamate concentration and promotes Gln synthesis.131 In addition, the cystine/glutamate antiporter SLC7A11/xCT also has an important role in cellular Gln metabolism. Because SLC7A11 exchanges intracellular glutamate with extracellular cystine, the intracellular glutamate concentration decreases, which leads to more Gln uptake and increased glutaminase activity and making these cells dependent on external Gln. According to the TCGA database, The expression‎ levels of SLC7A11 mRNA in Cervical cancer (CESC), Cholangiocarcinoma (CHOL), Colonic adenocarcinoma (COAD), Esophagus cancer (ESCA), Head and neck squamous cell carcinoma (HNSC), chromophobe kidney cell carcinoma (KICH), Clear cell carcinoma of kidney (KIRC), Papillary cell carcinoma of the kidney (KIRP), Liver cell carcinoma (LIHC), Lung adenocarcinoma (LUAD), Squamous cell carcinoma of the lung (LUSC), Adenocarcinoma of the pancreas (PAAD), Rectum adenocarcinoma (READ), Sarcoma (SARC), Cutaneous melanoma (SKCM), Stomach adenocarcinoma (STAD), and Endometrial carcinoma of the flesh (UCEC) were significantly higher than those in adjacent normal tissues. These features suggest that SLC7A11 may serve as a promising target for cancer metabolism. Glutaminase (GLS), as a key enzyme in tubular aminamide metabolism, has also received extensive attention. CB-839, an inhibitor targeting GLS, has shown good tumor inhibition activity, tolerance, and safety in preclinical studies and phase I clinical trials in solid tumors.145,146,286

Cells lacking arginine-succinate synthetase 1 (ASS1) are arginine-dependent. ASS1 expression‎ is downregulated in CHOL, GBM, KICH, KIRC, KIRP, and LIHC tumor categories, suggesting the feasibility of arginine depletion therapy. Analogs targeting arginase and arginine deiminase, the enzymes involved in arginine depletion, have been developed. Using the arginine deiminase analog ADI-PEG-20 in hepatocellular carcinoma and glioblastoma has demonstrated antitumor activity in vitro and in xenograft models and demonstrated safety and efficacy in a phase I clinical trial.328 Although setbacks occurred in the phase II study, the combination of ADI-PEG-20 and mFOLFOX6 chemotherapy regimen did not show a significant therapeutic advantage for hepatocellular carcinoma,239 but there are a small number of subjects who benefit from this regimen. Studying the mechanism of benefit in this group of subjects to seek the precision of treatment should be the next problem to be solved. Pegylated arginase PEG-BCT-100 combined with oxaliplatin and capecitabine has shown satisfactory therapeutic efficacy and safety in phase I clinical trials in solid tumors.326 In addition, the role of arginine methyltransferase (PRMT) in the regulation of tumorigenesis and development has also received extensive attention, and a variety of PRMT inhibitors have shown good anti-tumor activity in vitro and animal models, and a variety of drugs targeting type I PRMT and PRMT5 have been tested.330,331

The status of Met as an essential amino acid and its role in the transmethylation process predestines the cells’ dependence on Met metabolism. Methythioadenosine phosphorylase (MTAP) gene deletion occurs in ~15% of solid tumors, including 15% of NSCLC, 28% of esophageal cancer, 26% of bladder cancer, and 10% of esophagogastric cancer. For tumor cells deficient in methythioadenosine phosphorylase (MTAP), Met depletion and inhibition of the key enzyme MAT2A in the Met metabolism pathway are possible therapeutic strategies. MAT2A inhibitors AG-270 and IDE-397 have demonstrated significant antitumor activity both in vitro and in animal models, and phase I clinical trials are currently underway.240,333,334

Currently, amino acid metabolism-targeted therapy still faces many challenges. Adipocytes and bone marrow stromal cells in the TME can promote the resistance of tumor cells to ASNase treatment by supplying Gln and cysteine to leukemia cells,348,349 and cancer-associated fibroblasts can secrete Asp to promote solid tumor growth.57,350 Many lines of evidence have found that tumor resistance is caused by cells and the external environment in which the cells are located. The efficacy of a drug also depends on its ability to reach the tumor site. When the drug fails to reach the tumor site, it fails to induce tumor cell death successfully. In addition, immune and allergic reactions to non-human enzymes can compromise therapy and harm patients.344,351 Therefore, a comprehensive understanding of the metabolism-dependent characteristics of various tumor types and their microenvironment is needed. Decoding the metabolic requirements of amino acids in different tissues and understanding how to target the metabolism and metabolic pathways of these amino acids is indispensable for improving the level of cancer treatment.

결론 및 향후 전망

아미노산 대사는 단백질 합성부터 에피제네틱 조절까지 세포 대사 및 다양한 세포 과정의 다중 단계에 영향을 미칩니다. 이러한 생리적 과정은 세포의 항상성 유지와 정상 기능과 밀접하게 연관되어 있습니다. 따라서 아미노산 대사의 이상은 질병 발생에 기여할 수 있습니다.344 본 연구에서는 BCAA, 아스파르트산(Asp), 글루타민(Gln), 아르기닌(Arg), 메티오닌(Met)의 대사 패턴 및 다양한 아미노산과 관련 효소 및 대사 산물이 질병에 미치는 역할을 논의했습니다.

BCAA는 Leu, iLe, valine으로 구성되며, 이 세 아미노산은 분지 사슬 아미노산 전이효소(BCAT)와 분지 사슬 α-케토산 탈수소효소(BCKDH)를 통해 아실-CoA 유도체를 생성함으로써 시트르산 회로에 참여합니다. 이 과정은 후속 반응을 통해 아세틸-CoA를 생성합니다.45 BCAA는 필수 아미노산으로서 종양 및 대사 질환에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 동일한 유전적 변이 배경(KRAS 및 p53 변이)을 공유하는 PDAC와 NSCLC에서 BCAA 요구량은 높지만 유의미하게 다릅니다. 그러나 종양 간 BCAA 요구량의 정확한 차이는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 기존 연구 결과는 PDAC에서 CBP와 SIRT4가 BCAT2의 K44 부위 아세틸화를 통해 BCAT2의 유비퀴틴-프로테아좀 분해를 촉진한다는 것을 보여줍니다.53 이는 KRAS에 의한 BCAT2 유비퀴틴화 분해 억제 맥락에서 새로운 BCAA 대사 억제 메커니즘을 밝히며, PDAC의 아미노산 대사 선호성을 설명합니다. 그러나另一方面, 미세환경 내 다양한 세포 간의 상호작용 연구에서는 CAFs 세포가 BCAA 대사율이 높으며 PDAC 세포에 BCKA를 공급해 종양 세포의 BCAA 대사를 돕는 것으로 나타났습니다.57 또한 BCKA에 노출된 대식세포의 식작용 활성이 억제됩니다.275 이는 종양 환경 내 CAF 세포의 BCAA 대사 표적을 통해 PDAC를 치료하는 방법을 제시하며, 종양과 환경 내 다양한 세포가 전체적으로 상호작용한다는 것을 증명합니다. 유방암에서도 BCAA 대사 선호도가 다른 하위 집합이 발견되었으며, 이는 종양 세포의 차이 또는 미세환경 내 다른 세포의 관여 때문인지 추가 연구가 필요합니다.55,59 BCAA 대사는 염증성 CD4+ 및 CD8+ T 세포와 면역 억제성 조절 Treg 세포의 기능에 동일하게 중요합니다.41,265,266,267,268,269,270,271,272 which plays key role in metabolic diseases, liver and kidney diseases.10,11,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,345,346 Currently, drugs targeting BCAA uptake-dependent amino acid transporter LAT1 and metabolic enzymes BCAT and BCKDK are in trials.317,318,319,320,321,347

아스파르테이트는 필수 아미노산이 아니지만, 일부 종양의 성장에 내재적 제한 요인으로 작용합니다.92,93

아스파르테이트의 트랜스아미노화 산물인 아스파라긴(Asn)은 아스파르테이트보다 세포막 투과성이 높지만, 세포 내 아스파라긴아제 활성이 억제되면 Asn은 아스파르테이트로 전환되지 않습니다.93 방광암 세포는 아스파라긴아제를 결핍하여 Asn을 아스파르테이트로 전환하는 기능이 장애를 일으킵니다. 저산소 상태에서 미토콘드리아 전자전달계(ETC)가 억제되어 에너지 합성과 아스파르트산 합성이 제한되며, 이는 종양 세포가 환경으로부터 아스파르트산을 흡수하는 것에 의존하게 됩니다. 아미노산 운반체 SLC1A3는 종양 세포 내 아스파르트산 농도를 유지하고 ASNase의 치료 효과를 억제하는 데 중요한 역할을 합니다.94 SLC1A3 억제제는 세포 주기 정지와 아포토시를 촉진하고 SLC1A3에 의한 ASNase 저항성을 억제합니다.94 또한, SLC1A3는 주로 뇌 조직에서 발현되며, 투명세포 신세포암, 유두상 신세포암, 간세포암, 위 선암 등 일부 고형 종양에서 높은 발현을 보여 SLC1A3 억제제가 ASNase 저항성에 대한 해결책이 될 수 있습니다. 또 다른 글루타미나제 억제제인 JHU-083은 글루타미나 대사 효소를 광범위하게 억제하여 글루코시올리시스 억제를 통해 TME 내 글루타미나와 포도당 농도를 증가시키고 저산소 상태를 완화합니다.289 ASNase 치료의 한 한계는 아스파라긴 농도를 체계적으로 낮추어 종양 세포 사멸을 촉진하지만, 정상 면역 세포의 ASN 요구량을 저해한다는 점입니다.99,100 이는 ASNase 약물의 면역 관련 부작용을 설명하고 ASNase의 암 치료 적용을 제한할 수 있습니다. 따라서 종양 세포와 TME 내 면역 억제 세포에서의 아스파라긴 대사 억제와 항종양 면역 세포에서의 아스파라긴 대사 보호 및 촉진은 해결해야 할 문제입니다. 고형 종양 치료에서 종양 표적형 ASNase 개발은 한 측면이며, 앞서 언급된 SLC1A3 억제제도 이 문제를 해결하는 아이디어를 제공합니다.

글루타민(Gln)은 장, 신장, 면역, 종양 세포에서 광범위하게 소비됩니다.122,123,124 글루타민 조절 효소 GLS와 아미노산 운반체 SLC1A5는 종양 유전자 c-Myc에 의해 조절됩니다.128 한편, AML 세포에서 SLC1A5 발현은 STAT3에 의해 조절되었습니다. 글루타민 고갈 치료는 종양 세포의 글루타민 대사를 억제하지만, 대장암에서는 글루타민 고갈이 종양 세포에서 아스파르트산/글루타메이트 운반체 SLC1A3의 발현을 촉진하여 세포 내 글루타메이트 농도를 증가시키고 글루타민 합성을 촉진한다는 것이 관찰되었습니다.131 또한 시스테인/글루타메이트 항운반체 SLC7A11/xCT도 세포 내 글루타민 대사에서 중요한 역할을 합니다. SLC7A11은 세포 내 글루타메이트와 세포 외 시스테인을 교환하여 세포 내 글루타메이트 농도를 감소시키며, 이는 글루타민 섭취 증가와 글루타미나제 활성 증가를 유발하여 이러한 세포가 외부 글루타민에 의존하게 만듭니다. TCGA 데이터베이스에 따르면, SLC7A11 mRNA 발현 수준은 자궁경부암 (CESC), 담관암 (CHOL), 대장 선암 (COAD), 식도암(ESCA), 두경부 편평상피암(HNSC), 색소세포 신세포암(KICH), 신세포 투명세포암(KIRC), 신세포 유두상피암(KIRP), 간세포암(LIHC), 폐 선암(LUAD), 폐 편평상피암 (LUSC), 췌장 선암 (PAAD), 직장 선암 (READ), 육종 (SARC), 피부 흑색종 (SKCM), 위 선암 (STAD), 및 자궁내막암 (UCEC)에서 인접 정상 조직에 비해 유의미하게 높았습니다. 이러한 특징은 SLC7A11이 암 대사 연구의 유망한 표적일 수 있음을 시사합니다. 글루타미나제(GLS)는 관상 아미노산 대사에서 핵심 효소로, 광범위한 관심을 받고 있습니다. GLS를 표적으로 하는 억제제 CB-839는 고형 종양에서 전임상 연구 및 제1상 임상 시험에서 우수한 종양 억제 활성, 내약성, 안전성을 보여주었습니다.145,146,286

아르기닌-수크신산 합성효소 1(ASS1)이 결핍된 세포는 아르기닌에 의존적입니다. ASS1 발현은 CHOL, GBM, KICH, KIRC, KIRP, LIHC 종양 분류에서 하향 조절되어 아르기닌 고갈 치료법의 가능성을 시사합니다. 아르기닌 고갈에 관여하는 아르기나제와 아르기닌 디이미나제를 표적하는 아날로그들이 개발되었습니다. 아르기닌 디이미나제 아날로그 ADI-PEG-20을 간세포암과 뇌종양에 적용한 결과, 체외 및 이종 이식 모델에서 항종양 활성을 보여주었으며, 제1상 임상 시험에서 안전성과 효능을 입증했습니다.328 제2상 연구에서 장애가 발생했지만, ADI-PEG-20과 mFOLFOX6 화학요법 요법의 조합은 간세포암에 대해 유의미한 치료적 우위를 보여주지 않았습니다.239 그러나 이 요법으로부터 혜택을 받은 소수의 환자가 있습니다. 이 환자 집단에서 치료 효과의 메커니즘을 연구하여 치료의 정밀도를 높이는 것이 다음 해결해야 할 과제입니다. 페길화 아르기나제 PEG-BCT-100과 옥살리플라틴, 카페시타빈의 조합은 고형 종양에서 제1상 임상 시험에서 만족스러운 치료 효과와 안전성을 보여주었습니다.326 또한, 아르기닌 메틸전달효소(PRMT)가 종양 발생 및 발달 조절에 미치는 역할도 광범위한 관심을 받으며, 다양한 PRMT 억제제가 체외 및 동물 모델에서 우수한 항종양 활성을 보여주었으며, 유형 I PRMT 및 PRMT5를 표적으로 하는 다양한 약물이 테스트되었습니다.330,331

메티오닌(Met)이 필수 아미노산으로서의 지위와 트랜스메틸화 과정에서의 역할은 세포가 메티오닌 대사 과정에 의존하도록 결정합니다. 메티오티오아데노신 포스포릴레이스(MTAP) 유전자 결손은 고형 종양의 약 15%에서 발생하며, 이는 비소세포폐암(NSCLC)의 15%, 식도암의 28%, 방광암의 26%, 식도위암의 10%에서 관찰됩니다. 메틸티오아데노신 포스포릴레이스(MTAP)가 결핍된 종양 세포에서 메티오닌 고갈과 메티오닌 대사 경로의 핵심 효소 MAT2A의 억제는 가능한 치료 전략입니다. MAT2A 억제제 AG-270과 IDE-397은 체외 실험과 동물 모델에서 유의미한 항종양 활성을 보여주었으며, 현재 1상 임상 시험이 진행 중입니다.240,333,334

현재 아미노산 대사 표적 치료는 여전히 많은 도전 과제에 직면해 있습니다. 종양 미세환경(TME) 내 지방세포와 골수 간질 세포는 백혈병 세포에 글루타민(Gln)과 시스테인을 공급하여 ASNase 치료에 대한 종양 세포의 저항성을 촉진할 수 있습니다.348,349 또한 암 관련 섬유아세포는 아스파르트산(Asp)을 분비하여 고형 종양의 성장을 촉진할 수 있습니다.57,350 많은 연구 결과는 종양 저항성이 세포 자체와 세포가 위치한 외부 환경에 의해 유발된다는 것을 보여주었습니다. 약물의 효능은 약물이 종양 부위에 도달하는 능력에 달려 있습니다. 약물이 종양 부위에 도달하지 못하면 종양 세포 사멸을 성공적으로 유도하지 못합니다. 또한 비인간 효소에 대한 면역 및 알레르기 반응은 치료 효과를 저해하고 환자에게 해를 입힐 수 있습니다.344,351 따라서 다양한 종양 유형과 그 미세환경의 대사 의존적 특성을 포괄적으로 이해하는 것이 필요합니다. 다양한 조직에서 아미노산의 대사 요구사항을 해독하고 이러한 아미노산의 대사 및 대사 경로를 표적화하는 방법을 이해하는 것은 암 치료 수준을 향상시키는 데 필수적입니다.

References

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