综述 | Cell子刊：癌症“机器齿轮”的“润滑剂”：脂质代谢在癌症中的作用
编译：小太阳，编辑：小菌菌、江舜尧。
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脂质代谢异常是癌症最突出的代谢变化之一。脂质合成或摄取的增强有助于癌细胞的快速生长和肿瘤的形成。脂质是一组高度复杂的生物分子，不仅参与构成生物膜的结构基础，而且还充当信号分子及参与供能。本文中，我们对癌症表型不同方面涉及的脂质代谢变化的最新发现进行了总结，并讨论了靶向脂质代谢为癌症治疗提供治疗窗的潜在策略。
论文ID
原名：Greasing the Wheels of the Cancer Machine: The Role of Lipid Metabolism in Cancer
译名：癌症“机器齿轮”的“润滑剂”：脂质代谢在癌症中的作用
期刊：Cell Metabolism
IF：22.415
发表时间：2020.1.7
通讯作者：MarteinnThor Snaebjornsson1,2，Sudha Janaki-Raman1，Almut Schulze1,2
作者单位：1德国维尔茨堡大学西奥多·博韦里学院（生物中心）；2德国海德堡大学德国癌症研究中心
主要内容
在构成细胞的生物大分子中，相比于蛋白质和核酸，人们对脂质的关注较少。然而，脂质是一类复杂的生物分子，其结构和功能各不相同。随着脂质分子的定量方法的不断完善，人们对其复杂性才有了较为充分的认识。脂质属于疏水性分子，主要包括胆固醇、甘油单酯、甘油二酯、甘油三酯、磷脂和糖脂。许多脂质来源于脂肪酸。哺乳动物体内仅可以产生某几种脂肪酸，其他的脂肪酸，尤其是人体必需的多不饱和脂肪酸，必须从食物中摄取。与中链脂肪酸和长链脂肪酸不同，短链脂肪酸（碳原子数小于6）主要由肠道中的共生菌产生。除表观遗传调控外，本文对脂质在细胞进程中的其他作用进行了深入广泛的讨论。
脂肪酸在膜结构、能量代谢和信号传导中的重要作用强调了控制癌细胞中脂肪酸水平的重要性。主要包括脂肪酸合成调控、修饰和从微环境中摄取的以及从其他类型的脂质中释放脂肪酸。在本文接下来的部分中，将阐述癌细胞中脂肪酸丰度控制的不同机制。
1 癌症中的脂质供应
尽管大多数体细胞所需的脂质可以来源于膳食供应，也可以来源于肝脏的脂质合成，但不同类型的癌症能够重新激活脂质的从头合成过程，从而使得它们不再依赖于外部脂质供应。
2 脂肪酸合成、修饰和摄取
脂肪酸由细胞质中的乙酰辅酶 A 合成，乙酰辅酶A经乙酰辅酶A羧化酶活化形成丙二酰辅酶A，随后经脂肪酸合酶（FASN）催化缩合步骤后形成16 碳的饱和棕榈酸酯。然后，棕榈酸酯通过脂肪酸延伸酶（ELOVL1-7）延长，并通过硬脂酰辅酶 A去饱和酶（人体中的SCD和SCD5）或脂肪酸去饱和酶（FADS1-3）去饱和，从而形成非必需脂肪酸细胞池，主要包括 18 碳的单不饱和脂肪酸油酸（C18：1）（图 1）。
相关研究已经证明，在不同的癌症中脂肪酸合成会出现增加，并且多项研究表明脂肪生成对肿瘤的生长至关重要。实际上，多条致癌信号通路都与脂肪酸合成有关。PI3K/Akt信号轴能够增加脂肪酸合成所需酶的表达（下文中有更详细的讨论），同时也可以增加ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）的磷酸化和激活过程，该酶可将细胞质中的柠檬酸催化产生乙酰辅酶A。相反，由STK11 / LKB1肿瘤抑制通路控制的AMP激活蛋白激酶（AMPK）可以通过磷酸化乙酰辅酶A羧化酶(ACC)来阻断脂肪酸合成。
早期研究已经证明至少有一些脂质是癌细胞必须从细胞外环境中获取的。脂质摄取可通过多种途径实现，包括受体介导的胞吞作用。此外，游离脂肪酸可通过CD36脂肪酸移位酶或脂肪酸转运蛋白转入细胞。脂肪酸结合蛋白（FABPs）是参与脂肪酸摄入和转运的蛋白质家族，也有助于脂肪酸的摄取。
癌细胞中脂肪酸从头合成过程的增加会改变细胞内的脂质组成。它可以减少通过脂肪酸摄取获得的多不饱和脂肪酸的相对量，但会增加膜脂中饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸的数目。这可以防止在活性氧存在时，由多不饱和脂肪酸过氧化引起的脂质过氧化。本研究中，使用Soraphen A抑制脂肪酸合成可以改变膜动力学，并使癌细胞更容易遭受氧化应激诱导的细胞死亡。然而，脂肪酸摄取对癌细胞是必不可少的，因为摄取包括棕榈酸在内的细胞外脂肪酸会促进鳞状细胞癌的迁移和转移。同样，已经证明通过CD36阻断来抑制脂肪酸摄取在前列腺癌的临床前模型中具有治疗作用。然而，脂肪酸从头合成和摄取的相对贡献还取决于细胞外环境中不同脂质种类的可利用性。
3 胆固醇的生物合成
胆固醇是生物膜的重要组成成分，其主要来源于甲戊二羟酸途径产生的类异戊二烯前体物质。多项研究证明，抑制胆固醇的合成对癌细胞不利。实际上，他汀类药物（一种抑制HMG-CoA还原酶的化合物）的抑制作用已在抗癌药的临床试验中进行了测试。尽管有几项研究报道甲羟戊酸途径抑制剂可以降低癌症风险，但其他研究并未证实他汀类药物在预防癌症或作为辅助治疗方面的明确作用。但是，应该考虑到，大多数临床试验所使用的剂量与降脂所用的剂量相似（例如，每位患者每天20-40 mg辛伐他汀）。临床前研究表明，高剂量辛伐他汀（每天60 mg/kg）在小鼠模型中具有明显的抗癌作用且耐受性良好。
尽管甲戊二羟酸途径与正常的细胞功能明显相关，但目前对于甲羟戊酸途径的不同代谢产物对癌细胞生长和存活的相对贡献并没有充分的认识。抑制胆固醇的产生会损害生物膜的正常功能，如改变流动性或防止脂质筏的形成等。此外，减少甲羟戊酸途径中间体类异戊二烯法尼基焦磷酸酯（FPP）的可利用性会阻止小G蛋白的异戊烯酸酯化，从而限制了癌细胞的生长和迁移。然而，越来越多的研究表明，甲羟戊酸途径的其他代谢物也在癌细胞中起作用。其中，泛醌是呼吸链中必不可少的电子传递分子。尽管许多癌细胞会下调线粒体代谢（作为有氧糖酵解的一部分，也称为“瓦博格”效应），但可以明确的是，线粒体活性对癌细胞依然非常重要。例如，研究显示，线粒体活性能够帮助癌细胞在葡萄糖限制的条件下存活。因此，通过减少泛醌的可利用性而破坏呼吸链会降低癌细胞在营养限制期间的存活率。此外，泛醌对于通过呼吸链调节活性氧的形成具有重要作用，这表明甲戊二羟酸途径与氧化还原势控制密切相关。而且也已经证明甲戊二羟酸途径提供的泛醌不仅有助于嘧啶的合成，还可以防止结肠直肠癌和胰腺癌出现氧化应激。最近的一项研究表明，在胆固醇营养缺陷型细胞中，由于角鲨烯单加氧酶（角鲨烯环氧酶，SQLE）的丢失，角鲨烯的产量增加，从而防止了氧化引起的细胞死亡。总之，这些发现均显示，甲羟戊酸途径除胆固醇外还产生了一些其他的对癌细胞存活非常重要的物质（图 2A）。
胆固醇水平也受到低密度脂蛋白颗粒的摄取和脂蛋白作用下胆固醇分泌的控制。例如，LXR-623（肝脏 X 受体激动剂）能够通过诱导胆固醇外流而降低胶质母细胞瘤的癌细胞存活率和肿瘤生长。
图 2 甲羟戊酸途径的代谢产物
4 脂肪酸和胆固醇合成的转录调控
通过增加这些途径中受固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）调节的酶的表达可以促进脂肪生成和甲羟戊酸途径的激活（图2B）。螺旋-环-螺旋亮氨酸膜结合转录因子家族由 3 种亚型构成：由SREBF1基因编码的SREBP1a和SREBP1c，以及由SREBF2 基因编码的SREBP2。SREBPs在内质网膜或和核膜上是以无活性前体形式存在的，并可以与SREBP裂解激活蛋白（SCAP）结合。根据细胞固醇的浓度不同，SREBPs可以保留在内质网中，也可以转运至高尔基体。然后，成熟的SREBPs会移位至细胞核内并以二聚体的形式与靶基因启动子内的固醇调节元件（SRE）以及E-boxes结合。虽然所有的 SREBP 亚基都可以与 SREs 结合，但它们对不同的启动子具有偏好性，其中SREBP1主要调节参与脂肪酸合成的基因，而胆固醇生物合成途径的基因则优先由SREBP2控制。此外，不同SREBP亚型的表达存在组织特异性，其中SREBP1c主要存在于肝脏中，而SREBP2主要存在于肝脏和白色脂肪组织中。有趣的是，来自Srebf2基因敲除和亚型小鼠的最新证据表明，SREBP2在发育过程的肢体形成中起作用，并具有诱导SREBP1a和SREBP1c表达的能力。
有几项研究发现，SREBPs在致癌基因信号通路（PI3K / Akt / mTORC1信号通路）下游被激活。实际上，mTORC1能够促进成熟SREBP1在细胞核内的积累，从而促进细胞生长过程中的脂质合成过程。该调节过程的潜在机制可能涉及CREB调节的转录辅激活因子2（CRTC2）磷酸化和失活，从而增强SREBP / SCAP复合体在内质网-高尔基体之间的转运。此外，mTORC1通过磷脂酸磷酸酯酶LPIN1的磷酸化和胞质滞留来调节成熟SREBP1的亚核定位，该酶在其未磷酸化状态下将SREBP1隔离在核外从而抑制了SREBP1。但也存在控制SREBP和Akt下游肝脏脂肪生成的mTORC1独立途径。此外，也已证明抑制黑素瘤中的致癌BRAF可阻断SREBP1，并且连续的脂质合成与该疾病的治疗抗性有关，这也进一步突出了脂质合成在癌症中的重要性。脂质合成的调控也是与Myc癌基因相关的转录因子调控网络的重要功能。研究证实，Myc依赖性肿瘤的发生必须有Myc超家族成员MondoA（也称为MLXIP）的参与。此外，也证实Myc与SREBP1可共同调节多种癌症模型癌变过程中的脂肪生成。
如上所述，SREBP加工受细胞固醇浓度的控制，并且游离胆固醇水平的变化可改变SREBP活性。最近的一项研究表明，p53诱导的ATP结合盒转运蛋白（ABCA1）会增加胆固醇从质膜向内质网的逆转运，从而阻止SREBP2的成熟。然而，ABCA1介导胆固醇外排，并且本身受SREBF2基因内含子编码的microRNA 33控制，这就使得情况会变得更加复杂。此外，也已证明，通过固醇O-酰基转移酶1（SOAT1，也称为ACAT1）调节胆固醇酯化和储存可以控制前列腺癌和胶质母细胞瘤中SREBP的活性和癌细胞的存活。
通过涉及F框/WD域蛋白7（FBXW7）的泛素依赖性调节可以严格控制成熟SREBP的稳定性。有趣的是，所有SREBP亚型都包含一个被FBXW7 / SCF复合体识别的保守磷酸脱氢基序（CPD）。在SREBP中，糖原合酶激酶3（GSK3）对该基序的磷酸化会诱导泛素化和降解过程，因此AKT或mTORC2复合物对GSK3的抑制会导致成熟SREBP的稳定。此外，通过蛋白质精氨酸甲基转移酶5（PRMT5）对精氨酸321进行二甲基化可防止SREBP1a被GSK-3beta磷酸化，并发现这与肝癌的预后不良有关。
除SREBP外，肝X受体LXR-α和LXR-β（图2B）同样是癌症中脂肪生成的重要驱动因素。这些核受体可以与类视黄醇X受体（RXR）形成异源二聚体，并在不同氧化型胆固醇存在的情况下诱导基因表达。虽然LXR被认为是癌症治疗的靶标，但通过研究发现LXR的激活和抑制对不同环境下生长的癌细胞不利，这就使情况变得复杂。例如，由于SREBP1c是LXR靶基因之一，因此发现使用反向激动剂SR9243抑制LXR可通过抑制糖酵解和脂肪生成来阻止癌细胞的生长。这导致跨多个系统的肿瘤生长减少，从而使LXR抑制成为一种有吸引力的抗肿瘤策略。相反，如前所述，不同的激动剂对LXR的激活可以通过促进胆固醇输出而降低了癌细胞的存活率，特别是在胶质母细胞瘤中。
5 驱动肿瘤表现型
脂质除具有作为细胞膜成分的结构功能外，还具有促进转化和肿瘤生长的癌症相关表型的介质作用。例如，鞘脂是细胞信号传导和存活的主要介质。但在以下各小节中，我们将主要关注脂肪酸在能量代谢、应激反应和癌症生存率的作用。我们还将对有关脂质重塑与铁死亡、转移的形成、干性以及肿瘤微环境内异型相互作用的最新发现进行讨论。
6 脂质在能量代谢中的作用
脂肪酸氧化（FAO）对于各种癌症中癌细胞的存活同样非常重要。已经在许多恶性肿瘤中观察到了FAO酶的过表达，并且在多种肿瘤模型中，对FAO进行阻断会减弱肿瘤的生长。在来源于原位患者的异种移植物（PDX）三阴性乳腺癌（TNBC）模型和原位成胶质细胞瘤模型中，抑制FAO的限速酶-肉毒碱棕榈酰转移酶1（CPT1），可阻止肿瘤生长并延长生存期。已经确定CPT1上游的酶对于肿瘤的生长至关重要：酰基辅酶A合成酶长链3（ACSL3）将游离脂肪酸转化为脂肪酰基辅酶A，可用作脂质合成或FAO的底物（图1）。KrasG12D驱动的肺癌会使ACSL3出现过表达，并且它的消融会显著减少脂肪酸摄取、FAO 和肿瘤负荷。类似的，与中链和长链脂肪酰基辅酶 A结合的酰基辅酶 A 结合蛋白（ACBP）可能作为脂肪酰辅酶 A 载体或骨架起作用，其在人胶质母细胞瘤中会出现显著上调，并且其缺失会抑制 FAO 的表达，从而在原位异种移植和遗传胶质母细胞瘤小鼠模型中导致衰老。在某些癌症中，FAO可以被特定的致癌基因激活，以促进增殖。然而，FAO 对 NADPH的供应是必需的，尤其是在如戊糖磷酸途径（PPP）产生的NADPH受损的缺糖损伤或非依赖性生长等能量应激情况下。从机理上讲，这主要取决于AMPK，它能够使ACC磷酸化并使之钝化，从而阻止脂肪酸的合成，脂肪酸的合成会消耗胞质内大量的NADPH，而且还可以激活FAO。目前还尚未明确如何使用来源于FAO的乙酰辅酶A生成胞质NADPH，但可以明确的是，它是以柠檬酸盐的形式输送到细胞质中，然后被异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）氧化为α-酮戊二酸。
7 应激反应与细胞存活
脂肪酸不仅是ATP和NADPH的来源，还是细胞中重要的结构成分。细胞中最丰富的脂肪酸之一是单不饱和脂肪酸油酸（C18：1）。在脂肪酸的从头合成过程中，SCD催化在硬脂酸（C18：0）中D9位置形成双键，并在较小程度上催化棕榈酸（C16：0）分别形成油酸和棕榈油酸（C16：1）（图1）。大量的报告显示，在脂质耗尽条件下抑制这种反应会导致体外培养的癌细胞发生内质网应激和凋亡。在这些系统中，添加外源性油酸或其他不饱和脂肪酸（例如PUFA亚油酸（C18：2）或花生四烯酸（C20：4））可以防止内质网应激和SCD抑制诱导的凋亡。此外，在胃癌和结肠癌的异种移植模型中，用SCD抑制剂治疗可减少肿瘤的形成，而SCD缺失则会阻止人类肺癌细胞中肿瘤的生长。有趣的是，SCD沉默也降低了人类前列腺癌细胞形成原位异种移植肿瘤的能力，这表明存在于该器官中的外源脂质无法补偿SCD的功能。
但是，抑制去饱和作用也会损害线粒体呼吸，从而导致氧化应激，这表明内质网应激的诱导可能是间接的。实际上，除油酸外，抗氧化剂还可以阻止SCD缺失后诱导的内质网应激。而且，在前列腺癌细胞中发现，抑制SCD降低了单不饱和脂肪酸整合到心磷脂中。心磷脂可以与细胞色素c结合并阻止其从线粒体内膜释放，从而控制内在的细胞凋亡途径。在研究中发现，同时发生SCD抑制与细胞色素c释放增加会导致细胞凋亡。
在以上提及的大多数研究中，只有当细胞的外源性脂质被剥夺时，SCD抑制或缺失才会起作用。这表明，在细胞外脂质充足的情况下，癌细胞会通过摄取来满足其对不饱和脂肪酸的需求。此外，SCD需要NADPH和氧气才能发挥功能，这表明在低氧条件下，癌细胞依赖于外源供应的含不饱和脂肪酸的脂质。有趣的是，缺氧会诱导SCD表达。癌细胞通过利用外源性脂质来提供不饱和脂肪酸的能力似乎取决于表达的癌基因类型，并非所有脂质利用的度都相同。使用等基因细胞系分析发现，与表达myrAKT的细胞相比，表达H-RasV12G或K-RasG12D的细胞的不饱和脂肪酸来源于依赖于脂质摄取。同样，当在含脂质的培养基中进行SCD抑制时，与H-RasV12G细胞相比，myrAKT细胞的增殖和活力受到的损害更大。然而，在去脂培养基中两种细胞系对SCD抑制同样敏感。重要的是，对用过的培养基进行脂质组学分析发现，溶血磷脂（即仅含有一个酰基链的磷脂）被吸收的程度比磷脂大得多。此外，与饱和溶血磷脂相比，含有单或多不饱和酰基链的溶血磷脂是优先被利用的，这表明癌细胞会在所处环境中选择性地消耗某种特定的溶血磷脂物质。但是，这种选择性脂质摄取的机制仍有待阐明。
尽管这些结果已经证明脂肪酸摄取的增加可以补偿由于缺氧或SCD抑制而导致的脂肪酸去饱和降低，但也很明显，不饱和脂肪酸在肿瘤微环境中的供应可能有限的。有趣的是，最近的研究表明，当大量供应外源性脂质和/或氧气时，透明细胞肾细胞癌（ccRCC）细胞会以甘油三酸酯的形式积累单不饱和脂肪酸，尤其是油酸。但是，一旦细胞外的脂质和氧气变得有限，油酸就会释放并整合入磷脂中。这种机制主要取决于甘油二酸酯酰基转移酶1和2（DGAT1和DGAT2），它们将脂肪酰基辅酶A与甘油二酸酯缩合，从而形成甘油三酸酯，随后将其并入脂质小滴中。这项研究表明，在转移至去脂培养基之前，在含油酸的培养基中培养ccRCC细胞会使这些细胞对SCD抑制变得不敏感，而DGAT1 / 2缺失则会阻止这种作用。同样，在异种移植ccRCC模型中，DGAT1/ 2缺失会损害肿瘤的生长，而且当DGAT1 / 2缺失后，体内和体外的甘油三酸酯组成分析结果均显示，饱和脂肪酸的比例增加。
尽管 SCD 对于单不饱和脂肪酸的供应非常重要，但即使在脂质剥夺的情况下，癌细胞的亚群也对SCD抑制非常不敏感。最近研究证明，在 SCD 受抑制的情况下，这些细胞能够通过依靠脂肪酸去饱和酶 2 (FADS2)的混杂酶活性以满足自身对不饱和脂肪酸的需求。FADS2通常是必需多不饱和脂肪酸亚油酸（u-6）和α-亚油酸（u-3）转化为其它多不饱和脂肪酸（包括花生四烯酸）的必需物质。但是，FADS2也可以使棕榈酸酯去饱和，从而生成在脂肪酸sapienate（图1）。研究证明，sapienate主要在棕榈酸酯含量高的情况下产生，如SCD 被抑制或不表达（就像在人类皮脂腺中一样）。在这些情况下，棕榈酸酯会与FADS2、亚油酸和α-亚麻酸的天然底物竞争。当 SCD 被阻断时，对 SCD 抑制不敏感的癌细胞会产生sapienate，并且这取决于FADS2，因为它的缺失会提高这些细胞对SCD抑制的敏感性。同样，FADS2在细胞中异位表达，否则对SCD抑制敏感，从而引起对SCD抑制的抗性。重要的是，与健康组织相比，人肝癌和肺癌中的sapienate水平和FADS2表达均升高，并且在小鼠肝细胞癌模型中，同时抑制FADS2和SCD会减少肿瘤的生长，从而证实了至少某些癌症是使用了这种替代途径来影响脂肪酸的去饱和。
除脂肪酸合成和摄取外，膜磷脂中饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸的相对丰度也受到溶血磷脂酰基转移酶（LPLAT）的调节。LPLAT与磷脂酶A2（PLA2）在一系列脱酰基和再酰基化步骤（称为Lands循环）中可以对细胞磷脂进行重塑（图1）。在此过程中，PLA2水解甘油磷脂中sn-2位点的酰基链，留下1-酰基-溶血磷脂，然后通过LPLAT将其重新酰化。由于不同的LPLAT酶对脂肪酸底物和溶血磷脂靶标的偏好性不同，因此该过程会产生多种磷脂。
有一种LPLAT亚型，即溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3，也称为MBOAT5），对于调节SCD抑制诱导的内质网应激期间磷脂中不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸之间的比例具有重要意义。癌细胞中SCD的缺失引起LPCAT3的上调，但未引起其他LPCAT亚型的上调。此外，虽然LPCAT3缺失本身不会导致内质网应激，但在SCD1缺失或经棕榈酸暴露会加剧内质网应激。
LPCAT3的主要底物是多不饱和脂肪酸，并且这种酶的缺失会减少多不饱和脂肪酸并入磷脂酰胆碱（PC）的过程，从而导致更多饱和的膜脂的产生。然而，还发现LPCAT3能够将油酸并入磷脂酰胆碱中。有趣的是，在肝细胞中，LXR下游LPCAT3表达的增加对于SREBP1成熟和核转位至关重要。LPCAT3缺失降低了磷脂酰胆碱中多不饱和脂肪酸的比例（主要是花生四烯酸和亚油酸），并严重减少了SREBP1成熟。因此，似乎SREBP1加工对膜脂的去饱和比较敏感。虽然尚不能确定含多不饱和脂肪酸的磷脂酰胆碱促进SREBP1成熟的确切机制，但发现此过程是具有SCAP依赖性的，这表明膜脂质去饱和可以调节内质网的膜动力学，从而促进SCAP / SREBP相互作用或SREBP从内质网向高尔基体的转移。
8 脂质代谢和铁死亡
尽管增加多不饱和脂肪酸向磷脂的整合对于维持膜的流动性是必不可少的，但大量含多不饱和脂肪酸的膜脂会增加癌细胞对铁死亡（一种特定的细胞死亡形式）敏感的风险。多不饱和脂肪酸容易被不稳定的铁池（Fe2 +）通过Fenton反应生成的羟基和过氧自由基氧化。产生的脂质过氧自由基随后氧化邻近的多不饱和脂肪酸，从而导致连锁反应，如果不加以阻碍，最终将导致细胞死亡。有几种脂肪酸和脂类代谢酶的活性可以决定膜磷脂的脂肪酸组成，并证明了它们对于铁死亡具有重要的作用。实际上，LPCAT3是在旨在发现铁死亡所需基因的筛选中鉴定出来的。同时还鉴定出另一种LPLAT，1-酰基甘油-3-磷酸O-酰基转移酶3（AGPAT3，也称为LPAAT3），该酶能够在脂质的从头合成过程中将LPA酰化形成磷脂酸（PA）（图1）。两种酶都偏向于将多不饱和脂肪酸作为底物，并通过增加含多不饱和脂肪酸的磷脂的比例来增加癌细胞的敏感性。
此外，酶ACSL3和ACSL4可以调节磷脂的脂肪酸组成和对铁死亡的敏感性。它们能够激活脂肪酸以整合至脂质中（图1），而不同的ACSLs具有不同的底物偏好性。ACSL4对多不饱和脂肪酸具偏好较强，在一组乳腺癌细胞系中，谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）受到抑制后，其表达与铁死亡敏感具有相关性。GPX4对于去除膜脂中的脂质过氧化物是必不可少的，其抑制或消融可引起铁死亡。尽管ACSL4 /细胞对GPX4抑制具有抗性，但在外源多不饱和脂肪酸存在下培养时，它们可以再次恢复敏感。这很可能是由于ACSL3所致，因为只有ACSL3和ACSL4能够将多不饱和脂肪酸作为底物并进行有效利用。
有趣的是，外源性的单不饱和脂肪酸可以从膜磷脂中置换多不饱和脂肪酸来预防铁死亡。这是ACSL3依赖性的，因为其消融可以消除由单不饱和脂肪酸诱导的抗铁死亡状态。这可能是因为ACSL4更偏好于将多不饱和脂肪酸作为底物，而ACSL3可以激活两种类型的脂肪酸。因此，在ACSL3存在的情况下，细胞磷脂的脂肪酸组成可反映出通过脂质摄取和脂肪酸从头合成过程获得的单不饱和脂肪酸与多不饱和脂肪酸的比率。在不存在ACSL3的情况下，该比例偏向多不饱和脂肪酸，因为ACSL4成为激活脂肪酸的主要酶。出乎意料的是，尽管外源性单不饱和脂肪酸介导的铁死亡保护作用具有ACSL3依赖性，但对于脂毒性而言却并非如此，因为在没有ACLS3的情况下，油酸可防止外源性棕榈酸引起的细胞凋亡。这表明，尽管需要ACSL3将单不饱和脂肪酸代替多不饱和脂肪酸以降低铁死亡的敏感性，但其他酶可以将单不饱和脂肪酸引入磷脂中，从而降低总饱和度而不影响含多不饱和脂肪酸的磷脂的量。
9 癌细胞扩散和转移的形成
转移是一个复杂的过程，涉及癌细胞从原发肿瘤向血液或淋巴系统的扩散、其他器官的定植以及继发性肿瘤在远隔部位的扩增。尽管转移是癌症相关死亡的主要原因，但其机制尚未完全明确。然而，在各种系统中的最新发现表明，脂质代谢在转移中起主要作用。
有一项研究证明，脂肪酸会更直接的参与转移的形成，这可以说明侵袭性的细胞系可以表达较高水平的单酰基甘油脂肪酶（MAGL），该脂肪酶在脂解过程中可以从单酰基甘油释放出游离脂肪酸。MAGL的表达会诱导特定的脂质特征，这表明在侵略性疾病且在缺乏脂肪的情况下，高脂饮食（HFD）有助于肿瘤的生长，这表明外源性脂肪酸的可以促进疾病的发展。类似的，在PTEN-/-前列腺癌中观察到，转移形成的增加是由SOAT1胆固醇酯形成的增加导致的，这与LDLR的持续表达和必需脂肪酸的摄取增加有关。通过脂肪酸转运蛋白CD36增加游离脂肪酸的摄取可以促进肝细胞癌的上皮向间质转化。然而，这主要归因于棕榈酸酯和油酸酯的摄取而不是必需的脂肪酸。类似的，在源自鳞状细胞癌（一种高度侵袭性口腔癌）的转移起始细胞（MIC）中，带有脂质代谢的基因标记的CD36表达水平会升高。CD36抑制或缺失对原发肿瘤的生长影响较小，但转移却会大大减少，这表明脂肪酸摄取和代谢会促进癌细胞的扩散。有趣的是，在这项研究中，将小鼠暴露于棕榈酸或将它们进行高脂饮食干预，体内转移形成出现增强。尽管目前并尚未完全探明外源脂肪酸的确切作用，但有证据表明，MICS通过FAO 利用脂肪酸来产生能量。用抗CD36中和抗体对原位口腔肿瘤的小鼠进行治疗，可以消除其体内转移的形成，因此这也提供了一种潜在的治疗策略。同样的，发现激活SREBP依赖的脂肪生成程序可以驱动由于PTEN和PML缺失引起的前列腺癌中的转移。在这里，高脂饮食足以驱动非转移性前列腺癌模型中的转移。总之，这些研究表明饮食中脂肪酸的供应与癌症的进展之间密切相关。
除脂肪酸外，甲羟戊酸途径还与组织结构的丧失和癌症的进展有关。研究显示，通常在侵袭性癌症中发现的突变型p53，可以结合SREBP2并激活乳腺癌细胞中该途径中酶的表达。甲羟戊酸途径的激活会导致小G蛋白（包括Ras和RhoA）异戊二烯化所必需的游离脂肪酸的形成。因此，代谢途径的激活是驱动癌细胞迁移和侵袭必不可少的信号传导程序。这尤其值得探究，因为目前已经研究出用于治疗高胆固醇血症的甲羟戊酸途径抑制剂抗癌药。
除了能证明脂质在转移形成中起作用的临床前数据外，在对患者材料的研究中发现，转移性癌细胞中的脂质代谢发生了改变。癌细胞从循环肿瘤细胞（CTC）的原发性肿瘤部位向血流中扩散是转移性肿瘤表现出的一种特性。使用无标记相干反斯托克斯拉曼散射显微镜对前列腺癌患者进行的一项研究显示，CTCs中脂质摄取升高且细胞内脂质积累出现增加。一项针对癌症基因组图谱（TCGA）泛癌数据，特别针对侵袭性肿瘤患者的生物信息学研究显示，与脂肪酸摄取和脂质从头合成相关的基因的扩增频率升高。将脂肪酸合成、摄取和代谢相关基因的表达特征与EMT评分相关联以对不同癌症类型中常见的与转移相关的代谢程序进行识别。虽然这些研究强调了脂质在转移性癌症患者体内的重要性，但这需要进一步的研究以明确脂肪酸合成的确切作用并对脂质代谢在转移性癌症患者中的确切作用进行评估。
10 癌干细胞样细胞中的脂质代谢
通常认为癌症干细胞样细胞（CSC）或肿瘤起始细胞（TICs）是一个重要的亚群，与异质肿瘤体内的其他细胞群不同。CSCs具有很高的自我更新潜能，并与肿瘤的发生、治疗的抵抗力和复发有关。因此，专门针对CSC的治疗策略已占据主导地位。与非 CSCs 相比，CSCs 具有不同的代谢特征，其中之一就是脂质代谢的改变，这为靶向识别该细胞群的铺平了道路。
胶质母细胞瘤中FASN的高表达和脂肪酸合成的增加与干细胞标志物的表达有关，并且FASN活性的降低可介导白藜芦醇对乳腺癌CSC生长的抑制作用。有趣的是，在选择性消除人类多能干细胞的化合物的筛选中鉴定出了脂肪酸去饱和抑制剂，并且结果显示SCD抑制可诱导内质网应激，增加对替莫唑胺的敏感性，还可以有效防止胶质母细胞瘤CSC中的肿瘤生长。此外，最近的一项研究显示，神经胶质瘤干细胞中特异的超级增强子可驱动ELOVL2的表达，从而促进含多不饱和脂肪酸的膜脂质的合成，增加膜的流动性及提高上皮生长因子受体（EGFR）的活性。在卵巢癌CSC中，使用拉曼光谱法发现，不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比率出现增加。这是由于D9去饱和导致的，因为抑制SCD可以降低卵巢癌细胞在体内形成球体以及形成肿瘤的能力。脂肪酸去饱和作用的增强还与涉及NF-kB途径的正反馈循环的激活有关，从而驱动卵巢癌中干细胞标志物的表达。
脂肪酸去饱和对于干细胞功能的另外一种作用机制是控制Wnt / b-catenin信号通路。这条通路的活性取决于porcupine（PORCN）-O-酰基转移酶对Wnt蛋白的翻译后的酰化作用，该酶可以将酰基链转移到Wnt蛋白保守的半胱氨酸和丝氨酸残基上。Wnt酰化对其亚细胞定位及其分泌到胞外空间都非常重要。使用标记和质谱技术研究发现，Wnt-3a中丝氨酸209处的酰基带有单不饱和脂肪酸棕榈油酸。实际上，已有研究证明PORCN更偏好于将单不饱和酰基辅酶A作为Wnt酰化的底物，并且SCD活性对于Wnt酰化和活化是必需的。有趣的是，有研究者提出，单不饱和脂肪酸的弯曲的构象可能会有助于将它们插入卷曲受体的疏水性区域。因此，棕榈油酸酯的可利用性可以决定Wnt通路的活性，并通过b-catenin的稳定性来调节其下游的信号传导。但是，不饱和脂肪酸还可以通过涉及FAS相关因子1（FAF1）的第二种机制来调节b-catenin，该因子与b-catenin结合可加速其降解。与FAF1结合的不饱和脂肪酸可以破坏它与b-catenin的结合，从而保证其稳定性并驱动ccRCC增殖。
除脂肪酸外，磷脂重塑对CSC的功能也十分重要，并且肠干细胞（ISC）中LPCAT3的消融会导致成熟核SREBP2的增加和胆固醇生物合成酶的表达的增加，但涉及脂肪酸合成的SREBP1靶标的表达则在很大程度上并未受到影响。有趣的是，在APCmin小鼠中，LPCAT3消融导致ISC过度增殖、肿瘤形成增强以及存活率的降低。他汀类药物或羊毛固醇合酶（LSS）的抑制作用会阻断这种消融，这说明胆固醇合成的增强可促进由LPCAT3缺失引起的肠道肿瘤的形成。此外，研究显示，甲羟戊酸途径基因的诱导与MYC诱导脑肿瘤起始细胞的自我更新和致瘤性有关。总之，这些发现均表明脂肪酸和胆固醇的合成是CSC表型的重要驱动力。
11 肿瘤微环境中的异型相互作用
除调节细胞内在过程外，脂质还参与细胞之间的通讯以促进肿瘤微环境内的异型相互作用，这也是癌症发生和发展的重要驱动力。涉及脂质的异型相互作用范围包括从吸引或排斥不同基质细胞类型的信号传导到复杂的代谢偶联回路。
信号脂质或脂介质的产生和释放受到严格的控制，并依赖于关键的脂质修饰酶。其中有PLA2亚型，可在sn-2位置裂解膜磷脂以释放出游离的多不饱和脂肪酸（图1）。有趣的是，某些磷脂酶属于分泌蛋白质，这表明癌细胞会主动修饰肿瘤微环境的脂质组。这些分泌磷脂酶产生的溶血磷脂可以通过胞外ATX / ENPP2进一步转化为信号分子LPA，产生一个趋化梯度以促进黑素瘤细胞的扩散。同样，最近发现，胰腺星形细胞可以释放溶血磷脂，而溶血磷脂被ATX / ENPP2转化为LPA，从而并促进胰腺癌的进展。
尽管脂质修饰酶（例如PLA2和ATX /ENPP2）可以控制某些脂介体的产生，但癌细胞中脂肪酸合成和/或摄取的改变可能有助于某些特定类别的信号脂质的形成。例如，有研究表明，癌细胞利用外源性的棕榈酸酯不仅可以产生结构脂质，而且还可以将脂肪酸选择性的整合至LPA分子中。结构研究表明，不同LPA受体对带有特定酰基链的 LPA 分子具有不同的偏好性，改变脂肪酸的合成和修饰也可以促进癌细胞脂质分泌组的形成，以促进脂质介导的自分泌和旁分泌信号传导。
在磷脂降解为溶血磷脂的过程中，胞质中的和分泌的PLA2亚型会释放出之前结合到sn-2位置的酰基，成为游离脂肪酸（图1）。这些主要是多不饱和脂肪酸，例如花生四烯酸，这使得能够合成类花生酸，而类花生酸是一大类主要参与炎症调节的脂介体。其中有一种是PGE2，它是由花生四烯酸经环氧合酶（PTGS1 / COX1和PTGS2 / COX2）产生的。当被分泌时，PGE 2具有促进癌细胞增殖、迁移和血管生成的多种信号传导功能。有趣的是，最近研究证明，由COX2产生的PGE2可通过诱导髓系细胞产生IL-6、CXCL1和G-CSF，同时阻断I型干扰素的产生，从而防止T 细胞依赖的消瘤，以营造一个促癌的微环境。
由于花生四烯酸是通过ELOVL2 、ELOVL5和D5、D6去饱和酶FADS1和FADS2由外源的亚油酸产生的，因此这些酶的表达增加可以促进癌细胞中类花生酸的产生。如上所述，ELOVL2被认为是胶质母细胞瘤中多不饱和脂肪酸代谢的介体。此外，早期的研究发现FADS2能够促进乳腺癌中类花生酸的合成。如前所述，FADS2可以将棕榈酸酯变为单不饱和脂肪酸sapienate。当 SCD 受到抑制时，这条替代性的代谢通路能够确保产生单不饱和脂肪酸。但是，这种通过棕榈酸酯积累来促进的底物转换也减少了γ-亚麻酸的产生，并可能损害信号脂质（包括类花生酸和DHA）的产生。有趣的是，FADS1和FADS2是SREBP的靶基因，这可以说明这些转录因子也可以调节脂介体的产生。
除信号脂质外，甲羟戊酸途径的产物还可以影响癌细胞与免疫细胞之间的相互作用。通过增加促进转移的免疫细胞的数量以及阻断细胞毒性T细胞的活性，氧化固醇代谢物27-羟胆固醇可以介导高脂饮食对乳腺癌转移形成的影响。此外，最近研究显示，在肿瘤微环境中增加的胆固醇含量可诱导CD8 + T细胞出现衰竭。因此，癌细胞中胆固醇含量的增加可能有助于营造对免疫系统不利的肿瘤微环境。
有关异型相互作用的一个公认的例子是，在几种不同的癌症（包括卵巢癌、乳腺癌和大肠癌以及黑素瘤和白血病）中均发现了癌细胞和脂肪细胞的代谢共生。在这种情况下，癌细胞的存在会诱导脂肪细胞中脂肪酸脂解和动员。该过程似乎取决于脂肪细胞中脂肪酸结合蛋白4（FABP4）的表达，因为对FABP4进行抑制会减弱脂解作用和脂肪酸的分泌。同样，在使用FABP4野生型或基因敲除小鼠的转移性卵巢癌原位移植模型中，已经证明脂肪细胞中FABP4的表达对于向网膜的转移至关重要（腹部脂肪垫是卵巢癌腹膜内转移的主要部位）。癌细胞与脂肪细胞的共培养可以导致AMPK活化并增加癌细胞中的FAO含量。有趣的是，有证据表明，这种AMPK激活是以一种依赖于Ca2 + /钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaMKK2）的方式由脂肪细胞分泌的脂肪酸介导的。在乳腺癌干细胞中，通过涉及脂肪细胞分泌瘦素的不同机制来激活FAO和脂肪酸的摄取，该机制可以激活JAK/STAT3信号通路，进而通过STAT3与CPT1B基因启动子（FAO 重要的调节子）的结合来激活FAO。有趣的是，脂肪细胞源性脂肪酸的 FAO 对于乳腺癌干细胞的生存至关重要，因为FAO 抑制会减少BCSCs的增殖和肿瘤球的形成，而激活FAO可以恢复STAT3抑制的BCSCs的肿瘤球的形成。综合这些研究以及白血病干细胞相关的类似研究发现，来源于脂肪细胞的脂肪酸是癌症干细胞龛的重要组成部分。
展望
本文讨论的众多研究都突出了癌基因信号与脂质代谢调节之间的复杂关系对促进癌细胞的生长和存活、调节启动细胞扩散和转移形成过程以及控制癌症与微环境内免疫细胞之间的通讯的作用，还强调了控制免疫逃逸的脂介质生成对多不饱和脂肪酸的需求与其对脂质过氧化和铁死亡敏感性的潜在破坏作用之间平衡的重要性。
目前已经开始探索针对靶向改变脂肪酸和胆固醇合成来治疗癌症的不同策略。由于他汀类药物的使用较为广泛，所以已经对他汀类药物降低癌症风险的能力进行了评估，目前也已在多种临床试验中作为抗癌药进行了测试。但是，大多数针对脂肪酸代谢的化合物的临床研究尚未取得显著进展。但FASN抑制剂TVB-2640是一个明显的例外，目前已在II期临床试验中进行评估，它既可以作为KRAS突变型非小细胞肺癌（NCT03808558）的单一药物使用，也可以与紫杉醇和曲妥珠单抗联合用于三阴性乳腺癌的治疗(NCT03179904)。最初开发用于治疗非酒精性脂肪性肝炎的ACC1 / 2抑制剂ND-630，目前正在进行I期测试（NCT02876796）。
通过膳食补充脂质可以很容易地克服脂肪酸和胆固醇生物合成的抑制，但需要制定更具体的干预方法。一旦研发出有效的生物可利用的SCD抑制剂（例如CVT-12和012），就可以在免疫活性动物模型中评估其对肿瘤生长的影响。
成功的治疗策略可能需要联合使用针对脂肪酸合成和摄取的抑制剂。或者，可以使用抗血管生成疗法或制定特定的饮食方案来阻断肿瘤的外源性脂质供应并防止代偿。实际上，FASN抑制剂TVB-2640目前正在与抗血管生成药物贝伐单抗联合用于高级星形细胞瘤（NCT03032484）的临床测试中。除本身阻断脂肪酸的的供应外，还可以靶向将脂肪酸转化为癌的生长所必需的不同生物分子的酶。通过靶向酰基辅酶A合成酶来阻止脂肪酸活化，或者通过靶向酰基转移酶来阻断它们与甘油主链的连接，这样可以影响内源和外源性脂肪酸，从而再次克服补偿问题。
其他潜在的治疗策略是利用了由癌症中脂质代谢改变引起的选择性代谢变化。例如，脂质合成增强造成了对减少辅因子的高需求，并增加了癌细胞对NADPH再生途径的依赖。近来，作为抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G6PD）的选择性抑制剂，polydatin在转移性舌癌的临床前模型中通过增加氧化应激而表现出抗肿瘤活性。同样，缺乏VHL的ccRCC细胞表达FAO的能力会降低，从而导致的过多脂质存储，进而引起对抑制谷胱甘肽生物合成途径的选择性敏感性，并进一步导致脂质过氧化和铁死亡。