NATURE REVIEWS DRUG DISCOVERY | 色氨酸代谢—最火的疾病治疗靶点成药性如何?

来源: 麦特绘谱生物科技(上海)有限公司   2019-7-15   访问量:937评论(0)

色氨酸(Trp)是一种从饮食中摄取的必需氨基酸,体内游离Trp的水平由食物摄入量和几种Trp代谢途径的活性决定。95%的游离Trp通过犬尿氨酸通路(kynurenine pathway,KP)进行分解代谢,参与免疫、神经元功能和肠内稳态的调节。癌症、神经退行性疾病中Trp代谢失衡引起了人们对以KP为靶点进行治疗的极大关注,尤其是限速酶吲哚胺-2,3-双加氧酶1(IDO1),IDO2, 色氨酸-2,3-双加氧酶(TDO)和犬尿氨酸单加氧酶(KMO)。德国海德堡大学神经免疫学家Michael Platten针对 Trp代谢的生理和病理作用、在多种疾病进行药物开发的机遇与挑战进行系统总结,相关成果发表于《NATURE REVIEWS DRUG DISCOVERY,尽管小分子IDO1抑制剂在早期癌症免疫治疗临床试验中显现出巨大前景,但令人意外的是III期临床试验的结果均为阴性,使得多种疾病中药物开发面临着巨大的挑战。

色氨酸分解代谢通路

色氨酸分解有三条去路,其一通过芳香族-L-氨基酸脱羧酶(AADC)脱羧后形成色胺;其二通过色氨酸羟化酶(TPH)形成5-羟色胺(5-HT);其三,超过95%的游离Trp通过IDO1, IDO2, TDO三种限速酶转化为N-甲酰犬尿氨酸 (NFK),NFK在犬尿氨酸甲酰胺酶(AFMID)作用下形成犬尿氨酸(Kyn),Kyn通过犬尿氨酸酶(KYNU)转化为邻氨基苯甲酸(AA),同时Kyn在犬尿氨酸氨基转移酶(KATI -KATIII)作用下生成犬尿喹啉酸(KA),这一步骤对于控制神经保护性KA的产生至关重要。特别是大脑中Kyn可通过线粒体天冬氨酸氨基转移酶转氨基作用形成KA。Kyn还通过KMO形成3-羟基犬尿氨酸(3HK)进而由KYNU催化生成3-羟基邻氨基苯甲酸(3-HAA),3-HAA通过3-羟基邻氨基苯甲酸-3,4-双加氧酶(HAAO)向神经毒性喹啉酸(QA)转化,QA可能被某些细胞转化为能量代谢中的关键辅酶NAD+,但KP从头生成NAD+的生理过程尚不清楚,推测NAD+主要通过补救途径产生;3HK还可通过KATI-KATIII催化生成黄体尿酸(XA)。

色氨酸分解代谢的器官差异性

人体中KP酶和代谢物分布于不同细胞和组织中,其表达受到严格调控。在肠道中,肠上皮细胞转运Trp穿过顶膜进入间质和肠系膜循环,此外,肠道微生物群合成和代谢Trp形成吲哚并将其释放进入体循环,Trp代谢物可作为宿主代谢能力的功能补充和调节宿主免疫应答的信号分子。进入肝脏内的大部分Trp被氧化成乙酰乙酰-CoA用于合成NAD+,肝外Trp则经KP通路代谢,如肾脏、脾脏和免疫细胞,对Kyn和KP代谢物体循环水平的贡献最大。在促炎刺激后,由骨髓细胞释放的KP代谢物会抑制T细胞应答。大脑中,Trp穿过血脑屏障后转化成5-HT, Kyn, 3HK通过血脑屏障转运并被星形胶质细胞、小神经胶质细胞和神经元吸收,星形胶质细胞主要产生具有神经保护性的KA,而小胶质细胞产生具有神经毒性的QA。

Trp代谢在神经元功能中的作用

KP通路产生的Trp代谢物具有明显的刺激神经活性的作用(图3),炎性损伤诱导的小胶质细胞将Trp通过IDO1转化为Kyn,Kyn可通过星形胶质细胞中的犬尿氨酸氨基转移酶(KAT)转化为KA。KA作为三种离子型谷氨酸受体的拮抗剂,KA通过拮抗α7-烟碱受体(α7nAChR)来调节认知、情绪和行为;KA阻断N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPAR)而具有神经保护作用。Kyn通过小胶质细胞的3-HAA-3,4-双加氧酶(HAAO)转化为3HK, 3-HAA和QA。QA通过在神经元中诱导NMDAR和AMPAR激动剂的兴奋毒性来促进神经变性,这些功能是通过N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)和离子型谷氨酸受体的竞争功能介导的。朱砂酸(CA)和XA与代谢型谷氨酸(mGlu)受体相互作用,CA可以防止兴奋性毒性致神经细胞死亡,而XA通过激活mGlu2和mGlu3受体在实验小鼠模型中发挥类似抗精神病作用。有证据表明这些具有神经活性KP代谢物之间平衡的改变可能在神经退行性疾病和神经精神疾病中发挥作用。例如QA在阿尔茨海默病(AD)斑块中积累,并通过NMDA介导的兴奋毒性诱导神经退行性病变,而神经抑制性KP代谢物KA与精神分裂症的认知功能障碍有关。

Trp代谢在中枢神经系统疾病中的作用

Trp代谢与多种神经退行性疾病有关,包括亨廷顿病(HD)、阿尔茨海默病(AD)、肌萎缩侧索硬化症(ALS)和帕金森病(PD)。小鼠研究结果表明,TDO的缺失会导致海马和室下区的神经发生增强,可能抵抗神经退行性病变。生物标志物研究表明神经退行性疾病患者的Trp代谢存在差异;流行病学研究表明KP的激活与痴呆风险的增加有关;炎症激活KP可能为神经炎症和多发性硬化症等神经退行性病变提供了联系。Trp代谢介导的神经退行性病变的潜在机制包括Trp依赖的蛋白毒性、Trp代谢物蓄积的兴奋性毒性和NAD+耗竭的能量失衡。在腹膜透析PD和HD模型中TDO或KMO的缺失可导致神经保护。KP通路失衡导致具有特定神经活性的代谢物过剩,被认为是多种神经精神疾病的原因之一。在精神分裂症患者中,KA水平的升高与认知缺陷有关。外周循环中Trp、Kyn和KP代谢物是高度动态的,并且受到多种外源因素的影响,例如感染、饮食和药物,这极大地妨碍了其作为生物标志物的可靠性,特别是对于神经精神疾病。

Trp代谢在感染性疾病中的作用

Trp代谢作为宿主病原体和宿主微生物群中免疫反应的调节因子发挥着至关重要的作用,特定的Trp代谢酶在细菌、病毒、真菌和寄生虫感染部位增加。在传染病中,IDO1会消耗Trp使营养缺陷型入侵者饥饿并重编程,同时对急性感染期间未清除的微生物产生kyn依赖的免疫抑制状态。肠道微生物群从膳食Trp中产生的AHR活化吲哚类化合物可以调节致病菌的毒力。IDO1活性也被报道在体外抑制特定病毒的复制,如人类巨细胞病毒(CMV),单纯疱疹病毒2型和牛痘病毒等;在体内病毒感染可能会诱导IDO1和KP逃避宿主的免疫反应。由于Trp具有诱导Treg细胞的能力,抑制Trp的耗竭与IDO1产生Kyn是抑制抑菌剂TH17和TH1驱动炎症的重要手段。因此,病原体可能劫持IDO1的免疫抑制作用,利用它们来促进自身的生命周期。HIV-1病毒利用IDO1的免疫抑制活性建立HIV慢性感染。在丙型肝炎病毒感染患者中,KP活性的增加也与进行性肝硬化有关。在真菌感染下,IDO1可作为一种逃避机制,建立共栖或慢性感染。IDO2和TDO在感染过程中的潜在作用也很少受到关注,LPS刺激小鼠肝脏TDO表达增加,TDO缺陷小鼠更易受到内毒素刺激。代谢组学分析揭示了原发性登革热感染患者TDO激活的变化。

Trp代谢在自身免疫性疾病中的作用

自从发现Trp代谢物的免疫抑制作用以来,越来越多的证据表明IDO1在免疫调节中的关键作用。TDO的激活与IDO1催化相同的反应,通过抑制T细胞增殖、抑制肿瘤免疫浸润和抑制抗肿瘤免疫反应来影响免疫。哺乳动物宿主细胞和共生物利用Trp代谢作为激活不同免疫细胞中芳烃受体(AHR)的分子来源。细菌色氨酸酶(ThPA)将膳食Trp转化为吲哚衍生物,其控制CD4+CD8αα+双阳性上皮内淋巴细胞(DP IELs)和第3组先天淋巴细胞(ILC3s)的产生。ILC3s中的AHR活化导致白细胞介素-22(IL-22)产生,增加响应于病原体感染和免疫病理学的宿主适应性。细胞因子释放或Toll样受体(TLR)活化诱导IDO1并在树突细胞(DC)和上皮细胞(EC)中产生犬尿氨酸。犬尿氨酸与AHR结合产生调节性IDO1+DCs,其促进Treg细胞扩增并抑制T辅助细胞17(TH17)应答,AHR也是诱导DCs中调节表型的关键因素。Trp代谢的免疫调节特性主要是KP代谢物的结果而不是Trp本身的消耗,Kyn在T细胞耐受的相互作用中作为传出和传入介质。

Trp代谢在癌症中的作用

Trp代谢在癌症中发挥重要作用,通过抑制抗肿瘤免疫反应和增加癌细胞的恶性增殖来促进肿瘤进展。首先,Trp降解酶在多种癌症中都有表达。IDO1在约58%的人类肿瘤中表达,包括黑色素瘤、妇科癌症、结肠癌和血液学恶性肿瘤中,其表达与临床预后不良相关。TDO与IDO1催化相同的反应,在胶质瘤、黑色素瘤、卵巢癌、肝癌、乳腺癌、非小细胞肺癌、肾细胞癌和膀胱癌中均有表达,并已被证明可促进肿瘤进展。IDO1的表达要么作为对肿瘤浸润免疫细胞释放的细胞因子的一种反调节机制而诱导,要么通过肿瘤固有的致癌信号维持其表达。其次,对成人T细胞白血病、结直肠癌、妇科肿瘤、恶性黑色素瘤、肺癌和恶性胶质细胞瘤患者血液的Trp水平进行检测,KP代谢物浓度升高的情况较少被观察到,这可能意味着肿瘤微环境中Kyn和下游代谢物的局部限制性变化更多。第三,有证据表明Trp降解在调节癌症中的Treg细胞和免疫细胞浸润方面发挥作用。第四,Trp代谢物能有效促进癌细胞的运动和转移。体外研究表明TDO在胶质母细胞瘤或乳腺癌细胞中的表达促进了肿瘤细胞的迁移和侵袭。肿瘤内IDO1表达与结直肠癌222例肝转移的频率、肝细胞癌169例远处转移和子宫内膜癌淋巴结转移的频率有关。第五,有证据表明NAD+通过Trp从头合成途径在癌症生物学中发挥作用。在小鼠中,Trp代谢受损导致肝内新生NAD+合成受到抑制,通过DNA损伤促进了肝脏肿瘤的发生;在人类胶质瘤中,Trp从头合成的NAD+对放化疗引起的氧化应激具有抵抗作用。因此,抑制Trp代谢也可能通过新生NAD+的形成阻止治疗耐药性。

小结

本文总结了色氨酸分解代谢通路涉及的相关代谢物、关键酶、KP在生理学中的作用和不同器官之间的串扰,在制定治疗策略和识别生物标志物时必须考虑Trp代谢存在明显的器官差异性,讨论了Trp代谢在神经元功能、自身免疫性疾病、CNS疾病、传染病和癌症等多种疾病中的作用。Trp代谢与一系列疾病相关,治疗上针对KP的调节,特别是关键酶IDO1,TDO和KMO相关的抑制剂开发(表2)。对于CNS疾病,人们越来越关注通过靶向特定的KP酶来实现净神经保护作用。在肿瘤学领域,近年来IDO1抑制剂在癌症免疫治疗方面进行了深入研究,临床试验中有多种化合物,通常与免疫检查点抑制剂等其他药物联合使用。人们普遍预期IDO1抑制剂现在将接近获得监管批准,但最近的III期试验终止,对这种方法的可行性提出了质疑,并强调有必要对KP开展更深入的研究。对免疫抑制Trp代谢的下游效应机制缺乏明确的认识可能是阻碍药物开发的主要因素。未来的研究需借助最先进的分析工具(GC-MS和LC-MS代谢组学、基质辅助激光解吸电离(MALDI)质谱成像等),测量肿瘤内药物和代谢物的水平以确定是否在靶部位达到足够的抑制剂浓度;免疫组织化学监测KP代谢物的抗体的开发能够确定组织中KP代谢物的积累,以组织特异性的方式评估Trp代谢。未来的研究和临床试验将进一步阐明KP的成药性。

参考文献

Platten M, Nollen EAA, Röhrig UF, Fallarino F, Opitz CA.Tryptophan metabolism as a common therapeutic target in cancer, neurodegeneration and beyond.Nat Rev Drug Discov. 2019 May;18(5):379-401. doi: 10.1038/s41573-019-0016-5.

精彩回顾

1. NATURE COMMUNICATIONS | 肠道菌群相关代谢物生物学功能解读—色氨酸代谢

2. Hepatology | AD/ACLF肝硬化患者“聚焦”色氨酸-犬尿氨酸通路

 



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