研究背景
由于肠梗阻和癌症恶病质等临床因素，营养不良是结直肠癌患者的常见问题。如果肠道功能得以保留，首.选肠内营养，反之则依赖肠外营养。肿瘤细胞的营养需求与正常组织细胞不同，欧洲和中国肠内肠外营养学会建议癌症患者应多食低碳水、高脂肪、高蛋白和高热量食物，但对特定成分(如氨基酸)对癌症进展的影响尚未得到充分研究。多项研究表明，对特定氨基酸的饮食干预会影响癌症的发展和治疗效果。癌细胞高度依赖胱氨酸，这可能是癌症治疗的代谢脆弱靶点。
作者进行了一项回顾性队列研究，分析肠外营养相关因素与癌症患者生存率的关系，还进行了体外和体内实验，发现肠外营养的半胱氨酸成分降低了胃肠癌患者的存活率，胱氨酸剥夺(CD)饮食抑制体内结肠癌生长，这些发现对结肠癌治疗有潜在的临床影响。
研究结果
01.半胱氨酸降低胃肠癌患者的总生存期
为了确定肠外和肠内营养相关的氨基酸成分对胃肠癌患者的影响。收集接受肠外营养的胃肠道癌症患者的数据，分析表明在肠外营养制剂中发现的大多数氨基酸对胃肠道癌症患者总生存期具有有益影响，添加半胱氨酸、天冬氨酸或谷氨酸的肠外营养制剂降低了患者的总生存期。进一步研究发现半胱氨酸与总生存期较短显著相关(P<0.001)。
为了阐明这些氨基酸的作用，测试了不同浓度胱氨酸和半胱氨酸的培养基中培养结肠癌细胞(HCT116和RKO)的生长情况，发现胱氨酸(0–25 uM)或半胱氨酸(0–100uM)浓度的增加以剂量依赖的方式显著促进结肠癌细胞的生长，蛋白质生物量的增加也反映了这一点。这些结果表明胱氨酸特异性地促进结肠癌细胞生长。
图1 Kaplan-Meier 曲线展示对照（红色）和病例（蓝色）的总生存期
02.含胱氨酸饮食促进体内结肠癌生长
为进一步证实胱氨酸的促增殖作用，设计胱氨酸剥夺(CD)和胱氨酸添加(CA)对小鼠进行2周的CD/CA饮食或正常饮食后接种HCT116细胞，并监测异种移植物体积和小鼠体重。结果表明饮食中添加0.4%胱氨酸显著促进异种移植物生长并增加肿瘤重量，CD饮食有效抑制结肠肿瘤生长，表明胱氨酸确实促进体内结肠癌的生长。
图2 不同组间肿瘤体积和肿瘤重量的统计分析
03.胱氨酸促进结肠癌细胞周期G1/S转换和DNA合成
为确定胱氨酸是否促进结肠癌细胞增殖，在无胱氨酸和添加胱氨酸的培养基中培养HCT116和RKO癌细胞，并测量细胞周期。观察到胱氨酸促进了结肠癌细胞周期G1/S的转换和DNA合成。GO富集分析显示胱氨酸调节有丝分裂细胞周期G1/S转换和DNA复制生物合成过程。因此，认为胱氨酸主要通过促进细胞周期G1/S转换和DNA合成。
图3 通过流式细胞仪和FlowJo软件分析细胞周期分布
04.胱氨酸最有可能通过激活mTORC1促进结肠癌增殖
KEGG富集分析显示，哺乳动物雷帕霉素靶标(mTOR)信号通路受胱氨酸调控，用mTORC1抑制剂雷帕霉素或依维莫司处理结肠癌细胞并评估细胞活力，发现两种mTORC1抑制剂均抑制了mTORC1活性，并显著阻断胱氨酸诱导的结肠癌细胞系的增殖。同样，mTOR的敲除也显著阻断了多种结肠癌细胞系中胱氨酸诱导的细胞生长，表明胱氨酸最有可能是通过激活mTORC1来促进结肠癌生长。
图4 KEGG富集分析显示胱氨酸调节 mTOR信号通路
05.胱氨酸通过GCN2-ATF4-SESN2轴激活mTORC1
为了说明胱氨酸激活mTORC1的机制，研究了受胱氨酸显著调节的基因，发现SESN2在mRNA和蛋白水平上被胱氨酸显著下调。接下来，研究了胱氨酸如何抑制SESN2的基因表达，发现胱氨酸抑制GCN2磷酸化并下调 ATF4 的蛋白水平，降低了SESN2的转录并最终激活了mTORC1，表明胱氨酸通过结肠癌细胞中的GCN2-ATF4-SESN2轴激活mTORC1。
图5 胱氨酸负调SESN2转录并促进mTORC1激活的机制
06.胱氨酸诱导结肠癌化疗耐药性
为了研究胱氨酸是否影响结肠癌细胞对化疗的反应，在无胱氨酸和含胱氨酸的培养基中用奥沙利铂或伊立替康(cpt-11)处理HCT116和RKO细胞，发现胱氨酸显著诱导对奥沙利铂和cpt-11的化学抗性。此外，奥沙利铂和cpt-11介导的DNA合成也被胱氨酸部分阻断，诱导的细胞凋亡在两种细胞系中被胱氨酸大量阻断，表明胱氨酸引起结肠癌耐药。
图6 胱氨酸在体外对奥沙利铂的反应降低了结肠癌的细胞凋亡
07.胱氨酸通过合成谷胱甘肽(GSH)消除活性氧促进结肠癌耐药
根据报道推测胱氨酸可以促进谷胱甘肽的合成并清除过量的活性氧，进而保护结肠癌细胞免于凋亡。作者也发现胱氨酸显著降低HCT116和RKO细胞中的细胞ROS水平，并增加了两种细胞系的谷胱甘肽水平。当阻断细胞GSH合成时，显著挽救了HCT116和RKO细胞中胱氨酸介导的奥沙利铂和cpt-11抗性，表明胱氨酸通过抗氧化作用诱导化疗耐药性。
最后比较了胱氨酸和其他非必需氨基酸，表明奥沙利铂引起的细胞生长抑制和奥沙利铂诱导的细胞凋亡通过剥夺胱氨酸而不是亮氨酸、赖氨酸或精氨酸而进一步增加，表明胱氨酸在胃肠道肿瘤的进展中更为重要。
图7 胱氨酸降低结肠癌细胞中的 ROS 水平
图8 胱氨酸显着增加结肠癌细胞中的 GSH 水平
结论
营养不良是胃肠道肿瘤患者的常见问题，为了优化PEN，必须了解PEN相关的特定成分(如氨基酸)对癌症进展的影响。通过对接受肠外营养的胃肠癌患者的回顾性分析以及进一步的体外和体内研究，发现PEN相关胱氨酸通过激活mTORC1促进结肠癌生长，但CD饮食干预显著抑制肿瘤生长，而不影响小鼠体重，表明CD饮食对结肠癌患者是安全的。