癌基因诱导癌细胞代谢重新编码。最近，等基因非小细胞肺癌细胞系G12CKRAS基因突变已被证明是在促进代谢重整过程中扮演关键角色，它主要通过调节谷氨酰胺代谢为细胞的生长和增殖提供燃料。尽管来自原发癌症的细胞系具有相应癌症的遗传背景，是有价值的临床前模型，但是它们缺乏整个肿瘤具有的能够影响代谢的额外复杂性。本研究的目的是探索培养癌细胞相对于体内癌细胞的新陈代谢的改变。我们的结果强调，G12CKRAS突变细胞在培养基生长中所观察到的总代谢变化也同样保持在派生的异种移植模型中，这表明一个简单的体外细胞模型可以给出有关癌症引起的代谢改变的重要见解。这一结果为揭示肿瘤发展和抗癌治疗反应背后的代谢特征，提供重要的指导。
为了更好地理解，整个动物体的生理活动对体外培养系统的代谢影响，我们研究了具有G12C突变型或是野生型KRAS的非小细胞肺癌（NSCLC）细胞系在单层培养和相应的NSCLC异种移植肿瘤模型中，KRAS相关的代谢特征。
为了更好地表征由G12CKRAS基因突变引起的代谢改变，我们应用了一种基于质谱靶向检测流程、可以同时检测种代谢物的定量方法，对人NSCLC细胞株NCI-H衍生出的，分别表达野生型和G12C突变型的KRAS的同基因系进行定量分析。每个细胞系都在单层培养（9生物重复）和相应的异种移植肿瘤模型（4生物重复）中进行生长和代谢分析。
实验结果表明，G12C突变型和野生型NSCLC细胞系在体外具有相似的生长速度，并且移植到裸鼠皮下后，表现出基本相当的肿瘤生长速率。通过ral-timPCR检测肿瘤的DNA发现，约85.1%的肿瘤成分是人源成分，因此较少比例的鼠源成分（野生型13.7%，突变型16.1%）可以忽略。
正交投影-判别分析（OPLS-DA）结果（图1）表明，无论是培养细胞系还是移植肿瘤模型，野生型和G12C突变型样品之间具有鲜明的组间区分性。重点研究对引起野生型和G12C突变型之间巨大差异具有重大贡献的代谢产物，我们发现分别了26和23个失调的代谢产物。
图1具有G12C突变型和野生型KRAS亚型的培养NSCLC细胞系及其相应移植肿瘤模型的量化代谢特征的OPLS-DA分析。（左，培养细胞系；右，移植肿瘤模型）
对这些失调的代谢产物进行途径富集分析，结果（图2）表明，无论是在单层培养细胞系统和异种肿瘤移植模型中，G12CKRAS基因突变引起了相同的代谢途径转换，同时表明G12CKRAS基因突变引起的代谢重整也出现在体内。具体来讲，在G12CKRAS突变培养细胞系和移植瘤模型中，蛋白质的生物合成，氨循环和尿素循环途径是富集最多的三个代谢途径（图2A，B）。对同时存在于单层细胞系统和异种移植模型中，在G12C突变型和野生型KRAS之间发生丰度显著变化（P0.05，Mann-Whitny-Wilcoxontst）的失调代谢物进行分析，我们分别发现了11和16个显著改变的代谢物（图2C，D）。我们此前报道过，细胞系中G12CKRAS基因突变会降低谷氨酰胺和谷氨酸酯浓度，这两种氨基酸为生长和增殖提供能源。平行地，在G12CKRAS基因突变的异种移植肿瘤中，其谷氨酸丰度降低了，这表明在整个肿瘤中，G12CKRAS基因突变的细胞同样通过分解谷氨酰胺作为供应肿瘤生长的能量源。谷氨酰胺和谷氨酸酯是保持细胞中氮平衡的两种重要氨基酸，上述研究结果支持谷氨酰胺水解和氮合成代谢在维持G12CKRAS突变癌细胞的生长和增殖中的核心地位。
值得注意的还有，在两种培养细胞和异种移植模型中，G12CKRAS基因突变会诱导肉碱，乙酰肉碱和丁酰基肉碱的水平显著增加（图2C，D）。肉碱及其酯是脂肪酸的氧化过程的必要中间体，肉碱及其酯的浓度的升高可能与线粒体脂肪酸β-氧化的增强相关联，这同样是为了应对具有KRAS突变的细胞对能源需求的增加，用于推动细胞的生长和增殖。
图2代谢途径分析凸显培养细胞系和移植肿瘤模型的生化代谢相似性
A和B分别为：KRASG12C培养细胞系和移植肿瘤模型的代谢物富集分析图；C和D分别为：在NSCLC培养细胞系和移植肿瘤模型中，差异显著（P0.05，Mann-Whitny-Wilcoxontst）代谢物的丰度柱状图（突变和WT之间的倍数变化），反映富集图中前三顶得分最高的子集（蛋白质合成、氨循环和尿素循环）
综上所述，G12CKRAS突变细胞在培养基中生长所观察到的总代谢变化也同样保持在相应的异种移植模型中，这表明一个简单的体外细胞模型可以给出有关癌症引起的代谢改变的重要见解。我们的数据还表明，在体外观察到的总代谢变化也同样存在于体内癌症生长的一个更复杂的系统中。这意味着癌细胞代谢产物的药理调制可以在体外或体内进行研究，从而在细胞代谢的不同步骤，对新的药物分子对代谢的影响进行正确的评价。
同时，如果能对新的药物分子进行药理学（和毒理学）活性、药物相互作用以及药物效果与代谢水平变化之间的关系进行评估，那么将非常有助于确定药物的最佳合理的使用方式，并且有助于组合使用新的药物分子，激发它们潜在的抗癌活性。
信息来源：
BrunlliL,CaiolaE,MarabsM,tal.ComparativmtabolomicsprofilingofisognicKRASwildtypandmutantNSCLCcllsinvitroandinvivo.Scintificrports,.
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