Серин-глициновый путь и одноуглеродный обмен как центральный узел опухолевого метаболизма
Серин-глициновый путь и одноуглеродный обмен как центральный узел опухолевого метаболизма
Болотов Станислав Юрьевич
Эксперт по молекулярной нутрициологии и нутритивной поддержке. Независимый аналитический исследователь в области метаболической онкологии. Основатель S.A.I.D Laboratory Solutions.
Официальные ресурсы автора:
Сайт: S-Bolotov.ru
Telegram-канал SAID Laboratory Solutions: https://t.me/+Uwpv6OpoO4NjNzNi
Личный Telegram: https://t.me/+_ZhagNcp9TFlZDY6
MAX: https://max.ru/id540221962904_biz
Boosty: https://boosty.to/stas403/donate
Яндекс.Дзен: https://dzen.ru/id/641b10685537803555a3e15a
Аннотация
Серин-глициновый путь и одноуглеродный обмен (serine-glycine-one-carbon metabolism, SGOC) рассматриваются как один из центральных узлов метаболической перестройки опухолевой клетки. Эта система объединяет гликолиз, синтез серина de novo, превращение серина в глицин, фолатный и метиониновый циклы, синтез нуклеотидов, реакции метилирования и поддержание окислительно-восстановительного баланса. Через SGOC-сеть опухоль обеспечивает себя предшественниками дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислот, регулирует экспрессию генов посредством метилирования, поддерживает redox-гомеостаз и повышает устойчивость к стрессу и терапии. В обзоре рассмотрены структура SGOC-метаболизма, его роль в синтезе нуклеотидов, метилировании, redox-балансе, адаптации к гипоксии, лекарственной устойчивости и взаимодействии с иммунным микроокружением, а также терапевтические направления: антифолатные препараты, ингибиторы PHGDH, SHMT1/2 и MTHFD2 и диетическое ограничение серина и глицина. Отдельно обсуждаются гетерогенность опухолей, нутритивные риски и условия безопасного клинического применения. SGOC-метаболизм следует рассматривать не как узкий биохимический путь, а как метаболическую развилку, через которую опухоль поддерживает рост, выживание, лекарственную устойчивость и взаимодействие с иммунным микроокружением.
Ключевые слова: серин-глициновый путь, одноуглеродный обмен, SGOC-метаболизм, метаболическая онкология, PHGDH, SHMT1/2, MTHFD2, фолатный цикл, синтез нуклеотидов, метилирование, S-аденозилметионин, redox-баланс, глутатион, антифолаты, диетическое ограничение серина и глицина, опухолевое микроокружение, лекарственная устойчивость.
- Введение
Опухолевый рост определяется генетическими нарушениями, однако одних генетических событий для пролиферации недостаточно: злокачественной клетке необходимы углерод, азот, энергия, восстановительные эквиваленты, аминокислоты, липиды, нуклеотиды и защита от повреждающих факторов. Метаболическая перестройка опухоли обеспечивает эти потребности. Традиционно основное внимание уделяется глюкозе и глутамину: глюкоза поддерживает гликолиз, образование промежуточных метаболитов и часть энергетического обмена; глутамин участвует в азотном обмене, анаплерозе, поддержании цикла трикарбоновых кислот (tricarboxylic acid cycle, TCA, цикл Кребса) и биосинтетических реакциях.
Серин в последние годы рассматривается как третий значимый метаболический субстрат опухолевой клетки. Он поступает извне или синтезируется de novo из промежуточного продукта гликолиза и далее используется в синтезе белков, липидов, сфинголипидов, глицина, нуклеотидов, глутатиона и одноуглеродных фрагментов.
Значение серин-глицинового пути определяется не редкостью этих аминокислот, а тем, что быстро делящаяся клетка использует их как узловые молекулы для деления, метилирования, антиоксидантной защиты и адаптации к стрессу. Одноуглеродный обмен назван так потому, что в нём переносятся фрагменты, содержащие один атом углерода; они участвуют в синтезе пуринов, тимидилата, метионина, S-аденозилметионина (S-adenosylmethionine, SAM) и других молекул. Тем самым одноуглеродный обмен обеспечивает построение ДНК, регуляцию активности генов и устойчивость клетки к внутреннему стрессу, что даёт опухоли преимущество в условиях быстрого роста, гипоксии, воспаления, иммунного давления и терапии.
- Общая структура SGOC-метаболизма
SGOC-метаболизм включает несколько связанных блоков:
- синтез серина de novo из гликолитического интермедиата;
- превращение серина в глицин;
- перенос одноуглеродных единиц через фолатный цикл;
- связь с метиониновым циклом и SAM;
- участие в синтезе пуринов и тимидилата;
- поддержка глутатиона и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH);
- влияние на эпигенетику, redox-баланс, лекарственную устойчивость и иммунный ответ.
Цитозольный путь синтеза серина начинается с 3-фосфоглицерата (3-phosphoglycerate, 3-PG) - промежуточного продукта гликолиза, часть которого отводится из гликолитического потока в синтез серина. Первый фермент пути, фосфоглицератдегидрогеназа (phosphoglycerate dehydrogenase, PHGDH), переводит 3-фосфоглицерат в 3-фосфогидроксипируват; далее работает фосфосерин-аминотрансфераза 1 (phosphoserine aminotransferase 1, PSAT1), после чего фосфосерин-фосфатаза (phosphoserine phosphatase, PSPH) завершает образование серина.
Образованный серин расходуется несколькими путями: на синтез белков, фосфолипидов и сфинголипидов, а также превращается в глицин при участии цитозольной или митохондриальной серин-гидроксиметилтрансферазы (serine hydroxymethyltransferase, SHMT1 и SHMT2). Реакция превращения серина в глицин даёт одноуглеродную единицу, которая переносится на тетрагидрофолат (tetrahydrofolate, THF) с образованием 5,10-метилентетрагидрофолата (5,10-methylene-THF), что открывает фолатный одноуглеродный цикл.
Митохондриальный путь особенно значим при опухолевом стрессе. В митохондриях SHMT2 превращает серин в глицин и формирует 5,10-метилентетрагидрофолат; далее метилентетрагидрофолатдегидрогеназа 2 (methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2, MTHFD2) и метилентетрагидрофолатдегидрогеназа 1-подобный фермент (MTHFD1L) участвуют в образовании 10-формилтетрагидрофолата (10-formyl-THF) и формиата, которые включаются в синтез пуринов и пополняют цитозольный пул одноуглеродных метаболитов. Таким образом, SGOC-сеть служит мостом между глюкозой, аминокислотами, фолатами, ДНК, метилированием и антиоксидантной защитой.
- SGOC-метаболизм и синтез нуклеотидов
Активно делящаяся клетка нуждается в нуклеотидах для построения ДНК и РНК; у быстро пролиферирующей опухоли эта потребность высока. Одноуглеродные единицы участвуют в двух направлениях синтеза нуклеотидов.
Первое направление - синтез пуринов: 10-формилтетрагидрофолат отдаёт одноуглеродные фрагменты для построения пуринового кольца, входящего в состав аденина и гуанина. Второе направление - синтез тимидилата: 5,10-метилентетрагидрофолат участвует в превращении дезоксиуридинмонофосфата (deoxyuridine monophosphate, dUMP) в дезокситимидинмонофосфат (deoxythymidine monophosphate, dTMP) при участии тимидилатсинтазы (thymidylate synthase, TYMS). Без полноценного синтеза dTMP репликация ДНК нарушается, поэтому фолатный и одноуглеродный обмен длительно используются как терапевтическая зона в онкологии.
Классические примеры - антифолаты и антиметаболиты. Метотрексат (methotrexate) подавляет дигидрофолатредуктазу (dihydrofolate reductase, DHFR) и нарушает восстановление активных форм фолата. Пеметрексед (pemetrexed) воздействует на несколько ферментов фолат-зависимого синтеза пуринов и пиримидинов. Пралатрексат (pralatrexate) и ралтитрексед (raltitrexed) также вмешиваются в фолатный обмен и синтез нуклеотидов. Отдельно стоит 5-фторурацил (5-fluorouracil, 5-FU), важный механизм которого связан с подавлением тимидилатсинтазы; в схемах лечения колоректального рака 5-FU часто сочетается с лейковорином (leucovorin) - фолатной формой, усиливающей взаимодействие с TYMS. Одноуглеродный обмен, таким образом, уже реализован в онкологии через конкретные лекарственные механизмы.
- Серин как источник углерода для опухолевого роста
Серин поступает с пищей и из крови, а также синтезируется клеткой самостоятельно. В ряде опухолевых моделей значительная часть углерода глюкозы направляется в синтез серина и его дальнейший катаболизм через SGOC-сеть; в отдельных экспериментальных системах описано использование до 50 % глюкозного углерода для образования серина и связанных метаболитов. Это меняет представление о роли гликолиза: высокий гликолиз необходим опухоли не только для быстрого получения энергии и образования лактата, но и для производства промежуточных молекул биосинтеза, одним из выходов которого является сериновый путь через PHGDH.
В 2011 году две независимые работы показали выраженную зависимость части опухолевых клеток от PHGDH и серинового синтеза, прежде всего при опухолях молочной железы и меланоме. Генетическая амплификация локуса 1p12, где расположен PHGDH, описана при меланоме, раке молочной железы и немелкоклеточном раке лёгкого (non-small cell lung cancer, NSCLC). Транскрипционная активация ферментов серинового и одноуглеродного обмена может происходить через онкогенные регуляторы MYC, KRAS и мутантный белок p53. Поскольку опухоль способна синтезировать серин из глюкозного потока, простое диетическое ограничение серина и глицина эффективно лишь в определённых биологических условиях.
- Метилирование, SAM и эпигенетическая регуляция
SGOC-метаболизм тесно связан с метиониновым циклом, поддерживающим образование SAM - универсального донора метильных групп. Метильные группы используются для метилирования ДНК, РНК, гистонов и других молекул; гистоны представляют собой белки, вокруг которых упаковывается ДНК, и изменение их метилирования влияет на доступность генов для транскрипции.
В онкологии это имеет значение: аберрантное метилирование ДНК может подавлять гены-супрессоры опухоли, а изменение метилирования гистонов - менять доступность хроматина, что отражается на дифференцировке, пластичности, инвазивности и устойчивости опухоли к лечению. При этом сам факт активного SGOC-метаболизма не означает, что именно он полностью управляет эпигенетикой опухоли; вопрос о степени прямого влияния серин-глицинового и одноуглеродного обмена на эпигенетический ландшафт в разных опухолях остаётся дискуссионным. Тем не менее связь SGOC-сети, SAM, метилирования и опухолевой регуляции достаточно значима для учёта при анализе метаболического состояния.
В прикладном отношении это особенно важно при назначении добавок, связанных с метилированием. Фолиевая кислота, активные фолаты, витамин B12, S-аденозилметионин (SAMe), бетаин, холин и метильные комплексы могут быть полезны при дефицитах, однако при онкологическом лечении их применение требует учёта диагноза, схемы терапии, показателей крови, уровня фолата, витамина B12, гомоцистеина, функции печени и лекарственных взаимодействий.
- Окислительно-восстановительный баланс, NADPH и глутатион
Окислительно-восстановительный гомеостаз (redox homeostasis) - способность клетки удерживать равновесие между повреждающими окислительными реакциями и защитными восстановительными системами. Опухолевая клетка существует в условиях повышенной нагрузки: быстрое деление, гипоксия, воспаление, изменённое митохондриальное дыхание, иммунное давление и терапия увеличивают образование активных форм кислорода (reactive oxygen species, ROS). При умеренном уровне ROS участвуют в сигнализации, при чрезмерном - повреждают ДНК, белки и липиды.
SGOC-метаболизм поддерживает redox-баланс несколькими путями. Во-первых, глицин необходим для синтеза глутатиона (glutathione, GSH) - одного из главных внутриклеточных антиоксидантов. Во-вторых, митохондриальный одноуглеродный путь генерирует NADPH, необходимый для поддержания восстановленного глутатиона и работы тиоредоксиновой системы. В-третьих, при ограничении серина и глицина нарушается одноуглеродный обмен, возрастает соотношение окисленных и восстановленных форм никотинамидных коферментов (NAD(P)+/NAD(P)H), накапливаются ROS и развивается окислительный стресс, что в ряде опухолевых моделей запускает аутофагический поток и лизосомально-зависимую гибель клетки. Таким образом, серин и глицин участвуют не только в построении ДНК, но и в системе выживания клетки при стрессе.
- p53, сериновое голодание и стрессовая адаптация
В работе Maddocks и соавторов описан механизм ответа клетки на дефицит серина. При ограничении серина клетки с сохранным p53 активируют стрессовую программу с участием p53 и ингибитора циклин-зависимых киназ p21 (CDKN1A), что замедляет клеточный цикл и перераспределяет ресурсы на антиоксидантную защиту, включая синтез глутатиона, и позволяет пережить метаболический стресс.
При нарушении p53 защитная остановка цикла включается хуже, и клетка становится более чувствительной к окислительному повреждению при сериновом ограничении. Однако мутантный p53 может вести себя иначе: в ряде моделей рака молочной железы он активирует транскрипционную программу, усиливающую SGOC-метаболизм и захват незаменимых аминокислот, что помогает опухолевым клеткам выживать при ограниченном питании. Чувствительность к вмешательствам зависит от исходного состояния опухоли - статуса p53, активации KRAS и MYC, экспрессии PHGDH, SHMT2 и MTHFD2.
- SHMT2, гипоксия и митохондриальный одноуглеродный обмен
Гипоксия (нехватка кислорода в ткани) - частая особенность опухолевого микроокружения, обусловленная быстрым ростом, нарушенной сосудистой сетью и неравномерным кровоснабжением. В этих условиях возрастает потребность в механизмах выживания. SHMT2 локализована в митохондриях и превращает серин в глицин с передачей одноуглеродной единицы в фолатный цикл. В MYC-зависимых опухолевых клетках при гипоксии экспрессия SHMT2 может повышаться, поддерживая митохондриальный одноуглеродный обмен, сохранение NADPH, контроль ROS и выживание при дефиците кислорода.
Подавление SHMT2 в экспериментальных моделях снижало отношение NADPH/NADP+, повышало уровень ROS и нарушало рост опухоли in vivo. SHMT2 часто гиперэкспрессирована при различных опухолях и в ряде работ ассоциируется с неблагоприятным прогнозом. В терапевтическом плане изучаются ингибиторы SHMT1/2: соединение SHIN1 активно в отношении обеих изоформ; более селективные к SHMT2 подходы, включая соединение W478, исследованы в доклинических моделях, в том числе при раке пищевода. Описаны данные, где ингибирование SHMT2 в сочетании с паклитакселом (paclitaxel) в модели рака лёгкого снижало продукцию NADPH, повышало ROS и усиливало апоптоз. Это иллюстрирует принцип: блокада SGOC-фермента может быть более значимой в комбинации с терапией, создающей дополнительный стресс для опухолевой клетки.
- MTHFD2 как опухолевая мишень
MTHFD2 - один из наиболее интересных ферментов митохондриального одноуглеродного обмена; он обладает дегидрогеназной и циклогидролазной активностью, участвует в превращении 5,10-метилентетрагидрофолата в 10-формилтетрагидрофолат и поддерживает образование одноуглеродных фрагментов для синтеза пуринов. Интерес к MTHFD2 обусловлен профилем экспрессии: во многих нормальных взрослых тканях фермент выражен низко, тогда как в опухолях его экспрессия может быть высокой.
Повышение MTHFD2 описано при раке молочной железы, лёгкого, яичника, гематологических опухолях, раке мочевого пузыря и других вариантах и в ряде работ связано с пролиферацией, инвазией, метастазированием, стадией прогрессии и лекарственной устойчивостью. При тройном негативном раке молочной железы (triple-negative breast cancer, TNBC) MTHFD2 рассматривается как одна из потенциальных метаболических мишеней; при раке мочевого пузыря его экспрессия ассоциирована со стадией прогрессии. Разрабатываются селективные ингибиторы MTHFD2, включая производные класса 2,4-диамино-6-оксо-1,6-дигидропиримидин-5-ила, показавшие противоопухолевую активность in vivo в доклинических моделях. Отдельного внимания заслуживает связь MTHFD2 с иммунным ускользанием: фермент может снижать чувствительность опухолевых клеток к цитотоксичности T-клеток, что делает его не только метаболической, но и иммунометаболической мишенью.
- Гетерогенность опухолей и типы зависимости от серина и глицина
Зависимость опухолей от серина и глицина неоднородна. Возможны несколько сценариев. Первый - опухоль активно синтезирует серин сама (повышены PHGDH, PSAT1, PSPH и другие ферменты пути); такая опухоль менее чувствительна к простому ограничению внешнего серина и глицина, поскольку компенсирует дефицит внутренним синтезом. Второй - выраженная зависимость от внешнего поступления серина и глицина, при которой ограничение экзогенных аминокислот более значимо; такой профиль обсуждался, в частности, при почечно-клеточном раке (renal cell carcinoma, RCC), где низкая активность собственного синтеза серина сочеталась с чувствительностью к депривации внешнего серина и глицина.
Третий сценарий - включение альтернативных путей компенсации: усиление гликолиза, глутаминового обмена, транспорта аминокислот, метионинового и фолатного циклов, антиоксидантных систем или липидного обмена. Четвёртый - изменение ответа в зависимости от лечения, поскольку химиотерапия, таргетная терапия, гипоксия, воспаление и иммунное давление перестраивают метаболические потребности. Важный пример - KRAS-зависимые опухоли: в работе Maddocks и соавторов KRAS-активированные модели рака поджелудочной железы и кишечника были менее чувствительны к ограничению серина и глицина, поскольку KRAS усиливал путь de novo синтеза серина. В глиобластомах гиперэкспрессия ферментов серинового пути описывалась примерно в 30 % случаев, причём примерно в 13 % она была преимущественно ограничена опухолевыми клетками, что может отражать их высокую потребность в серине и глицине для синтеза аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP) и нуклеотидов. Стратегия воздействия на SGOC-метаболизм должна учитывать тип опухоли, мутационный контекст, ферментный профиль и метаболическую пластичность.
- Диетическое ограничение серина и глицина
Диетическое ограничение серина и глицина - наиболее понятное широкой аудитории направление и одновременно наиболее подверженное неправильной интерпретации. В доклинических моделях диета без серина и глицина подавляла рост ряда опухолей, прежде всего MYC-зависимой лимфомы (Eμ-Myc) и модели кишечного канцерогенеза с дефицитом гена Apc. Механизмы включают дефицит одноуглеродных единиц, нарушение синтеза нуклеотидов, повышение ROS, изменение глутатионового обмена, влияние на сфинголипиды и опухолево-иммунные взаимодействия.
В 2020 году показано, что ограничение серина и глицина может изменять сфинголипидный обмен и приводить к накоплению деоксисфинголипидов - атипичных липидов, нарушающих рост опухолевых моделей. В исследованиях колоректального рака с сохранной системой репарации ошибок спаривания и микросателлитной стабильностью (proficient mismatch repair / microsatellite stable, pMMR/MSS) диета без серина и глицина изучалась в контексте иммунной регуляции: описано усиление T-клеточного ответа на опухолевые неоантигены и накопление цитотоксических T-клеток. Параллельно выявлен потенциально нежелательный механизм - усиление лактилирования лиганда программируемой клеточной смерти 1 (programmed death-ligand 1, PD-L1); лактилирование может задерживать лизосомальную деградацию PD-L1 и поддерживать иммунное ускользание. Поэтому обсуждаются комбинации с ингибиторами PD-1/PD-L1. В глиобластоме ограничение серина и глицина или фармакологическая блокада PHGDH ингибитором BI-4916 снижали жизнеспособность и клоногенность клеток, повышали ROS и усиливали гипоксия-индуцированную гибель.
Диетическое ограничение серина и глицина остаётся исследовательским подходом и не является бытовой диетой или универсальной схемой. Перенос этих данных на пациентов с потерей веса, саркопенией, кахексией, низким аппетитом, мукозитом, диареей, анемией или плохой переносимостью терапии особенно опасен. При онкологическом лечении белок служит ресурсом для мышц, иммунной системы, крови, ферментов и восстановления тканей, поэтому любые аминокислотные ограничения требуют врачебной оценки, нутритивного расчёта и ясных критериев остановки.
- PHGDH как терапевтическая мишень
PHGDH - первый и часто лимитирующий фермент пути de novo синтеза серина, поэтому он рассматривается как мишень для опухолей, зависимых от собственного синтеза серина. В экспериментальных моделях ингибирование PHGDH снижает пролиферацию и нарушает биосинтетическую поддержку опухолевых клеток, особенно при амплификации или высокой экспрессии PHGDH и выраженной зависимости от серинового синтеза.
Клиническая реализация ограничена рядом факторов. Метаболическая пластичность позволяет клетке усиливать внешнее поглощение серина и переключаться на другие источники углерода и азота. Гетерогенность опухоли допускает существование клонов с разной зависимостью от PHGDH, и под давлением терапии могут отбираться менее зависимые клоны. Существует риск нейротоксичности, поскольку синтез серина de novo важен для нервной системы. Возможны компенсаторные реакции: в модели остеосаркомы ингибирование PHGDH подавляло пролиферацию, но не всегда приводило к гибели клеток, что объяснялось накоплением SAM и метионина с активацией механистической мишени рапамицина комплекса 1 (mechanistic target of rapamycin complex 1, mTORC1), поддерживавшей выживание; это указывает на возможную необходимость комбинаций с модуляторами mTORC1. PHGDH может быть сильной мишенью при подходящем опухолевом контексте и слабой - при неподходящем профиле зависимости.
- SHMT1/2 как мишени серин-глицинового узла
SHMT1 (цитозольная) и SHMT2 (митохондриальная) катализируют обратимую реакцию между серином, глицином и фолатными формами. Ингибирование SHMT нарушает приток одноуглеродных единиц в фолатный цикл, снижает синтез нуклеотидов, повышает ROS и усиливает чувствительность к терапии. SHIN1 - один из известных экспериментальных ингибиторов SHMT1/2; в доклинических моделях блокада SHMT нарушала рост опухолевых клеток и усиливала стрессовые механизмы.
В модели рака желудка ингибирование SHMT повышало чувствительность к 5-FU, что закономерно, поскольку 5-FU действует через тимидилатный путь, а SHMT обеспечивает одноуглеродные фрагменты для фолатного цикла и нуклеотидного обмена. Более селективные ингибиторы SHMT2, включая W478, исследованы в моделях рака пищевода: подавление SHMT2 влияло на митохондриальное дыхание, рост клеток и размер опухоли. Комбинация ингибирования SHMT2 с паклитакселом в модели рака лёгкого снижала NADPH, повышала ROS и запускала апоптоз. Блокада SHMT1/2 может усиливать метаболическую уязвимость опухоли, особенно в сочетании с препаратами, создающими дополнительную нагрузку на деление, митохондрии и redox-системы.
- MTHFD2 и митохондриальный фолатный цикл
MTHFD2 соединяет митохондриальный фолатный цикл, синтез пуринов, redox-баланс и опухолевую адаптацию. Фермент часто повышен в опухолевых тканях и сравнительно низко выражен в большинстве нормальных взрослых тканей, что делает его привлекательной терапевтической мишенью. В опухолях MTHFD2 может поддерживать пролиферацию, синтез нуклеотидов, митохондриальный одноуглеродный поток, redox-баланс, инвазию, метастазирование, лекарственную устойчивость и иммунное ускользание.
При раке молочной железы MTHFD2 связывали с ростом и активацией сигнального пути AKT; при аденокарциноме лёгкого (lung adenocarcinoma, LUAD) повышение MTHFD2 ассоциировалось с опухолевым ростом и прогнозом; при раке мочевого пузыря и TNBC его экспрессия коррелировала с прогрессией. Ингибиторы MTHFD2 пока относятся к исследовательским направлениям; логика их разработки состоит в воздействии на фермент, используемый опухолью активнее, чем большинством нормальных тканей. Подход требует дальнейших клинических исследований, оценки токсичности, биомаркеров отбора и понимания компенсаторных путей.
- SGOC-метаболизм и резистентность к лечению
SGOC-сеть всё чаще рассматривается как фактор лекарственной устойчивости через несколько механизмов. Усиление синтеза нуклеотидов облегчает перенос части повреждений. Поддержка redox-баланса (NADPH, глутатион, тиоредоксиновая система) защищает от окислительного стресса, вызываемого многими методами лечения. Одноуглеродный обмен поддерживает пулы нуклеотидов и пути, связанные с сохранением геномной стабильности и репарацией ДНК.
Изменения серинового и одноуглеродного обмена связывают с резистентностью к антиметаболитам: при колоректальном раке уровень TYMS и состояние фолатного обмена меняют ответ на препараты тимидилатного пути, включая 5-FU. При глиобластоме обсуждается роль одноуглерод-опосредованного синтеза пуринов в поддержке резистентности к темозоломиду (temozolomide). При раке желудка PHGDH может поддерживать одноуглеродный цикл и метаболическую гибкость химиорезистентных клеток в условиях нутриентного стресса. Ядерный фактор, связанный с эритроидным фактором 2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2, NRF2), регулирует антиоксидантные и детоксикационные программы, и ингибирование одноуглеродного обмена рассматривается как подход к преодолению NRF2-опосредованной резистентности. Опухолевая устойчивость редко держится на одном звене: SGOC-метаболизм является частью более широкой адаптации, включающей гликолиз, глутамин, фолаты, метионин, redox-системы, митохондрии и иммунное микроокружение.
- SGOC-метаболизм и иммунное микроокружение опухоли
Опухолевое микроокружение (tumor microenvironment, TME) включает опухолевые и иммунные клетки, сосуды, фибробласты, внеклеточный матрикс, метаболиты, цитокины и кислородный режим. SGOC-метаболизм влияет на TME несколькими путями. Опухолевые и иммунные клетки конкурируют за питательные вещества: быстро делящаяся опухоль активно потребляет серин, глицин, глюкозу и глутамин, ограничивая иммунные клетки. Серин и глицин необходимы самим T-клеткам для пролиферации, активации и эффекторной функции, поэтому их рестрикция может снижать функциональную состоятельность T-клеток и ослаблять иммунный ответ.
Сериновое ограничение может ухудшать функцию натуральных киллеров (natural killer cells, NK) - в ряде моделей in vivo. Воздействие на SGOC-метаболизм способно менять поведение опухоль-ассоциированных макрофагов (tumor-associated macrophages, TAM): ингибиторы PHGDH могут модулировать их фенотип. MTHFD2 участвует в иммунном ускользании, снижая чувствительность к T-клеточной цитотоксичности. Диета без серина и глицина в моделях колоректального рака может усиливать противоопухолевый T-клеточный ответ, одновременно поддерживая лактилирование PD-L1, что обосновывает изучение комбинаций с ингибиторами PD-1/PD-L1. Вмешательство в SGOC-метаболизм может затрагивать не только опухоль, но и иммунные клетки, поэтому иммунный контекст необходимо учитывать до выбора стратегии.
- Антифолатные препараты как клинически реализованный пример
Антифолатные препараты подтверждают, что фолатный и одноуглеродный обмен давно используются в онкологии. Метотрексат, пеметрексед, пралатрексат и ралтитрексед воздействуют на ферменты фолатного обмена и нарушают синтез нуклеотидов. Их применение ограничено токсичностью и резистентностью; токсичность часто затрагивает ткани с высокой скоростью обновления - костный мозг, слизистые, желудочно-кишечный тракт, что объясняет миелосупрессию, мукозит и диарею.
При лечении пеметрекседом нередко назначают фолиевую кислоту и витамин B12 для снижения токсичности - пример точной клинической настройки фолатного обмена: в одних условиях фолаты используются для защиты от токсичности, в других вмешательство в фолатный путь является частью противоопухолевого действия. Поэтому самостоятельный приём высоких доз фолиевой кислоты, активных фолатов, витамина B12, SAMe или метильных комплексов во время онкологического лечения требует согласования с лечащей командой.
- Клинические вызовы
Перенос SGOC-стратегий в клиническую практику сталкивается с рядом трудностей. Гетерогенность опухолей: один тип зависит от внешнего серина, другой - от PHGDH, третий - от MTHFD2, четвёртый компенсирует через глутамин или метионин, что требует биомаркеров отбора. Метаболическая пластичность: клетки переключаются между внешним поглощением и внутренним синтезом серина и глицина и усиливают альтернативные пути. Токсичность для нормальных тканей: гемопоэтические клетки, слизистые, иммунные клетки и нервная система также используют одноуглеродный обмен, поэтому чрезмерная блокада опасна.
Иммунная двунаправленность: ограничение серина и глицина может одновременно подавлять опухоль и затрагивать T- и NK-клетки, поэтому комбинации с иммунотерапией требуют тонкой оценки. Нутритивный риск: у онкологических больных часто присутствуют потеря веса, саркопения, кахексия, воспаление, анемия, мукозит, диарея и снижение аппетита, на фоне которых аминокислотные ограничения ухудшают переносимость лечения. Лекарственные взаимодействия и совпадение с противоопухолевыми схемами требуют особого учёта антифолатов, 5-FU, пеметрекседа, метотрексата, лучевой терапии и препаратов, влияющих на слизистые и костный мозг. Универсальные схемы отсутствуют - направление требует персонализации, биомаркеров и клинических исследований.
- Биомаркеры и параметры оценки
Для клинической реализации SGOC-подходов необходимы биомаркеры. Потенциально значимые параметры: экспрессия PHGDH, PSAT1, PSPH, SHMT1, SHMT2 и MTHFD2; амплификация PHGDH в локусе 1p12; статус KRAS, MYC и p53; фолатный статус, витамин B12, гомоцистеин и состояние метионинового цикла; признаки дефицита белка, мышечная масса, воспалительный фон, тип терапии и её переносимость; наличие мукозита, диареи, саркопении и кахексии. На исследовательском уровне применимы метаболомика, изотопное трассирование, анализ экспрессии ферментов, пространственный анализ опухоли, иммунный профиль и оценка метаболитов микроокружения. Прикладной вывод: тонкие метаболические стратегии нельзя выбирать только по названию пути - необходимы данные о пациенте, опухоли, лечении и нутритивной безопасности.
- Нутрициологическое значение
В нутрициологии тема серина, глицина и одноуглеродного обмена требует особой аккуратности. Белковые продукты содержат серин и глицин, но белок необходим человеку также для мышц, иммунной функции, крови, ферментов, заживления тканей и переносимости лечения. При активной терапии клинически значимая ошибка возникает, если пациент, прочитав об ограничении серина и глицина, резко сокращает белок; это особенно опасно при потере веса, слабости, низком аппетите, саркопении и кахексии.
Прикладная оценка включает динамику веса, мышечную массу, аппетит, фактическое потребление белка, наличие мукозита, диареи, запоров и тошноты, общий анализ крови, фолат, витамин B12, ферритин, С-реактивный белок (C-reactive protein, CRP), альбумин в контексте воспаления, функцию печени и почек, схему лечения, наличие антифолатов или 5-FU, план иммунотерапии и переносимость добавок. Серин-глициновый путь задаёт научную рамку, однако для пациента на лечении первым шагом остаётся не ограничение аминокислот, а оценка питания, мышц, дефицитов, воспаления и схемы терапии.
- Практическая иерархия возможных вмешательств
Уровень 1 - клинически применяемые лекарственные подходы: антифолаты и антиметаболиты (метотрексат, пеметрексед, пралатрексат, ралтитрексед, 5-FU и связанные схемы); зона ответственности онколога.
Уровень 2 - исследовательские ферментные мишени: PHGDH, SHMT1/2 и MTHFD2; для клинического применения необходимы биомаркеры, фазы исследований, оценка токсичности и понимание комбинаций.
Уровень 3 - диетическое ограничение серина и глицина: исследовательский подход, требующий строгого контроля; у пациентов с нутритивным риском может быть опасен.
Уровень 4 - коррекция дефицитов: фолат, витамин B12, железо, белок и другие дефициты корректируются по показаниям, однако высокие дозы метильных добавок при онкологическом лечении требуют согласования с врачом.
Уровень 5 - метаболическая поддержка без крайностей: достаточное питание, сохранение мышц, контроль воспаления, поддержка кишечника, переносимость белка, коррекция анемии и мониторинг лечения. Любое вмешательство должно проходить через фильтр безопасности, нутритивного статуса и схемы лечения.
- Итоговая модель
Серин-глициновый путь и одноуглеродный обмен формируют центральную метаболическую сеть, связывающую гликолиз, синтез серина, превращение серина в глицин, фолатный и метиониновый циклы, SAM и метилирование, синтез пуринов и тимидилата, NADPH, глутатион, redox-баланс, лекарственную устойчивость и иммунное микроокружение. Через эту сеть опухолевая клетка строит ДНК, делится, изменяет эпигенетическую регуляцию, выдерживает гипоксию, снижает окислительный стресс, поддерживает пластичность и уходит от части терапевтического давления.
Перспективные мишени - PHGDH, SHMT1/2 и MTHFD2; перспективные стратегии - комбинации ферментных ингибиторов с химиотерапией, антифолатами, иммунотерапией, диетическими вмешательствами и redox-направленными подходами. Основные ограничения - гетерогенность опухолей, метаболическая пластичность, токсичность для нормальных тканей, влияние на иммунные клетки и высокий риск неправильного применения диетических ограничений.
- Заключение
Серин-глицин-одноуглеродный метаболизм является одним из центральных узлов опухолевой биохимии, участвующим в синтезе нуклеотидов, метилировании, антиоксидантной защите, адаптации к гипоксии, лекарственной устойчивости и иммунном ускользании. Эта система уже частично используется в клинической онкологии через антифолатные и антиметаболитные препараты; новые направления связаны с PHGDH, SHMT1/2, MTHFD2, серин-глициновым ограничением и комбинациями с иммунотерапией.
Научная перспектива направления значительна, однако клиническая реализация требует осторожности: необходимы биомаркеры, отбор опухолевых профилей, оценка нутритивного риска, защита нормальных тканей и контроль иммунных последствий. Для практической онконутрициологии серин-глициновый путь нельзя переводить в грубое ограничение белка: сначала оцениваются состояние пациента, вес, мышцы, питание, дефициты, воспаление, схема терапии и переносимость, и только затем могут обсуждаться более тонкие метаболические подходы.
Статья носит образовательный и аналитический характер. Диетические ограничения, препараты, добавки, фолаты, витамин B12, метильные комплексы и любые схемы влияния на опухолевый метаболизм должны обсуждаться с лечащим онкологом и профильным специалистом.
Источниковая база
- Yang M., Vousden K. H. Serine and one-carbon metabolism in cancer. Nature Reviews Cancer, 2016.
- Mehrmohamadi M., Liu X., Shestov A. A., Locasale J. W. Characterization of the usage of the serine metabolic network in human cancer. Cell Reports, 2014.
- Locasale J. W. Serine, glycine and one-carbon units: cancer metabolism in full circle. Nature Reviews Cancer, 2013.
- Ducker G. S., Rabinowitz J. D. One-carbon metabolism in health and disease. Cell Metabolism, 2017.
- Possemato R. et al. Functional genomics reveal that the serine synthesis pathway is essential in breast cancer. Nature, 2011.
- Locasale J. W. et al. Phosphoglycerate dehydrogenase diverts glycolytic flux and contributes to oncogenesis. Nature Genetics, 2011.
- Maddocks O. D. K. et al. Serine starvation induces stress and p53-dependent metabolic remodelling in cancer cells. Nature, 2013.
- Maddocks O. D. K. et al. Modulating the therapeutic response of tumours to dietary serine and glycine starvation. Nature, 2017.
- Ye J. et al. Serine catabolism regulates mitochondrial redox control during hypoxia. Cancer Discovery, 2014.
- Nilsson R. et al. Metabolic enzyme expression highlights a key role for MTHFD2 and the mitochondrial folate pathway in cancer. Nature Communications, 2014.
- Pacold M. E. et al. A PHGDH inhibitor reveals coordination of serine synthesis and one-carbon unit fate. Nature Chemical Biology, 2016.
- Mullarky E. et al. Identification of a small molecule inhibitor of 3-phosphoglycerate dehydrogenase. Molecular Cancer Therapeutics, 2016.
- Sullivan M. R. et al. Increased serine synthesis provides an advantage for tumors arising in tissues where serine levels are limiting. Cell Metabolism, 2019.
- Labuschagne C. F. et al. Serine, but not glycine, supports one-carbon metabolism and proliferation of cancer cells. Cell Reports, 2014.
- Morscher R. J. et al. Mitochondrial translation requires folate-dependent tRNA methylation. Nature, 2018.
- Fan J. et al. Quantitative flux analysis reveals folate-dependent NADPH production. Nature, 2014.
- Ducker G. S. et al. Human SHMT inhibitors reveal defective glycine import as a targetable metabolic vulnerability. Nature Chemical Biology, 2017.
- Tong X. et al. SHMT2 drives cancer cell metabolism and mitochondrial function. 2020.
- Koufaris C., Gallage S., Yang T., Lau C. H., Valbuena G. N., Keun H. C. Suppression of MTHFD2 in MCF-7 breast cancer cells increases glycolysis and dependency on exogenous glycine. Journal of Proteome Research, 2016.
- Gustafsson R. et al. Crystal structure and inhibitor development for MTHFD2. Journal of Medicinal Chemistry, 2017.
- MTHFD2 and immune evasion via modulation of T-cell cytotoxicity. Nature Communications, 2021.
- Serine/glycine-free diet, colorectal cancer immunity and PD-L1 lactylation. Cell Metabolism, 2024.
- Serine and glycine restriction, deoxysphingolipid accumulation and tumor growth control. Nature, 2020.
Примечание автора: ряд позиций списка приведён в обобщённой форме и требует доведения до полных выходных данных (том, страницы, DOI) и проверки перед публикацией.