2024年5月，美国德克萨斯大学西南医学中心Gerta Hoxhaj团队在 Cell 期刊发表题为 “De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors” 的研究。该研究通过建立体内同位素示踪体系，结合高灵敏代谢组学，系统评估了小鼠九大组织及多种肿瘤模型中嘌呤从头合成与补救合成的活性。意外发现：腺嘌呤和肌苷是最有效的循环嘌呤前体，而次黄嘌呤在体内被快速降解、补救效率极低。肿瘤中从头合成与补救途径对嘌呤核苷酸库的贡献相当。值得注意的是，补充核苷酸可显著加速肿瘤生长，而抑制补救途径（敲除HPRT1）则减缓肿瘤进展。该研究为理解正常组织与肿瘤的嘌呤代谢提供了基础性见解，并揭示了补救途径在癌症中的重要作用。

科似海生物依托高灵敏度液质联用（LC-MS/MS）平台，建立了覆盖嘌呤、嘧啶及其上下游代谢物（包括腺嘌呤、次黄嘌呤、肌苷、鸟苷、AMP、GMP、IMP以及稳定同位素标记示踪产物）的靶向精准检测体系，支持血清、组织、细胞、细胞外囊泡等多类型样本中的精确检测分析，可为核苷酸代谢、肿瘤代谢重塑及营养干预研究提供精准数据支撑。

研究结果

PART-01

组织嘌呤代谢全景 小肠从头合成活跃，肾脏补救能力突出

研究团队首先对健康C57BL/6小鼠静脉输注 [γ−15N]-谷氨酰胺或 [γ,α−15N2]-谷氨酰胺（从头合成示踪剂），分析九大组织（脑、心、肺、胰腺、肝、小肠、脾、肾、脂肪）中嘌呤核苷酸的标记情况。结果显示，大多数组织中新生嘌呤核苷酸（AMP、GMP、IMP）的标记比例低于1%，唯独小肠呈现较高的从头合成活性（1.5%~2.5%），这与小肠快速增殖（3-5天更新一次）的高核苷酸需求相一致。用小肠特异性抑制剂AG2037可显著降低标记，验证了特异性。

随后，研究者评估了多种循环嘌呤碱基和核苷的补救效率：[15N5]-腺嘌呤、[15N5]-腺苷、[13C5]-次黄嘌呤、[15N4]-肌苷、[15N5]-鸟苷、[15N5]-鸟嘌呤。腺嘌呤和肌苷在所有组织中均表现出高效的补救利用：输注5小时后，大部分组织中AMP和IMP的标记比例达到5%~10%，尤其是肾、肺、脾和小肠。腺嘌呤直接通过APRT生成AMP，进而转化为IMP和GMP。腺苷则主要在肺和脾中被高效利用（可能通过ADA和PNP途径）。值得注意的是，肾脏对所有嘌呤前体均表现出最强的补救能力——肾中腺嘌呤浓度高达约40 μmol/mg，其次为次黄嘌呤约23 μmol/mg。人肾脏组织切片外培养也证实，腺嘌呤和次黄嘌呤的补救效率远高于谷氨酰胺的从头合成。

然而，次黄嘌呤、鸟苷和鸟嘌呤在血液中的富集度极低。研究发现，次黄嘌呤被黄嘌呤脱氢酶（XDH）快速降解为尿酸和黄嘌呤。使用别嘌醇（XDH抑制剂）预处理后，血液中标记次黄嘌呤的富集度从2%骤增至15%，组织中嘌呤核苷酸标记也大幅提升（肾、脾、小肠等达10%左右）。这表明XDH介导的降解是限制次黄嘌呤补救的关键因素。

图1 组织嘌呤代谢活性

小肠中谷氨酰胺标记的AMP/GMP比例最高，证明小肠从头合成最活跃。腺嘌呤和肌苷在肾、肺、脾、小肠中标记效率高，肾脏补救能力最强。别嘌醇处理后，次黄嘌呤在肾、脾、小肠中的标记显著提升，说明降解是主要限制因素。

PART-02

肿瘤嘌呤代谢

从头合成与补救途径贡献相当

研究者将上述示踪策略应用于六种肿瘤模型，包括乳腺癌（Cal-51）、肾癌（Renca）、结肠癌（HCT-116）、原位肾癌PDX、AOM/DSS诱导的结肠癌以及MYC驱动的肝癌。结果显示，谷氨酰胺示踪标记肿瘤中新生嘌呤的比例约为1%~2%（AMP）和2%~4%（GMP），与小肠水平相当。腺嘌呤、肌苷、次黄嘌呤（别嘌醇处理后）等补救示踪剂在肿瘤中的标记效率更高：腺嘌呤标记AMP达约4%，肌苷标记IMP达2%~7%，别嘌醇处理后次黄嘌呤标记肿瘤嘌呤达4%~10%。将示踪剂标记归一化后，肿瘤中补救途径的贡献比例高于从头合成。

在MYC驱动的肝癌模型中，MYC过表达显著上调从头合成酶（如PRPS1、PPAT、GART等）的蛋白水平，并且谷氨酰胺示踪显示从头合成活性大幅升高。但次黄嘌呤补救并未同步增强。在AOM/DSS结肠癌模型中，肿瘤与正常结肠相比，从头合成和补救途径均无显著上调（尽管有升高趋势）。这表明肿瘤并非简单地“切换”到某一途径，而是两条途径协同维持嘌呤库。

图2 肿瘤中从头合成与补救途径的贡献比较

乳腺癌、肾癌、结肠癌中，谷氨酰胺标记的嘌呤比例较低（1%~4%），而腺嘌呤和肌苷标记更高（4%~7%），说明补救效率更高。MYC驱动的肝癌中，谷氨酰胺标记大幅升高（约5倍），但次黄嘌呤标记无变化，证明MYC特异性激活从头合成。

PART-03

补救途径对肿瘤生长至关重要

为验证补救途径的功能重要性，研究者利用CRISPR-Cas9敲除从头合成关键酶GART或补救关键酶HPRT1/APRT。在Cal-51、Renca、MC38等多种肿瘤细胞中，GART缺失完全阻止肿瘤形成；HPRT1缺失显著减缓肿瘤生长；APRT敲低同样抑制肿瘤生长。通过诱导型shRNA系统，在肿瘤形成后（约100 mm³）再诱导HPRT1敲低，同样显著抑制肿瘤进展。在MYC/β-catenin诱导的肝癌模型中，尾静脉水动力注射CRISPR系统靶向GART或HPRT1，两种敲除均显著降低肝肿瘤负荷（以肝重/体重比衡量）。这些结果证明，从头合成和补救途径均为肿瘤生长所必需，且从头合成的作用更强。

此外，研究者检测了人乳腺癌组织芯片，发现HPRT1、APRT和ENT2（核苷转运蛋白）在肿瘤中的蛋白水平显著高于癌旁正常组织。癌症依赖性图谱（DepMap）显示APRT在众多癌细胞系中为必需基因。

图3 补救途径对肿瘤生长的影响

人乳腺癌组织中HPRT1、APRT、ENT2表达显著高于正常组织。敲除GART使肿瘤完全不成瘤；敲除HPRT1使肿瘤体积缩小50%以上。肿瘤形成后再敲低HPRT1，仍能显著抑制生长。

PART-04

膳食核苷酸促进肿瘤生长

既然循环中的嘌呤前体可被肿瘤有效利用，那么饮食中的核苷酸是否会影响肿瘤进展？研究者给荷瘤小鼠口服补充含AMP、GMP、CMP、UMP的混合核苷酸（占总饮食2.5%）。结果令人惊讶：核苷酸补充显著加速了乳腺癌（Cal-51）、结肠癌（HCT-116）、肺癌（A549）和肾癌（786-O）的肿瘤生长。免疫组化显示Ki67增殖标志物升高。反过来，用双嘧达莫（dipyridamole，核苷转运抑制剂）处理荷瘤小鼠，可显著抑制Cal-51肿瘤生长并降低肿瘤内嘌呤核苷酸水平。这些数据表明，饮食来源的核苷酸为肿瘤提供了可利用的嘌呤（和嘧啶），是肿瘤生长的限制性营养因素之一。

图4 膳食核苷酸促进肿瘤生长

四种荷瘤小鼠口服核苷酸后，肿瘤体积均增大2~3倍。核苷酸补充组Ki67阳性细胞比例升高约2倍。双嘧达莫抑制核苷摄取后，肿瘤生长减缓，AMP/GMP水平下降。

研究小结

本研究通过系统的体内同位素示踪与代谢组学分析，首次绘制了哺乳动物九大组织及多种肿瘤的嘌呤从头合成与补救途径活性图谱。主要发现包括：

（1）小肠从头合成最活跃，肾脏补救能力最强；

（2）腺嘌呤和肌苷是最有效的循环嘌呤前体，次黄嘌呤受XDH快速降解限制；

（3）肿瘤中两条途径对嘌呤库的贡献相当，而非传统认为的“主导-次要”关系；

（4）补救途径酶HPRT1/APRT以及核苷转运对肿瘤生长至关重要；

（5）膳食核苷酸可显著加速肿瘤生长，提示核苷酸是可靶向的营养限制因素。

这些发现挑战了“增殖细胞主要依赖从头合成”的传统观点，揭示了补救途径在实体瘤中的重要作用，并为靶向嘌呤代谢的抗癌策略提供了新思路——联合抑制从头合成和补救途径可能克服耐药。此外，饮食中核苷酸含量（尤其是动物制品）可能影响肿瘤进展，值得临床关注。

从技术层面看，本研究整合了多种稳定同位素示踪剂的示踪方式、代谢组学、基因敲除与肿瘤模型，为代谢研究提供了范式。

科似海：精准同位素示踪检测助力嘌呤代谢与肿瘤营养研究

本研究首次系统性揭示了正常组织与肿瘤中嘌呤从头合成与补救途径的活性差异，发现腺嘌呤和肌苷是体内最有效的嘌呤前体，而次黄嘌呤受XDH快速降解限制。肿瘤中两条途径协同维持嘌呤库，且补救途径对肿瘤生长不可或缺。嘌呤及其上下游代谢物的精确定量、稳定同位素示踪产物的高灵敏度检测，对分析平台的通量和准确性提出了极高要求。

科似海生物依托高灵敏度液质联用（LC-MS/MS）平台，建立了覆盖嘌呤碱基（腺嘌呤、次黄嘌呤、鸟嘌呤）、核苷（肌苷、鸟苷、腺苷）、核苷酸（AMP、GMP、IMP、GDP、GTP、ADP、ATP）靶向定量以及稳定同位素标记示踪产物（如15N-标记物、13C-标记物）的检测体系，支持血清、组织、细胞、细胞外囊泡等多种样本类型，实现低丰度分子的可靠检出。科似海代谢以精准检测技术，赋能肿瘤代谢重塑及营养干预研究。

【参考文献】

[1] Tran DH, Kim D, Kesavan R, et al. De novo and salvage purine synthesis pathways across tissues and tumors. Cell. 2024;187(12):3057-3074.e21. DOI: 10.1016/j.cell.2024.05.011