摘要：GCN2（general control non-derepressible 2），又称eIF2AK4，是一种对氨基酸敏感的蛋白激酶，属于真核起始因子2的α亚基（eIF2α）激酶家族成员之一。通常，细胞在增殖、分化、衰老及凋亡等生物学活动中会受到细胞内外环境和

GCN2（general control non-derepressible 2），又称eIF2AK4，是一种对氨基酸敏感的蛋白激酶，属于真核起始因子2的α亚基（eIF2α）激酶家族成员之一。通常，细胞在增殖、分化、衰老及凋亡等生物学活动中会受到细胞内外环境和生理特性变化的影响，而响应这一系列刺激进行的细胞信号转导依赖于eIF2α的磷酸化[1]。GCN2激酶负责感受来自氨基酸缺乏的应激，并通过调节eIF2α的磷酸化从起始调控蛋白质的合成，进一步对氨基酸缺乏引起的刺激做出调控[2]。

GCN2不仅在酵母和哺乳动物的真核细胞中作为激酶调控生物学活动，在植物当中也发现了GCN2的关键调控作用[3]。早在1993年，Dever等[4]在酿酒酵母的研究中发现，蛋白激酶GCN2感受到氨基酸缺乏应激后，通过磷酸化酵母细胞中丝氨酸-51上的eIF2α来促进GCN4的翻译，进而调控酵母细胞的生长分裂，因此，GCN2又被描述为丝氨酸蛋白激酶，参与氨基酸缺乏应答。Zhang等[5]发现，通过基因工程手段敲除小鼠的GCN2基因后，小鼠未出现明显的异常生物学行为，但喂食缺乏单一氨基酸-亮氨酸的饲料一段时间后，小鼠行为异常且濒临死亡，结果表明，GCN2在哺乳动物真核细胞中可以维持蛋白的正常水平表达。Zhang等[6]植物学者在研究植物在生长繁育过程中应对外界环境变化所构建的防御机制过程中发现，GCN2在多数植物中表达，研究中对水稻、小麦、拟南芥、烟草、大麦等高等植物进行了基因序列的检测分析，发现在这些高等植物中仅有一种类型的eIF2α激酶，即GCN2。

研究结果显示，GCN2是目前发现唯一在所有真核生物中保守表达的eIF2α激酶，负责接收真核生物细胞中氨基酸缺乏的应激信号，并通过进一步磷酸化eIF2α来调控蛋白的翻译。

1 GCN2的分子结构

GCN2包含多种结构域，由1个真核激酶结构域（KD）、1个假激酶结构域（PKD）、1个N端功能结构域（RWD）、1个C端核糖体结合二聚体化结构域（RB）、1个组氨酸tRNA合成酶相关结构域（His/Rs）共5部分结构域组成，其中RWD和His/Rs结构域负责感受应激信号，为其活性功能结构域[7]。如图1所示（https://www.rcsb.org/3d-view/7QWK/1）。

研究表明，RWD功能结构域可以影响调控GCN2的激酶活性[8]。Wang等[9]在研究中发现，细胞感受到营养缺乏时会促使GCN1结合至GCN2的RWD结构域，进一步催化KD结构域激活，使eIF2α磷酸化。

关于His/Rs结构域，研究发现，未带电的tRNA可以与该结构域的相关区域结合，进一步诱导eIF2α磷酸化[10-11]。Hey等[12]在对代谢和应激信号间通道接口的探究中发现，未带电的tRNA结合His/Rs结构域后可进一步促使KD结构域的激活，从而诱导GCN2的eIF2α磷酸化催化。Dong等[10]研究证明，未带电的tRNA通过取代2段可与His/Rs结构域结合的蛋白激酶来实现与His/Rs结构域的结合，进而实现GCN2的激活。

GCN2的C端RB结构域赋予了GCN2与核糖体结合的能力。Zhu等[13]早在1998年提出，GCN2的RB结构域可促进激酶靶向结合核糖体，影响GCN2与RNA的结合，进而影响GCN2的翻译控制功能。Agnieszka等[14]研究证明GCN2与核糖体的结合是其识别和结合未带电tRNAs的关键，这一过程中GCN1通过与特定的应激期间的翻译核糖体相互作用来促进GCN2的激活。此外，研究报道真核翻译延伸因子（eEFlA）在氨基酸缺乏应激环境下可以通过结合至GCN2的C端，起到抑制GCN2活性的作用[15]，提示氨基酸缺乏应激条件下GCN2调节细胞氨基酸稳态的复杂性。

2 GCN2的作用机制

2.1GCN2与整合应激反应（ISR）

ISR是一种真核细胞内信号传递途径[2]（图2），可以被各种内外在应激因素激活，影响整体蛋白质合成和某些关键基因表达，以恢复胞内平衡或诱导细胞发生凋亡，形成一种进化保守的细胞内信号网络[16]。已知的外在应激因素包括氨基酸缺乏、缺氧、葡萄糖缺乏、病毒感染、血红素缺乏、活性氧（ROS）积累、UV照射和DNA损伤等[16-17]；内在应激因素包括蛋白质毒性应激和蛋白质错误折叠[18]，也称之为内质网应激（ER）[17]。

ISR的核心是eIF2α的磷酸化激活，eIF2α激酶家族在ISR中起第一反应作用，每种eIF2α家族激酶都被不同的细胞应激激活[19]。eIF2α激酶可以响应不同种类和区域的应激，取决于与其相互作用的配体或蛋白，在感受和应对应激过程中其表达水平也会发生急剧变化，从而诱导有序的激活机制参与调控[20]。

eIF2α磷酸化激酶家族由4种特征明确的丝氨酸-苏氨酸激酶组成[7]，包括负责感受ER的类磷酸化酶ER激酶（PERK）、负责感应病毒感染和压力蛋白激酶的双链RNA依赖蛋白激酶（PKR）、负责感受氨基酸缺乏的GCN2和负责感受血红素缺乏的血红素调节抑制剂，这些eIF2α激酶在应对细胞内必需营养素缺乏时发挥必不可少的作用，在生物体正常发育和肿瘤形成过程中也发挥着重要作用。

相较于其他eIF2α激酶，GCN2是唯一在所有真核生物中保守表达的ISR相关激酶，它可被更广泛的应激原激活，也被称之为初级eIF2α激酶[21]，而感受细胞ER的PERK为次级eIF2α激酶。Carlson等[22]在研究中证明了当GCN2正常表达时，可分别激活氨基酸缺乏应激和ER反应，但PERK激活途径的p-eIF2α水平的增加程度远低于GCN2激活途径；当GCN2-KO状态下，PERK激活途径中p-eIF2α水平的增幅明显提升。由此可见，GCN2对ISR应激的强度有关键的调控作用，甚至影响其他eIF2α激酶的作用。

2.2 GCN2与激活转录因子4（ATF4）激活

ATF4是碱性亮氨酸拉链（BZIP）转录因子家族的成员，与ATF、FOS/JUN和CCAAT增强结合蛋白（C/EBP）亚家族成员一起形成异源二聚体，并进一步与cAMP应答元件（CREs）或C/EBP-ATF应答元件（CAREs）的DNA序列结合，控制靶基因表达[23]。

ISR机制中的4种eIF2α激酶共享一个相同的下游效应蛋白ATF4[23]。ATF4是细胞对应激反应的主要效应机制的调节器，它的大多数下游靶基因都参与促进细胞存活的各种挽救途径，但也有一些基因在特定情况下被激活表达，诱导细胞的凋亡途径、细胞周期停滞及衰老[24-26]。研究表明，脱酰基tRNA的积累激活GCN2并进一步磷酸化eIF2α后，通过激活下游转录因子ATF4实现ISR机制的传动，即形成GCN2-eIF2α-ATF4通路完成应激反应[24]。当eIF2α被磷酸化时，包括ATF4在内的一组应激反应mRNA的翻译效率更高，ATF4的这种变化与mRNA 5′UTR的2个上游开放阅读窗密切相关[25]，这2个元件在非应激条件下抑制ATF4的翻译，但在应激条件下促进其翻译（eIF2α磷酸化）[26]，该模式首先在酵母中被发现，后来发现也存在于哺乳动物细胞中[27]。

尽管特定eIF2α激酶以特定的靶向方式调节ATF4的活性，但它们在平衡ATF4的促细胞生存和抗细胞生存功能方面的重要性目前还难以评估，GCN2由于其表达的保守性，在这些调节ATF4活性的相关酶中占据非常重要的地位，因此，使用全基因组分析来确定这些eIF2α激酶在促适应性生存和促凋亡表达的抉择中具有重要意义[23]。因此，靶向具备调控ATF4表达功能的关键酶或者与ATF4相关的转录后修饰途径中的表观遗传修饰因子可能是潜在的新药研究方向。

2.3 GCN2与ROS稳态

ROS是细胞代谢不可避免的产物，在细胞信号转导和调节微环境稳态平衡中具有重要作用[28]。在感受到外界压力刺激时，ROS水平会通过线粒体作用急剧增加，可引起相关生长因子、转录因子的降解等，进而导致细胞发生凋亡。

研究表明，GCN2与ROS通过氨基酸缺乏紧密相关。Chen等[29]在对三阴性乳腺癌的研究中发现，半胱氨酸的缺乏会导致线粒体功能障碍，引起肿瘤细胞内ROS和p-GCN2水平升高，但PERK途径并未激活，提示ROS的产生是由GCN2-ATF4途径介导的，进而通过激活谷胱甘肽降解酶来降解谷胱甘肽（GSH），促进细胞凋亡。但是，也有研究表明，GCN2-ATF4途径的激活可介导下游半胱氨酸/谷氨酸转运体的表达[30]，并维持胞内GSH的水平，当氨基酸缺乏应激时仍能维持胞内ROS稳态。提示，GCN2-ATF4途径在肿瘤细胞ROS稳态中可能发挥双向调控作用。

目前，针对GCN2和ROS相关的研究发现，GCN2的激活表达有助于肿瘤细胞的生存及获得性耐药的发生。利用抑制剂GCN2iB处理多发性骨髓瘤细胞后，可有效减缓细胞群体活力的恢复[31]。同样，该现象在胶质母细胞瘤和肾癌细胞中也被报道[32]，Mic60/Mitofilin是线粒体接触位点和嵴组织系统MICOS复合体的重要组成，在该肿瘤细胞中，Mic60表达量的微量下调就会导致线粒体功能的严重紊乱，并导致氧化和氨基酸饥饿应激的增加，从而促进细胞转移和死亡逃避，转录组学研究结果发现该过程中ISR整体表达上调，使用GCN2抑制剂处理可有效抑制肿瘤细胞的转移。

2.4 GCN2与蛋白质毒性

当细胞内发生蛋白质的错误折叠并不断积累，超出了蛋白酶体和自噬体对细胞蛋白质质量控制的调控能力，蛋白毒性应激就会发生[33]。该现象的发生破坏了氨基酸平衡，造成氨基酸缺乏，进而激活ISR机制。相关报道称，激活GCN2-ATF4途径后可进一步触发自噬机制，并抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）信号，调节肿瘤细胞中的蛋白质稳态，降低内质网压力，使肿瘤细胞得以生存或转移[34]。此外，Sannino等[35]也证明，在氨基酸缺乏，GCN2途径激活的背景下，蛋白毒性应激诱导的细胞凋亡由mTORC1的异常激活所介导。由此可见，GCN2可由蛋白质毒性应激引起的氨基酸缺乏所激活，从而激活ATF4及其下游靶标，维持细胞的生存，在此过程中，如果长时间因缺乏关键成分或异常成分的补充而无法恢复蛋白质稳态，则诱导细胞走向凋亡。

Schmidt等[36]在研究致癌基因MYC与GCN2-eIF2α负反馈回路中发现，MYC的表达可以上调微环境内蛋白质合成，导致氨基酸和能量大量消耗，进而诱导蛋白毒性应激并导致MYC依赖性细胞凋亡。在这种情况下，GCN2通过GCN2-eIF2α负反馈环对氨基酸缺乏做出应激来促进细胞存活，该负反馈环通过eIF2α激活来阻止MYC介导的转录增加，保存代谢物，降解蛋白毒素的积累，阻止细胞凋亡。

2.5 GCN2与细胞增殖

细胞增殖是活细胞的重要生理功能之一，是生物体的重要生命特征。mTOR信号转导在调节营养感知和生长因子信号转导等过程中起着核心作用[37]。研究报道，mTORC1接收并整合来自多种生长因子和营养物质的信号，来促进细胞增殖[38]。有趣的是，GCN2激活介导的促进细胞增殖存活并不是通过激活mTORC1活性实现的，相反，当氨基酸缺乏，GCN2激活的情况下，mTORC1活性被抑制[2]。Nikonorova等[39]构建了单次注射天冬酰胺酶诱导氨基酸应激的小鼠遗传模型，发现GCN2的缺失抑制了肝脏中eIF2α对天冬酰胺酶的磷酸化，但激活了mTORC1，这表明GCN2-eIF2α途径在氨基酸缺乏时影响mTORC1活性，GCN2-eIF2α激活可抑制mTORC1触发的蛋白质合成进而促进细胞存活和增殖。

2.6 GCN2与血管生成

血管生成是在缺血时，由血管内皮生长因子（VEGF）对缺氧/营养缺乏的适应性反应[40]。缺氧是血管生成的最佳触发因素和常见的促血管生成途径，在多种细胞类型中稳定缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）可促进VEGF的表达。除缺氧因素外，相关研究报道，氨基酸缺乏生态中VEGF表达受GCN2的调控[41]。Zhang等[40]通过基因工程技术构建GCN2-KO型小鼠分离的原代内皮细胞，在比对不同培养环境后发现，含硫氨基酸缺乏和GCN2-ATF4依赖的氨基酸缺乏应激是独立于缺氧、HIF-1α或过氧化物酶体增殖物激活受体γ-辅激活因子1-α（PGC-1α）的VEGF表达和血管生成增加的新触发因素。Wang等[42]在小鼠异种移植的UM-SCC-22B鳞状癌肿瘤模型中发现，GCN2敲低可降低VEGF水平，导致血管密度和肿瘤体积减少。

2.7 GCN2与自噬

自噬途径在细胞生命活动中非常重要，是细胞消化清除受损细胞器和大分子的重要过程之一[43]。研究报道，ISR机制可以通过激活自噬途径来使细胞存活或走向死亡，由应激诱导的自噬激活的关键调节因素是eIF2α在S51位点的磷酸化[1]。eIF2α的磷酸化激活可由相应的激酶感受不同的应激刺激，不同功能的信号因子对自噬进行双重调节，进而影响细胞活性[16]。

Ye等[5]发现，肿瘤细胞的快速分裂增殖，其生存环境氨基酸的缺乏，激活GCN2后，可导致eIF2α的磷酸化，激活自噬，提高了肿瘤细胞对细胞质组分的循环利用，维持了细胞生物合成能力和ATP水平，以促使其在氨基酸缺乏应激状态下存活，采用GCN2敲除的细胞模型，发现细胞自噬标志物（LC3）的表达显著下调，并且eIF2α的S51位点发生突变后无法介导LC3的表达上调，证明了GCN2介导的eIF2α的S51位点磷酸化对自噬激活的关键作用。此外，相关研究提出，p-eIF2α刺激ATF4的选择性翻译是自噬维持的关键[44]，进而刺激LC3的表达，即AAR（amino acid reduction）-GCN2-eIF2α-ATF4是调节自噬的中心轴机制之一。

关于自噬相关基因的表达，研究发现，氨基酸缺乏应激时，相关的必需自噬基因如LC3和ATG5参与自噬小体的生物发生和功能表达，且存在ATF4依赖性的转录上调，AAR-GCN2-eIF2α-ATF4的激活可刺激Atg3、Atg5、Atg7、Atg10、Atg12、Atg16、Becn1、Gabarap、Gabarapl2、Map1lc3b和Sqstm1等参与自噬的基因上调[45]。

关于自噬诱导细胞死亡，研究表明自噬的激活可以通过细胞成分的改变导致灾难性地分解，进而诱导细胞出现死亡，但未明确说明与GCN2途径相关[23]。且往往是凋亡导致细胞死亡，伴随着自噬相关因子的表达。然而，有研究明确提出自噬的促生存作用与氨基酸缺乏导致的GCN2激活密切相关[46-47]。

2.8 GCN2与细胞凋亡

在氨基酸缺乏的条件下，GCN2的激活可以促使细胞由应激状态恢复至稳态，有助于细胞的存活，而如果适应应激的恢复性反应在一定时间内无法恢复细胞生态的平衡，ISR途径中的相关靶标可能会调控其他的下游因子，进而诱导细胞凋亡性死亡[48-49],提示可以在特定条件下通过激活GCN2途径治疗肿瘤。

Qing等[49]研究发现，谷氨酰胺缺乏在MYC致癌基因介导的神经母细胞瘤中导致GCN2-eIF2α-ATF4途径激活，ATF4敲低后，可有效抑制Gln缺乏的Kelly、IMR32和NLF神经母细胞瘤细胞中凋亡相关因子PUMA、NOXA和TRB3的激活和细胞的死亡，且该机制中ATF4的激活仅依赖于GCN2激酶，与其他的eIF2α激酶相互作用较弱或无。

此外，研究表明，ISR诱导细胞死亡的机制之一是通过ATF4介导的CHOP活化[48]。在一些细胞模型中，CHOP已被证明通过上调凋亡执行蛋白（BH3-only）的BCL-2家族成员BCL2L11和BBC3来诱导细胞死亡，从而促进ER诱导的细胞凋亡[48]。该机制中ATF4的激活与PERK途径相关，但尚未明确是否与GCN2有关。

Lehman等[50]研究发现，GCN2的激活能够诱导CIP/KIP家族的成员p21Cip1，造成细胞周期G1期停滞，进而诱导肿瘤细胞死亡，这可能也是GCN2促进死亡的途径之一。然而，p21具有促肿瘤和抗肿瘤的双重作用，提示GCN2-eIF2α途径的复杂性和双重性，推测GCN2在促存活或促凋亡作用方面的差异可能是取决于肿瘤细胞的代谢亚群。例如，在谷氨酰胺依赖的肿瘤细胞中，氨基酸缺乏会导致GCN2介导的细胞凋亡，与TNF相关凋亡诱导配体受体2（TRAIL-R2）密切相关。

2.9 GCN2与免疫反应

氨基酸是免疫细胞在器官发育、组织稳态和免疫反应过程中的基本营养物质[51]。GCN2作为氨基酸的中枢感受器，可调节氨基酸的代谢平衡，在各种免疫细胞的增殖和功能表达、肿瘤的生长、转移和治疗耐药性等方面发挥着关键性作用[52]。研究表明，GCN2的活化可激活并下调脂肪酸合成关键酶，而脂肪酸合成是CD4+ T细胞增殖和分化的先决条件，提示GCN2活性可能减弱免疫应答[52]。Van等[53]发现，GCN2可控制细胞毒性T细胞的增殖适应性和运输，GCN2的缺失在一定程度上会导致T细胞增殖出现阻碍。GCN2与免疫细胞的细胞周期也关系紧密，相关研究表明精氨酸的耗损可以激活GCN2来损害细胞周期蛋白D3和细胞周期蛋白依赖性激酶4（CDK4）活性，使T细胞停滞在G1期从而抑制T细胞的增殖[54]。

髓源性抑制细胞（MDSCs）常在癌症、细菌感染和创伤等病理情况下产生和积累[55]。研究发现，在黑色素瘤小鼠模型中，GCN2-ATF4路径的激活，可促进MDSCs的快速成熟和积累，ATF4和GCN2的缺乏会减慢黑色素瘤的生长速度[56]。由此可见，肿瘤细胞和免疫相关细胞之间对于氨基酸的竞争与GCN2联系紧密，GCN2-ATF4调节途径可能成为提高肿瘤免疫治疗效率的潜力机制。

另一方面，针对GCN2缺乏引起的T细胞增殖障碍问题，Michael等[57]发现，使用GCN2激动剂Halofuginone（halo）在体外激活效应CD8+ T细胞中的氨基酸饥饿反应可增强氧化代谢和效应功能，将经halo处理的CD8+T细胞过继转移到患有肿瘤的小鼠体内可显著抑制肿瘤的生长，增强抗肿瘤治疗效果，可见使用激动剂干预激活GCN2可增强T细胞功能和抗肿瘤能力，GCN2激动剂联合免疫治疗也可能成为抗肿瘤免疫治疗的重要探索方向。

3 GCN2与疾病的关系

作为氨基酸缺乏的感应激酶，GCN2激酶在细胞的生理和病理活动中起关键的调控作用。氨基酸参与体内代谢，调节生理功能，且种类众多，以此为基本单元合成功能独特的蛋白质在体内发挥作用。氨基酸的缺乏，影响正常组织细胞向肿瘤细胞的转变、心血管系统的运转以及糖尿病、脂肪肝、神经类疾病和肾脏疾病的发生等生理及病理过程，因此，GCN2与这些疾病也存在较紧密的联系，除此之外，研究报道GCN2基因的表达或缺失亦影响呼吸系统功能的正常行使。

3.1 GCN2与肿瘤

ISR的核心是eIF2α激酶，GCN2作为eIF2α激酶家族一员，在氨基酸缺乏应激时与肿瘤密切相关，具有促生存和促凋亡的双重作用。

一方面，GCN2正向调控肿瘤生存发展。Ye等[5]观察到，与正常组织相比，结肠癌、肺癌、乳腺癌和肝癌组织样本中GCN2的表达和磷酸化GCN2的表达水平均有所增加。Wang等[42]在对人类口腔鳞状细胞癌研究中发现，GCN2-ATF4途径可通过血管生成来促进肿瘤生存与发展。Furnish等[58]在转移性前列腺癌研究中发现，GCN2-ATF4的激活可以增加该癌细胞线粒体外膜蛋白的表达，有效促进了肿瘤的生长。此外，Ge等[59]发现，沉默GCN2可以抑制肾癌细胞的活力与增殖，进一步研究表明，GCN2蛋白水平与不良临床病理参数（如肿瘤体积增大、TNM分期增高、Fuhurman分级增高和淋巴结转移）显著相关，GCN2可以作为预测乳头状肾癌不良预后的重要标志物。近期，Carlson等[22]在对GCN2的抑制剂GCN2iB（Med. Chem. Express #HY-112654）的体外研究中发现，当药物浓度高于0.1 μmol·L−1时，可抑制GCN2的激活，可作为联合用药之一治疗急性淋巴细胞白血病、急性髓细胞性白血病和胰腺癌。在GCN2高表达依赖的多发性骨髓瘤（MM）和胶质母细胞瘤中，通过分析TCGA数据库中患者信息发现，GCN2依赖的该类肿瘤具有更强的侵袭能力，建议临床中应尽早干预及放化疗[60]。

另一方面，GCN2持续慢性激活能够发挥抗肿瘤作用。Kato等[61]筛选激酶库时发现，在非应激条件下，GCN2抑制剂GZD824在较低的非抑制浓度能够刺激下游eIF2α磷酸化和ATF4表达，并呈现GCN2表达依赖性抑制肺癌细胞的增殖。Carlson等[22]发现GCN2iB在体外药物浓度低于0.1 μmol·L−1时，可激活GCN2并增加下游ATF4的表达，进而抑制HEK衍生细胞的增殖。Tang等[62]报道，小分子激酶抑制剂例如奈拉替尼、埃洛替尼，在使用浓度远高于有效抑制浓度时，可以激活GCN2，抑制肿瘤细胞的活性。研究发现，感知ER的PERK激酶抑制剂GSK157和AMG44在使用浓度远高于有效抑制浓度时，也可以激活GCN2[63]。近期，Thomson等[64]自主设计合成了一种口服的GCN2激动剂HC-7366，药理研究结果显示出良好的抗肿瘤活性，且与GCN2的表达正相关。

3.2 GCN2与心血管疾病

缺血性心脏病（IHD）在临床治疗中可能引起心肌缺血/再灌注（I/R）损伤[65-66]。能量底物代谢对维持心脏正常结构和功能至关重要，特别是葡萄糖和脂肪酸代谢的改变，已被认为是心肌对I/R损伤易感性的关键决定因素[67]。

研究发现，除了葡萄糖和脂肪酸，氨基酸也是支持心脏及心血管系统正常运转的重要能量底物。其中支链氨基酸（BCAA），由缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸组成，是心肌组织中可被氧化的一组必需氨基酸。Li等[67]发现，BCAA的积累可抑制GCN2，进而上调激活转录因子-6（ATF6），ATF6介导过氧化物酶体增殖物激活受体-α（PPAR-α）的上调，引起FAO相关基因的上调，进而介导脂质过氧化毒性，使心肌细胞对I/R损伤敏感。但也有研究发现，GCN2与心力衰竭相关，GCN2的抑制可以上调抗凋亡蛋白Bcl-2，进而激发心肌保护功能，在主动脉缩窄诱导心肌肥厚的心力衰竭模型中起负调控作用[68]。此外，GCN2在有氧运动减轻抗肿瘤药物阿霉素引发的心脏毒性中起关键作用，有氧运动可能通过抑制GCN2及其下游eIF2α/ATF4通路的表达来减轻阿霉素引起的小鼠心肌损伤[69]。

3.3 GCN2与呼吸系统疾病

肺动脉高压（PH）仍然是最罕见和最致命的疾病之一。相关研究表明，GCN2的p.K187 fs双等位基因突变及p.Q558*纯合突变被确定为PH的遗传易感性原因[70]。

肺纤维化是一种以广泛的组织重塑为特征的慢性进行性肺部疾病。研究发现，29%～77%的肺纤维化患者伴随着PH[71]。研究报道[72]，肺纤维化患者、肺纤维化伴随PH的患者以及博来霉素诱导的肺纤维化大鼠均表现出GCN2蛋白表达量降低，GCN2-/-基因工程大鼠在博来霉素处理后肺实质纤维化、血管重塑及PH程度加剧，提示在PH、肺纤维化和与之相关PH中，GCN2为PH相关疾病共同的病理生物学途径的靶标之一。鉴于肺纤维化通常是许多化疗药物导致的不良反应，而GCN2的缺失可能会加剧肺纤维化，因此，临床上在使用GCN2抑制剂时应衡量其抗肿瘤疗效和可能加剧肺纤维化之间的利弊。

过敏性哮喘是气道的一种慢性多细胞炎症性疾病，辅助性T细胞9（Th9）分泌的白细胞介素9（IL-9）可加重过敏性哮喘[73]。Wang等[74]研究发现，GCN2的基因表达缺失，导致CD4+ T细胞的活降低，进而调控Th9细胞数量减少，减少IL-9的分泌，减轻过敏性哮喘症状。

3.4 GCN2与其他疾病

GCN2调控多种人类疾病，如糖尿病、脂肪肝、神经类疾病和肾脏疾病等[75]。Xiao等[76]研究表明，亮氨酸的缺乏可激活GCN2，进一步抑制mTORC1相关通路，刺激胰岛素分泌，改善胰岛素敏感性，有助于2型糖尿病患者的血糖控制。Guo等[77]研究发现，在给予小鼠亮氨酸缺乏饮食处理7 d后，GCN2基因敲除的小鼠，出现显著的肝脏脂肪变性，而GCN2未敲除的小鼠，其肝脏脂肪合酶活性下降，进一步探究发现，造成这一差异的原因是，GCN2因亮氨酸缺乏而被激活，从而抑制脂肪生成转录因子和脂肪合成酶的表达。Spaulding等[78]研究发现，ISR的慢性激活促进了腓骨肌萎缩症（CMT）的病理进程，而GCN2iB的使用和GCN2基因缺失均减轻了周围神经病变，推测抑制GCN2或ISR可能是CMT潜在的治疗策略。Peng等[79]研究表明，色氨酸的缺乏可激活GCN2，进而诱导炎症减少，保护小鼠肾脏免受缺血损伤。Sturmlechner等[80]研究发现，GCN2的激活可引起肾小管细胞周期停滞，进而诱导肾小管衰老等慢性疾病的发展。

4 GCN2相关药物研发现状

4.1 肿瘤药物

GCN2激酶在肿瘤中的作用较为复杂，可以作为肿瘤促进因子或肿瘤抑制因子，具体作用取决于肿瘤类型和微环境。在DNA损伤、氨基酸匮乏、氧化应激等急性应激条件下，可激活GCN2-eIF2α-ATF4-ISR反应轴，快速上调DDIT3、TRIB3等适应性基因的表达，从而促进癌细胞生存。然而，在持续性营养缺乏、长期氧化应激、炎症等慢性应激条件下，可导致ATF4的持续激活，上调PUMA、NDXA等促凋亡蛋白的表达，导致癌细胞死亡。因此，现阶段已经同时开发了GCN2的抑制剂和激动剂，用于不同条件下的癌症研究。

4.1.1 GCN2抑制剂 GCN2作为一种应激反应激酶，在维持细胞稳态中起关键作用。目前GCN2抑制剂的研发情况汇总见表1。

（1）NMS-812：Nerviano Medical Sciences开发的一种新型、强效、ATP竞争性的PERK/GCN2抑制剂，它们是ISR的未折叠蛋白反应（UPR）和氨基酸反应（AAR）分支的关键效应因子，并且二者可协同调节癌细胞在应激条件下的存活，当PERK受到抑制时，GCN2会补偿性激活。多发性骨髓瘤（MM）和其他蛋白分泌肿瘤由于其高蛋白载量而高度依赖。因此，NMS-812通过调节ER和氨基酸匮乏，抑制癌细胞的ISR促生存途径，导致肿瘤细胞凋亡和肿瘤生长抑制[81]。此外，研发人员在2023年AACR中披露，在MM的异种移植模型，NMS-812单独给药后可显著延长动物的中位生存时间，并显示出与MM护理标准药物的协同活性。NMS-812显示出良好的药动学特性，表明在临床前物种中具有可接受的口服生物利用度和毒性特征，但是出于数据保密原因，暂未查到NSM-812相关的非临床研究数据。现阶段NMS-812正处于I期临床研究中（NCT05027594），用于探索在成年复发或难治性MM患者中的安全性、耐受性、药动学和初步抗肿瘤活性，暂时未招募到需求量患者[82]。基于临床前数据及其对ISR中PERK和GCN2的独特双重靶向作用，NMS-812具有同类首创的潜力，可作为MM和其他PERK/GCN2依赖性肿瘤的治疗方法。

（2）GCN2iB：由武田制药开发的一种具有ATP竞争性的GCN2抑制剂，在468种激酶选择性筛选中，它对GCN2激酶的选择性超过99.5%，其半数抑制浓度（IC50）值为2.4 nmol·L−1。在MV-4-11［急性髓细胞性白血病（AML）］和SU.86.86（胰腺癌）细胞的人源肿瘤细胞系异种移植（CDX）模型中，使用药物GCN2iB（10 mg·kg−1，每天2次）和L-天冬酰胺酶（ASNase，1 000 U·kg−1，每天1次）进行治疗，疗程为14 d，每周给药3 d。观察到单独使用GCN2iB或ASNase对肿瘤生长没有显著影响，而两者的联合用药具有协同作用，对2个模型均具有强大的抗肿瘤活性（P＝0.000 3和P＝0.003 8）。此外，在MV-4-11模型中，即使在停药1周后肿瘤也未显示出明显的生长[31]。其研究人员还进一步探究了GCN2抑制剂的作用机制，即通过阻止天冬酰胺合成酶（SNS）的诱导作用，增加急性淋巴细胞白血病（ALL）细胞对ASNase敏感性，导致从头蛋白质合成水平降低，联合疗法通过诱导激活MAPK通路，触发细胞凋亡。

（3）GCN2-IN-7：由Jackson等[83]研究人员共同发现，期间得到GCN2-IN-1、GCN2-IN-6等多个苗头化合物，最终将GCN2-IN-7作为候选化合物进行开发，该化合物具有较好的GCN2激酶活性（IC50＝5 nmol·L−1）。在体外研究中，将胰腺癌细胞Pan02接种于WT和GCN2 KO小鼠，待肿瘤体积长至150～200 mm3时，分离MDSCs，并与上述2种幼鼠来源的CD8+ T细胞共培养3 d，研究证实GCN2-IN-7（600 nmol·L−1，3 d）可明显缓解MDSCs对共培养CD8+ T细胞增殖的抑制并恢复T细胞的增殖，该结果与GCN2-KO组相一致。此外，研究人员将小鼠肾癌细胞RENCA接种于Balb/c小鼠，并给予GCN2-IN-7（15 mg·kg−1，ig，每天2次）进行17 d治疗，结果显示GCN2在肿瘤（84%，n＝3）和脾脏（80%，n＝3）组织中都具有较强的靶向作用，并且药物组小鼠的ATF4水平相较于对照组下调了约65%（n＝2）。该团队还构建了LL2同基因小鼠模型来测试GCN2-IN-7的体内药效，结果表明，单药治疗时（50 mg·kg−1，ig，每天2次，17 d）该化合物就表现出显著的肿瘤生长抑制作用（抑制率＝56%，P＜0.000 01），并且可增强VEGFR介导的抗肿瘤活性（肿瘤抑制率从65%增至79%，P＜0.001），表明GCN2抑制剂与抗VEGFR疗法具有一定的联用潜力。

（4）AST-05X：由Aston Science与KRICT公司联合开发的GCN2和PERK双重抑制剂[84]，研究人员通过体外酶学实验证实了该化合物对GCN2激酶的选择性抑制活性，并于2024年AACR中披露，在氨基酸匮乏的HT-1080细胞中，基于ISR相关基因表达谱分析结果可知，AST-05X可明显抑制HT-1080肉瘤细胞系GCN2和ISR下游因子（如磷酸化eIF2a、ATF、CHOP）的表达（n＝17）。进一步阐明了ISR通路的作用机制，将其作为具有开发潜力的治疗药物。目前正在探讨该药物在肉瘤患者来源的异种移植模型中的疗效，但是尚未披露相关的研究结果。

此外，还有GCN2 modulator-1、PLH3481、ISRM-6904等多个GCN2抑制剂也处于临床前研发阶段，然而未见披露其最新研究进展及相关数据。

4.1.2 GCN2激动剂目前与激酶靶点相关的多种疾病（如肿瘤、代谢、自免疾病等）均使用抑制剂作为主要治疗手段，大量的临床应用也证明了其有效性和安全性，从而推动了该市场的快速发展。相比之下，激酶激动剂的研发则相对冷门，缺乏足够的研发资源和关注度。NXP800和HC-7366是当下处于研究前列的、具代表性的GCN2激动剂，表2总结了的一些GCN2激动剂的相关信息，以供参考。

（1）NXP800：由Nuvectis Pharma公司开发的一种口服小分子GCN2激动剂[85]，也曾被报道为热休克转录因子1（HSF 1）抑制剂。Pasqua等[86]研究者证实NXP800对hERG（IC50＞30 μmol·L−1）和CYP（IC50＞10 μmol·L−1）没有明显的抑制活性，并且在Caco-2细胞实验中表现出较好的体外渗透性（PappAP−BL＝7.7×10−6 cm·s−1，efflux ratio＝2.8）。通过大鼠的药动学数据分析可知，NXP800具有良好的口服生物利用度（45%）、中等的全血清除率（Cl＝24 mL·min−1·kg−1），以及可接受的半衰期（3.1 h）。通过体内药效实验证实，NXP800（35 mg·kg−1，ig，每天1次，20 d）对SK-OV-3的CDX模型具有较好的抗肿瘤增殖活性，肿瘤生长抑制率高达120%，给药组的相对肿瘤增长率明显低于对照组。Nuvectis公司于2021年12月启动I期临床试验（NCT05226507）[87]，其中Ia期试验为NXP800的剂量递增试验（75、150 mg·kg−1，po，每天1次/每天2次），用于初步探索该药物的最大耐受剂量（MTD）以及II期临床推荐剂量。Ib期试验是一项针对铂类耐药、ARID1a突变的透明细胞卵巢癌、子宫内膜样卵巢癌患者的多中心、单臂、开放标签临床试验，其目的是进一步验证NXP800在目标患者群体中的安全性和初步疗效。该公司于2024年美国妇女肿瘤年会（SGO）公布了相关试验结果[88]，Ia期的泛肿瘤治疗常见的突发性不良反应有恶心、呕吐、腹泻、乏力、食欲下降、体质量减轻等，常见的实验室异常指标包括血小板、肝酶、红细胞的一次性变化，但均未引起严重的临床后果，未发现与NXP800相关的4级/5级不良反应。通过Ia期的初步药动学数据，将Ib期的用药剂量定为50、70 mg·kg−1·d−1，并将CHAC1、ATF3、ATF4、HSP27等蛋白质的表达变化作为关键的监测指标。

此外，FDA于2022年12月授予NXP800用于治疗铂耐药、ARID1a突变卵巢癌的快速通道资格，2023年8月，监管机构授予NXP800孤儿药资格，用于治疗胆管癌[89]。

（2）HC-7366：由Hiber Cell公司开发具有口服活性的GCN2选择性激动剂。临床前实验表明[64]，HC-7366对GCN2激酶具有很强的活性，IC50值为12 nmol·L−1，该化合物在大鼠药动学实验中具备代谢慢（Cl＝0.20 mL·min−1·kg−1，t1/2＝6.3 h）、渗透性良好（PappAP−BL＝9.7×10−6cm·s−1）等药动学性质，但是其生物利用度仅为29%。研究人员发现将HC-7366制成钾盐后，HC-7366-K在空腹态拟肠液（FasSIF，pH 6.5）中的溶解度比游离酸高约250倍，大鼠的口服血浆暴露量（200 000 mg·h·mL−1）和生物利用度（88%）可提升约3倍。

体内药效实验结果表明，HC-7366在HT1080、DLD-1、FaDu、LNCap等细胞的多个小鼠CDX模型中表现出强大单药活性和较好的耐受性。在AML的动物模型中，HC-7366对其M0-M2分化亚型的单药活性较强[90]。实验结果显示HC-7366（po，bid）在2 mg·kg−1剂量下可完全根除MOLM-16（M0型AML）异种移植肿瘤；在1、3 mg·kg−1剂量时可使KG-1（M1型）肿瘤生长停滞（肿瘤生长抑制率约90%）；在3、30 mg·kg−1剂量时对Kasumi-1（M2型）肿瘤的肿瘤生长抑制率分别为73%和77%；HC-7366于10、30 mg·kg−1剂量治疗OCI-AML2（M4型）肿瘤的肿瘤生长抑制率分别为47%和51%；并且该药物于30 mg·kg−1治疗剂量对MV4-11（M5型）肿瘤的肿瘤生长抑制率仅为45%。近期研究发现，将HC-7366（3 mg·kg−1）与Venetoclax（BCL2抑制剂，50 mg·kg−1）联用于MV4-11的FLT3-ITD突变模型，可过度激活ISR途径（ASNS和PSAT1蛋白上调），诱导生成凋亡蛋白NOXA和PUMA，并减少耗氧量和糖酵解。另一方面，该组合疗法可显著下调S100A8/A9的水平（P＜0.01），以GCN2依懒性的方式改善Venetoclax对MV4-11的耐药性，并证实该疗法具备较好的抗肿瘤活性，可导致26%的肿瘤消退[91]。

目前，HC-7366处于I期临床研究阶段，NCT05121948研究主要通过“3＋3剂量递增原则”探索该药物（10、20、40、75、125、150 mg·kg−1，po，每天1次）的最大耐受剂量和II期试验推荐剂量，同时评估其安全性和耐受性，其适应证包含头颈部鳞状细胞癌、结直肠癌、非小细胞肺癌、透明细胞肾细胞癌等多个实体瘤[92]。此外，Hiber Cell公司于2024年启动了2项I期临床研究，分别为HC-7366与Belzutifan联用治疗肾细胞癌（NCT06234605），用于评估其对于透明细胞肾细胞癌（CCRCC）患者的安全性、耐受性和初步疗效[93]，以及HC-7366联合阿扎胞苷和维奈托克治疗复发/难治性AML或MDS AML患者（NCT06285890），2项研究目前均处于招募阶段，暂时未见相关更新。

（3）neratinib：是Puma Biotechnology公司研发的一种不可逆的泛ErbB激酶抑制剂，于2017年被FDA批准用于HER2阳性的乳腺癌患者，也可用于EGFR突变的非小细胞肺癌、胶质母细胞瘤（GBM）等肿瘤。Tang等[62]发现，GCN2激酶缺失使GBM细胞对neratinib产生耐药性，细胞存活率约80%，而neratinib通过直接结合GCN2激酶结构域，激活GCN2/ATF4信号通路，诱导细胞死亡和抑制细胞生长（IC50＝100 nmol·L−1），从而增强其抗肿瘤效果。有研究表明[94]，neratinib在低浓度（＜675 nmol·L−1）时可增强GCN2激酶活性，在高浓度时抑制，提示后续研究要注意治疗安全窗的相关问题，也需考虑到GCN2/ATF4信号轴激活后引起的细胞应激反应，避免发生一些非特异性副作用。

4.2 多系统疾病药物

研究表明，GCN2激酶在多种生理和病理过程中发挥重要作用，可作为多种疾病的相关治疗靶点。

Zhou等[95]研究证明，在大鼠脑IR损伤模型中，其自研方剂NTF可通过调控HSP90-GCN2-ATF4通路减轻细胞凋亡，提示NTF具有潜在的神经保护作用。Yan等[96]通过体内外模型证实，Ponatinib可抑制心肌细胞中ATP合成酶活性导致ATP缺乏，触发GCN2介导的ISR过度激活，最终导致线粒体功能受损，小鼠的心脏功能减弱。而使用GCN2抑制剂（0.5 μmol·L−1）可以预防或逆转诱导的心脏毒性。

GCN2被证明是一种新的NRF2调节因子，可通过GSK-3β途径下调NRF2水平。敲除GCN2可改善肥胖小鼠的胰岛素抵抗和葡萄糖耐受性，减少肝脏三酰甘油、总胆固醇和非酯化脂肪酸水平。GCN2iB也能改善肥胖小鼠的胰岛素抵抗、肝脂肪变性和氧化应激等过程[97]。这为开发治疗代谢相关脂肪性肝病的治疗提供了新策略和实验依据。

Michael[57]调查发现，GCN2在免疫系统中也起着重要作用，通过调节免疫细胞的应激反应，帮助免疫细胞在营养匮乏的环境中存活。GCN2抑制炎症小体的激活，控制肠道炎症。在GCN2缺失的小鼠中，DSS诱导的结肠炎敏感性更高、炎症症状更严重。另一方面，GCN2通过调节巨噬细胞的凋亡细胞清除功能，可维持免疫系统的平衡。缺乏GCN2的巨噬细胞无法有效清除受损的红细胞和回收铁，导致自身免疫反应增强[98]。

此外，GCN2缺失小鼠在应对细菌或病毒感染时，表现出较低的细胞因子水平，感染易感性增加。研究指出，GCN2可通过调节免疫细胞生成细胞因子，应对外界感染；也可通过自磷酸化抑制蛋白质合成，阻碍病毒复制，抵御SV、MCMV、HIV-1等病毒的感染，有助于宿主细胞在病毒感染早期存活[96]。

综上所述，目前处于开发阶段的GCN2调节剂主要针对于肿瘤领域，虽然GCN2激酶与心脑血管疾病、代谢病、自免疾病等密切相关，但是这类研究主要由学术研究机构牵头，处于早期阶段，用于探索GCN2与疾病发生的机制和潜在的应用方向，尚未有明确的商业化产品。同时提示，后续开发GCN2靶向药物时，需考虑到其复杂的生理功能和调控机制、以及可能引起的不良反应和安全性问题。

5 结语

GCN2激酶作为ISR的重要的组成部分，负责感受体内氨基酸缺乏和葡萄糖剥夺，在ISR激活时呈现磷酸化活性形式，进一步激活下游转录因子ATF4，即形成GCN2-eIF2α-ATF4通路响应ISR，对真核细胞具有促生存和促死亡的双重作用机制。

在肿瘤细胞中，GCN2-eIF2α-ATF4可分别通过降低或上调GSH的水平，来调节ROS稳态，也可由蛋白质毒性应激引起的氨基酸缺乏所激活，进而调节其下游自噬相关靶标及mTORC1信号，维持细胞的生存，在此过程中，如果长时间因缺乏必需氨基酸导致GCN2持续慢性激活，或精氨酸的异常补充而无法恢复蛋白质稳态，则诱导细胞走向凋亡。GCN2-eIF2α-ATF4依赖的氨基酸缺乏应激是独立于缺氧、HIF-1α或PGC-1α的VEGF表达和血管生成增加的新触发因素，在肿瘤中，抑制GCN2的活性可降低VEGF的表达，减少血管生成和抑制肿瘤增殖。多数研究表明自噬具有促生存作用，且与氨基酸缺乏引起的GCN2激活密切相关，也有研究提到自噬会改变细胞内生态的平衡，进而导致细胞死亡，但尚未找到实质证据证明与GCN2相关，而GCN2激活后的促凋亡机制与糖酵解、CHOP促凋亡蛋白的上调以及细胞周期停滞3种途径有关。此外，GCN2的激活可减弱免疫应答，促进肿瘤的发生发展。

综上，本文从多个方向较全面地总结了GCN2的双重作用机制，GCN2的急性短时间激活可以促使细胞存活，其慢性持续性激活可以诱导细胞死亡，针对2种相反的机制可分别用于GCN2抑制剂和激动剂的开发。但是，GCN2在不同病理生理模型中与上下游通路的具体作用机制仍未阐明，尚需要进一步研究：（1）何种程度的应激属于慢性持续应激或急性短促应激，目前，仅能通过其表型判断，以及分析其下游的靶标表达来验证，但多数情况下其促细胞生存和促细胞死亡的靶标信息的表达是共存的，甚至受到其他ISR激酶调控的影响；（2）如何精准调控2种不同程度的应激在细胞生存和细胞死亡应答反应中的平衡，相关适应证的药物研发还处于临床前或早期临床阶段，尚未验证临床有效性；（3）GCN2的激活或抑制与多种疾病关联，在开发GCN2调节剂时应考虑如何避免GCN2的正向或反向调节中所伴随发生的不良反应，虽然目前所披露的GCN2抑制剂和激动剂均未发现明显的安全性问题，但其潜在的风险不可忽视。目前，GCN2的抑制剂和激动剂均有企业在研，特别是在肿瘤领域的开发应用，随着GCN2激酶的双重作用的关键调控机制的深入研究，GCN2抑制剂和激动剂有望得到进一步的开发，具有解决临床上肿瘤耐药的潜质。

来 源：陈 瀚，刘 鹏，王 瑞，李灵君，刘 巍．GCN2激酶及其抑制剂/激动剂研究进展 [J]. 药物评价研究, 2025, 48(7): 2016-2030.

来源：天津中草药一点号