结肠癌是具有高发病率和致死率的消化道癌症。治疗结肠癌的首选方案是外科手术治疗。但在中晚期结肠癌中,手术无法达到根治性切除,术后易于转移复发,降低治疗效果和患者生存期。寻找有效的针对结肠癌治疗的靶点是对结肠癌研究的重点方向之一。众所周知代谢重编程已成为癌症的一个主要特征。其中一种显著的代谢重编程特征是氮元素代谢的异常。本课题重点研究了谷氨酰胺代谢和尿素循环这两个重要的氮代谢过程在结肠癌中的改变和对结肠癌发生发展过程的影响。并希望找到与谷氨酰胺代谢及尿素循环过程相关的具有潜在临床意义的治疗靶点。在第一部分工作中我们首先得到了与谷氨酰胺代谢和尿素循环过程相关的36个基因,应用TCGA数据库中的结肠癌数据样本,通过Cox回归分析筛选出了3个与结肠癌预后相关的关键基因,即ASNS,CEBPA和CAD。并且发现这三个基因全部与天冬酰胺代谢相关。利用这三个基因在肿瘤组织中的差异表达可以将结肠癌患者分为生存期截然不同的两个聚类。我们进一步采用免疫组织化学染色、q RT-PCR和Western blot检测来自吉林大学中日联谊医院的16例结肠癌患者的癌组织和癌旁结肠组织中3个关键基因的表达,以验证我们构建的聚类模型。我们还利用生物信息学分析方法GO和GSVA分析两个聚类中生物功能和物质代谢相关通路的表达差异。再利用IPA基因互作网络系统预测分析ASNS和CEBPA的上下游关系和可能起到作用的上下游差异基因。最后利用XCell软件和TIDE系统算法分析两个聚类中的免疫细胞浸润差异和对免疫治疗的反应效果。结果发现:我们通过ASNS,CEBPA和CAD的表达差异构建了聚类模型,即Cluster1和Cluster2。Cluster1的生存期明显高于Cluster2。通过临床标本初步证实了我们所建立的聚类模型是具有实际临床意义的,还发现了ASNS和CEBPA基因的不同表达模式与结肠癌的TNM分期和淋巴结转移相关,而CAD的表达模式与术后肿瘤的转移和复发具有相关性。IPA分子机制预测表明,CEBPA是ASNS的上游调控因子,另外CREB、胰岛素和RNA Pol II是调控CEBPA和ASNS表达的关键上游因子。此外,TIDE算法分析发现Cluster2对于免疫治疗具有较好的反应。我们认为通过ASNS,CEBPA和CAD的不同表达模式可以预测结肠癌患者的预后以及接受免疫治疗的效果。我们第一章的工作主要是基于生物信息学方法进行的预测性研究,并经过了初步的实验验证。说明ASNS,CEBPA和CAD具有预测结肠癌预后的作用,以及作为结肠癌个体化治疗的新型靶点的潜质。我们在筛选与谷氨酰胺代谢和尿素循环过程相关的肿瘤预后基因时,除了确定了3个关键基因外,还筛选出了CPS1这一直接参与到尿素循环过程的基因。因此决定重点研究CPS1在结肠癌中的作用。通过细胞生物学、分子生物学以及代谢组学实验研究方法,探讨CPS1对结肠癌细胞的生长增殖等生物学行为的影响,并进一步研究其中的分子机制。我们应用慢病毒转染敲除了结肠癌细胞株Hct116中的CPS1基因,随后我们通过CCK8实验,细胞划痕实验,细胞凋亡和周期实验,以及裸鼠皮下移植瘤实验去研究敲除CPS1对Hct116细胞增殖迁移等生物学行为的影响。再通过代谢组学研究方法,Western Blot等实验方法研究其中的分子机制并找出CPS1作用的分子通路。结果显示:敲除CPS1可以加强结肠癌细胞株Hct116的增殖、迁移能力和成瘤作用。因此CPS1在结肠癌细胞中起抑癌作用。CPS1的差异表达使得细胞内多种代谢物水平发生改变,其中主要以核苷酸、氨基酸和脂质类为主。CPS1主要作用于AMP-AKT/AMPKm TOR通路和AMPK-FOXO1通路,使其异常表达活化,从而发挥抑癌作用。我们从宏观和微观的角度阐述了CPS1在结肠癌中发挥的作用。CPS1作为结肠癌的抑癌因子在今后的结肠癌个体化治疗中能发挥重要的作用,具有成为结肠癌分子治疗的靶点和预后标志物的潜质。