腫瘤糖代謝機制的研究進展

彭 瑞，趙 麗，趙 琦，相綠竹，王 曄 綜述，牟曉峰△ 審校

1.青島大學醫(yī)學部，山東青島 266003；2.山東省青島市中心醫(yī)院檢驗科，山東青島 266042

代謝重編程是癌癥的重要標志之一，為了滿足細胞快速、持續(xù)增殖對于物質及能量的需求，腫瘤細胞中多種代謝途徑將發(fā)生變化，主要包括有氧糖酵解、脂質生物合成和谷氨酰胺代謝，其中最經典的是有氧糖酵解。細胞通過糖酵解最終將葡萄糖代謝為乳酸，該過程能夠產生能量，但是該途徑產生的能量遠低于三羧酸循環(huán)每次產生的能量。腫瘤細胞需要高效率的糖酵解，為了實現(xiàn)這一需求，腫瘤細胞通過增加葡萄糖轉運蛋白(GLUT)或者是各種關鍵酶來提高效率，以達到促進營養(yǎng)物質高效進入細胞并參與代謝的目的。因此通過靶向轉運蛋白及各種關鍵酶有望成為腫瘤治療的藥物靶點，通過靶向干預能夠抑制腫瘤細胞的代謝途徑，進而導致腫瘤細胞因無足夠的能量供應而死亡。

1 糖代謝

1.1正常糖代謝 葡萄糖主要的生理功能是作為碳源及能源物質為機體生命活動供能、合成生物大分子原料及分解相關物質以滿足細胞生長與增殖的需要，葡萄糖的能量轉換主要有以下3種途徑：糖的有氧氧化、無氧氧化(糖酵解)及磷酸戊糖途徑。葡萄糖或糖原在缺氧條件下，分解為乳酸同時產生少量腺苷三磷酸(ATP)的過程稱為糖酵解。糖酵解是所有生物進行葡萄糖氧化分解代謝所必須經過的階段。

葡萄糖通過GLUT進入細胞，首先通過糖酵解過程，在己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)、丙酮酸激酶(PK)這3種限速酶及其他非限速酶的作用下產生丙酮酸。正常氧濃度下，丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙酰輔酶A，之后通過一系列限速酶及非限速酶的作用徹底氧化分解產生能量。葡萄糖通過糖酵解——三羧酸循環(huán)氧化磷酸化途徑消耗O2，從而徹底分解葡萄糖，1 mol葡萄糖最終代謝可產生36 mol ATP，是細胞代謝的最重要的途徑。無氧條件下，正常細胞通過糖酵解途徑產生的丙酮酸不再進入三羧酸循環(huán)，而是在細胞質中通過乳酸脫氫酶(LDH)生成乳酸，該方式產生ATP較少，1 mol葡萄糖僅產生2mol ATP，是細胞在無氧或缺氧情況下一種代償?shù)拇x模式。

1.2瓦博格效應 在20世紀20年代，德國生理學家瓦博格發(fā)表了一項開創(chuàng)性的觀察結果，即與正常細胞比較，腫瘤細胞消耗更多的葡萄糖。瓦博格通過比較肝癌組織與肝癌旁組織，發(fā)現(xiàn)與肝癌旁組織比較，肝癌組織耗氧量明顯減少，然而葡萄糖代謝率及乳酸產生率升高[1]。瓦博格認為即使在有氧狀態(tài)下，腫瘤細胞仍會優(yōu)先選擇糖酵解，而不是選擇能夠高效產能的氧化磷酸化以提供腫瘤細胞所需能量，這種現(xiàn)象稱之為“瓦博格效應”，即有氧糖酵解[2]。

“瓦博格效應”主要是腫瘤為了適應外界環(huán)境所進行的代償活動。一方面，高效率有氧糖酵解為腫瘤細胞增殖提供便利，首先它允許腫瘤細胞利用細胞外營養(yǎng)物質產生豐富的ATP，盡管有氧糖酵解過程中每分子葡萄糖產生的能量不及氧化磷酸化產生的能量，但是在葡萄糖量充足的情況下，有氧糖酵解產生ATP的速率可以超過氧化磷酸化產生ATP的速率。另一方面，有氧糖酵解為細胞提供生物合成途徑所需的中間產物，包括核苷酸合成所需的核糖，脂質合成所需的甘油、枸櫞酸鹽和非必需氨基酸等，葡萄糖還可以通過磷酸戊糖途徑產生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。因此，“瓦博格效應”利于腫瘤細胞生物能量學及生物合成。

2 影響有氧糖酵解的因素

與正常細胞比較，腫瘤細胞表現(xiàn)出高效的有氧糖酵解速率，腫瘤細胞需要增加葡萄糖通量，提高腫瘤細胞攝取葡萄糖的效率。因此，GLUT及糖酵解限速酶如HK、PFK、PK等酶的活性與蛋白質表達水平在腫瘤細胞中均明顯上調。

2.1葡萄糖的轉運 葡萄糖是親水性的，它不能穿透疏水性細胞膜，因此需要特殊類型的跨膜轉運蛋白進行轉運。葡萄糖是腫瘤細胞的主要能源物質，大量消耗葡萄糖不可避免地增加了葡萄糖的攝入，因此大多數(shù)腫瘤細胞的GLUT表達明顯上調，如肺癌[3]、肝癌[4]、乳腺癌[5]、宮頸癌[6]等。目前GLUT已鑒定出14種亞型，其中GLUT1、GLUT2(SLC2A2)、GLUT3(SLC2A3)及GLUT4(SLC2A4)這4種亞型研究最多，而不同的亞型介導不同的過程，在葡萄糖攝取、代謝等方面均發(fā)揮著重要的作用。GLUT1是最早發(fā)現(xiàn)的，惡性腫瘤中的GLUT1常常過表達。癌基因與抑癌基因可以調節(jié)GLUT1，如c-myc可以使細胞內GLUT1過表達，引起葡萄糖攝取增加。P53等抑癌基因可以抑制細胞中GLUT1的表達，使葡萄糖攝取減少進而抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。GLUT3在大多數(shù)癌細胞中表達，但是在正常細胞中往往是不表達的。通過靶向GLUT可以抑制有氧糖酵解程度，進而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

2.2有氧糖酵解相關酶 糖酵解是一個復雜的過程，以葡萄糖為起點，經過多種非限速酶及限速酶的催化，最終形成乳酸。經典的糖酵解主要涉及3種限速酶，分別是HK、PFK、PK。3種酶介導不同的過程，在糖代謝中發(fā)揮著重要的作用。

第1個限速酶是HK，其催化葡萄糖轉化為葡萄糖-6-磷酸的過程，由于葡萄糖-6-磷酸是糖酵解、磷酸戊糖途徑、糖原合成等過程的共同中間產物，因此這個過程稱為糖代謝過程中最為關鍵的一步，而HK也成了最重要的限速酶。HK有4種亞型HK1、HK2、HK3、HK4，其中HK2在正常細胞中幾乎不表達，其表達在惡性腫瘤中有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，HectH9可以通過激活HK2和甘油醛-3-磷酸脫氫酶的轉錄，增加腫瘤細胞對葡萄糖的攝取，提高有氧糖酵解速率，加快乳酸分泌，從而刺激小鼠和人類肺癌細胞的有氧糖酵解依賴性轉移[7]。人乳頭瘤病毒E6/E7致癌基因可以通過直接上調HK2的表達，導致人乳頭瘤病毒陽性細胞的代謝重編程[8]。

第2個限速酶是PFK，其催化6-磷酸果糖為1，6-二磷酸果糖，這是糖酵解途徑中的關鍵調控步驟。 哺乳動物中PFK主要存在3種形式，分別為肌型PFK、血小板型PFK及肝臟型PFK，在腫瘤中肝臟型和血小板型則更加豐富。PFK主要有2種構象：基本沒有活性的二聚體和活性非常高的四聚體。2，6-二磷酸果糖是PFK1的變構激活劑，來源于6-磷酸果糖-2-激酶果糖-2，6-二磷酸酶4(PFKFB4)，這是一種兼具激酶活性和磷酸酶活性的酶，且2，6-二磷酸果糖的水平取決于激酶和磷酸酶的相對活性。研究發(fā)現(xiàn)，PFKFB4可以使類固醇受體共激活因子3的絲氨酸857位點磷酸化，增強其轉錄活性進而促進乳腺癌的侵襲及轉移[9]。PFKFB4高表達的乳腺癌患者表現(xiàn)出不良的總體生存期及預后，已證明PFKFB4是乳腺癌的獨立預后因素[10]。

第3個限速酶是PK，PK可以把磷酸烯醇式丙酮酸轉化為丙酮酸,同時生成ATP。PK具有4個同工型：L、R、M1和M2。PKL、PKR、PKM1多在正常組織中表達，而PKM2在高度增殖的細胞中特別表達，是葡萄糖代謝過程中的重要限速酶。PKM2可以通過翻譯后修飾發(fā)揮其作用，包括磷酸化[11]、O-乙酰氨基葡萄糖(O-GlcNAc)修飾[12]、乙?；痆13]，琥珀?；痆14]和甲基化[15]。例如，體外結合和激酶測定表明PKM2在Ser20，Ser141和Ser192/197處直接磷酸化PAK2并使其表達下降進而降低胰腺導管腺癌細胞的轉移能力[16]。PKM2通過O-GlcNAc修飾抑制其催化活性，從而促進有氧糖酵解和腫瘤生長[17]。在正常的葡萄糖條件下，去乙?；牟痪缓颂呛说鞍?hnRNP)A1減少了原發(fā)性肝癌細胞中的PKM2，增加了PKM1的選擇性剪接，導致PK的代謝活性降低[18]。

除以上3種限速酶外，LDH通過電子受體NAD的再生在有氧糖酵解中發(fā)揮關鍵作用。在腫瘤細胞中，LDHA催化丙酮酸變?yōu)槿樗幔龠M乳酸堆積、降低pH值，為腫瘤微環(huán)境提供必要條件[19]。EWS-FLI1是尤因肉瘤的致癌驅動因子，其可以通過調節(jié)LDHA的表達進而影響腫瘤糖代謝過程，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)運用LDHA特異性抑制劑處理后可以阻斷有氧糖酵解過程，影響腫瘤的發(fā)展[20]。

3 腫瘤有氧糖酵解信號通路

腫瘤有氧糖酵解能量代謝調控機制主要包括致癌性代謝調控和抑癌性代謝調控。致癌性代謝調控主要包括myc、Ras等促癌基因及PI3K-Akt-mTOR等代謝通路。抑癌性代謝調控主要涉及P53、PTEN等抑癌基因。通過這些基因或者通路的調控對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、惡性表型起到關鍵性的作用。

3.1致癌性調控 myc基因家族有多種基因型，包括c-myc、L-myc、s-myc、N-myc。這些基因在腫瘤中可以通過擴增，編碼轉錄因子發(fā)揮作用，其中研究最為廣泛的是c-myc。c-myc可以調控多種糖酵解基因的轉錄過程。c-myc可以與HK2的調節(jié)區(qū)域結合，進而在腫瘤有氧糖酵解中發(fā)揮重要作用[21]。PK催化糖酵解的最后一步，PKM2僅存在于可以自我更新的組織，如干細胞、腫瘤等。c-myc可以直接在PKM2啟動子區(qū)域富集，上調PKM2的表達，從而促進腫瘤有氧糖酵解[22]。另外c-myc可以通過間接調節(jié)hnRNP蛋白進而誘導PKM2剪接，從而促進有氧糖酵解[23]。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶是糖代謝途徑的關鍵酶，研究證明，c-myc可以與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的啟動子區(qū)域結合促進其表達，從而促進磷酸戊糖途徑[24]?？傊琧-myc可以通過上調各種葡萄糖代謝基因，重新編程葡萄糖代謝途徑并促進有氧糖酵解。

Ras介導的代謝重編程在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。研究證明，Ras可以促進有氧糖酵解，為腫瘤細胞提供代謝能量。Ras信號通路激活后可以通過多種酶促進有氧糖酵解產生乳酸、α-酮戊二酸等。Ras可以通過增加細胞膜表面GLUT1的表達來促進有氧腫瘤細胞攝取葡萄糖，進而增加有氧糖酵解效率[19]。另外，PI3K-Akt-mTOR信號也是葡萄糖攝取的主要調節(jié)劑，可促進GLUT1中mRNA的表達及GLUT1蛋白從內膜向細胞膜表面的轉運，進而促進糖酵解。PI3K-Akt-mTOR信號轉導通路在多種腫瘤發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，是目前腫瘤預防和靶向治療的熱點。

3.2抑癌性調控 P53是最關鍵的抑癌性基因，在惡性腫瘤中，50%以上會出現(xiàn)該基因的突變。P53通過編碼轉錄因子影響細胞周期。P53可以通過多種途徑調節(jié)有氧糖酵解過程。一方面，P53通過調節(jié)GLUT1、GLUT4的表達調節(jié)葡萄糖攝取效率，進而影響有氧糖酵解[25]。另一方面，P53可以通過調節(jié)TP53介導的糖酵解和凋亡誘導因子的表達來抑制有氧糖酵解[26]。除此之外，P53還可以通過調節(jié)線粒體呼吸功能、磷酸戊糖途徑、糖酵解相關酶等抑制腫瘤有氧糖酵解功能[27]。

PTEN是一種抑癌基因，是人體腫瘤中最常發(fā)生突變的基因之一，在肺癌、腸癌、子宮內膜癌、前列腺癌等惡性腫瘤中均有突變。PTEN 蛋白主要通過PI3K/Akt、局部黏著斑激酶和絲裂原活化蛋白激酶這3條信號通路發(fā)揮抑制腫瘤的作用。其中，PI3K/Akt通路是最經典的通路。PTEN通過抑制PI3K/Akt通路的失活來抑制腫瘤的發(fā)生[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，磷酸甘油酸激酶1(PGK1)可以作為糖酵解酶發(fā)揮作用，或者發(fā)生磷酸化作為蛋白激酶發(fā)揮其作用。PTEN直接與PGK1相互作用控制腫瘤的有氧糖酵解過程。PTEN編碼的蛋白質具有磷酸酶活性，可以抑制磷酸化的PGK1，從而抑制有氧糖酵解和腫瘤細胞增殖[29]。

4 非編碼RNA與腫瘤有氧糖酵解之間的關系

很多非編碼RNA，如微小RNA(miRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)等，在介導腫瘤糖代謝過程中發(fā)揮重要作用。

4.1miRNA與有氧糖酵解之間的關系 miRNA是由內源性基因編碼的長度約20～24個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，參與轉錄后基因的表達調控。miRNA在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。miRNA-135可以通過靶向PFK1抑制胰腺導管腺癌有氧糖酵解過程，增加其葡萄糖的利用以支持三羧酸循環(huán)，促進胰腺導管腺癌的發(fā)生發(fā)展[30]。miRNA-338可以直接抑制肝臟型PFK的表達而對肝癌發(fā)揮抑制作用[31]。miRNA-885-5p可以通過HK的3′UTR來調控HK2在腫瘤中的表達[32]。研究證明，miR-142-3p可以靶向作用于LDHA，作為肝細胞癌的腫瘤抑制因子進而抑制腫瘤的生長、遷移、侵襲等[33]。

4.2lncRNA與腫瘤有氧糖酵解之間的關系 lncRNA是一類長度大于200個氨基酸的非編碼單鏈RNA分子，其在轉錄、沉默、激活、染色體修飾、核內運輸?shù)染哂兄匾墓δ?。lncRNA PVT1通過競爭性結合膽囊癌細胞中的內源性miR-143來調節(jié)HK2表達，進而影響腫瘤有氧糖酵解過程與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[34]。lncRNA UCA1通過下調miR-182的表達抑制miR-182與果糖2,6-雙磷酸酶結合，進而調節(jié)膠質母細胞瘤的有氧糖酵解及侵襲過程[35]。

4.3環(huán)狀RNA(circRNA) circRNA是一類特殊的非編碼RNA，與線性RNA不同，circRNA分子為封閉環(huán)狀結構，不受RNA外切酶影響，表達更穩(wěn)定，不易降解，在基因表達調控層面發(fā)揮著重要的作用。研究證明circRNA在腫瘤糖代謝中發(fā)揮著重要的作用，主要通過以下2種機制發(fā)揮作用：一方面，circRNA可以充當miRNA分子海綿，通過海綿作用結合miRNA，間接調控其下游靶基因的表達從而調控基因轉錄。研究發(fā)現(xiàn)，烯醇化酶1(ENO1)是一種糖酵解酶，在葡萄糖代謝中起關鍵作用，在腫瘤的進展中發(fā)揮著重要的作用。肺腺癌中，circ-ENO1可以充當海綿與miRNA-22-3p相互作用并上調ENO1的表達，進而促進肺腺癌中的有氧糖酵解與腫瘤進展[36]。另一方面，circRNA通過與RNA結合蛋白的結合來調控蛋白功能。研究發(fā)現(xiàn)轉錄因子CUX1和circ-CUX1促進神經母細胞瘤中的有氧糖酵解和腫瘤進程，circ-CUX1可以與EWS RNA結合蛋白1結合，促進其與myc相關的鋅指蛋白(MAZ)的相互作用，從而導致MAZ的反式激活及CUX1的表達，進而改變腫瘤相關基因的轉錄，促進腫瘤的進展[37]。

5 腫瘤糖代謝的研究前景

細胞代謝異常是腫瘤發(fā)生發(fā)展的關鍵特征，糖代謝異常是其中最基本的特征。通過靶向腫瘤細胞糖代謝過程，修正細胞代謝異常成為預防腫瘤發(fā)生發(fā)展和治療腫瘤的新思路。目前，越來越多的研究人員聚焦于靶向腫瘤糖代謝的研究，一批靶向腫瘤糖代謝的藥物正在臨床試驗階段。但是腫瘤細胞糖代謝過程復雜，與其他學科存在交叉，運用靶向藥物在降低腫瘤異常糖代謝的同時會引起其他反應代償性激活，從而降低糖代謝抑制效能。未來將繼續(xù)深入腫瘤糖代謝研究，注意與其他代謝途徑及影響因素結合，多學科共同合作，基礎聯(lián)合臨床，為腫瘤治療創(chuàng)造新機遇。