缺氧誘導(dǎo)因子（HIF—1α）、M2型丙酮酸激酶（PK—M2）在腫瘤細胞中的研究進展

張楠 偰光華 廉卿 樸鶴云

【中途分類號】R473.73 【文章標(biāo)識碼】A 【文章編號】1004-7484（2014）02-0500-02

缺氧誘導(dǎo)因子-1α（HIF-1α）是一個缺氧條件下穩(wěn)定，在正常氧分壓時通過泛素-蛋白體酶系統(tǒng)水解的蛋白質(zhì)。國內(nèi)目前尚缺乏HIF因子與PKM2在腫瘤細胞中的表達以及相互關(guān)系的研究報道。本文擬就HIF因子與PKM2之間存在的聯(lián)系以及可能存在的幾種分子通路的研究進展作一介紹。

1 缺氧引導(dǎo)因子（HIF）的結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)節(jié)

缺氧是腫瘤普遍存在的現(xiàn)象，由于腫瘤的快速生長以及血供相對不足導(dǎo)致其微環(huán)境處于相對乏氧狀態(tài)，此時腫瘤細胞可表現(xiàn)出向周圍組織浸潤生長、轉(zhuǎn)移等生物學(xué)特性。而缺氧誘導(dǎo)因子HIF在這些過程中起著中樞紐帶的作用，它通過反式激活作用于缺氧反應(yīng)元件HRE，激活下游靶基因的表達，改變組織的血管生成和代謝變化來維持氧的穩(wěn)態(tài)，對腫瘤組織還參與其發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移。生化研究表明，HIF-1是一個異源二聚體，由120-KDa HIF-1α亞基和91-94 KDa的HIF-1β/ARNT亞基組成，兩亞基均屬bHLH -PAS家族的成員。其中α亞基還包括HIF-2α和HIF-3α兩種成員，但在組成異源二聚體時只有一種α亞基與β亞基結(jié)合。α亞基及β亞基具有以下共同特點：1）具有基本的螺旋-環(huán)-螺旋（bHLH）結(jié)構(gòu)域，介導(dǎo)二聚體形成；2）具有PAS區(qū)域，與bHLH共同構(gòu)成一個蛋白/蛋白二聚體功能界面；3）C末端有兩個反式激活結(jié)構(gòu)即N-TAD和C-TAD，對反式激活起調(diào)節(jié)作用。其中在N-TAD中含有一約200個氨基酸結(jié)構(gòu)，是降解作用部位及降解必需結(jié)構(gòu)，稱為氧依賴的降解結(jié)構(gòu)域。氧分壓是調(diào)節(jié)HIF-1α的主要生理性因素，一般認為缺氧依賴的HIF-1α激活是一個多步驟和多因子參與的過程。缺氧時HIF-1α降解被抑制，在細胞內(nèi)積聚，HIF-1α與HIF-1β（ARNT）形成一個復(fù)合體。該復(fù)合體通過HIF-1α與基因組的調(diào)控元件結(jié)合，促進靶基因表達。而在正常氧分壓時，抑癌基因von Hipple-Lindau（VHL）的蛋白產(chǎn)物pVHL則直接引導(dǎo)HIF-1α多聚泛素化，被28S蛋白酶體降解而滅活。

缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1α作為一個缺氧誘導(dǎo)基因的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，與腫瘤的生長密切相關(guān)，參與調(diào)控腫瘤血管生成、糖代謝等多種靶基因的轉(zhuǎn)錄。免疫組織化學(xué)研究表明許多惡性腫瘤組織均異常表達HIF-1α，且與血管生成促進因子（VEGF）、葡萄糖轉(zhuǎn)運因子（Glut）、己糖激酶Ⅱ等因子的表達呈正相關(guān)，包括胃癌、鼻咽癌、前列腺癌等。蔣奕等人在缺氧條件下，通過合成小干擾RNA（siRNA）轉(zhuǎn)染腺癌細胞系BxPC-3從而沉默HIF-1amRNA，發(fā)現(xiàn)HIF-1α因子及丙酮酸激酶1（PK-1）、乳酸脫氫酶A（LDH-A）的表達均顯著下降，并促進檸檬酸合成酶（CS）的表達，從而抑制腫瘤細胞的糖酵解代謝。亦有大量免疫組織化學(xué)的研究表明，膽管癌細胞中高度表達HIF-1α，而VEGF、Glut-1、乙酰肝素酶亦呈高表達，與HIF-1α因子的表達呈正相關(guān)。

2 PKM2的結(jié)構(gòu)、功能及調(diào)節(jié)

丙酮酸激酶（PK）是糖酵解途徑中的一個關(guān)鍵酶。由兩種同源基因所編碼，并由于組織選擇性的特異性，LR型、R型、M1型、M2型四種同工型，通常均以四聚體的活性形式存在，胚胎和未分化或增生的組織主要表達M2型。研究表明，在惡性腫瘤組織中在ATP、1，6-二磷酸果糖，絲氨酸以及不同的癌蛋白之間的相互作用下，腫瘤細胞中M2-PK從四聚體向二聚體轉(zhuǎn)變，即使在血供極差以及供氧不足時仍能進行，有助于腫瘤細胞大量增生。因此在腫瘤細胞中，M2-PK通常以無活性的二聚體形式占據(jù)主要地位。美國學(xué)者孔（Kung）等研究發(fā)現(xiàn)PK-M2的活性提高后腫瘤生長受到抑制；而通過對AGX-257作用前后進行對比發(fā)現(xiàn)，活性低的PK-M2無法將糖酵解途徑中的中間體全部轉(zhuǎn)化為丙酮酸，導(dǎo)致這些中間體合成絲氨酸進入氨基酸代謝途徑，從而促進了腫瘤的生長。因此腫瘤型M2-PK正受到越來越多的重視。近年來，在消化道腫瘤中均發(fā)現(xiàn)M2-PK較正常組織差異顯著，并有學(xué)者認為M2-PK可作為消化道腫瘤的一種新的腫瘤標(biāo)志物。M2-PK的兩種存在狀態(tài)強活性四聚體以及低活化二聚體，兩者之間的比例不是固定不變的，而是受到其底物、糖代謝中間產(chǎn)物、癌蛋白等的影響。癌基因蛋白pp60v-src就是第一種發(fā)現(xiàn)的可影響M2-PK的癌基因，pp60v-src激酶可使M2-PK的酪氨酸殘基磷酸化從而影響M2-PK的活化狀態(tài)。糖酵解中間產(chǎn)物1，6-2磷酸果糖和活化劑絲氨酸可催化二聚體M2-PK向四聚體M2-PK轉(zhuǎn)化，從而有利于能量的再生，而當(dāng)1，6-2磷酸果糖下降到最小信號水平以下時，四聚體分解成無活性的二聚體。絲氨酸是有糖酵解的中間產(chǎn)物3-磷酸甘油和谷氨酰胺化的中間產(chǎn)物谷氨酸合成的，借糖酵解和谷氨酰胺化兩種途徑進行調(diào)控。

3 HIF-1α、M2-PK與膽管癌的關(guān)系

HIF-1α通過結(jié)合或者活化靶基因上低氧反應(yīng)元件所包含的共同結(jié)合位點5-RCGTG-3，從而在腫瘤發(fā)展過程中發(fā)揮作用。低氧誘導(dǎo)的上百種靶基因以HIF-l依賴的方式編碼蛋白，這些蛋白在腫瘤生物學(xué)的各個方面發(fā)揮重要作用，包括血管生成、細胞存活、能量代謝、侵襲和轉(zhuǎn)移等。在缺氧狀態(tài)下，腫瘤中的一些功能缺失的基因通過參與氧傳遞機制上調(diào)HIF-1α的表達以及HIF-1信號通路的活化。如在VHL相關(guān)的腫瘤中，VHL的功能缺失能夠抑制HIF-1α的泛素化降解，從而使HIF-1α蛋白含量增高；p53或腫瘤抑制蛋白磷酸酶及張力蛋白同系物（PTEN）的功能缺失均能導(dǎo)致HIF-1的活性增強。此外，細胞內(nèi)一些主要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的異常也能上調(diào)HIF-1α的表達。研究發(fā)現(xiàn)：腫瘤細胞中碎片基因-絲裂原活化蛋白激酶（Ras-MAPK），類固醇激酶共活化子（Src），磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶（蛋白激酶B）-雷帕霉素靶蛋白[PI3K-AKT（PKB）-mTOR]信號通路的活化能提高HIF-1α的表達，過表達胞外信號調(diào)節(jié)激酶1（ERK1）能顯著提高HIF-1的活性，pp60v-Src的活化能提高HIF-1α蛋白的合成。徐蓮等人在前列腺癌細胞中通過LY294002抑制Akt的磷酸化從而使氯化鈷模擬缺氧狀態(tài)下HIF-1α的表達下降，說明HIF-1α通過Akt通路影響腫瘤細胞的糖代謝。而何桂鈞等人在食管癌細胞株中通過Wortmannin阻斷PI3K/AKT途徑，然后檢測HIF因子及基因，糖酵解相關(guān)因子如己糖激酶（HK）-Ⅱ、葡萄糖載體蛋白（GLUT）-1、乳酸脫氫酶（LDH）-A及其基因后，發(fā)現(xiàn)常氧及缺氧條件下，Wortmannin能通過抑制食管癌細胞HIF-1a和糖酵解相關(guān)基因的表達導(dǎo)致乳酸水平降低，表明P13K/AKT—HIF-la途徑與食管癌細胞糖酵解通路密切相關(guān)。在缺氧狀態(tài)下，HIF-1可誘導(dǎo)ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01等相關(guān)糖酵解因子的表達。在低氧細胞中.HIF-1結(jié)合位點，和ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01這些酶的啟動子轉(zhuǎn)錄激活時被暴露，HIF-1通過激活這些位點來激活這些酶基因.從而誘導(dǎo)糖醇解酶的合成.促進糖酵解的進行。另外大部分糖酵解相關(guān)基因，如Gltu-1基因5端增強子存在27bp的缺氧相關(guān)元件（HRE）、PGK1基因5側(cè)翼的序列上有18bp的HRE，這些存在于糖酵解基因中片段極易與HIF-1結(jié)合，從而啟動轉(zhuǎn)錄。Daniel等人研究發(fā)現(xiàn)，PK-M2與HIF-1α關(guān)系密切，兩者共同促進腫瘤細胞能量的供應(yīng)。

4 結(jié)語

綜上所述，HIF-1α在腫瘤糖酵解中扮演十分重要的作用，HIF-1α可通過多種分子通路，如Ras-MAPK、Src、PI3K-AKT（PKB）-mTOR等誘導(dǎo)多種糖酵解因子的轉(zhuǎn)錄及活化。而PK-M2作為近年來計較重要的糖酵解關(guān)鍵酶也逐漸引起人們的重視，但HIF-1α與PK-M2之間的關(guān)系有待進一步深入研究。亦有研究指出，通過阻斷HIF-1α與糖酵解相關(guān)因子的聯(lián)系可抑制腫瘤的生長，因此亦寄希望研究清楚HIF-1α與PK-M2是否存在一種或多種分子通路，找到兩者之間的特異性靶點，通過分子技術(shù)阻斷此靶點，從而抑制腫瘤的糖代謝，誘導(dǎo)腫瘤細胞的凋亡。