Warburg效應及其對腫瘤轉移的影響

魏慧君 郭麗麗 李林 綜述 周清華 吳志浩 審校

腫瘤是以細胞異常增殖為特點的一大類疾病，其種類繁多，具有不同的生物學行為和表現(xiàn)，其中惡性腫瘤對人類健康的危害最為嚴重。據(jù)相關資料顯示在我國城市居民疾病死因居于第一位的便是惡性腫瘤。惡性腫瘤的主要特征之一是腫瘤轉移。研究[1]顯示雖然只有1%的原發(fā)腫瘤細胞可完成轉移的全部過程，但卻導致了超過90%的癌癥患者的死亡。因此，轉移是惡性腫瘤最后的，最具破壞性的階段，也是導致癌癥死亡的主要原因[2]，腫瘤侵襲轉移是一個連續(xù)、漸進的多因素、多步驟動態(tài)的過程，大部分的研究也都集中于導致和影響轉移的相關分子機制上。近幾年腫瘤代謝成為了人們的關注熱點，部分研究表明腫瘤為了逃避代謝壓力，發(fā)生了轉移，而這個過程中通常伴隨了能量代謝的重編程。這種能量代謝的重編程會使得腫瘤細胞獲得相關的能力來逃避正常的細胞凋亡程序，進行增殖和遷徙。

正常細胞體內，葡萄糖會維持一個平衡狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)時，葡萄糖會轉變?yōu)楸徇M而轉變?yōu)槿樗幔斞鹾空r，丙酮酸會進入三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle, TCA）循環(huán)。而腫瘤細胞即使在有氧情況下也不利用線粒體氧化磷酸化產能，轉而利用有氧糖酵解，即瓦博格效應（Warburg effect）[3]。盡管Warburg效應的機制并未被完全闡明，但是人們已經研究證實了一些關鍵的調控機制與其密切相關，譬如線粒體氧化磷酸化損傷、糖代謝酶表達異常、癌基因激活、抑癌基因失活和腫瘤微環(huán)境改變等[4]。而且有研究[4]表明，這種代謝重編程過程與腫瘤轉移有著密不可分的關系，因此本文將對Warburg效應及其與腫瘤轉移的關系進行綜述。

1 Warburg效應及其發(fā)生機制

正常細胞體內，葡萄糖會維持一個平衡狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)時，葡萄糖會轉變?yōu)楸徇M而轉變?yōu)槿樗?，當氧含量正常時，丙酮酸會進入TCA循環(huán)。而腫瘤細胞的一個普遍特點是即使在氧含量正常的情況下，葡萄糖攝取量和乳酸的積累量也會逐漸升高，利用糖酵解作為主要能量代謝的來源，獲得更高的糖分解能力，使得葡萄糖轉變?yōu)槿樗醽懋a生ATP，這種現(xiàn)象我們稱為Warburg效應[3]。

Warburg效應代表著腫瘤細胞對葡萄糖利用方式由氧化磷酸化到糖酵解的轉變，現(xiàn)在被認為是腫瘤的一大特征。這種能量代謝的改變受復雜因素的調控，包括腫瘤微環(huán)境的壓力和基因的改變等。一方面增強糖酵解作用，一方面抑制線粒體氧化磷酸化[4]。Warburg內在機制十分復雜，尚未完全闡明，近年研究提出并證實了相應的一些調控機制。

1.1 癌基因和抑癌基因異常 腫瘤細胞糖酵解活性受癌基因和抑癌基因的調控。癌基因有促進細胞糖酵解和削弱線粒體氧化磷酸化功能的作用，抑癌基因可以抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。癌基因的活化及過度表達和抑癌基因的失活可以異常調控糖酵解中的關鍵酶及重要蛋白分子，是致使腫瘤發(fā)生的主要原因。

如原癌基因Ras、Src基因突變激活后，變異的Ras[5]、Src[6]蛋白可以增加糖轉運載體的表達，增加糖攝取和糖酵解，不受上游信號控制，持續(xù)促進細胞增殖；AKT1通過增加葡萄糖轉運體4的表達，激活己糖激酶，刺激葡萄糖的攝取[7]；Myc的激活誘導糖酵解酶如乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH-A）和丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase, PDK1）的表達上調從而誘導糖酵解[8,9]。關于抑癌基因，現(xiàn)在越來越多的研究顯示，它們的失活是腫瘤發(fā)生侵襲生長的主要原因。nm23、p53在腫瘤轉移過程中已被確認有著較為重要的作用。nm23基因的低表達已經在多種高轉移性腫瘤中被證實，其表達異?？捎绊懳⒐芫酆?，導致染色體畸變和非整倍體形成從而驅動腫瘤轉移，也可通過影響細胞骨架構成或G蛋白介導的細胞信號轉導通路參與腫瘤的發(fā)生[10]；p53是一種重要的轉錄因子，也是腫瘤細胞中最常發(fā)生突變的抑癌基因，在調節(jié)線粒體呼吸和與糖酵解方式之間的平衡中發(fā)揮著重要作用[11]，他的突變可促進糖酵解和降低有氧呼吸，促使肝臟線粒體耗氧量下降，乳酸明顯增多。p53通過調節(jié)相關靶基因表達，例如TIGAR等來控制糖酵解與線粒體氧化磷酸化之間的平衡[12]。除此之外，近年另一個抑癌基因LKB1也成為了人們的關注熱點，他與AMPK形成的路徑被證明與腫瘤的發(fā)展轉移有著緊密聯(lián)系。

1.2 糖代謝中相關酶 代謝中一些關鍵酶在Warburg效應中起到了重要的作用，關鍵酶的代謝改變可導致糖酵解能力增強，促進腫瘤細胞葡萄糖的攝取，增加了乳酸的積累量，從而進一步支持腫瘤的生長發(fā)展。如己糖激酶-II（hexokinase-II, HK-II)、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase, PFK）、丙酮酸激酶、乳酸脫氫酶、磷酸甘油脫氫酶等等。其中關鍵酶的一個共同特點就是都轉變?yōu)榕咛喰蛠碇С衷鲋乘枰拇笠?guī)模代謝、合成[13]，為癌細胞提供了各種益處，譬如阻止細胞凋亡，增加侵襲性，對致癌作用有直接的影響。

糖異生途徑中一個限速酶——果糖1,6二磷酸酯酶催化F-1,6-BP轉化為F-6-P。有研究[14]表明在基底細胞樣乳腺癌（basal-like breast carcinoma, BLBC）細胞中，人果糖-1,6-二磷酸酶可以減少乳酸的產生，增加氧消耗，阻止糖酵解，增加氧化磷酸化，而FBP1的丟失可誘導糖酵解，導致葡萄糖攝入量的增高；還可以通過抑制線粒體復合物I活性來激活氧化產物從而抑制氧消耗。在控制糖酵解過程中，F(xiàn)BP1是snail的一個主要下游靶點，在乳腺癌中利用snail復合物可以抑制FBP1，沉默鈣粘著蛋白（E-cadherin）[15]，這樣的一個代謝重編程導致了腫瘤細胞中腫瘤干細胞（cancer stem cell, CSC）類似特性的增加和維持，促進腫瘤發(fā)生和轉移，在EMT和BLBC中是一個關鍵的致癌事件[14]。

有氧糖酵解是腫瘤細胞優(yōu)先選擇的代謝方式，活躍的糖酵解代謝有益于惡性腫瘤的增殖生存，增強癌細胞的侵襲能力[16]。

2 Waburg 效應對腫瘤轉移的作用

2.1 Warburg效應為腫瘤細胞提供生長增殖優(yōu)勢 癌細胞不同于正常細胞利用線粒體氧化磷酸化產能，它們大部分采取有氧糖酵解這種代謝方式，即Warburg效應。有氧糖酵解并不是有效的產能途徑，每分子葡萄糖經糖酵解生成乳酸只產生2分子ATP，而經TCA循環(huán)可產生36分子的ATP，但是對于快速增殖的腫瘤細胞而言，有氧糖酵解是更有利的代謝選擇[16]。腫瘤細胞受局部缺氧等微環(huán)境的影響，線粒體氧化磷酸化受到抑制，糖酵解可以補充產能，并且呈現(xiàn)較高的ATP/ADP比率[17]，而且有氧糖酵解滿足了快速增殖的癌細胞對于大分子合成代謝的需要，提供了大量的代謝前體物質，其產生的大量碳水化合物代謝產物都分流進了各種生物合成途徑中。例如糖酵解中間產物6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、磷酸甘油醛-3-磷酸轉變成了5-磷酸核糖，合成核酸；磷酸烯醇式丙酮酸及丙酮酸可以合成氨基酸；G-6-P可以通過戊糖磷酸途徑產生NADPH合成脂肪酸等，這都為腫瘤細胞提供了生長優(yōu)勢[3]。提高了腫瘤細胞的增殖生存能力，也是腫瘤細胞能夠發(fā)生侵襲轉移的基礎。

2.2 Warburg效應幫助腫瘤細胞逃避失巢凋亡 失巢凋亡，一種特殊的細胞程序死亡，是由于細胞與細胞外基質或相鄰細胞脫離接觸而誘發(fā)的。失巢凋亡作為一種特殊的程序化細胞死亡形式，在機體發(fā)育、組織自身平衡、疾病發(fā)生中起重要作用，是腫瘤轉移的一道障礙，也就是說拒絕失巢凋亡對癌細胞的轉移擴散很重要[18]。

腫瘤細胞中對于調節(jié)細胞失巢凋亡敏感性來說，葡萄糖代謝是一個決定性的因素，有氧糖酵解減少了葡萄糖的氧化代謝，使得癌細胞對失巢凋亡的抵抗性增加，機制[16]在于有氧糖酵解中，PDKs、LDH等酶高表達，PDH等低表達，可以為癌細胞提供失巢凋亡阻力，幫助脫離細胞基質的癌細胞逃避失巢凋亡，延長他們的生存[19]，有研究表明PDKs是不依賴貼壁細胞存活的重要調節(jié)基因，也是癌細胞轉移傳播的一個調節(jié)基因；其次有氧糖酵解可以使癌細胞避免產生過多活性氧（reactive oxygen species, ROS），保持在一個約化態(tài)，克服失巢凋亡。所以有氧糖酵解可以促使更多的葡萄糖流向PPP途徑，產生還原產物NADPH，作為細胞內主要的抗氧化劑保護細胞免受ROS影響，而且通過降低線粒體氧化代謝，避開ROS過表達，提高抗氧能力，保持氧化還原動態(tài)平衡，促進失巢凋亡的抵抗和腫瘤的轉移。

2.3 Warburg效應下的腫瘤微環(huán)境對轉移的影響

2.3.1 重要的中間產物——乳酸 乳酸是糖酵解的最終產物，也是一種微環(huán)境因子。在腫瘤細胞中，葡萄糖經有氧糖酵解生成乳酸，其積累量不斷增加造成了微環(huán)境的酸化。在實體瘤中乳酸的累積是惡性腫瘤發(fā)展中一個關鍵的早期事件，腫瘤乳酸代謝與癌侵襲性密切相關，腫瘤的乳酸量與遠距離轉移的發(fā)生率有正面聯(lián)系，利用其可以預測腫瘤轉移及患者的存活率[13]。研究[20]發(fā)現(xiàn)乳酸可以促進細胞遷移和聚集，促進免疫逃逸，誘導腫瘤轉移。具體的機制在于：腫瘤細胞通過乳酸誘導的分泌物血管內皮生成因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）來為增殖確保充足的氧和營養(yǎng)物，導致新血管生成，為細胞遷移創(chuàng)造環(huán)境，導致遷移增多。當腫瘤細胞釋放大量乳酸到細胞外時，由于細胞內外乳酸濃度比率的變化，免疫細胞不能釋放自身乳酸出去，從而最終因為自身乳酸窒息而亡，導致免疫逃避，從而促進腫瘤轉移[21,22]。腫瘤細胞借助單羧基轉運體（monocarboxylate transporters, MCTs）分泌乳酸，Vegran等[23]證實乳酸可以通過MCT1、MCT4進入內皮細胞并轉運，刺激NF-κB/白細胞介素8通路引起細胞遷移和血管形成，而且伴隨著H+的運輸，細胞內pH下降，酸性環(huán)境導致細胞內毒性T細胞的功能也會下降。一系列的反應促進腫瘤細胞的免疫逃逸，為癌細胞營造更適合的環(huán)境來進行轉移侵襲，逃避了代謝壓力從而避免凋亡。乳酸的積累是腫瘤微環(huán)境改變的一個重要方面，是腫瘤細胞轉移的一個決定性事件。

2.3.2 缺氧誘導因子 快速生長的腫瘤細胞中，局部供氧量不足，通過上調糖酵解來代替氧化磷酸化不足來補償能量不足。缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factor, HIF-1α）是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一特異性缺氧狀況下發(fā)揮活性的轉錄因子，是細胞適應低氧狀態(tài)的關鍵分子[19]，他的活化可以誘導糖酵解酶及葡萄糖轉運載體基因的表達，并且通過轉錄活化PDK，細胞色素C氧化酶COX4-2亞型來抑制線粒體氧化代謝，從而上調腫瘤細胞的有氧糖酵解[24]。而葡萄糖消耗增加，氧化磷酸化減少及乳酸的生成積累又可以誘導HIF1α表達。例如在有氧糖酵解中，乳酸的積累造成的酸性缺氧環(huán)境，及Warburg激酶AKT[25]的活化都會促進HIF1α的轉錄和翻譯。HIF1α通過信號傳導促進腫瘤細胞增殖、啟動腫瘤血管新生和躲避細胞凋亡程序等來促進腫瘤轉移——在腫瘤細胞缺氧條件下，調節(jié)多種代謝靶基因的高表達，提高腫瘤細胞增殖活性；HIF1α對血管生成起著中樞調節(jié)作用，HIF的表達可增強VEGF基因表達，增強VEGF的轉錄活性，而VEGF作為誘導腫瘤細胞血管生成能力最強的細胞因子[26]，在HIF1α促進下使得腫瘤新生血管增加從而提高腫瘤侵襲轉移能力；腫瘤缺氧微環(huán)境中HIF1α高表達，存在了大量免疫抑制活性的細胞因子和生長因子促進了腫瘤細胞的免疫逃逸，而免疫細胞不但不能起到抗腫瘤的作用，反而促進了腫瘤細胞的侵襲和轉移，加速了腫瘤的演進。

2.4 Warburg效應可能誘導上皮間質轉化促進腫瘤轉移 上皮間質轉化（epithelial mesenchymal transition, EMT）是具有極性的上皮細胞轉換成為具有活動能力的間質細胞并獲得侵襲和遷移能力的過程，在腫瘤細胞侵襲過程中起著重要作用，與腫瘤細胞的侵襲和轉移關系密切，是許多腫瘤侵襲轉移的早期標志[27]。

Warburg效應對EMT的誘導可能涉及到了多種信號通路及分子機制，例如其中抑癌基因LKB1，轉錄因子snail等可能起到了一定作用。LKB1是一個已知的腫瘤抑制基因，在大多數(shù)癌癥患者中都發(fā)生了由于體細胞突變而導致的LKB1基因的丟失，這種突變廣泛存在于眾多類型的惡性腫瘤中，如肺癌、結腸癌、乳腺癌等，在非小細胞肺癌中突變率更高達15%-35%[28]。有研究[29]表明LKB1可調節(jié)E-cadherin的表達從而調控EMT，E-cadherin作為EMT的一種重要標記物受到很多轉錄因子調控，其中研究較多的snail家族可識別并與E-cadherin基因啟動子部位的E-box序列相結合，抑制其表達，近年一些研究證實，snail在一些惡性腫瘤中呈高表達，被認為是一個反映惡性腫瘤預后不良的重要生物學標記物。LKB1也許可以通過調控snail來對由Warburg誘導的EMT進行調節(jié)，從而調控腫瘤轉移，但是具體機制還有待研究。其他關于Warburg與EMT關聯(lián)的研究中，有實驗[30]顯示W(wǎng)arburg效應中一些相關酶，譬如檸檬酸鹽等的突變丟失可能促進EMT發(fā)生，推進腫瘤惡性發(fā)展。

3 展望

腫瘤細胞能量代謝較正常細胞發(fā)生了異常，是一個復雜的過程，尤其糖代謝過程雖然已經有了大量研究但是其中各關鍵點依然還有很多疑問亟待解決，他對腫瘤轉移的作用逐漸成為研究的熱點。腫瘤中的Warburg效應表現(xiàn)出腫瘤細胞的高糖酵解速率，不僅提供了能量還提供了用于細胞生物合成的大量中間產物，為腫瘤快速增殖提供了合適的能量和營養(yǎng)，保證了腫瘤細胞的快速生長，幫助其逃避了代謝壓力，譬如氧化損傷等，同時促進了腫瘤細胞的免疫逃逸，增加了他們的侵襲能力，為轉移提供了合適的環(huán)境和條件。所以研究Warburg效應中關鍵的調控點有助于揭示腫瘤細胞轉移的機制，為腫瘤的靶向性治療提供很好的方向和策略。