PKM2調(diào)控腫瘤細(xì)胞代謝的研究進(jìn)展

許昆 王子迎

（安徽大學(xué)，合肥 230601）

PKM2調(diào)控腫瘤細(xì)胞代謝的研究進(jìn)展

許昆 王子迎

（安徽大學(xué)，合肥 230601）

腫瘤細(xì)胞代謝的最重要特征是消耗大量的糖并產(chǎn)生乳酸。M2-型丙酮酸激酶 2（PKM2）在這種代謝表型中發(fā)揮決定性的作用，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn) PKM2 的過表達(dá)可明顯增強(qiáng) Warburg 效應(yīng)，促進(jìn)腫瘤生長。然而關(guān)于PKM2調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞代謝的機(jī)制仍然不是很清楚。當(dāng)前的研究也提出了一些新穎的PKM2調(diào)節(jié)腫瘤代謝的觀點(diǎn)。在總結(jié)當(dāng)前認(rèn)識的同時，提出一些本領(lǐng)域的未來可能的研究方向，重點(diǎn)突出腫瘤細(xì)胞中關(guān)于PKM2活性和特異性的爭議，并對PKM2潛在的治療策略進(jìn)行討論。

PKM2；腫瘤細(xì)胞代謝；Warburg效應(yīng)；糖酵解

1 PKM2：癌細(xì)胞代謝轉(zhuǎn)換的標(biāo)志

在糖酵解的最后一步，PK催化磷酸烯醇丙酮酸（PEP）為丙酮酸，同時產(chǎn)生一分子ATP［1］。在哺乳動物細(xì)胞共有4種PK亞型：PKM1、PKM2、PKL和 PKR［2］。PKLR和PKM兩個基因負(fù)責(zé)編碼這4種表型，并通過組織特異性啟動子［3］和選擇性剪切［4］來調(diào)控。在不同的組織中有不同的亞型，也行使著各自特異性功能。PKM1、PKM2 由PKM基因編碼，是在轉(zhuǎn)錄過程中由前體 mRNA 經(jīng)選擇性剪切的產(chǎn)物。PKM基因包含12個外顯子。PKM1 含有外顯子（1-8，9，11-12）主要存在成熟組織如腦組織與骨骼肌，與 PEP 底物的親和力最高，不能被磷酸化和被變構(gòu)化調(diào)控；而PKM2 則含有外顯子（1-8，10， 11-12）。其負(fù)責(zé)二聚體轉(zhuǎn)化成四聚體的 C 端 56 個氨基酸與 PKM1存在差別，主要存在一些分化組織、具有核酸合成特性的細(xì)胞中，如胚胎細(xì)胞［5］。

最早關(guān)于腫瘤異常代謝的研究是開始于1920年，Warburg［6］提出腫瘤的能量代謝是利用糖酵解而不是效率更好的線粒體有氧代謝。這種腫瘤代謝模式的結(jié)果是消耗大量的糖并產(chǎn)生乳酸，這種現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng)或者有氧糖酵解［7］。在過去的10年中，腫瘤易患體質(zhì)的遺傳學(xué)研究和對腫瘤基因組的高通量測序表明代謝酶的突變對腫瘤的發(fā)生起重要的作用［8］。緊接著利用生化方法對腫瘤有氧酵解的分子基礎(chǔ)的研究揭示了大部分的腫瘤細(xì)胞均高表達(dá)PKM2，且與腫瘤組織來源無關(guān)［9］。這些結(jié)果很快使得PKM2作為腫瘤治療的研究熱點(diǎn)。

近幾年對PKM2在腫瘤發(fā)生過程中的調(diào)節(jié)機(jī)制研究取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，PKM2的功能是多樣的，包括了合成代謝和對糖酵解的調(diào)節(jié)［10］。雖然對于PKM2功能、結(jié)構(gòu)及代謝的研究內(nèi)容已經(jīng)相當(dāng)豐富，但是在PKM2代謝調(diào)節(jié)及非糖酵解功能方面仍然有許多問題尚不清楚。本文總結(jié)了關(guān)于PKM2如何協(xié)調(diào)糖酵解及促進(jìn)腫瘤形成方面的最新進(jìn)展，以及PKM2怎樣通過糖酵解功能和控制基因表達(dá)促使腫瘤發(fā)生。另外還將針對調(diào)節(jié)PKM2活性的潛在治療策略進(jìn)行討論。

2 正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中PKM2的表達(dá)

作為調(diào)節(jié)糖酵解的關(guān)鍵酶，PK呈高度保守性。事實(shí)上，4種PK亞型序列非常相似。PKM1和PKM2均由PKM基因調(diào)控，PKM基因含有12個外顯子，而PKM1和PKM2的區(qū)別在于M1含9號外顯子，M2含10號外顯子。PKM轉(zhuǎn)錄后的差異剪切受hnRNPA1，hnRNPA2及PTB（也稱hnRNPAI）調(diào)控［11，12］，它們通過控制9號外顯子的剪切，促進(jìn)PKM2的表達(dá)。原癌基因和轉(zhuǎn)錄子c-Myc可以上調(diào)這3種hnRNP，從而促進(jìn)部分腫瘤中PKM2的表達(dá)［13］。胰島素和轉(zhuǎn)錄因子SP1、SP3、HIF-1（hypoxia inducible factor 1）也可以誘導(dǎo)PKM基因的轉(zhuǎn)錄［14-16］。在腫瘤中最常見的失調(diào)級聯(lián)信號通路之一，PI3KAKT-mTOR通路通過HIF-1誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活和依賴于c-Myc的hnRNPs上調(diào)，增強(qiáng)PKM2的表達(dá)［17］。

有學(xué)者提出，在腫瘤細(xì)胞中，PKM2會逐步取代組織特異性PK亞型，直到最后成為主導(dǎo)亞型［18］。這種亞型轉(zhuǎn)變暗示PKM2對腫瘤形成有著特別的功能。這一假說得到了研究支持，在轉(zhuǎn)化細(xì)胞中用PKM1取代PKM2可以延遲移植瘤生長［19］。

最近，一個針對PKM1和PKM2的蛋白質(zhì)組學(xué)分析在許多正常組織和癌癥組織中開展。這項(xiàng)研究表明在許多正常組織中PKM2仍是主要的PKM亞型，且在癌癥組織中PKM的兩種亞型都有成比例的增長。然而，在初期腫瘤組織中檢測到的PKM1蛋白可能來源于基質(zhì)細(xì)胞。一方面，這項(xiàng)研究表明PKM2確實(shí)在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)；另一方面，結(jié)果也證明在成人腫瘤組織中PKM2并不是單獨(dú)存在［20］。

PKM2有兩種主要的狀態(tài)，一種是有活性的四聚體形式，一種是活性較弱的二聚體形式［21］。研究發(fā)現(xiàn)二聚體狀態(tài)特異性存在于腫瘤細(xì)胞內(nèi)，并將此命名為Tumor-M2-PK［22］。這將有利于利用ELISA方法來檢查癌癥患者的血漿或和糞便中PKM2的二聚體形式。然而，到目前為止沒有文獻(xiàn)報道過只針對PKM2二聚體的抗體。相反，早期的關(guān)于PKM2活性的生化試驗(yàn)表明了PKM2單體（無活性）和四聚體（有活性）的存在，但是沒有發(fā)現(xiàn)PKM2的二聚體形式，即使在腫瘤組織中［23］。因此，需要更多的生化和功能試驗(yàn)研究胞內(nèi)是否存在PKM2的單體或者二聚體（或者兩者共存）。一個最新的結(jié)構(gòu)-功能分析表明有活性的四聚體實(shí)際上是兩個二聚體形成的二聚體，盡管還沒有報道，但是應(yīng)該存在一種二聚體的過渡態(tài)。有意思的是，最近在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)現(xiàn)了PKM2的二聚體形式（基于尺寸排阻的色譜層析法），它具有蛋白激酶的活性且可以促進(jìn)細(xì)胞增殖［24］。

總的來講，盡管PKM2在許多腫瘤中高表達(dá)，但是它似乎并非腫瘤細(xì)胞中PK的唯一亞型，也并非腫瘤細(xì)胞特有亞型。此外，關(guān)于腫瘤細(xì)胞中PKM2的低聚物狀態(tài)及對應(yīng)的活性特點(diǎn)還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

3 PKM2，復(fù)雜調(diào)控的模型

根據(jù)細(xì)胞的需求，細(xì)胞有多種調(diào)控PK的方式。PKM1是組成型活性四聚體，而其他亞型都能通過變構(gòu)調(diào)節(jié)來進(jìn)行高活性的四聚體與低活性的單體（或者之前提到的二聚體）之間的轉(zhuǎn)換［25］。PKM2四聚體對PEP有著高度親和性，促進(jìn)丙酮酸和ATP產(chǎn)生；相反，其單體對PEP親和性較低［26］。當(dāng)PKM2處于低活性形態(tài)時，所有的糖代謝中間產(chǎn)物可以加速成為生物合成所需要的前體，如氨基酸、核苷酸和磷脂合成（圖1）。因此，在PKM2占主導(dǎo)作用的腫瘤細(xì)胞內(nèi)，PKM2高活性/低活性比值決定了葡萄糖是用來產(chǎn)生能量還是合成代謝的前體［27］（圖1）。

在20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)糖酵解中間產(chǎn)物1，6-磷酸果糖（FBP）可能是PKM2的激活劑［28］，后來證實(shí)FBP與PKM2可逆性結(jié)合，并促進(jìn)PKM2四聚體結(jié)構(gòu)的形成，因此單體與四聚體轉(zhuǎn)換反映了葡萄糖可利用度的變化。在生理糖濃度時，PKM2大多處于高活性的四聚體形態(tài)，只有大約30%為單體；然而當(dāng)細(xì)胞內(nèi)FBP濃度降低時，如阻斷糖攝取后，PKM2大多處于低活性的單體狀態(tài)［29］。

圖1 PKM2亞型M2活性的變化對細(xì)胞代謝的影響

后來的體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)許多復(fù)合物，如氨基酸類和脂肪酸類，都是PKM2的調(diào)控子；在PKM2的體外酶活實(shí)驗(yàn)中，許多包含一個OH的分子，如絲氨酸、磷脂酰絲氨酸、甲醇和乙醇，都可以上調(diào)PKM2的酶活性；而某些氨基酸，如丙氨酸、苯丙氨酸和色氨酸則會抑制PKM2的活性［30］。此外，在v-Src轉(zhuǎn)化細(xì)胞中，PKM2的某個未確定的酪氨酸殘基被直接磷酸化，降低了PKM2活性。

有活性的PKM2四聚體與其他糖酵解酶，如己糖激酶、磷酸甘油醛脫氫酶、烯醇化酶、磷酸甘油酸變位酶及乳酸脫氫酶形成復(fù)合物［31］，磷酸化或者致癌事件會將PKM2從這些復(fù)合物上分離下來。糖酵解復(fù)合物的形成可以解釋PKM2如何調(diào)控丙酮酸生產(chǎn)乳酸而不是被氧化磷酸化。

4 PKM2調(diào)控模式的新認(rèn)識

近來許多的研究表明，PKM2通過與酪氨酸磷酸化多肽結(jié)合來抑制自身的活性，同時釋放FBP［32］。由受體酪氨酸激酶引發(fā)的酪氨酸磷酸化事件在腫瘤中常見，可調(diào)控糖代謝。有趣的是，PKM2的Tyr105也可以被成纖維生長因子受體-1（FGF-1）直接磷酸化，阻止FBP的結(jié)合，抑制活性四聚體形成［33］。這種PKM2活性抑制的機(jī)制在許多人類癌細(xì)胞系中都有發(fā)現(xiàn)。在不同的人腫瘤細(xì)胞系都有都對PKM2抑制機(jī)制有所描述，盡管PKM2磷酸化/非磷酸化形式比值尚不完全清楚。據(jù)猜測磷酸化調(diào)控的PKM2活性抑制可利于生長因子信號級聯(lián)促進(jìn)糖酵解中間體參與生物合成［34］。

研究發(fā)現(xiàn)，酵母中低的PK活性會促進(jìn)呼吸作用，卻不會積累活性氧簇（ROS）。實(shí)際上，低水平的PK酶活會促進(jìn)PEP的積累，進(jìn)而反饋抑制上游糖酵解酶TPI，增強(qiáng)戊糖磷酸途徑（PPP）的代謝流，增強(qiáng)細(xì)胞的抗氧化損傷能力（圖1）。據(jù)報道證實(shí)，哺乳動物癌細(xì)胞內(nèi)ROS水平的增加，會直接在Cys358位點(diǎn)氧化PKM2，抑制其活性。通過氧化抑制PKM2酶活有利于避免ROS損傷，因?yàn)樘荚囟冀?jīng)由PPP途徑代謝。這種機(jī)制可以幫助癌細(xì)胞控制ROS水平，在氧化應(yīng)激下生存。

PKM2乙?；橇硪粋€翻譯后修飾，針對營養(yǎng)環(huán)境，保持PKM2低活性并促進(jìn)更多的糖酵解中間代謝產(chǎn)物用于生物合成［35］。高糖環(huán)境可提高乙酰輔酶A的穩(wěn)態(tài)水平，引起P300/CBP關(guān)聯(lián)因子（PCAF）介導(dǎo)的PKM2 K305乙酰化。然而依賴于養(yǎng)分環(huán)境的蛋白乙酰化并非PKM2所獨(dú)用，其他的一系列代謝酶也有類似的修飾。這種新穎的PKM2抑制機(jī)制有兩個作用［36］：一是降低PKM2對PEP的親和性；二是通過分子伴侶依賴的自噬來調(diào)節(jié)PKM2的降解。用賴氨酸乙?；M物谷氨酰胺取代PKM2的乙?；荏w（Lys305）后，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都表明腫瘤細(xì)胞的增殖能力都得到了提高?？紤]到高糖水平會導(dǎo)致PKM2的乙?；ㄒ种谱饔茫┖虵BP的產(chǎn)生（激活作用），于是研究Lys305乙酰化如何影響FBP結(jié)合將變得很重要。

總的來說，有許多機(jī)制抑制PKM2活性，而PKM2的抑制會促進(jìn)細(xì)胞生物合成進(jìn)程，這也許能解釋為什么PKM2亞型能在腫瘤細(xì)胞中占據(jù)多數(shù)。PKM2能對養(yǎng)分和生長因子應(yīng)答，針對腫瘤細(xì)胞不斷變化的代謝需求迅速作出反應(yīng)。

5 PKM2的核內(nèi)非糖酵解功能

除了已經(jīng)研究得很清楚的細(xì)胞質(zhì)內(nèi)功能，細(xì)胞核內(nèi)也存在PKM2。PKM2的核移位依賴于其C端的核定位信號（NLS）［37］。有報道指出PKM2的核移位依賴于與SUMO泛素連接酶PIAS3的互作，后者可以促進(jìn)PKM2的類泛素化和核移位［38］。據(jù)推測，PKM2的核內(nèi)功能是多樣的（圖2）。核內(nèi)PKM2對白細(xì)胞介素刺激后的細(xì)胞增殖，和凋亡刺激后的細(xì)胞壞死是必須的，然而，這些事件的機(jī)制都尚未清楚。其他研究提出PKM2可激活轉(zhuǎn)錄因子，如β-catenin、Oct-4、Stat3和HIF-1等相互作用，促進(jìn)細(xì)胞生存和增殖［39］。

PKM2結(jié)合于EGFR信號激活的磷酸化β-catenin，能促進(jìn)β-catenin介導(dǎo)的cyclin D1的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而影響細(xì)胞周期；最近的研究表明，當(dāng)細(xì)胞膜上的表皮生長因子受體（EGFR）被生長因子激活之后，PKM2蛋白會移動到細(xì)胞核中，磷酸化組蛋白H3，調(diào)控下游細(xì)胞周期相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平，從而影響細(xì)胞周期［40-42］（圖2）。

圖2 PKM2對基因轉(zhuǎn)錄的影響［45］

在低氧條件下PKM2的表達(dá)可以被HIF-1激活［43］。然而，最近的研究指出癌細(xì)胞中也存在PKM2激活HIF-1的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。PHD3，一種HIF脯氨酰羥化酶，可以直接在Pro403和Pro308羥化細(xì)胞核內(nèi)的PKM2，使得PKM2結(jié)合并激活HIF-1，從而引起編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和糖酵解酶的相關(guān)基因反式激活［44］（圖2）。

總之，PKM2的核內(nèi)功能似乎與細(xì)胞增殖相關(guān)。這些功能獨(dú)立于或者互補(bǔ)于PKM2的胞質(zhì)內(nèi)功能。與PKM2不同，PKM1的核內(nèi)移位不會影響細(xì)胞的生長和生存。因此，PKM2的核內(nèi)活性（非糖酵解酶活）才是癌細(xì)胞中PKM2高表達(dá)的原因。

6 針對PKM2活性調(diào)節(jié)的潛在治療策略

PKM2是癌癥治療的重要靶標(biāo)，所以針對PKM2活性的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行模擬物或者拮抗物相關(guān)的藥物設(shè)計意義重大。一方面，PKM2在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)，因此抑制其活性會對腫瘤治療有益；另一方面，癌細(xì)胞中的許多翻譯后修飾機(jī)制會抑制PKM2活性，作為糖酵解中的重要的代謝酶，相對低的PKM2活性會促進(jìn)癌細(xì)胞增殖所必需的中間代謝產(chǎn)物的積累。因此，設(shè)計藥物使PKM2面對抑制信號時仍保持活性，這可能會抑制癌細(xì)胞擴(kuò)增。

事實(shí)上，PKM2的激活劑和抑制劑都已經(jīng)被嘗試用于阻止癌細(xì)胞增殖［46］。起初，人們發(fā)現(xiàn)具有亞型特異性和高效力（體外）的PKM2抑制劑確實(shí)會阻礙腫瘤細(xì)胞的增殖。最近，據(jù)報道，一種具有已知抗癌作用的中國草本藥物紫草素（shikonin）可以抑制PKM2活性，誘導(dǎo)細(xì)胞壞死［47］。

盡管抑制PKM2活性可以阻礙癌細(xì)胞增殖這一觀點(diǎn)得到實(shí)驗(yàn)支持，但是也有研究表明，在體內(nèi)試驗(yàn)中，用具有組成型活性的PKM1代替被嚴(yán)格調(diào)控的PKM2可以大大減緩癌細(xì)胞的增殖［48］。這些結(jié)果使得PKM2的激活成為一個令人關(guān)注的治療策略，它可以使腫瘤細(xì)胞代謝正?；?，糖代謝的中間產(chǎn)物用于產(chǎn)能而不是生物合成。不久，一些PKM2的特異性激活子，如FBP被報道出來。這些分子可以增強(qiáng)PKM2與PEP的親和性。然而，除了用PKM1對PKM2進(jìn)行遺傳代替，還沒有其他的證據(jù)表明PKM2的激活子對癌細(xì)胞有作用。因此，具體何種條件下激活或者抑制PKM2活性可以抑制腫瘤生長，可能是該領(lǐng)域目前最大的挑戰(zhàn)。

此外，盡管PKM2入核后對轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)功能獨(dú)立于其酶學(xué)催化活性，但我們?nèi)孕枰剿鱌KM2的激活劑或者抑制劑是否影響PKM2調(diào)控的基因表達(dá)，這可能幫助人們從更深層次理解PKM2的激活劑或者抑制劑在腫瘤治療中的功能機(jī)制。

7 總結(jié)

在過去的10年里，人們對腫瘤細(xì)胞中PKM2的功能和調(diào)控的認(rèn)識有顯著的提高。然而，即使人們在對PKM2的表達(dá)、定位、翻譯后修飾和變構(gòu)調(diào)節(jié)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但仍有許多有待解決的問題，如PKM2究竟是否是腫瘤特異性亞型；能否為藥物介入治療提供足夠指證；PKM2的核內(nèi)功能對于細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生有多大作用；在體內(nèi)不同生理模式的PKM2是如何共同發(fā)揮調(diào)控作用的等。盡管關(guān)于PKM2有許多“已知的未知”和“未知的未知”，但是其在腫瘤細(xì)胞中相對獨(dú)特的表達(dá)和調(diào)控方式?jīng)Q定了它一定是腫瘤治療領(lǐng)域的令人關(guān)注的熱點(diǎn)。

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（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Advances on Tumor Cell Metabolism Regulated by PKM2

Xu Kun Wang Ziying
（Anhui University，Hefei 230601）

Tumor cell metabolism is exemplified by high glucose consumption and lactate production. The M2 isoform of pyruvate kinase（PKM2）plays a vital role in this metabolic phenotype， experiments both in vitro and in vivo revealed that over-expression of PKM2 would increase the Warburg effect and promote the tumor growth. However， the mechanisms of how PKM2 regulates tumor cell metabolism are still not completely understood. Current researches have elucidated novel PKM2 regulatory mechanisms. In this review the current understanding is summarized and future directions in this field are explored， highlighting controversies regarding the activity and specificity of PKM2 in tumor. Finally， the potential therapeutic implications and strategies are discussed.

PKM2；tumor cell metabolism；Warburg effect；glycolysis

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.06.007

2014-10-10

許昆，男，碩士，研究方向：分子生物學(xué)、微生物學(xué)；E-mail：417387321@qq.com

王子迎，男，博士，教授，研究方向：分子生物學(xué)，植物保護(hù)；E-mail：1302360619@qq.com