以Warburg效應(yīng)為軸心的惡性腫瘤代謝機(jī)制

?

以Warburg效應(yīng)為軸心的惡性腫瘤代謝機(jī)制

楊康麗余祖江李晶晶闞全程

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 感染科河南 鄭州450052)

【關(guān)鍵詞】腫瘤細(xì)胞；糖酵解；氧化磷酸化；磷酸戊糖途徑；脂肪酸分解

代謝是生物體用于維持生命的一系列有序的化學(xué)反應(yīng)的總稱(chēng)。生物體生長(zhǎng)、繁殖、保持它們的結(jié)構(gòu)以及對(duì)外界環(huán)境做出反應(yīng)等多項(xiàng)生命活動(dòng)都需要消耗能量，其絕大部分由三磷酸腺苷(adenosine triphophate，ATP)供應(yīng)，而糖代謝是最主要的ATP生成途徑。糖異生的逆反應(yīng)是糖酵解。1920年德國(guó)生物學(xué)家Warburg發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞即便在有氧條件下仍表現(xiàn)出活躍的葡萄糖攝取和糖酵解，即“Warburg effect”[1]。

1924年Warburg觀察到腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞相比，將更多的葡萄糖代謝產(chǎn)生乳酸。通過(guò)直接檢測(cè)大鼠肝癌和正常肝臟組織中乳酸的產(chǎn)生量和耗氧量，Warburg等發(fā)現(xiàn)正常肝臟組織顯示“Pasteur effect”，即在有氧環(huán)境中乳酸的生成受到抑制，而腫瘤組織在任何氧濃度的環(huán)境下均保持乳酸的生成。隨后許多的人類(lèi)腫瘤研究均表明，在氧氣存在的情況下乳酸仍持續(xù)產(chǎn)生。Warburg檢測(cè)到癌組織消耗可用呼吸作用解釋的10倍葡萄糖量，而且腫瘤內(nèi)乳酸的產(chǎn)生量比正常組織的產(chǎn)生量多兩個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入，人們幾乎在所有腫瘤中證實(shí)了“Warburg effect”的存在。近年來(lái)，關(guān)于“Warburg effect”起因的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面。

1抑癌基因突變

研究表明，一些抑癌基因發(fā)生突變或功能喪失能夠促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的糖酵解，如Ras、Myc，通過(guò)誘導(dǎo)糖酵解的酶和活化糖轉(zhuǎn)運(yùn)體而不斷激活糖酵解過(guò)程[3]。Jiang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞中p53突變或缺失、p73大量表達(dá)可加速磷酸戊糖途徑，證明p53可與磷酸戊糖途徑第1步反應(yīng)中的關(guān)鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)結(jié)合，并抑制它的活性；p53除具有轉(zhuǎn)錄活性外，還具有催化功能，它通過(guò)與底物瞬時(shí)結(jié)合，以“hit-and-run”模式使G6PD酶活性降低；高表達(dá)量的p73使G6PD的活性大大增強(qiáng)[5]。這一發(fā)現(xiàn)部分解釋了“Warburg effect”。

2線(xiàn)粒體氧化磷酸化(OXPHOS)受抑

2.1線(xiàn)粒體DNA(mtDNA)的高突變率造成mtDNA高突變率的原因主要有：①在線(xiàn)粒體構(gòu)型中，mtDNA與細(xì)胞內(nèi)氧自由基(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生位點(diǎn)在物理位置上十分接近；②mtDNA缺乏組蛋白的保護(hù)，使線(xiàn)粒體更容易受到細(xì)胞內(nèi)ROS的影響；③mtDNA沒(méi)有細(xì)胞核DNA一樣強(qiáng)大的修復(fù)能力。

許多腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出來(lái)的是mtDNA變異，而并非線(xiàn)粒體功能受到抑制或數(shù)目減少，mtDNA變異使OXPHOS受到抑制，ROS產(chǎn)量增加，使腫瘤細(xì)胞能在不利的條件下生長(zhǎng)。核酸DNA變異導(dǎo)致琥珀酸脫氫酶和延胡索酸水解酶功能受抑，而參與糖酵解和磷酸戊糖途徑的有關(guān)酶活性增加[6]。

2.2Crabtree Effect1929年Crabtree在高濃度的葡萄糖培養(yǎng)基和有氧條件下培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制并生成乙醇，該現(xiàn)象稱(chēng)為“Crabtree effect”。在快速生長(zhǎng)的腫瘤細(xì)胞和正常增殖的細(xì)胞中添加葡萄糖或其他己糖會(huì)導(dǎo)致OXPHOS部分受抑制[7]。這種現(xiàn)象并非由葡萄糖直接引起。在大鼠肝細(xì)胞瘤AS-30D培養(yǎng)過(guò)程中添加葡萄糖后，糖酵解途徑增強(qiáng)，而ATP和無(wú)機(jī)磷酸鹽(inorganic phosphate，Pi)含量下降，胞液的pH從7.2降至6.8，磷酸己糖的濃度大幅度增加[8]。

3加速進(jìn)行的糖酵解

3.1己糖激酶(hexokinase，HK)HK是糖酵解第1步反應(yīng)的限速酶，使葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖。腫瘤細(xì)胞線(xiàn)粒體中HK的活性上調(diào)。Akt信號(hào)系統(tǒng)能夠促使HK和電壓依賴(lài)的陰離子通道(voltage dependent anion cannel，VDAC)結(jié)合，活化HK，抑制細(xì)胞色素C酶和細(xì)胞凋亡，HK可通過(guò)抑制bcl-2家族抑制細(xì)胞程序性死亡[9-10]。

3.26-磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase，PFK-1)

PFK-1催化6-磷酸果糖轉(zhuǎn)化為1,6-二磷酸果糖。果糖-2, 6-二磷酸激酶3(PFKFB3)是PFK1的重要調(diào)節(jié)劑，2,6-二磷酸果糖是PFK1的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑。PFK1和PFKFB3與腫瘤細(xì)胞的生物合成相關(guān)，兩者過(guò)表達(dá)可使1,6-二磷酸果糖明顯升高，分流進(jìn)入磷酸戊糖途徑，參與5-磷酸核糖的合成[11]。

3.3丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)PK催化糖酵解中第2個(gè)產(chǎn)生ATP的反應(yīng)，將磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酸基轉(zhuǎn)移給ADP，生成ATP和丙酮酸鹽。腫瘤細(xì)胞中含有其變構(gòu)體PKM2。其抑制劑有氟磷酸、5-磷酸吡哆醛、肌酸磷酸、草酸鹽、L-磷酸乳糖及合成的環(huán)狀庚肽CAP-232/TLN-232[12]。當(dāng)腫瘤細(xì)胞快速分裂需要合成大量大分子物質(zhì)時(shí)，PK活性受抑制，由四聚體形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w形式，其碳源物質(zhì)將進(jìn)入磷酸戊糖途徑。

3.4乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH) LDH催化丙酮酸生成乳酸，同時(shí)將NADH氧化為NAD+。該酶使丙酮酸和NADH得以循環(huán)利用。腫瘤細(xì)胞中存在過(guò)表達(dá)的LDH，在細(xì)胞質(zhì)中促進(jìn)NAD+生成，從而提高了有氧條件下糖酵解的速率。在腫瘤組織中，缺氧區(qū)的細(xì)胞可以產(chǎn)生并排出乳酸，而氧氣充足區(qū)的細(xì)胞則通過(guò)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1攝取乳酸，將其轉(zhuǎn)化為丙酮酸進(jìn)入線(xiàn)粒體OXPHOS[13-14]。以此形成的酸性微環(huán)境影響了腫瘤的浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移[15]。

3.5低氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)HIF-1是具有轉(zhuǎn)錄活性的核蛋白，由2個(gè)異源性亞單位構(gòu)成(氧敏感亞單位HIF-1α和共表達(dá)亞單位HIF-1β)，可使腫瘤細(xì)胞代謝有關(guān)的基因和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)上調(diào)，激活糖酵解。HIF-1α的生物合成受磷酸肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和細(xì)胞外信號(hào)調(diào)控酶-有絲分裂原活化蛋白激酶(ERK-MAPK)信號(hào)途徑調(diào)控。這兩種信號(hào)通路被G蛋白偶聯(lián)受體、受體酪氨酸激酶、非受體酪氨酸激酶活化。HIF-1α可以通過(guò)氧依賴(lài)機(jī)制被降解。HIF-1α表達(dá)升高能夠促使糖酵解中間產(chǎn)物進(jìn)入磷酸戊糖途徑，促使轉(zhuǎn)酮基酶和PKM2表達(dá)，參與磷酸戊糖途徑和5-磷酸核糖產(chǎn)生。許多HIF-1抑制劑主要通過(guò)抑制HIF-1α亞單位而發(fā)揮作用，如PI3K/Akt/mTOR、ERK-MAPK信號(hào)途徑、熱休克蛋白90復(fù)合物、拓?fù)洚悩?gòu)酶-1[16]?，F(xiàn)在對(duì)低氧誘導(dǎo)基因表達(dá)機(jī)制了解甚少，低氧時(shí)HIF-1表達(dá)增強(qiáng)只是現(xiàn)象，其觸發(fā)機(jī)制有待闡明。

4被激活的磷酸戊糖途徑

變異的人間充質(zhì)干細(xì)胞能夠上調(diào)5-磷酸核糖異構(gòu)酶A(ribose phosphate isomerase A，RPIA)的表達(dá)，RPIA可以增加5-磷酸核糖生成并增強(qiáng)DNA合成相關(guān)酶的活性，可以得出變異細(xì)胞中磷酸戊糖途徑的活性是上調(diào)的[17]。高速的糖酵解過(guò)程源源不斷地產(chǎn)生中間產(chǎn)物，參與磷酸戊糖途徑生成核苷酸，可以滿(mǎn)足腫瘤細(xì)胞快速生長(zhǎng)所需要的大量的DNA復(fù)制，刺激腫瘤細(xì)胞的增殖。

5脂肪酸分解的增加

腫瘤細(xì)胞利用糖酵解的中間產(chǎn)物為合成代謝提供物質(zhì)原料，如6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖可用于糖原及磷酸戊糖的合成，磷酸二羥丙酮可用于甘油及磷脂的合成，而腫瘤中PKM2活性降低引起丙酮酸上游磷酸代謝物在腫瘤細(xì)胞中的累積可以促進(jìn)脂肪酸及核酸的合成[18]。同時(shí)，腫瘤細(xì)胞可通過(guò)上調(diào)磷酸戊糖途徑將葡萄糖代謝為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，用于脂肪酸合成，為腫瘤細(xì)胞快速增殖提供細(xì)胞膜合成原料，并抵抗腫瘤內(nèi)ROS引起的細(xì)胞凋亡[19]。

6免疫紊亂

有研究觀察到惡性腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸可調(diào)節(jié)樹(shù)突狀細(xì)胞的活性，提示腫瘤源性的乳酸還會(huì)影響抗腫瘤T細(xì)胞的免疫應(yīng)答[20]。

腫瘤細(xì)胞的惡性增殖是一個(gè)大量消耗能量的過(guò)程，但其能量主要來(lái)源于產(chǎn)能率較低的糖酵解及繼發(fā)增高的脂肪酸分解、磷酸戊糖途徑的加速，高產(chǎn)能率的線(xiàn)粒體氧化磷酸化及三羧酸循環(huán)受到抑制，從調(diào)控代謝的基因、酶學(xué)及免疫方面掐斷惡性腫瘤細(xì)胞的畸形能量來(lái)源，使其恢復(fù)正常的代謝途徑，可能為靶向能量代謝的腫瘤治療策略提供新的視野和契機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]Lu C L,Qin L,Liu H C,et al.Tumor cells switch to mitochondrial oxidative phosphorylation under radiation via mTOR-mediated hexokinase II inhibition-a Warburg-reversing effect[J].PLoS One,2015,10(3):e0121046.

[2]Zhang C,Lin M,Wu R,Wang X,et al.Parkin, a p53 target gene, mediates the role of p53 in glucose metabolism and the Warburg effect[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2011,108(39):16259-16264.

[3]Levine A J,Puzio-Kuter A M.The control of the metabolic switch in cancers by oncogenes and tumor suppressor genes[J].Science,2010,330(6009):1340-1344.

[4]Jiang P,Du W,Wang X,et al.p53 regulates biosynthesis through direct inactivation of glucose-6-phosphate dehydrogenase[J].Nat Cell Biol,2011,13(3):310-316.

[5]Du W,Jiang P,Mancuso A,et al.TAp73 enhances the pentose phosphate pathway and supports cell proliferation[J].Nat Cell Biol,2013,15(8):991-1000.

[6]Dang N H,Singla A K,Mackay E M,et al.Targeted cancer therapeutics: biosynthetic and energetic pathways characterized by metabolomics and the interplay with key cancer regulatory factors[J].Curr Pharm Des,2014,20(15):2637-2647.

[7]Hagman A,S?ll T,Pi?kur J.Analysis of the yeast short-term Crabtree effect and its origin[J].FEBS J,2014,281(21):4805-4814.

[8]Rodríguez-Enríquez S,Juárez O,Rodríguez-Zavala J S,et al.Multisite control of the Crabtree effect in ascites hepatoma cells[J].Eur J Biochem,2001,268(8):2512-2519.

[9]Wolf A,Agnihotri S,Micallef J,et al.Hexokinase 2 is a key mediator of aerobic glycolysis and promotes tumor growth in human glioblastoma multiforme[J].J Exp Med,2011,208(2):313-326.

[10]Brenner C,Lemoine A.Mitochondrial Proteins (e.g., VDAC, Bcl-2, HK, ANT) as Major Control Points in Oncology[J].Front Oncol,2014,4:365.

[11]Pegoraro C,Maczkowiak F,Monsoro-Burq A H.Pfkfb (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase) isoforms display a tissue-specific and dynamic expression during Xenopus laevis development[J].Gene Expr Patterns,2013,13(7):203-211.

[12]Sun Q,Chen X,Ma J,et al.Mammalian target of rapamycin up-regulation of pyruvate kinase isoenzyme type M2 is critical for aerobic glycolysis and tumor growth[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2011,108(10):4129-4134.

[13]Kennedy K M,Dewhirst M W.Tumor metabolism of lactate: the influence and therapeutic potential for MCT and CD147 regulation[J].Future Oncol,2010,6(1):127-148.

[14]Sonveaux P,Végran F,Schroeder T,et al.Targeting lactate-fueled respiration selectively kills hypoxic tumor cells in mice[J].J Clin Invest,2008,118(12):3930-3942.

[15]Chiche J,Brahimi-Horn M C,Pouyssegur J. Tumour hypoxia induces a metabolic shift causing acidosis: a common feature in cancer[J].J Cell Mol Med,2010,14(4):771-794.

[16]Mun J,Jabbar A A,Devi N S,et al.Design and in vitro activities of N-alkyl-N-[(8-R-2,2-dimethyl-2H-chromen-6-yl)methyl]heteroarylsulfonamides, novel, small-molecule hypoxia inducible factor-1 pathway inhibitors and anticancer agents[J].J Med Chem,2012,55(15):6738-6750.

[17]Wild L,Funes J M,Boshoff C,et al.In vitro transformation of mesenchymal stem cells induces gradual genomic hypomethylation[J].Carcinogenesis,2010,31(10):1854-1862.

[18]Hong I S,Lee H Y,Nam J S.Cancer stem cells: the 'Achilles heel' of chemo-resistant tumors[J].Recent Pat Anticancer Drug Discov,2015,10(1):2-22.

[19]Samudio I,Harmancey R,Fiegl M,et al.Pharmacologic inhibition of fatty acid oxidation sensitizes human leukemia cells to apoptosis induction[J].J Clin Invest,2010,120(1):142-156.

[20]Brown M,Roulson J A,Hart C A,et al.Arachidonic acid induction of Rho-mediated transendothelial migration in prostate cancer[J].Br J Cancer,2014,110(8):2099-2108.

(收稿日期：2015-10-27)

【中圖分類(lèi)號(hào)】R 730.2

doi:10.3969/j.issn.1004-437X.2016.03.037