丙酮酸激酶M2在腫瘤及骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中的作用

葉陳毅 陳煒平 趙翔 陳臨煒 李萬(wàn)里 吳立東 楊曉波

●綜 述

丙酮酸激酶M2在腫瘤及骨關(guān)節(jié)炎發(fā)病中的作用

葉陳毅 陳煒平 趙翔 陳臨煒 李萬(wàn)里 吳立東 楊曉波

丙酮酸激酶（PK）是已知的糖酵解途徑尤其是腫瘤細(xì)胞糖代謝過(guò)程中極為關(guān)鍵的限速酶之一，丙酮酸激酶M2（PKM2）是PK的亞型。作為目前腫瘤領(lǐng)域研究最熱門(mén)的代謝激酶之一，PKM2在包括各種癌癥在內(nèi)的多種疾病的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。軟骨細(xì)胞糖酵解代謝異常及分子信號(hào)通路紊亂是骨關(guān)節(jié)炎病因機(jī)制研究的兩個(gè)最突出的難點(diǎn)。越來(lái)越多的研究表明，PKM2可入核參與組蛋白修飾過(guò)程，對(duì)軟骨細(xì)胞代謝及組蛋白修飾有顯著調(diào)控作用，進(jìn)而影響骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展。本文將從基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、氧化應(yīng)激等方面綜述PKM2在腫瘤和骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生、發(fā)展中的作用及相關(guān)機(jī)制，為腫瘤及骨關(guān)節(jié)炎的診治提供最新的參考依據(jù)。

PKM2 丙酣酸激酶 糖酵解 腫瘤 骨關(guān)節(jié)炎

丙酮酸激酶（PK）又稱磷酸丙酮酸激酶，是糖酵解途徑尤其是腫瘤細(xì)胞糖代謝過(guò)程中極為關(guān)鍵的限速酶之一，可催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和二磷酸腺苷（ADP）化學(xué)反應(yīng)生成三磷酸腺苷（ATP）和丙酮酸[1-3]，是目前的研究熱點(diǎn)激酶之一。PK共有PKL、PKR、PKM1及PKM2四種亞型，其中 PKL和PKR由相同的基因PKLR編碼，而PKMl和PKM2由PKM基因編碼。PKM2在大部分核酸合成率高的組織中均有表達(dá)，特別是具有增殖功能的細(xì)胞，如胚胎細(xì)胞及腫瘤細(xì)胞[2-3]。大量的研究證實(shí)，PKM2在糖酵解的最后一個(gè)階段發(fā)揮關(guān)鍵作用，調(diào)節(jié)乳酸的合成，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)環(huán)境pH值及細(xì)胞功能[4-5]。PKM2主要有兩種存在形式：在正常細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，PKM2通常以四聚體形式存在，并作為代謝酶發(fā)揮作用；在腫瘤細(xì)胞中，PKM2主要以二聚體形式存在于細(xì)胞核中，并主要以蛋白激酶形式發(fā)揮作用。最新研究表明，PKM2是腫瘤細(xì)胞“瓦伯格效應(yīng)”的關(guān)鍵調(diào)控因子，多篇報(bào)道證實(shí)PKM2在多種癌細(xì)胞中呈高表達(dá)，調(diào)控糖酵解代謝，與腫瘤發(fā)生、進(jìn)展有著密切關(guān)系[2-4]。此外，作為糖酵解過(guò)程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，PKM2對(duì)軟骨細(xì)胞代謝及后續(xù)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生具有重要的潛在調(diào)節(jié)作用[6-8]。

1 PKM2與腫瘤

1.1 PKM2在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)的調(diào)控 在腫瘤細(xì)胞中，調(diào)控PKM2基因轉(zhuǎn)錄水平的因子主要包括Sp1和Sp3。Sp1持續(xù)激活PKM2基因的轉(zhuǎn)錄，而Sp3作為轉(zhuǎn)錄抑制因子在缺氧條件下促進(jìn)PKM2基因的解離[9]。在缺氧條件下，缺氧誘導(dǎo)因子1（HIF-1）可與PKM2基因特定結(jié)合部位——缺氧反應(yīng)元件（HRE）結(jié)合，并進(jìn)一步引起PKM2的表達(dá)量增加[10]。此外，PKM2表達(dá)也受MYC調(diào)控：通過(guò)與位于PKM2的啟動(dòng)子中的MYC響應(yīng)元件結(jié)合直接調(diào)控[11]；或通過(guò)激活編碼核不均一核糖核蛋白I（hnRNPI）、hnRNPA1和hnRNPA2的基因轉(zhuǎn)錄，間接調(diào)控PKM2的表達(dá)[12]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）與細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖密切相關(guān)，可調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，基因轉(zhuǎn)錄、能量代謝和蛋白質(zhì)合成，并可激活HIF-1和MYC進(jìn)而刺激PKM2的表達(dá)[13]。Panasyuk等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，mTOR信號(hào)通路中AKT2可通過(guò)激活過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）的表達(dá)，增加PKM2基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因（PTEN）缺陷小鼠肝臟中PKM2的表達(dá)，抑制PTEN過(guò)表達(dá)小鼠成纖維細(xì)胞中PKM2的表達(dá)。另有研究表明，包括miR-326、miR-133在內(nèi)的多種MicroRNA對(duì)腫瘤細(xì)胞中PKM2的表達(dá)有潛在抑制作用[15-16]。

1.2 PKM2是腫瘤細(xì)胞“瓦伯格效應(yīng)”的關(guān)鍵調(diào)控因子 德國(guó)諾貝爾獎(jiǎng)得主瓦伯格發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中以糖酵解方式供能，糖酵解代謝顯著增強(qiáng)，耗糖速度明顯高于非腫瘤細(xì)胞，并產(chǎn)生乳酸，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，稱為“瓦伯格效應(yīng)”。越來(lái)越多的研究指出，PKM2是腫瘤細(xì)胞“瓦伯格效應(yīng)”的關(guān)鍵調(diào)控因子，PKM2已被發(fā)現(xiàn)在多種癌細(xì)胞中的表達(dá)明顯高于周圍正常組織，PKM2可調(diào)控糖酵解代謝，與腫瘤發(fā)生、進(jìn)展密切相關(guān)[17-18]。

在以PKM1基因取代PKM2后，糖酵解途徑異常的代謝指標(biāo)可完全逆轉(zhuǎn)，提示PKM2可增強(qiáng)“瓦伯格效應(yīng)”，而PKM1沒(méi)有這一能力。研究證實(shí)，表達(dá)PKM2的癌細(xì)胞無(wú)論在組織培養(yǎng)還是小鼠移植性實(shí)體瘤中生長(zhǎng)速度都顯著高于表達(dá)PKM1的癌細(xì)胞[19]。當(dāng)PKM2以二聚體形式存在于癌細(xì)胞中時(shí)，PKM2的高表達(dá)導(dǎo)致用于大分子生物合成的葡萄糖合成代謝增強(qiáng)而用于產(chǎn)生能量的氧化代謝減弱，從而促進(jìn)癌細(xì)胞增殖和腫瘤生長(zhǎng)。

最新研究表明，PKM2可能通過(guò)以下分子機(jī)制介導(dǎo)癌細(xì)胞中的瓦伯格效應(yīng)[10，20]：Luo 等[10]發(fā)現(xiàn)，在肝癌Hep3B等細(xì)胞系中，PKM2可與細(xì)胞核中HIF-1α相互作用，刺激HIF-1靶基因LDHA、編碼葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（SLC2A1）和PDK1的表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致糖酵解代謝異常增強(qiáng)。與之對(duì)比的是，PKM1在癌細(xì)胞中不能激活HIF-1的靶基因，這可能解釋了為什么PKM1不能調(diào)節(jié)瓦伯格效應(yīng)。此外，PKM2還可結(jié)合HIF-2α并促進(jìn)HIF-2介導(dǎo)的癌細(xì)胞反式激活[10]。除了其對(duì)代謝基因轉(zhuǎn)錄的作用外，PKM2還刺激HIF-1和HIF-2介導(dǎo)的VEGFA基因（編碼血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子）的表達(dá)，從而促進(jìn)腫瘤血管生成[10]。因此，PKM2在促進(jìn)癌癥進(jìn)展中起到至關(guān)重要的作用。

1.3 PKM2對(duì)腫瘤細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄的作用 PKM2以二聚體形式入核后，其代謝酶活性減弱，并通過(guò)來(lái)自PEP的高能磷酸作為磷酸鹽供體發(fā)揮蛋白激酶的作用。實(shí)驗(yàn)表明，在IL-3和凋亡信號(hào)刺激后，細(xì)胞核中可檢測(cè)到PKM2表達(dá)[21-22]。在細(xì)胞核中，PKM2通過(guò)其C-末端（殘基307-531）結(jié)合Oct-4，并增強(qiáng)Oct-4介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄[23-24]。核PKM2通過(guò)磷酸化Stat3，增強(qiáng)Stat3的轉(zhuǎn)錄活性，并導(dǎo)致MEK5的反式激活;MEK5的上調(diào)可進(jìn)一步促進(jìn)PKM2介導(dǎo)的細(xì)胞增殖[24]。但是，由于細(xì)胞質(zhì)中PKM2二聚體對(duì)PEP底物親和力低下，核內(nèi)PKM2二聚體如何使用PEP發(fā)揮蛋白激酶作用的機(jī)制尚不清楚。目前的研究顯示，四聚體和二聚體PKM2的Km分別為0.03mM和0.46mM或0.17mM和2.2mM，阻止胞質(zhì)PKM2二聚體結(jié)合PEP。此外，與胞質(zhì)PKM2二聚體不同的是，核二聚體PKM2具有不同的性質(zhì)，可抵抗FBP誘導(dǎo)的四聚化[23]。上述性質(zhì)可增強(qiáng)核PKM2二聚體對(duì)PEP的親和力，從而發(fā)揮蛋白激酶作用。

核PKM2可調(diào)節(jié)Src介導(dǎo)的β-catenin磷酸化的過(guò)程并與β-catenin相互作用。β-catenin磷酸化后通過(guò)K433與PKM2結(jié)合;導(dǎo)致細(xì)胞周期蛋白D1（CCND1）和MYC啟動(dòng)子兩種蛋白質(zhì)的募集，以及上述兩種基因的反式激活[25]。Yang等[25]的研究指出：PKM2介導(dǎo)的表觀遺傳學(xué)變化對(duì)于EGF誘導(dǎo)的細(xì)胞周期蛋白D1和c-Myc的表達(dá)以及EGF誘導(dǎo)的腦腫瘤發(fā)生至關(guān)重要。病理生理學(xué)研究顯示，組蛋白H3磷酸化修飾在腫瘤尤其是膠質(zhì)瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用，并與腫瘤預(yù)后密切相關(guān)；PKM2可與組蛋白H3結(jié)合增加其磷酸化修飾；也可抑制組蛋白脫乙?；?（HDAC3）活性進(jìn)而導(dǎo)致組蛋白H3乙?；礁淖僛17,25-28]。

2 PKM2與骨關(guān)節(jié)炎（OA）

2.1 OA與糖代謝 關(guān)節(jié)軟骨的主要成分為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）及軟骨細(xì)胞。ECM作為軟骨細(xì)胞周圍獨(dú)特的環(huán)境為軟骨細(xì)胞提供結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)等支持，并維持軟骨細(xì)胞的功能。現(xiàn)有研究表明，機(jī)械磨損等一系列有害因素可破壞ECM的動(dòng)態(tài)平衡，阻礙其合成，增加其降解，抑制軟骨細(xì)胞功能，進(jìn)而導(dǎo)致OA等關(guān)節(jié)疾患的發(fā)生。低氧微環(huán)境是軟骨細(xì)胞生存的一個(gè)顯著特點(diǎn)，尤其在OA的發(fā)生、發(fā)展中，低氧微環(huán)境發(fā)揮重要作用。一方面，大量研究提示局部缺氧微環(huán)境可有效提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs）的定向成軟骨分化能力[29-30]。Kanichai等[31]的研究結(jié)果顯示，在低氧微環(huán)境下誘導(dǎo)大鼠BMSCs成軟骨分化過(guò)程中，低氧組與正常氧分壓組相比，Ⅱ型膠原（Col-Ⅱ）及蛋白多糖的表達(dá)水平顯著上升。其進(jìn)一步的研究提示，低氧微環(huán)境可通過(guò)上調(diào)p-Akt及p-p38進(jìn)而增加SOX9基因的表達(dá)，促進(jìn)BMSCs定向成軟骨分化。Malladi等[32]敲除HIF-α基因后發(fā)現(xiàn)，缺氧微環(huán)境對(duì)小鼠干細(xì)胞定向成軟骨分化作用消失，提示HIF-α是缺氧微環(huán)境刺激干細(xì)胞成軟骨分化過(guò)程中的關(guān)鍵調(diào)控基因。另一方面，在缺氧微環(huán)境中，糖酵解代謝的紊亂將導(dǎo)致軟骨細(xì)胞功能障礙，影響細(xì)胞活性及分泌膠原能力。

2.2 OA與氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激反應(yīng)是指機(jī)體在各種有害刺激作用下，機(jī)體抗氧化體系破壞，導(dǎo)致活性氧自由基（ROS）相對(duì)增多的過(guò)程。ROS可通過(guò)類脂、蛋白質(zhì)、糖和DNA等大分子反應(yīng)從而引起基因突變、受體敏感性改變、酶活性降低和細(xì)胞膜損害，最終損傷細(xì)胞和組織。氧化應(yīng)激反應(yīng)通過(guò)ROS給機(jī)體造成負(fù)面影響，被認(rèn)為是癌癥、炎癥等多種疾病及病理狀態(tài)發(fā)生的重要因素。此外與0A等慢性退行性變的發(fā)生有直接聯(lián)系[33]。Regan等[34]的研究結(jié)果提示，STR/ort小鼠關(guān)節(jié)軟骨以及OA患者關(guān)節(jié)軟骨標(biāo)本中，其胞外超氧化物歧化酶3（SOD3）的表達(dá)水平較正常軟骨組織顯著下降，而OA組標(biāo)本中 ROS的生成顯著增多。此外，Surapaneni等[35]的研究結(jié)果顯示，OA患者血液中脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的產(chǎn)物丙醛（MDA）含量較健康對(duì)照組標(biāo)本明顯增加，而作為機(jī)體調(diào)節(jié)的結(jié)果，OA患者關(guān)節(jié)液中SOD的活性明顯增高[35－36]。以上結(jié)果提示，氧化應(yīng)激反應(yīng)與OA的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

2.3 PKM2與OA的潛在關(guān)聯(lián) PKM2與氧化應(yīng)激反應(yīng)密切相關(guān)。研究顯示，在過(guò)氧化氫、二酰胺和缺氧等引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)中，肺癌細(xì)胞中PKM2被氧化[37]。在A549細(xì)胞中，半胱氨酸氧化可導(dǎo)致PKM2亞基關(guān)聯(lián)，引起PKM2活性降低，進(jìn)而通過(guò)磷酸戊糖途徑（PPP）導(dǎo)致葡萄糖-6-磷酸的積累[37]。PPP是引起NADPH減少的關(guān)鍵來(lái)源。PKM2氧化可進(jìn)一步通過(guò)激活PPP抑制ROS的合成，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[38]。在酵母中，活性較低的PKM2引起PEP積累，反過(guò)來(lái)又提供一個(gè)負(fù)反饋循環(huán)，抑制上游磷酸丙糖異構(gòu)酶（TPI）從而激活PPP。PKM2-PEP-TPI負(fù)反饋循環(huán)可有效阻止酵母及人類細(xì)胞中的ROS 積聚[39]。

軟骨細(xì)胞的功能維持以及ECM的合成主要依賴于軟骨細(xì)胞的ATP代謝平衡及能量?jī)?chǔ)備，糖酵解代謝異常將導(dǎo)致細(xì)胞功能失調(diào)，甚至軟骨細(xì)胞肥大化改變。PKM2作為糖酵解代謝的關(guān)鍵酶，在軟骨細(xì)胞能量代謝紊亂這一過(guò)程中扮演重要角色，并由此參與骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病[40]。Calamia等[41]的研究發(fā)現(xiàn)，將正常人源軟骨細(xì)胞培養(yǎng)后分別給予硫酸軟骨素和硫酸氨基葡萄糖后，PKM2的蛋白水平均顯著降低。此外，組蛋白乙?；揎椝脚cOA的發(fā)生密切相關(guān)。越來(lái)越多細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，去乙酰化酶抑制劑（HDACIs）可有效防止OA的發(fā)生和發(fā)展，將來(lái)有可能應(yīng)用于OA的臨床治療。Yang等[25,42]發(fā)表在Cell期刊上的文章提示，細(xì)胞核中的PKM2可以在組蛋白 H3的特殊位點(diǎn)T11處標(biāo)記其磷酸基團(tuán)，進(jìn)而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄及乙?；揎椝?。目前對(duì)于PKM2入核后的組蛋白修飾功能研究已變得越來(lái)越熱門(mén)。SOX-9在軟骨以及髓核組織中高表達(dá)，對(duì)軟骨細(xì)胞增殖分化有重要調(diào)控作用[25,43-45]。Kim、Fujita等[46－47]多位學(xué)者報(bào)道，OA患者的軟骨細(xì)胞SOX-9激活子區(qū)域乙?；揎椝斤@著異常，提示SOX-9啟動(dòng)子區(qū)域乙酰化水平與OA發(fā)生相關(guān)。以上研究提示，PKM2作為氧化應(yīng)激及組蛋白修飾的重要調(diào)控因子，可能在OA的發(fā)生中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

綜上所述，PKM2可通過(guò)對(duì)腫瘤細(xì)胞糖代謝以及基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后。此外，PKM2作為一個(gè)關(guān)鍵性糖酵解代謝激酶可影響軟骨細(xì)胞膠原分泌能力及細(xì)胞活性，在OA的發(fā)生中發(fā)揮重要調(diào)控作用。研究PKM2與腫瘤及OA的關(guān)系可能會(huì)從新的角度揭示腫瘤和OA的發(fā)病機(jī)制并為其治療提供新的藥物作用靶點(diǎn)。

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10.12056/j.issn.1006-2785.2017.39.22.2017-2144

浙江省自然科學(xué)基金一般項(xiàng)目（LY15H060009）

310009 杭州，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院骨科

楊曉波，E-mail:978239643@qq.com

2016-10-22）

馬雯娜）