HMGB1與腫瘤代謝重編程關(guān)系的研究進(jìn)展

楊建芬,劉瑤

(1贛南醫(yī)學(xué)院，江西贛州 341000；2贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院)

與正常細(xì)胞相比，為滿足惡性增殖對能量和養(yǎng)分的需求，腫瘤細(xì)胞往往會適應(yīng)性地改變代謝方式，從氧化磷酸化代謝途徑向糖酵解途徑轉(zhuǎn)變，改變氨基酸代謝及脂質(zhì)代謝等，從而滿足必要的能量供應(yīng)以及生物合成需求，為腫瘤細(xì)胞的快速增殖提供基礎(chǔ)，這一過程稱為腫瘤的代謝重編程。近年越來越多的學(xué)者試圖研究腫瘤代謝重編程的發(fā)生機(jī)制，以及代謝重編程中的多種調(diào)控因子。高遷移率族蛋白B1(HMGB1)在多種腫瘤中高表達(dá)[1]，并參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[2]。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1可通過多種途徑參與腫瘤代謝重編程。因此了解HMGB1與腫瘤代謝重編程在腫瘤中的作用以及兩者之間的關(guān)系具有重要意義。

1 腫瘤代謝重編程

2011年，Hanahan等[3]概述了腫瘤的十大特征，包括持續(xù)的增殖、無限復(fù)制能力、逃避生長抑制因子、持續(xù)血管生成、抵抗細(xì)胞凋亡、浸潤和遷移、形成腫瘤炎性微環(huán)境、基因組不穩(wěn)定和突變、異常的代謝表型和免疫逃逸。其中代謝表型的異常是腫瘤代謝重編程的結(jié)果。腫瘤的代謝重編程是指通過改變腫瘤細(xì)胞的能量代謝方式以適應(yīng)逆境而保持快速生長，其增強(qiáng)了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以提供能量和生物合成[4]。腫瘤代謝重編程主要表現(xiàn)為：氧化還原代謝異常(葡萄糖以氧酵解為主)、谷氨酰胺分解代謝活躍、脂代謝異常等。即使是有氧條件下，腫瘤細(xì)胞的一個顯著特性[3]是更傾向于利用糖酵解來產(chǎn)能，這種現(xiàn)象稱為沃伯格(Warburg)效應(yīng)[5]。早期研究以為，Warburg效應(yīng)是由于線粒體功能受損、氧化磷酸化反應(yīng)受到抑制。近年越來越多的證據(jù)表明，腫瘤細(xì)胞也能依賴線粒體呼吸而產(chǎn)生能量，而Warburg效應(yīng)的發(fā)生是由于腫瘤細(xì)胞為滿足其快速增殖所需的能量以及生物合成而主動發(fā)生的過程。腫瘤細(xì)胞攝取大量葡萄糖，利用糖酵解中間產(chǎn)物進(jìn)行旺盛的生物合成代謝，如6-磷酸-葡萄糖、6-磷酸-果糖、3-磷酸-甘油醛可經(jīng)磷酸戊糖途徑代謝成為5-磷酸核糖，用于核酸從頭合成。而3-磷酸甘油、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸可用于合成非必需氨基酸[6，7]。

氨基酸的代謝異常包括谷氨酰胺、絲氨酸、甘氨酸等代謝異常，其中最主要的是谷氨酰胺代謝異常。盡管谷氨酰胺是一種非必需氨基酸，但對腫瘤而言，谷氨酰胺是特定情況下的必需氨基酸，其代謝增強(qiáng)對腫瘤細(xì)胞具有重要的生物學(xué)意義。谷氨酰胺為合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，也是腫瘤細(xì)胞脂類物質(zhì)合成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。腫瘤細(xì)胞中，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼?，谷氨酸又被谷氨酸脫氫酶催化形成?酮戊二酸，最終進(jìn)入三羧酸循環(huán)，為三羧酸循環(huán)提供底物。谷氨酰胺還能抑制腫瘤細(xì)胞的氧化應(yīng)激，維持線粒體膜完整性，從而促進(jìn)增殖細(xì)胞的存活能力[8]。此外，腫瘤中支鏈氨基酸的代謝異常除了能支持腫瘤細(xì)胞生物合成的需求，還有可能在腫瘤中發(fā)揮免疫抑制作用，參與腫瘤免疫逃逸[9]。

在腫瘤細(xì)胞中，脂肪酸從頭合成增強(qiáng)，分解降低，膽固醇以及磷脂等脂類合成增強(qiáng)[10]。脂肪酸的合成可以為細(xì)胞提供重要的生物膜、傳導(dǎo)信號及功能蛋白的修飾等[11]。脂類還能維持腫瘤細(xì)胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散，形成遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。此外，盡管大多數(shù)腫瘤主要依賴糖酵解維持能量與生物合成的需求，但也有一些腫瘤依賴脂肪酸-β氧化途徑進(jìn)行氧化代謝、維持能量的生成[12]。

腫瘤代謝重編程受多種關(guān)鍵因子的調(diào)節(jié)，如癌基因c-Myc的過度活化和抑癌基因p53的失活能夠影響糖代謝、氨基酸代謝以及脂質(zhì)代謝；缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)也可以調(diào)控糖代謝與脂代謝，并與c-Myc和p53相互作用影響腫瘤細(xì)胞的代謝重編程?？傊[瘤代謝重編程的最終目的是滿足腫瘤細(xì)胞快速增殖的需求，抵抗因營養(yǎng)消耗增加和腫瘤血管供應(yīng)不足導(dǎo)致的營養(yǎng)危機(jī)。

2 HMGB1的結(jié)構(gòu)及其在腫瘤發(fā)生中的生物學(xué)作用

2.1 HMGB1的結(jié)構(gòu) HMGB1是1973年發(fā)現(xiàn)的存在于真核細(xì)胞核內(nèi)的非組蛋白染色體結(jié)合蛋白，因其在聚丙烯酞胺凝膠電泳中快速遷移而得名[2]。人類HMGB1位于染色體13q12，含至少1 700個堿基對組成的啟動子區(qū)以及約2 600個堿基對組成的5個外顯子。HMGB1蛋白由215個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量約為25 kD[13]，由A box、B box和C末端3個結(jié)構(gòu)區(qū)組成。其中A box和B box均由3個α螺旋組成，構(gòu)成HMGB1的非特異性DNA結(jié)合區(qū)，C末端介導(dǎo)HMGB1與DNA的結(jié)合。

2.2 HMGB1在腫瘤發(fā)生中的生物學(xué)作用 HMGB1通過和晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)和某些Toll樣受體家族結(jié)合[14]，調(diào)節(jié)炎癥通路、免疫、基因組穩(wěn)定性及細(xì)胞增殖、遷移、凋亡、自噬，廣泛地參與腫瘤的發(fā)生、生長、浸潤及轉(zhuǎn)移等過程，在腫瘤發(fā)病過程中扮演著雙重角色[15]。例如，HMGB1-RAGE復(fù)合物能激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶等信號通路，從而活化基質(zhì)金屬蛋白酶2和基質(zhì)金屬蛋白酶9，造成細(xì)胞外基質(zhì)的降解，進(jìn)而引起腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移[16]；HMGB1可激活促炎信號通路，如TLR4信號通路以及核因子κB(NF-κB)信號通路，有助于形成炎性腫瘤微環(huán)境，炎性腫瘤微環(huán)境能支持腫瘤生長，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、遷移[17]；HMGB1可通過維持基因組穩(wěn)定性以及增強(qiáng)抑癌因子Rb和p53的活性抑制腫瘤的發(fā)生[18，19]。近年研究證明，HMGB1還參與腫瘤代謝重編程。

3 HMGB1與腫瘤代謝重編程的相關(guān)性

3.1 HMGB1與糖代謝 研究表明,HMGB1能抑制糖酵解過程中的關(guān)鍵酶丙酮酸激酶M2(PKM2)。PKM2由四個亞基構(gòu)成，以二聚體和四聚體兩種形式存在，四聚體形式的PKM2具有最佳活性，能夠促進(jìn)丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化分解，生成大量三磷酸腺苷(ATP)。PKM2的活性受糖酵解中間產(chǎn)物1，6-二磷酸果糖(FBP)的調(diào)節(jié)。FBP是PKM2的激活劑，與PKM2可逆性結(jié)合，并促進(jìn)PKM2四聚體結(jié)構(gòu)的形成，其與PKM2親和力降低可導(dǎo)致四聚體PKM2合成減少[20]。HMGB1對結(jié)腸癌所有細(xì)胞株及結(jié)腸癌組織中四聚體形式的PKM2有抑制作用，HMGB1與PKM2的磷酸化殘基位點Y105競爭性擾亂PKM2與FBP的結(jié)合從而抑制四聚體形式PKM2的形成被認(rèn)為是可能機(jī)制之一。研究還表明，磷酸化的HMGB1 B盒與PKM2的K433位點發(fā)生相互作用，K433可以促進(jìn)磷酸酪氨酸與PKM2結(jié)合，使PKM2與FBP親和力降低，抑制PKM2的活性。此外，HMGB1可導(dǎo)致糖酵解中間產(chǎn)物流向磷酸戊糖途徑。磷酸戊糖途徑的主要特點是產(chǎn)生NADPH作為還原力以供生物合成利用，無ATP的產(chǎn)生和消耗[21]。HMGB1還能通過調(diào)控Hippo-Yes相關(guān)蛋白(YAP)通路調(diào)控糖酵解。Hippo通路是一種首次在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的進(jìn)化保守的細(xì)胞信號通路，在維持組織器官大小及腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。YAP是Hippo通路主要的下游效應(yīng)蛋白，YAP過度表達(dá)以及活性增強(qiáng)可以促進(jìn)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化，引起腫瘤發(fā)生。實驗證明，HMGB1通過參與調(diào)控Hippo通路影響肝癌的發(fā)生發(fā)展：HMGB1與糖化白蛋白結(jié)合蛋白的結(jié)合促進(jìn)了Hippo通路中YAP的表達(dá)，YAP表達(dá)的增加可以誘導(dǎo)HIF-1α依賴的有氧糖酵解，產(chǎn)生能量，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。HIF-1α介導(dǎo)的Warburg效應(yīng)不僅能夠支持腫瘤細(xì)胞的生長，還能限制抗腫瘤T細(xì)胞的應(yīng)答。在腫瘤細(xì)胞中敲除HMGB1能夠下調(diào)Hippo通路中YAP和糖酵解相關(guān)基因的表達(dá)，延遲二乙基亞硝胺誘導(dǎo)的小鼠肝癌發(fā)生[22]。腫瘤中過表達(dá)的HMGB1可促進(jìn)過氧化物酶體增殖物受體γ輔助激活因子1α(PGC-1α)、核呼吸因子-1和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達(dá)，促進(jìn)線粒體生物合成，維持細(xì)胞內(nèi)正常線粒體數(shù)目并增強(qiáng)線粒體呼吸鏈氧化磷酸化功能，平衡腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)，為其快速增殖提供足夠的能量需求。在低氧肝癌細(xì)胞系中，沉默HMGB1可導(dǎo)致磷酸化的PGC-1α表達(dá)降低、線粒體生物合成下調(diào)、代謝紊亂以及線粒體活性氧(ROS)生成增多、ATP生成減少、細(xì)胞增殖顯著變慢、細(xì)胞侵襲遷移能力降低、細(xì)胞凋亡增加等一系列生物學(xué)反應(yīng)[23]。體外實驗證明，低氧條件下，癌細(xì)胞中HMGB1轉(zhuǎn)位至胞質(zhì)，與TLR9受體結(jié)合，導(dǎo)致p38通路激活，p38 MAPK信號通路使PGC-1α磷酸化，增強(qiáng)PGC-1α的活性，上調(diào)線粒體生物合成，并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞存活[23,24]。線粒體生物合成的上調(diào)增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的線粒體氧化磷酸化，滿足腫瘤細(xì)胞快速增殖的代謝需求，并且線粒體生物合成對腫瘤細(xì)胞的生長和遷移起重要作用。

除此之外，HMGB1的受體RAGE有兩種不同的機(jī)制介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的ATP生成：線粒體RAGE依賴途徑以及RAGE誘導(dǎo)的自噬依賴途徑。實驗證明，外源性重組HMGB1和壞死腫瘤細(xì)胞裂解液中的內(nèi)源性HMGB1以時間和劑量依賴的方式促進(jìn)人和鼠胰腺癌細(xì)胞系中ATP生成和細(xì)胞增殖。此外，HMGB1在結(jié)直腸癌、白血病、肺癌中也能促進(jìn)ATP生成和腫瘤細(xì)胞增殖。這種HMGB1誘導(dǎo)的ATP生成不依賴于結(jié)合DNA、白細(xì)胞介素1β或干擾素α，而是通過HMGB1受體RAGE來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞ATP生成。將外源性HMGB1添加到野生型panc02腫瘤細(xì)胞引起了氧化率以及細(xì)胞外酸化率的增加，表明HMGB1能夠使腫瘤細(xì)胞中氧化磷酸化水平和糖酵解水平增加。

研究發(fā)現(xiàn)，壞死腫瘤細(xì)胞裂解液中HMGB1增加了胰腺癌細(xì)胞中RAGE的表達(dá)，NF-κB的活性以及細(xì)胞遷移。HMGB1通過與細(xì)胞膜RAGE結(jié)合或者以小窩蛋白依賴的內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，促進(jìn)細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2的磷酸化，進(jìn)而引起RAGE絲氨酸殘基Ser377位點的磷酸化，并誘導(dǎo)RAGE定位于線粒體，隨后促進(jìn)線粒體呼吸鏈中復(fù)合體Ⅰ的磷酸化，導(dǎo)致復(fù)合體Ⅰ活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)ATP生成?？傊?，HMGB1/RAGE途徑以細(xì)胞外信號調(diào)控激酶1/2依賴的方式促進(jìn)ATP的生成以維持腫瘤細(xì)胞的代謝需求及促進(jìn)腫瘤生長。干擾HMGB1/RAGE途徑能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，減少炎癥、細(xì)胞自噬、ATP的生成以及降低復(fù)合體Ⅰ的活性[25]。

在胰腺癌中，HMGB1受體RAGE介導(dǎo)的自噬促進(jìn)白細(xì)胞介素6誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活因子磷酸化及其線粒體定位，使STAT3在線粒體中通過增強(qiáng)復(fù)合體Ⅰ的活性來調(diào)節(jié)細(xì)胞呼吸，促進(jìn)ATP生成，從而促進(jìn)細(xì)胞增殖[26]。

3.2 HMGB1與腫瘤的氨基酸代謝 血漿中氨基酸的變化能夠反映新陳代謝的變化。血漿中的游離氨基酸由膳食蛋白和蛋白質(zhì)水解提供。蛋白質(zhì)水解是由泛素-蛋白酶體降解和自噬-溶酶體降解共同驅(qū)動的。自噬是指真核細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的大分子物質(zhì)及細(xì)胞器被運送至溶酶體隔離并降解的過程，是在正常細(xì)胞和病理狀態(tài)細(xì)胞中普遍存在的生理機(jī)制，尤其是在細(xì)胞內(nèi)和(或)細(xì)胞外應(yīng)激的情況下，如缺氧、營養(yǎng)匱乏、蛋白質(zhì)錯誤折疊、病原菌感染時，一方面細(xì)胞通過自噬獲得可供循環(huán)利用的核苷、氨基酸等大分子物質(zhì)及能量，維持細(xì)胞代謝平衡;另一方面還可選擇性清除某些細(xì)胞成分，尤其是受損或多余的過氧化物酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體及DNA，減少異常蛋白和細(xì)胞器的堆積，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。自噬主要受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)調(diào)控。mTOR是自噬的負(fù)調(diào)控因子。應(yīng)激、饑餓、p53或腺苷酸活化蛋白激酶對mTOR復(fù)合物的滅活作用誘導(dǎo)自噬相關(guān)因子激活，其中包括Beclin-1、微管相關(guān)蛋白輕鏈3。實驗證明，在1，2-二甲肼腹腔注射的C57BL/6雄性小鼠結(jié)腸癌模型發(fā)展的過程中，HMGB1通過RAGE相關(guān)的p38磷酸化上調(diào)Beclin-1和LC3Ⅱ，引起mTOR去磷酸化，誘導(dǎo)自噬相關(guān)蛋白水解，提供自由氨基酸。氨基酸從肌肉中釋放，導(dǎo)致血漿中游離氨基酸圖譜的改變，這種改變包括谷氨酰胺的增加；并且癌細(xì)胞消耗從肌肉釋放到血漿中的谷氨酰胺產(chǎn)生能量。此外，HMGB1可使肌肉中丙酮酸激酶(PK)的活性降低，PK對于氨基酸的穩(wěn)定性有重要作用，所以PK活性的降低對谷氨酰胺的升高也有一定的影響。

3.3 HMGB1與腫瘤的氧化應(yīng)激 研究證明，缺氧癌細(xì)胞中抑制HMGB1的表達(dá)能夠下調(diào)PGC-1α的表達(dá)，減少線粒體生物合成。線粒體生物合成的削弱能夠?qū)е履[瘤細(xì)胞積累大量的ROS。一方面，異常增高的ROS非特異性攻擊蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的損傷和死亡。另一方面，腫瘤細(xì)胞增殖快，部分細(xì)胞處于缺氧和營養(yǎng)不足的微環(huán)境中，異常增高的ROS可激活HIF-1α，HIF-1α是細(xì)胞能量代謝的重要調(diào)節(jié)因子之一，可通過上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子以及葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1等相關(guān)蛋白促進(jìn)血管生成、糖酵解增強(qiáng)，還能激活乳酸脫氫酶A和丙酮酸脫氫酶激酶1的表達(dá)，使腫瘤代謝從有氧氧化轉(zhuǎn)向糖酵解。

4 小結(jié)與展望

HMGB1可以通過調(diào)控腫瘤代謝中關(guān)鍵因子、線粒體生物合成、自噬等參與腫瘤代謝重編程，影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。雖然有研究表明，HMGB1能參與腫瘤細(xì)胞能量代謝，但目前對HMGB1調(diào)節(jié)腫瘤代謝重編程的認(rèn)識仍處于初級階段，其影響腫瘤細(xì)胞的增殖、存活、發(fā)生發(fā)展的具體分子機(jī)制仍不是很清楚，深入研究HMGB1調(diào)節(jié)腫瘤代謝重編程的具體分子機(jī)制或許有助于為腫瘤代謝的研究或腫瘤治療策略的開發(fā)提供新的理論依據(jù)。