M2型丙酮酸激酶調(diào)控腫瘤生長(zhǎng)的研究進(jìn)展

[摘要]糖代謝異常是腫瘤細(xì)胞的主要特征之一。M2型丙酮酸激酶（PKM2）在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)量都明顯上升，PKM2除了參與糖代謝外，還可以進(jìn)入細(xì)胞核以蛋白激酶的形式促進(jìn)腫瘤的發(fā)生發(fā)展。同時(shí)，PKM2在代謝調(diào)控、基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期和細(xì)胞分裂等過(guò)程中也發(fā)揮著重要的作用。本文主要對(duì)PKM2表達(dá)水平的調(diào)控、活性的調(diào)節(jié)、入核機(jī)制、在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮的作用以及在腫瘤診治中的作用進(jìn)行綜述。

[關(guān)鍵詞]丙酮酸激酶;腫瘤;糖酵解;轉(zhuǎn)錄因子;綜述

[中圖分類號(hào)]R730.23;R345.57[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A[文章編號(hào)]2096-5532（2018）06-0753-03

丙酮酸激酶是調(diào)節(jié)糖酵解最后一步反應(yīng)的限速酶，它催化磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）和ATP反應(yīng)生成丙酮酸和ADP[1]。丙酮酸激酶共包括4種同工酶，分別為L(zhǎng)型丙酮酸激酶（PKL）、R型丙酮酸激酶（PKR）、M1型丙酮酸激酶（PKM1）和M2型丙酮酸激酶（PKM2）。其中，PKL和PKR是由PKLR基因受不同啟動(dòng)子調(diào)控編碼而成的，分別特異性地在肝臟和紅細(xì)胞中表達(dá)。PKM1和PKM2是由PKM基因經(jīng)不同剪接方式編碼而成的，PKM1主要在成年骨骼肌和大腦中表達(dá)，PKM2主要在快速增殖的胚胎組織和腫瘤細(xì)胞中表達(dá)[2]。1956年，德國(guó)生物學(xué)家WARBURG[3]發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的糖代謝過(guò)程與正常細(xì)胞不同，即使是在氧氣充足的情況下，腫瘤細(xì)胞仍攝取并利用葡萄糖產(chǎn)生大量乳糖，這種現(xiàn)象被命名為有氧糖酵解。研究表明，腫瘤細(xì)胞中PKM2的表達(dá)量明顯升高，即PKM2在腫瘤的有氧糖酵解和發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[4]。本文主要綜述PKM2表達(dá)水平的調(diào)控、活性調(diào)節(jié)、入核機(jī)制、在細(xì)胞核內(nèi)以及腫瘤診治中作用等方面的研究進(jìn)展。

1PKM2表達(dá)水平的調(diào)控

PKM基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的Pre-mRNA經(jīng)不同的剪接方式分別編碼PKM1和PKM2，其中PKM1特異性地包含外顯子9，PKM2特異性地包含外顯子10，而PKM2表達(dá)水平的變化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[4]。

在轉(zhuǎn)錄水平，PKM的選擇性剪接與核不均一核糖核蛋白（hnRNPs）表達(dá)密切相關(guān)。致癌轉(zhuǎn)錄因子c-Myc可以上調(diào)PTB、hnRNPA1和hnRNPA2的水平，hnRNPs能特異性地結(jié)合到PKM外顯子9的兩側(cè)，封閉外顯子9的剪接，抑制PKM1的表達(dá)，導(dǎo)致PKM2的表達(dá)上調(diào)[5]。

在翻譯的過(guò)程中，正常組織中的miRNAs可以結(jié)合到PKM2的mRNA上，抑制PKM2的表達(dá)，降低糖酵解速率，抑制腫瘤發(fā)生。但是在腫瘤組織中，miRNAs表達(dá)量會(huì)明顯降低，PKM2的表達(dá)量明顯上升：在舌鱗狀細(xì)胞癌中，miR-133a和miR-133b的表達(dá)量明顯下降，PKM2表達(dá)量明顯升高[6];在肝癌細(xì)胞中，miR-122的減少也導(dǎo)致了PKM2表達(dá)量的增加[7];在人惡性膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，miR-326表達(dá)量的降低也有同樣的作用[8]。

在翻譯后發(fā)揮作用的過(guò)程中，PKM2的表達(dá)水平會(huì)進(jìn)一步被調(diào)控。在葡萄糖濃度較高時(shí)，PKM2第305位的賴氨酸會(huì)發(fā)生乙酰化，乙酰化的PKM2能與熱休克蛋白HSC70結(jié)合，隨后通過(guò)分子伴侶介導(dǎo)的自噬進(jìn)行溶酶體依賴性的降解;將第305位的賴氨酸突變?yōu)楣劝滨０泛?，PKM2的過(guò)表達(dá)會(huì)促進(jìn)糖酵解中間產(chǎn)物的大量積累，為生物大分子合成提供前體物質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生[9]。

2PKM2活性的調(diào)節(jié)及其入核機(jī)制

PKM2有兩種聚合形式，在正常細(xì)胞中，PKM2以四聚體的形式存在，發(fā)揮丙酮酸激酶的活性，與底物PEP結(jié)合并且催化葡萄糖代謝產(chǎn)生能量;在腫瘤細(xì)胞中，PKM2以二聚體的形式存在，不與底物PEP結(jié)合并且催化葡萄糖進(jìn)入合成代謝[10]。PKM2的兩種聚合形式可以相互轉(zhuǎn)化，并且受到多種因素調(diào)控：果糖-6-磷酸（FBP）在調(diào)節(jié)四聚體和二聚體比例的過(guò)程中起著重要作用，它能促進(jìn)二聚體相互結(jié)合形成四聚體，提高PKM2的活性;PKM2翻譯后的修飾作用也能調(diào)節(jié)四聚體和二聚體的比例，原癌基因蛋白會(huì)促進(jìn)二聚體的形成，使PKM2失活[11]。

在腫瘤細(xì)胞中，二聚體形式的PKM2會(huì)定位到細(xì)胞核，進(jìn)而發(fā)揮蛋白激酶的活性。PKM2的入核機(jī)制比較復(fù)雜，YANG[12]等研究表明，表皮生長(zhǎng)因子（EGF）作用于表皮生長(zhǎng)因子受體（EGFR），EGFR誘導(dǎo)ERK1/2特異性地結(jié)合到PKM2的第10外顯子上，磷酸化PKM2第37位的絲氨酸，磷酸化的PKM2能募集多肽脯氨酰基順?lè)串悩?gòu)酶（PIN1），PIN1能催化PKM2第37位的絲氨酸和38位的脯氨酸發(fā)生順?lè)串悩?gòu)，發(fā)生順?lè)串悩?gòu)的PKM2會(huì)暴露出其核定位信號(hào)（NLS），即第399位和400位的精氨酸，該NLS能與輸入蛋白importin5結(jié)合，最終運(yùn)輸PKM2進(jìn)入細(xì)胞核。除此之外，PKM2還能通過(guò)其他的途徑進(jìn)入細(xì)胞核：脯氨酸羥化酶3（PHD3）能羥基化PKM2第405位和408位的脯氨酸，促進(jìn)PKM2入核且與低氧誘導(dǎo)因子1α（HIF-1α）相互結(jié)合[13];雙加氧酶（JMJD5）能與PKM2的羧基端結(jié)合，形成異源二聚體，阻礙PKM2形成四聚體，促進(jìn)PMM2入核并且與HIF-1α相互結(jié)合[14];p300乙酰轉(zhuǎn)移酶能催化PKM2第433位的賴氨酸乙酰化，而第433位賴氨酸乙酰化的PKM2不響應(yīng)FBP的作用，不能形成四聚體，反而入核與組蛋白3（H3）和信號(hào)傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子（STAT3）結(jié)合[15]。

3PKM2在細(xì)胞核內(nèi)的作用

EGF誘導(dǎo)作用下第37位絲氨酸磷酸化的PKM2入核后會(huì)發(fā)揮蛋白激酶的作用，磷酸化β-catenin第333位的酪氨酸，促進(jìn)PKM2與β-catenin的結(jié)合，形成的復(fù)合物能夠磷酸化H3第11位的蘇氨酸，解除組蛋白脫乙酰酶（HDAC3）與H3的結(jié)合，促進(jìn)H3第9位酪氨酸的乙?；?，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白CCND1的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生和發(fā)展;同時(shí)PKM2與β-catenin形成的復(fù)合體能夠結(jié)合到c-Myc的啟動(dòng)子區(qū)域，促進(jìn)其下游靶基因的表達(dá)，如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1（GLUT1）、乳酸脫氫酶A（LDHA）、PKM2、PTB等[16]。

在PHD3存在的情況下，PKM2會(huì)入核并且與其轉(zhuǎn)錄激活因子HIF-1α結(jié)合，而這種結(jié)合能加強(qiáng)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性，上調(diào)HIF-1靶基因的表達(dá)水平，例如GLUT1、LDHA和PKM2，而葡萄糖攝取和乳酸分泌的增加進(jìn)一步證明了這個(gè)觀點(diǎn)。同時(shí)，PKM2能加強(qiáng)募集p300到HIF-1靶基因的低氧反應(yīng)元件上，從而促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄激活，PKM2與HIF-1α之間形成一個(gè)正反饋調(diào)節(jié)[17-18]。WANG等[14]的研究結(jié)果表明，JMJD5和PKM2能直接結(jié)合，破壞PKM2的四聚體結(jié)構(gòu)，抑制其丙酮酸激酶活性，促進(jìn)其入核，在細(xì)胞核中，JMJD5-PKM2形成的異源二聚體能夠促進(jìn)HIF-1α介導(dǎo)的反式激活。

在致癌因子的刺激下，p300乙酰轉(zhuǎn)移酶催化PKM2第433位賴氨酸乙?；琍KM2會(huì)表現(xiàn)出蛋白激酶的活性并且在細(xì)胞核內(nèi)積累，接下來(lái)磷酸化STAT3第705位的酪氨酸，促進(jìn)STAT3與絲裂原活化蛋白激酶MEK5啟動(dòng)子的結(jié)合，進(jìn)而促進(jìn)MEK5的轉(zhuǎn)錄激活[19]，MEK5的表達(dá)會(huì)促進(jìn)細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生。另外，PKM2能與八聚轉(zhuǎn)錄因子Oct-4的羧基端結(jié)合從而加強(qiáng)Oct-4的反式激活，Oct-4蛋白對(duì)維持胚胎干細(xì)胞的多能性是非常重要的[20]。

除了通過(guò)調(diào)控CCDN1的表達(dá)來(lái)調(diào)控有絲分裂間期G1-S期的過(guò)渡外，PKM2還能調(diào)控有絲分裂期。JIANG等[21]研究結(jié)果表明，PKM2能結(jié)合到紡錘體檢測(cè)點(diǎn)蛋白Bub3并磷酸化Bub3第207位的酪氨酸，然后募集Bub3-Bub1復(fù)合物到著絲粒蛋白Blinkin，精確調(diào)控著絲粒-紡錘體的附著、紡錘體檢測(cè)點(diǎn)的形成及接下來(lái)的姐妹染色單體分離和腫瘤細(xì)胞增殖。

PKM2還能調(diào)控細(xì)胞分裂的最后一步即胞質(zhì)分裂，在胞質(zhì)分裂的過(guò)程中，極光激酶能夠磷酸化PKM2第45位的蘇氨酸，使其與細(xì)胞骨架蛋白（MLC2）共定位到細(xì)胞分裂末期收縮環(huán)區(qū)域，接下來(lái)磷酸化MLC2第118位的酪氨酸，這種磷酸化作用會(huì)促進(jìn)MLC2募集Rho相關(guān)蛋白R(shí)OCK2，ROCK2的募集能夠進(jìn)一步磷酸化MLC2第15位的絲氨酸，以保證胞質(zhì)分裂的正常進(jìn)行。EGFR、K-Ras G12V和B-Raf V600E突變體的表達(dá)能夠進(jìn)一步促進(jìn)PKM2介導(dǎo)的MLC2的磷酸化，這個(gè)過(guò)程在胞質(zhì)分裂、細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[22]。

4PKM2在腫瘤診斷和治療中的作用

在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移和壞死的過(guò)程中，腫瘤細(xì)胞中的PKM2會(huì)進(jìn)入血液循環(huán)，且PKM2并不是器官特異性蛋白，因此可以對(duì)血液或糞便中PKM2的表達(dá)量進(jìn)行檢測(cè)，并將其作為腫瘤檢測(cè)的指標(biāo)[23-24]。目前已經(jīng)在結(jié)直腸癌病人的糞便樣本中，胸部癌癥病人的胸腔積液中，以及腎癌、肺癌、食管癌、胃癌、胰腺癌、結(jié)腸癌、乳癌和宮頸癌等多種癌癥病人的血液中，檢測(cè)到PKM2表達(dá)量升高，且其含量與腫瘤的分化轉(zhuǎn)移及分期密切相關(guān)，故可以將PKM2含量作為判斷腫瘤發(fā)生的標(biāo)志之一[25-26]。

鑒于PKM2在腫瘤發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，選擇性地抑制PKM2已成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。SPODEN等[27]已經(jīng)研發(fā)出一些適配子肽，這些適配子肽可以抑制PKM2二聚體的形成，使PKM2保持在四聚體形式，從而抑制細(xì)胞增殖。2010年，VANDER等[28]研發(fā)出3類PKM2抑制劑，該抑制劑可導(dǎo)致糖酵解的減弱和細(xì)胞死亡的增加，提示用藥物類似分子來(lái)選擇性定位PKM2作為治療腫瘤的靶點(diǎn)的方法可行。

5總結(jié)與展望

綜上所述，PKM2在腫瘤的細(xì)胞增殖和有氧糖酵解過(guò)程中是必不可少的，其表達(dá)水平受多種因素調(diào)控。PKM2表達(dá)形式在四聚體和二聚體之間相互轉(zhuǎn)化，決定了其不同的功能與活性，在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著雙重作用。PKM2的入核機(jī)制比較復(fù)雜，入核后發(fā)揮著各種各樣的功能，與細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂、腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。在腫瘤的診斷和治療過(guò)程中，PKM2作為新的診斷指標(biāo)和治療靶點(diǎn)逐漸吸引了人們的目光，成為研究的焦點(diǎn)，為腫瘤的治療提供了新的思路。

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