PKM2在腫瘤代謝及進(jìn)展中的作用

李玉環(huán)　綜述，孫國(guó)平，李　俊　審校

丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)是葡萄糖代謝的關(guān)鍵酶之一，其催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，同時(shí)產(chǎn)生腺嘌呤核苷三磷酸。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，PK由PKLR和PKM兩種基因編碼，共產(chǎn)生四種亞型，分別是PKL、PKR、M1型丙酮酸激酶 (pyruvate kinase M1，PKM1)和PKM2[1]。PKL和PKR來(lái)源于基因PKLR，PKLR基因在組織特異性啟動(dòng)子的作用下表達(dá)于不同的組織細(xì)胞內(nèi)，其中PKR表達(dá)于紅細(xì)胞，PKL表達(dá)于肝臟;PKM1和PKM2來(lái)自于同一基因PKM，PKM基因轉(zhuǎn)錄生成的mRNA在剪切因子的作用下可以形成含外顯子9的PKM1或含外顯子10的PKM2。PKM1主要表達(dá)在骨骼肌和腦組織中，PKM2主要表在于代謝旺盛的胚胎組織以及腫瘤組織，在胚胎逐漸發(fā)育成熟的過程中，PKM2的逐漸消失。細(xì)胞發(fā)生惡變時(shí)，無(wú)論其惡變前為何種組織來(lái)源，PKM2的表達(dá)重新升高甚至取代原先的PK形式，因此PKM2也被稱作為腫瘤特異性PK[2]。

1　PKM2的二聚體及四聚體狀態(tài)

PKM2有二聚體和四聚體兩種主要狀態(tài)，其中PKM2的二聚體狀態(tài)具有較低的PK活性，腫瘤細(xì)胞中該酶的主要以二聚體狀態(tài)存在，這種狀態(tài)的PKM2一方面與核酸和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成密切相關(guān)，另一方面二聚體的PKM2可以進(jìn)入細(xì)胞核作為轉(zhuǎn)錄因子激活腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)基因。當(dāng)PKM2處于四聚體狀態(tài)時(shí),與其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有較高的親和力，因此擁有較高的PK活性，催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸進(jìn)而產(chǎn)生能量。二聚體狀態(tài)的PKM2與四聚體狀態(tài)的PKM2的比值決定了細(xì)胞內(nèi)的丙酮酸是參于核酸、蛋白的合成還是參與能量代謝過程，當(dāng)二聚體與四聚體比值升高時(shí)說明此時(shí)細(xì)胞主要以物質(zhì)合成為主，反之以產(chǎn)能為主[3]。

2　PKM2的調(diào)節(jié)

2.1代謝中間產(chǎn)物1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diphosphate, FBP)是葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物之一，從上世紀(jì)六十年代開始，F(xiàn)BP就被認(rèn)為是PKM2的激活劑。研究[4]顯示FBP可與PKM2可逆性結(jié)合并穩(wěn)定PKM2的四聚體狀態(tài)因此促進(jìn)其PK活性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的葡萄糖濃度增高時(shí)，F(xiàn)BP的濃度隨之升高，PKM2大部分處于高活性的四聚體狀態(tài)。

2.2磷酸化PKM2是一種磷酸化酶，其酪氨酸殘基Y105磷酸化現(xiàn)象已經(jīng)在人類的多種實(shí)體腫瘤中被發(fā)現(xiàn)。PKM2的酪氨酸殘基Y83、Y105、Y148、Y175、Y370、Y390可被成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體1直接磷酸化，磷酸化的PKM2與FBP結(jié)合減少進(jìn)而抑制了PKM2四聚體形式的存在，降低其PK活性。有報(bào)道[5]顯示TRIM35(tripartite motif containing 35)可與PKM2直接結(jié)合抑制PKM2 Y105磷酸化，進(jìn)而升高酶活性。Jun氨基末端激酶1磷酸化PKM2 蘇氨酸殘基Thr365抑制酶活性[6]。

2.3乙?；阴；荘KM2另外一種翻譯前修飾方式，其能降低PKM2的酶活性，增加糖酵解中間產(chǎn)物，支持生物合成。P300乙酰轉(zhuǎn)移酶催化PKM2的K433乙?；阴；腜KM2與FBP親和力降低，PKM2四聚體形式減少，活性降低[7]。

2.4蛋白質(zhì)間相互作用PKM2的活性也受許多與之接觸的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)，結(jié)合位點(diǎn)與作用機(jī)制各有不同。黏液素1、死亡相關(guān)蛋白與PKM2結(jié)合可提高酶活性促進(jìn)糖酵解；雜交雙酵母技術(shù)研究[8]顯示PIAS3(protein inhibitor of activated STATA3)通過羧基端與PKM2相結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)酶活性；組蛋白去甲基化酶JMJD5、L-半胱氨酸與PKM2結(jié)合可降低酶活性[9-10];5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸通過直接接觸變構(gòu)調(diào)節(jié)激活PKM2[11]。絲氨酸作為PKM2的天然配體可有效激活PKM2[12]。

2.5轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和選擇性剪接PKM基因的剪接因子包括PTB、hnRNPAI、hnRNPA2三種異質(zhì)性核糖蛋白，其通過結(jié)合外顯子9，釋放外顯子10來(lái)促進(jìn)PKM2的表達(dá)同時(shí)抑制PKM1的表達(dá)，NIMA相關(guān)蛋白激酶2可以通過與hnRNPAI/A2結(jié)合來(lái)促進(jìn)外顯子10的釋放，進(jìn)一步增加PKM2的表達(dá)[13]。

2.6miRNA越來(lái)越多的研究[14]顯示PKM2的表達(dá)與非編碼RNA家族中的miRNA相關(guān)，其中miRNA是一類短鏈的非編碼RNA，其靶向作用于mRNA來(lái)影響蛋白質(zhì)的合成因此在基因的調(diào)控中起重要作用。研究[15]顯示，miRNA-326與PKM2的3’UTR端有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，在膠質(zhì)瘤細(xì)胞中轉(zhuǎn)染miRNA-326后PKM2的表達(dá)水平降低,因此證明miRNA-326抑制PKM2的表達(dá)。在腸癌細(xì)胞中miRNA-let-7a通過下調(diào)PKM2的表達(dá)來(lái)抑制腸癌的增殖、侵襲、遷移[16]。類似的有：miRNA-133a、miRNA-133b、miRNA-122、miRNA-338-3P也可降低PKM2的表達(dá)水平。miRNA-124、miRNA-137、miRNA-340靶向作用于剪接因子PTB、hnRNPAI、hnRNPA2促使PKM mRNA的表達(dá)由PKM2轉(zhuǎn)向PKM1，PKM2的表達(dá)量減少。

3　PKM2與腫瘤的關(guān)系

糖代謝異常是腫瘤細(xì)胞的一大重要特征。絕大多數(shù)正常細(xì)胞在氧供應(yīng)正常時(shí)都是通過線粒體有氧氧化將葡萄糖徹底氧化成二氧化碳和水，只有在氧氣缺乏時(shí)才會(huì)進(jìn)行糖酵解產(chǎn)生乳酸，而腫瘤細(xì)胞無(wú)論氧氣存在與否都主要通過糖酵解進(jìn)行能量代謝，這就是著名的Warburg效應(yīng)。PKM2作為糖酵解途徑的關(guān)鍵酶之一，已經(jīng)在多種腫瘤細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)高表達(dá)，例如直腸癌、乳癌、肺癌、肝癌、胃癌、腎癌等。其表達(dá)與腫瘤細(xì)胞糖攝取增多、乳酸生成增多以及耗氧量減少密切相關(guān)。

一方面PKM2可以在細(xì)胞質(zhì)中發(fā)揮PK活性促進(jìn)糖酵解中間產(chǎn)物積累利于腫瘤細(xì)胞合成需要，另一方面其也可以通過其C-端的核定位信號(hào)在白介素-3、生長(zhǎng)激素抑制劑類似物TT-232、過氧化物、紫外線輻射等因素下由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)以二聚體的形式發(fā)揮蛋白激酶活性作用于細(xì)胞核內(nèi)的多種轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而影響多種信號(hào)通路促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。微陣列實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，PKM2是一種具有多效性的蛋白激酶，其可以使人體大約一百種以上的蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化。近年來(lái)有研究[17]顯示腫瘤表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF)也能夠誘導(dǎo)PKM2進(jìn)入細(xì)胞核，入核的PKM2對(duì)EGF誘導(dǎo)的β-連環(huán)素(β-catenin)信號(hào)通路對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)產(chǎn)生非常重要的作用。表皮生長(zhǎng)因子受體被EGF激活后促使下游細(xì)胞因子非受體酪氨酸激酶C-SRC進(jìn)入細(xì)胞核磷酸化β-catenin的第333位酪氨酸，由于PKM2可以與磷酸化的酪氨酸結(jié)合，因此可以和β-catenin形成復(fù)合體與CCND1啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合磷酸化組蛋白H3，磷酸化后的組蛋白H3與組蛋白脫乙酰化酶3分離，使得組蛋白H3的第九位酪氨酸乙酰化，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖重要的細(xì)胞因子周期素D(CycinD1)的表達(dá)。PKM2也可通過影響β-catenin調(diào)控靶基因C-MYC，C-MYC又可發(fā)過來(lái)促進(jìn)PKM2的基因轉(zhuǎn)錄及hnRNA的剪切[18]。除了可以通過調(diào)節(jié)CycinD1的表達(dá)影響G1-S轉(zhuǎn)化外，PKM2還可調(diào)節(jié)有絲的方式,其能夠調(diào)節(jié)有絲分裂蛋白Bub3的207位酪氨酸，促進(jìn)Bub3-Bub1復(fù)合物的形成，Bub3-Bub1復(fù)合物進(jìn)一步作用于外著絲粒蛋白Blinkin,促使其與配體Bub結(jié)合因而精確調(diào)節(jié)染色體分離以及細(xì)胞增殖[19]。Gao et al[20]通過研究證實(shí)細(xì)胞核內(nèi)的PKM2能夠使信號(hào)傳導(dǎo)因子及轉(zhuǎn)錄活化因子3第705位酪氨酸磷酸化，進(jìn)一步促進(jìn):磷酸化絲裂原活化蛋白激酶激酶5 (mitogen activated protein kinase kinase 5，MEK5)的轉(zhuǎn)錄，MEK5對(duì)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。Li et al[21]的研究證實(shí)PKM2通過磷酸化轉(zhuǎn)錄活化因子3導(dǎo)致腸癌患者對(duì)吉西他濱耐藥。也有文獻(xiàn)[22]報(bào)道顯示PKM2可以使蛋白激酶B底物1的第202/203位絲氨酸促進(jìn)其與14-3-3 結(jié)合激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白敏感型復(fù)合體1(mechanistic target of rapamycin complex 1,mTORC1)信號(hào)通路促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)。PKM2可以直接磷酸化細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)，促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)[23]。研究[24]顯示PKM2能直接結(jié)合低氧誘導(dǎo)因子1-α的活性結(jié)構(gòu)域促進(jìn)下游血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的表達(dá)激活。去乙?；?可以使細(xì)胞核內(nèi)PKM2第433位賴氨酸脫乙?；偈蛊滢D(zhuǎn)出細(xì)胞核進(jìn)而抑制肝癌[25]。綜上所述，一方面PKM2在細(xì)胞漿內(nèi)作為PK促進(jìn)腫瘤細(xì)胞無(wú)氧糖酵解的來(lái)滿足腫瘤生長(zhǎng)所必需的物質(zhì)需求;另一方面細(xì)胞核內(nèi)的PKM2又作為一種重要的轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)β-catenin、C-MYC、CycinD1、MEK5、mTORC1的表達(dá)以及ERK1/2的磷酸化，而這些基因的表達(dá)又會(huì)從另一方面對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)起促進(jìn)作用。

4　診斷治療

PKM2在腫瘤細(xì)胞的代謝以及進(jìn)展過程中發(fā)揮著非常重要作用，是腫瘤診斷治療極具希望的靶點(diǎn)之一。有研究[26]顯示在應(yīng)用鉑類藥物化療的非小細(xì)胞肺癌患者體內(nèi)PKM2的含量越高，其腫瘤無(wú)進(jìn)展生存期、總生存期、疾病控制率越低，PKM2可以作為非小細(xì)胞肺癌患者鉑類藥物化療敏感性的指標(biāo)。由于PKM2在多種腫瘤中表達(dá)增多，所以有理由相信降低PKM2的活性的藥物能夠靶向治療腫瘤。事實(shí)上，已經(jīng)有PKM2抑制劑被設(shè)計(jì)出來(lái)并有證據(jù)證明其對(duì)癌癥生長(zhǎng)和存活有抑制作用。研究[27]表明紫草醌可能通過抑制PKM2活性引起細(xì)胞死亡來(lái)起到抗癌活性，關(guān)于PKM2抑制劑的臨床試驗(yàn)已經(jīng)在進(jìn)行之中。盡管如此，近來(lái)也有研究[28]顯示激活PKM2基因也能夠抑制腫瘤發(fā)展。但無(wú)論怎樣，進(jìn)一步研究PKM2在癌細(xì)胞中的作用，深入挖掘其具體作用機(jī)制是該領(lǐng)域最具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

5　展望

細(xì)胞代謝的重新編程為腫瘤細(xì)胞在低氧、物質(zhì)需求量急劇增大的環(huán)境下提供了特殊的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。PKM2，糖酵解途徑的最后一個(gè)限速酶，在腫瘤細(xì)胞代謝重新編程中發(fā)揮了不可忽視的作用。雖然近十幾年來(lái)已經(jīng)對(duì)PKM2在腫瘤細(xì)胞中的調(diào)節(jié)和功能有了多層次的了解，但關(guān)于其通過具體何種機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞核以及在細(xì)胞核內(nèi)作為轉(zhuǎn)錄共刺激因子參與各種信號(hào)通路的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。在充分整合好PKM2的代謝功能和非代謝功能，清晰地掌握其在體內(nèi)的作用和機(jī)制的前提下，努力研發(fā)針對(duì)PKM2相關(guān)的靶向藥物，必將推動(dòng)腫瘤治療走向新臺(tái)階。