偽足、有氧糖酵解與腫瘤細(xì)胞遷移的研究進(jìn)展

黃 蕾，滕春瑩，雷 鵬，單毓娟

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)是由若干化學(xué)誘導(dǎo)物刺激胞內(nèi)信號(hào)通路，使細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白重組形成膜突起繼而引發(fā)的多步驟、多階段的復(fù)雜過程[1]。腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力來源于細(xì)胞骨架蛋白，它是形成細(xì)胞偽足的核心成分。作為細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行者，偽足可形象地被稱為細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的“腳”，其結(jié)構(gòu)特征是腫瘤細(xì)胞遷移能力強(qiáng)弱的關(guān)鍵所在[2]。

1 偽足與腫瘤細(xì)胞遷移

1.1 偽足分類、形成及功能

參與腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的偽足主要有4種：片狀偽足、絲狀偽足、侵襲性偽足和足體。如圖1所示，片狀偽足是細(xì)胞表面較寬且短的板狀膜突起，又叫做細(xì)胞膜波動(dòng)，富含動(dòng)力型的肌動(dòng)蛋白，其內(nèi)部的肌動(dòng)蛋白呈網(wǎng)絡(luò)狀排列；絲狀偽足是細(xì)胞表面延伸的細(xì)長呈針狀的膜突起，其內(nèi)部充滿平行緊密排列的絲狀纖維[3]。此外，還有些膜突起可以降解和重構(gòu)細(xì)胞外基質(zhì)，這類侵襲性細(xì)胞在正對(duì)基底膜一側(cè)形成的富含肌動(dòng)蛋白的膜突起叫侵襲性偽足，它僅在細(xì)胞侵襲過程中出現(xiàn)，且無固定形態(tài)。目前認(rèn)為絲狀偽足是由片狀偽足發(fā)展而來，而足體被認(rèn)為是侵襲性偽足的前體。

圖1 細(xì)胞偽足形態(tài)

片狀偽足的膜突起是由肌動(dòng)蛋白的局部聚合引起的，首先是肌動(dòng)蛋白單體(G-actin)聚集形成肌動(dòng)蛋白纖維(F-actin)，同時(shí)在前緣產(chǎn)生肌動(dòng)蛋白絲的游離帶刺末端，繼而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移。其中產(chǎn)生游離帶刺末端的方式主要有以下3種：肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3復(fù)合物(actin-related protein complex，Arp2/3 complex)調(diào)控肌動(dòng)蛋白重新聚集；絲切蛋白切斷已存在的肌動(dòng)蛋白纖維；肌動(dòng)蛋白纖維的脫帽作用[2，4]。片狀偽足與絲狀偽足的核心成分是肌動(dòng)蛋白纖維，而侵襲偽足的成分較為復(fù)雜，由一系列蛋白共同構(gòu)成，如肌動(dòng)蛋白、肌動(dòng)蛋白調(diào)控蛋白、黏附分子、膜重塑和信號(hào)蛋白及基質(zhì)降解酶等，其中核心蛋白為皮層肌動(dòng)蛋白(Cortactin)和神經(jīng)Wiskott-Aldrich綜合征蛋白(neural Wiskott-Aldrich syndrome protein，N-WASP)，這些蛋白在多種惡性腫瘤中表達(dá)均上調(diào)。足體在外觀和分子構(gòu)成與侵襲性偽足相似。典型的足體由單核型細(xì)胞形成，此外在平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)了類似于足體的結(jié)構(gòu)。

作為細(xì)胞膜的特殊形式，這幾種偽足有著不同的功能：絲狀偽足主要負(fù)責(zé)細(xì)胞黏附和攝取營養(yǎng)，而片狀偽足對(duì)于細(xì)胞的長距離遷移起著重要的作用[5]；侵襲性偽足只有在細(xì)胞侵襲的過程中出現(xiàn)，可幫助腫瘤細(xì)胞侵入并通過基質(zhì)進(jìn)入血管。足體與侵襲性偽足相同，也能夠降解細(xì)胞外基質(zhì)[6-7]。這些偽足之間的關(guān)系目前報(bào)道較少，已有文獻(xiàn)認(rèn)為絲狀偽足與片狀偽足之間存在著互相轉(zhuǎn)換的關(guān)系，這種轉(zhuǎn)換直接調(diào)節(jié)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)，在癌細(xì)胞快速轉(zhuǎn)移過程中能夠發(fā)現(xiàn)大量的絲狀偽足向片狀偽足的轉(zhuǎn)換[2，8]。細(xì)胞偽足總結(jié)見表1。

表1 細(xì)胞偽足概況

1.2 偽足形成的調(diào)節(jié)與腫瘤細(xì)胞遷移

對(duì)偽足形成的研究，主要是圍繞偽足核心成分及主要調(diào)控因子展開的。皮層肌動(dòng)蛋白是一種肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白，通過磷酸化而被激活，活化后可招募Arp2/3復(fù)合物，繼而促進(jìn)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的聚合和重組[9]。其中Arp2/3復(fù)合物是一種七亞基蛋白復(fù)合物，可促進(jìn)肌動(dòng)蛋白纖維聚合過程中的成核和分支化，并能被WASP家族蛋白激活，在調(diào)控肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架中起重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)，Cortactin在膠質(zhì)瘤組織中的表達(dá)明顯高于非腫瘤組織，且與腫瘤的惡性程度呈正相關(guān)；通過RNAi沉默Cortactin后，膠質(zhì)瘤細(xì)胞的片狀偽足大小和存留時(shí)間均有所減少，表明Cortactin可通過調(diào)控片狀偽足的形成促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的遷移[10]。此外，Cortactin還作為侵襲偽足的核心成分之一，參與調(diào)控腫瘤細(xì)胞的侵襲過程[1]。Lin等[11]發(fā)現(xiàn)，在乳腺癌細(xì)胞中足細(xì)胞標(biāo)志蛋白1可促進(jìn)Cortactin磷酸化，并通過激活Rac1/Cdc42/Cortactin信號(hào)通路促進(jìn)侵襲偽足形成及腫瘤細(xì)胞的遷移。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，WASP家族蛋白由5個(gè)成員組成(WASP、N-WASP、WAVE 1、WAVE 2和WAVE 3)，其中N-WASP是構(gòu)成侵襲偽足的另一核心成分，活化的N-WASP可以起到幫助侵襲偽足降解細(xì)胞外基質(zhì)的作用。在大鼠乳腺癌細(xì)胞MTLn3中，敲除N-WASP或其上下游效應(yīng)器(Cdc42，WIP或Arp2/3復(fù)合物)，均可顯著抑制侵襲偽足的形成和基質(zhì)降解活性[12]。Huang等[13]發(fā)現(xiàn)，通過轉(zhuǎn)染siRNA阻斷WAVE2的表達(dá)，可顯著抑制纖維肉瘤HT-1080細(xì)胞中片狀偽足的形成及細(xì)胞遷移運(yùn)動(dòng)。

Rho GTP酶是Ras超家族的成員，目前已發(fā)現(xiàn)20多種。其中，Cdc42、Rac1和Rho A是研究最多的。采用RNAi技術(shù)抑制前列腺癌細(xì)胞Rho A表達(dá)后，細(xì)胞形態(tài)變?yōu)榧?xì)長，并延伸出多個(gè)絲狀偽足，且腫瘤侵襲性增強(qiáng)；相反，當(dāng)抑制Rho C表達(dá)時(shí)，細(xì)胞則呈橢圓狀，片狀偽足增多，這表明不同Rho GTP酶可調(diào)控不同的偽足形成[14]。Yuki[15]等發(fā)現(xiàn)，p39-Cdk5可通過降低Rac1活性來抑制小鼠成神經(jīng)細(xì)胞瘤的片狀偽足形成。此外，Cdc42和Rac1在卵巢腫瘤組織中均高表達(dá)；使用酮咯酸R抑制Cdc42和Rac1活性后，卵巢癌細(xì)胞中Cdc42介導(dǎo)的絲狀偽足減少，細(xì)胞遷移能力降低[16]。Rho GTP酶在細(xì)胞骨架重組調(diào)控以及細(xì)胞運(yùn)動(dòng)等方面起重要作用。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，將片狀偽足、絲狀偽足和侵襲偽足的主要調(diào)控通路總結(jié)如下。如圖2所示，片狀偽足的形成主要由Rho A-ROCK或Cortactin-Arp2/3介導(dǎo)的actin聚合調(diào)控；絲狀偽足形成主要由Cdc42-WASPArp2/3通路調(diào)控；而侵襲性偽足的形成主要是由其核心成分Cortactin和N-WASP促進(jìn)Arp2/3復(fù)合物而調(diào)控的。綜上所述，干擾細(xì)胞偽足的形成能夠從根本上阻斷細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，從源頭上抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移。

圖2 偽足形成的調(diào)控信號(hào)通路

2 有氧糖酵解與腫瘤細(xì)胞遷移

腫瘤細(xì)胞遷移不僅與偽足的核心成分有關(guān)，還需要足夠能量的供應(yīng)。在生理?xiàng)l件下，偽足核心成分G-actin與ATP結(jié)合形成ATP-actin，牢固的聚集在原有F-actin的前端，隨后ATP水解變成結(jié)合能力較弱的ADP-actin而脫落，這個(gè)動(dòng)態(tài)循環(huán)的過程使細(xì)胞獲得可以向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力(圖3)[17]。因此，腫瘤細(xì)胞若想快速遷移，大量能量的獲取是必不可少的。正常情況下，每消耗1個(gè)葡萄糖分子，低氧環(huán)境中無氧糖酵解可產(chǎn)生2個(gè)ATP分子；而常氧環(huán)境中經(jīng)過線粒體電子傳遞鏈徹底氧化則可產(chǎn)生36個(gè)ATP分子。腫瘤細(xì)胞的快速增殖和遷移造成細(xì)胞內(nèi)的低氧環(huán)境，同時(shí)還需要高速率的產(chǎn)能。這種需求與實(shí)際情況相矛盾，使得腫瘤細(xì)胞獲得重新編排自身能量代謝的能力，即能量代謝重排。此時(shí)，腫瘤細(xì)胞通常會(huì)打破生理狀態(tài)下的能量代謝模式，呈現(xiàn)如下異常特征：糖酵解升高、氨基酸和脂質(zhì)代謝增強(qiáng)、線粒體生物合成及戊糖磷酸途徑增強(qiáng)等。能量代謝重排被視為腫瘤的一個(gè)新特征[18]。其中，“Warburg效應(yīng)”又稱為有氧糖酵解(即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細(xì)胞仍優(yōu)先利用糖酵解供能)，是具有較強(qiáng)遷移能力的惡性腫瘤細(xì)胞普遍具有的一個(gè)代謝重排特征。

糖酵解異常升高是大多數(shù)腫瘤細(xì)胞能量代謝一個(gè)備受關(guān)注的特征。圖4概括了細(xì)胞內(nèi)葡萄糖代謝的基本過程及參與調(diào)控的主要調(diào)節(jié)因子，葡萄糖代謝為乳酸的產(chǎn)能效率遠(yuǎn)低于氧化分解為二氧化碳和水。因此，部分腫瘤細(xì)胞通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT-1、GLUT-2、GLUT-3和GLUT-4)來攝取更多的葡萄糖，以維持ATP的供應(yīng)[19]。葡萄糖攝取增加是區(qū)別腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的主要特征。據(jù)報(bào)道，Ras、Myc和HIF-1α等癌基因是腫瘤細(xì)胞糖酵解的主要誘導(dǎo)因子[20]。其中c-Myc和低氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)這兩種主要的糖酵解激活轉(zhuǎn)錄因子可協(xié)同促進(jìn)腫瘤糖酵解酶的表達(dá)，如己糖激酶(HK2)、磷酸果糖激酶1(PFK-1)、乳酸脫氫酶A(LDHA)等[20-21]。雖然HIF-1α主要在低氧環(huán)境中發(fā)揮作用，但c-Myc可在氧氣充足環(huán)境中促進(jìn)糖酵解相關(guān)基因的表達(dá)。這種協(xié)同作用使得腫瘤能夠持續(xù)促進(jìn)糖酵解代謝，從而支持其快速增殖和遷移運(yùn)動(dòng)[22]。相反，p53則可通過直接抑制GLUT-1和GLUT-4的轉(zhuǎn)錄來下調(diào)葡萄糖的攝取[23]。因此，p53、c-Myc和HIF-1α之間的平衡對(duì)腫瘤細(xì)胞糖酵解的狀態(tài)有決定性的影響。

圖4 細(xì)胞葡萄糖代謝過程及調(diào)控

糖酵解酶在腫瘤遷移過程中起著重要作用。丙酮酸激酶(PK)，催化糖酵解的最終限速步驟。在分化的胃癌細(xì)胞中，敲除PKM2可以降低E-鈣黏蛋白(E-cadherin)的表達(dá)，從而激活EGFR下游信號(hào)通路(如PLC-γ1和ERK1/2)，抑制腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲[24]。此外，在結(jié)直腸癌中PKM2表達(dá)異常升高，這與腫瘤淋巴轉(zhuǎn)移相關(guān)，敲除PKM2可抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖和遷移[25]。乳酸脫氫酶(LDH)，催化丙酮酸鹽向乳酸轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵代謝酶；轉(zhuǎn)化生長因子-β2(TGF-β2)是高級(jí)別膠質(zhì)瘤侵襲的重要調(diào)節(jié)因子。LDHA和乳酸可以調(diào)節(jié)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞中TGF-β2的表達(dá)，增加基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP2)的表達(dá)，繼而增強(qiáng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的遷移[26]。除上述糖酵解酶外，其他糖酵解酶也在腫瘤細(xì)胞遷移過程中發(fā)揮潛在作用。據(jù)報(bào)道，己糖激酶2(HK2)和6-磷酸果糖-2-激酶(PFKFB)均是HIF-1的轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)。

糖酵解增強(qiáng)的另一個(gè)重要后果就是乳酸的大量堆積。過多的乳酸通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(MCTs)轉(zhuǎn)出細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞外微環(huán)境酸化，pH值降低，基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)，尿激酶型纖溶酶原激活劑和組織蛋白酶B、D和L等蛋白酶激活，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)降解并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。此外，乳酸不僅是一種代謝中間產(chǎn)物，而且是一種信號(hào)分子，能激活HIF[26]。除了誘導(dǎo)糖酵解相關(guān)酶的表達(dá)，HIF還可調(diào)節(jié)控制多種細(xì)胞功能的基因，如血管生成、能量代謝、侵襲和轉(zhuǎn)移、凋亡或存活等。

糖酵解不僅為癌細(xì)胞提供能量，而且為生物合成提供必要的前體。糖酵解代謝產(chǎn)物，如葡萄糖-6-磷酸、磷酸二羥丙酮等，可以被轉(zhuǎn)移到其他代謝途徑。例如，磷酸戊糖途徑可利用葡萄糖-6-磷酸合成核苷酸和NADPH，其中NADPH是一種重要的還原劑，對(duì)氧化還原穩(wěn)態(tài)十分重要。磷酸二羥丙酮可用于脂質(zhì)合成，對(duì)組裝新的細(xì)胞器并促進(jìn)腫瘤生長具有重要的意義。此外，糖酵解代謝產(chǎn)物也是氨基酸生產(chǎn)和大分子合成的重要原料[26]。除了維持代謝功能外，糖酵解酶在促進(jìn)癌癥生存、轉(zhuǎn)移、侵襲、染色質(zhì)重塑、基因表達(dá)調(diào)控和其他必要的細(xì)胞過程中均發(fā)揮著積極的促進(jìn)作用[25]。因此，靶向糖酵解酶的表達(dá)可能是癌癥治療的有效策略。目前，通過糖酵解靶向腫瘤細(xì)胞偽足形成的研究甚少。據(jù)報(bào)道，前列腺癌和內(nèi)皮細(xì)胞依賴糖酵解來調(diào)節(jié)片狀偽足的形成和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)[27-28]。在糖酵解被抑制的情況下，線粒體產(chǎn)生的ATP不能被運(yùn)用到細(xì)胞骨架重塑的位點(diǎn)上，這表明葡萄糖代謝在細(xì)胞骨架重塑和細(xì)胞運(yùn)動(dòng)中起著基礎(chǔ)作用[27]。

3 總結(jié)

復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致癌癥患者不良預(yù)后的主要原因。細(xì)胞偽足是腫瘤遷移運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)弱的關(guān)鍵所在，偽足的形成過程需要大量ATP供應(yīng)?？梢姡渥愕哪芰揩@取是腫瘤細(xì)胞運(yùn)動(dòng)必不可少的驅(qū)動(dòng)力。目前大量研究證實(shí)，多數(shù)腫瘤細(xì)胞都存在能量代謝重排現(xiàn)象，以滿足腫瘤細(xì)胞快速增殖及運(yùn)動(dòng)遷移的需求。因此，通過靶向能量代謝重排來研究偽足形成對(duì)腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的影響已經(jīng)成為腫瘤防治的一個(gè)新策略。