PKM2與消化系統(tǒng)腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

曾慶煜，汪麗燕

(桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院消化內(nèi)科，廣西 桂林 541000)

消化系統(tǒng)的惡性腫瘤(如食管癌、胃癌、肝癌、結(jié)腸癌)是臨床上常見的惡性腫瘤，在我國整體的發(fā)病率及病死率位居前列，但其發(fā)病機制目前仍未完全明確。目前的研究認(rèn)為，在腫瘤細(xì)胞中存在著一種獨特的代謝方式——有氧糖酵解，即在氧氣充足的條件下腫瘤細(xì)胞仍能以糖酵解的方式獲取生長增殖所必需的能量，并能產(chǎn)生大量的丙酮酸；由于有氧糖酵解導(dǎo)致細(xì)胞微環(huán)境變化及腫瘤細(xì)胞自身的部分基因表達(dá)突變，腫瘤細(xì)胞通過有氧糖酵解能更好地吸收和利用增殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)[1]。腫瘤的這種特殊生物學(xué)特征被稱為“Warburg效應(yīng)”，被認(rèn)為是繼腫瘤的6種生物學(xué)特性(維持細(xì)胞增殖信號、逃避生長抑制、抵抗細(xì)胞死亡、持續(xù)的細(xì)胞復(fù)制、誘導(dǎo)血管生成以及激活細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移)以外的第7個特征[2]。研究表明，M2型丙酮酸激酶(M2 pyruvate kinase，PKM2)通過參與有氧糖酵解，使糖酵解中間產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)積累，并被快速增殖的腫瘤細(xì)胞所利用，最終促使腫瘤的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，通過尋找PKM2對腫瘤細(xì)胞作用的靶點，有望為腫瘤的臨床診療提供新的思路，具有重要的研究價值[3]?，F(xiàn)就PKM2與消化系統(tǒng)腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展予以綜述。

1 丙酮酸激酶

惡性腫瘤組織中，即使在氧氣充足的情況下，葡萄糖仍能通過“Warburg效應(yīng)”以糖酵解形式獲取能量，并產(chǎn)生大量的乳酸[4]。在糖酵解過程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是關(guān)鍵的限速酶之一，能催化磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸，并產(chǎn)生腺苷三磷酸(adenine nucleoside triphosphate，ATP)[5]。PK存在4種亞型 (L、R、M1和M2)，目前認(rèn)為PKL和PKR主要存在于正常組織中，PKL亞型主要表達(dá)于肝臟、腎臟及腸道組織中，而PKR主要表達(dá)于紅細(xì)胞[6]；PKM1和PKM2是由PKM基因編碼的兩種不同亞型的同工酶，兩者的主要區(qū)別為：在相互排斥的選擇性剪切子的作用下，外顯子9和外顯子10被選擇性剪接，實現(xiàn)單個外顯子表達(dá)，生成了包含外顯子9的PKM1和包含外顯子10的PKM2[7]。多數(shù)情況下，PKM1分布于心肌、骨骼肌和腦組織等分化成熟的組織中，而PKM2多存在于胚胎細(xì)胞、成人干細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞等快速增殖細(xì)胞中[8]。PKM2存在可相互轉(zhuǎn)換的二聚體和四聚體形式，在腫瘤細(xì)胞中多數(shù)以低活性的二聚體形式存在，而低活性的二聚體形式在葡萄糖代謝過程中可作為能量代謝和物質(zhì)合成的調(diào)節(jié)開關(guān)，為腫瘤細(xì)胞的增殖提供必要的能量和物質(zhì)支持[9]。一方面，通過比氧化磷酸化更高效的產(chǎn)生ATP，為腫瘤細(xì)胞的增殖提供能量支持；另一方面，二聚體形式的PKM2能促進(jìn)糖酵解的中間產(chǎn)物進(jìn)入糖酵解的旁路途徑，大量合成底物，為腫瘤細(xì)胞的生長提供必要的底物支持[1]。此外，PKM2還可在細(xì)胞核內(nèi)發(fā)揮調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用，通過磷酸化、乙酰化和其他蛋白質(zhì)修飾的方式，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性和細(xì)胞內(nèi)定位，如低活性的PKM2可以作為缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)、β聯(lián)蛋白的轉(zhuǎn)錄激活因子，促進(jìn)細(xì)胞增殖[7-8]。大量的研究證明，PKM2對腫瘤的代謝、增殖和轉(zhuǎn)移有顯著的影響，如肺癌[10]、卵巢癌[11]、前列腺癌[12]、宮頸癌[13]、乳腺癌[14]等。因此，研究PKM2對各系統(tǒng)腫瘤代謝、增殖、侵襲的影響及其相關(guān)機制具有重要的臨床意義。

2 PKM2與食管癌的關(guān)系

食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)是我國常見的消化系統(tǒng)腫瘤，近年來PKM2與ESCC的關(guān)系不斷被認(rèn)知。Li等[15]發(fā)現(xiàn)，PKM2與ESCC不良臨床預(yù)后相關(guān)，在食管癌的進(jìn)展中，PKM2可促進(jìn)糖酵解和腫瘤增殖。Liu等[16]則發(fā)現(xiàn)，抑制PKM2的表達(dá)能抑制ESCC細(xì)胞增殖，增加細(xì)胞凋亡。

PKM2是ESCC有氧糖酵解的關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶之一，Xiaoyu等[17]研究認(rèn)為，PKM2受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途徑調(diào)節(jié)，ESCC中異常激活的mTOR信號通路能調(diào)節(jié)PKM2誘導(dǎo)有氧糖酵解，從而導(dǎo)致ESCC發(fā)生。Tang等[18]在研究二甲雙胍對ESCC的影響時發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍通過抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/mTOR信號通路，誘導(dǎo)細(xì)胞停留在G0/G1期，并誘導(dǎo)其凋亡，從而抑制ESCC增殖。此外，Ma等[19]研究發(fā)現(xiàn)，PKM2的過表達(dá)可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，并與上皮鈣黏素表達(dá)呈負(fù)相關(guān)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PKM2調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)，通過轉(zhuǎn)化生長因子-β1誘導(dǎo)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)ESCC的進(jìn)展。因此，mTOR和PKM2抑制劑可作為ESCC治療的潛在藥物，二甲雙胍有望成為食管癌的輔助治療藥物。

臨床實踐中，抗腫瘤藥物的耐藥性是預(yù)后不良的重要因素之一。有研究表明，增加細(xì)胞內(nèi)活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的水平能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，控制細(xì)胞內(nèi)ROS水平對細(xì)胞存活至關(guān)重要[20-21]。Fukuda等[22]發(fā)現(xiàn)，ESCC患者中化療不敏感與PKM2的過表達(dá)有關(guān)，抑制PKM2能降低順鉑的耐藥性，促進(jìn)細(xì)胞凋亡；該試驗發(fā)現(xiàn)，順鉑治療可增加細(xì)胞內(nèi)ROS水平，降低食管癌細(xì)胞PK活性，增加乳酸，促進(jìn)葡萄糖進(jìn)入磷酸戊糖途徑，但磷酸戊糖途徑能負(fù)反饋干擾細(xì)胞內(nèi)ROS的過多積累，腫瘤細(xì)胞可以通過此負(fù)反饋通路增加對化療藥物的耐藥性，當(dāng)抑制PKM2時能干擾順鉑治療后食管癌細(xì)胞內(nèi)ROS過量積累引發(fā)的負(fù)反饋，進(jìn)而抑制磷酸戊糖途徑的激活，降低對化療藥物耐藥性。因此，PKM2的表達(dá)與抗腫瘤治療耐藥性的相關(guān)性值得進(jìn)一步探索。

3 PKM2與胃癌的關(guān)系

PKM2與胃癌發(fā)病機制及預(yù)后密切相關(guān)。Li等[23]認(rèn)為，PKM2與胃癌細(xì)胞的增殖、凋亡及葡萄糖代謝顯著相關(guān)。Shiroki等[24]認(rèn)為，PKM2通過調(diào)節(jié)胃癌特定的代謝途徑調(diào)控胃癌的發(fā)展，幽門螺桿菌的重要致病因子細(xì)胞毒素相關(guān)基因A通過胞外信號調(diào)節(jié)激酶信號通路誘導(dǎo)PKM2表達(dá)，從而促進(jìn)胃癌細(xì)胞有氧糖酵解，為胃癌細(xì)胞的增殖提供能量。另一項研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt/mTOR通路在胃癌中經(jīng)?；罨?，并且與胃癌的進(jìn)展直接相關(guān)[25]。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，PKM2過表達(dá)使Akt1S1的S202/203殘基磷酸化，從而抑制腫瘤細(xì)胞自噬mTORC1；敲低PKM2表達(dá)，Akt的磷酸化水平受到明顯抑制，使用PI3K抑制劑(3-MA)后，PKM2短發(fā)夾RNA細(xì)胞中Akt的磷酸化水平進(jìn)一步降低，同時細(xì)胞間質(zhì)的標(biāo)志物、神經(jīng)鈣黏素和波形蛋白表達(dá)明顯受到抑制；因此，敲低PKM2可減弱PI3K/Akt/mTOR信號通路，激活腫瘤細(xì)胞自噬，并降低胃癌細(xì)胞的遷移能力。Tang等[27]發(fā)現(xiàn)，使用微RNA(microRNA，miRNA)-let-7a 能抑制胃癌細(xì)胞中PKM2的表達(dá)，從而抑制胃癌細(xì)胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移。Kitayama等[28]發(fā)現(xiàn)，耐缺氧胃癌細(xì)胞系中，抑制PKM2的表達(dá)能顯著抑制耐缺氧胃癌細(xì)胞的增殖。胃癌中PKM2的高表達(dá)會促進(jìn)胃癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移，增加臨床不良預(yù)后概率[29]。因此，PKM2可作為胃癌治療的潛在靶點，有望成為評估臨床預(yù)后的指標(biāo)。然而，Wang等[30]提出了一個全新的假設(shè)，認(rèn)為PKM2在不同分化類型的胃癌中扮演著不同角色，根據(jù)上皮鈣黏素濃度的變化，PKM2通過調(diào)節(jié)表皮生長因子/表皮生長因子受體信號通路下游蛋白的表達(dá)，對胃癌的發(fā)展發(fā)揮不同的影響；當(dāng)上皮鈣黏素存在時，PKM2能減弱胃癌細(xì)胞的運動和侵襲；當(dāng)上皮鈣黏素缺乏或低表達(dá)時，能誘導(dǎo)PKM2發(fā)揮促進(jìn)腫瘤細(xì)胞侵襲的作用，但其科學(xué)性及具體機制仍需進(jìn)一步證實。

4 PKM2與原發(fā)性肝細(xì)胞癌

原發(fā)性肝細(xì)胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)的發(fā)病與肝細(xì)胞能量代謝異常密切相關(guān)，研究肝癌細(xì)胞中PKM2介導(dǎo)的能量代謝通路，對全面認(rèn)識HCC的發(fā)病機制十分必要。有研究發(fā)現(xiàn)，在HCC中，高水平的GATA結(jié)合蛋白6(GATA binding protein 6，GATA6)起到抑制腫瘤的作用，而低表達(dá)的GATA6能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行糖酵解代謝，從而促進(jìn)腫瘤形成、增殖和轉(zhuǎn)移；其機制可能是GATA6啟動子結(jié)合位點的甲基化使其表達(dá)下調(diào)，低水平的GATA6激活PKM2轉(zhuǎn)錄并觸發(fā)糖酵解，因此去甲基化治療可能為肝癌治療提供新途徑[31]。中間代謝產(chǎn)物或蛋白質(zhì)的磷酸化也有可能是致癌因素之一。Xu等[32]首次證明熱激蛋白90是PKM2的新型結(jié)合伴侶，能減弱蛋白酶體對PKM2的降解作用；通過熱激蛋白90/糖原合酶激酶3β復(fù)合物介導(dǎo)的PKM2 Thr-328磷酸化，可增強PKM2蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性以及在細(xì)胞中的含量，促進(jìn)HCC細(xì)胞糖酵解和增殖。此外，Zhang等[33]首次發(fā)現(xiàn)HCC細(xì)胞中的低氧應(yīng)激可促進(jìn)Yes相關(guān)蛋白(Yes-associated protein，YAP)與細(xì)胞核中HIF-1α結(jié)合，維持HIF-1α蛋白的穩(wěn)定性，進(jìn)而與PKM2基因結(jié)合，激活PKM2轉(zhuǎn)錄以加速糖酵解。因此，HIF-1α-YAP調(diào)節(jié)軸可能是調(diào)控HCC的新型信號調(diào)節(jié)通路，YAP可能是一種潛在的治療HCC的靶點。另有研究觀察到，HCC組織中層粘連蛋白γ1和PKM2高表達(dá)，該研究認(rèn)為層粘連蛋白γ1可能通過人第10號染色缺失的磷酸酶與張力蛋白同源基因/Akt途徑調(diào)節(jié)PKM2的表達(dá)，從而參與HCC的進(jìn)展，阻斷層粘連蛋白γ1的表達(dá)能抑制HCC發(fā)展[34]。此外，PKM2也能通過調(diào)節(jié)脂肪的代謝參與HCC的形成，通過刺激依賴甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1a介導(dǎo)的脂質(zhì)合成調(diào)節(jié)肝癌細(xì)胞增殖[35]。因此，全面研究肝癌異常的能量代謝機制將為肝癌發(fā)病分子機制的研究提供更全面、開闊的視野。

目前認(rèn)為，miRNA通過抑制翻譯或誘導(dǎo)其靶信使RNA的降解來負(fù)調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)[36]。miRNA與許多生理和病理現(xiàn)象相關(guān)，包括組織分化[37]和癌變[38]。miRNA既能單個獨立調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，也能多個聯(lián)合共同調(diào)節(jié)不同的生命現(xiàn)象。Taniguchi等[39]認(rèn)為，miRNA具有器官特異性分布，組織中miRNA表達(dá)的失調(diào)可以改變PKM亞型表達(dá)比率，導(dǎo)致癌癥發(fā)展，如肝特異性miR-122可通過與PKM的3′非翻譯區(qū)結(jié)合而改變正常肝組織中PKM1/PKM2，促進(jìn)腫瘤的發(fā)展。Zheng等[40]則發(fā)現(xiàn)，MEG3(maternally expressed gene 3)通過促進(jìn)miR-122的表達(dá)和成熟，靶向降低PKM2的表達(dá)。另一項研究發(fā)現(xiàn)，miR-199a的過表達(dá)能降低HCC細(xì)胞中己糖激酶2和PKM2表達(dá)，導(dǎo)致糖酵解的抑制；相反，沉默miR-199a的表達(dá)會反過來消除蝙蝠葛堿對己糖激酶2和PKM2表達(dá)的抑制作用[41]。miR-372可介導(dǎo)Y盒結(jié)合蛋白1磷酸化，抑制β聯(lián)蛋白降解，通過β聯(lián)蛋白-淋巴樣增強因子/細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子4途徑增強PKM2的表達(dá)活性，從而促進(jìn)肝癌細(xì)胞的增殖[42]。miR-4417可誘導(dǎo)PKM2的Y105磷酸化，從而促進(jìn)肝癌發(fā)生[43]。miR-675聯(lián)合PKM2上調(diào)SUV39h2，促進(jìn)肝癌干細(xì)胞惡性生長[44]。另外，HCC腫瘤細(xì)胞中上調(diào)miR-491-5p能降低PKM2的表達(dá)，從而抑制糖酵解，阻止HCC細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移[45]。體外實驗中，三氧化二砷能促進(jìn)長鏈非編碼RNA MEG3和PKM2負(fù)向調(diào)節(jié)，抑制肝癌細(xì)胞中的上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制肝癌進(jìn)展[46]。由此可見，PKM2導(dǎo)致肝癌的發(fā)病機制可能是肝癌發(fā)病的重要原因之一，全面、系統(tǒng)地闡明肝癌的發(fā)病機制仍需要深入研究。

5 PKM2與結(jié)腸癌

研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌細(xì)胞系LS-147T和SW620中PKM2高表達(dá)，沉默PKM2基因能阻斷結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖和周期，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，抑制結(jié)腸癌進(jìn)展，但相關(guān)機制尚未闡明[47]。Bian等[48]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ez家族鋅指蛋白1-反義RNA 1(Fez family zinc finger protein 1/antisense RNA 1，F(xiàn)EZF1-AS1)是結(jié)腸癌中高表達(dá)的長鏈非編碼RNA，并指出結(jié)腸癌中存在FEZF1-AS1/PKM2信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路；FEZF1-AS1與PKM2結(jié)合，增加PKM2蛋白的穩(wěn)定性，增加細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)PKM2含量，進(jìn)而激活STAT3信號，通過調(diào)節(jié)PKM2/STAT3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，增強PK活性，并促進(jìn)有氧糖酵解，從而促進(jìn)直結(jié)腸癌細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移。Huang等[49]首次觀察到長鏈非編碼RNA HOXB-AS3(HOXB cluster antisenseRNA 3)編碼的保守的小分子肽53-aa，提出了HOXB-AS3肽能阻斷hnRNP A1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1)介導(dǎo)的PKM剪接，阻止miR-18a加工和有氧糖酵解，進(jìn)而抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖，因此，提出了HOXB-AS3是調(diào)節(jié)PKM剪切的腫瘤抑制因子的觀點。Kuranaga等[50]通過RNA免疫沉淀實驗和免疫沉淀實驗，發(fā)現(xiàn)SRSF3(serine and arginine rich splicing factor 3)通過與PTBP1(polypyrimidine tract binding protein 1)和hnRNPA1共同作用，剪切調(diào)節(jié)PKM信使RNA，降低PKM1/ PKM2，增加細(xì)胞內(nèi)PKM2的含量，維持了結(jié)腸癌中以糖酵解為主導(dǎo)的代謝模式，從而促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞增殖。Liang等[51]則首次研究癌癥相關(guān)基因TSC22D2(transforming growth factor β-stimulated clone 22 domain family，member 2)聯(lián)合PKM2對結(jié)腸癌的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TSC22D2在結(jié)腸癌中顯著下調(diào)，并且TSC22D2過表達(dá)抑制細(xì)胞生長，并提出了TSC22D2對結(jié)腸癌細(xì)胞的生長抑制功能可能依賴于TSC22D2-PKM2-細(xì)胞周期蛋白D1調(diào)節(jié)軸的新設(shè)想。Xu等[52]在研究促肝細(xì)胞再生磷酸酶-3(phosphatase of regenerating liver-3，PRL-3)與結(jié)腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移關(guān)聯(lián)時發(fā)現(xiàn)，PRL-3既能通過自身增加腫瘤細(xì)胞的糖酵解，促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移，也能通過提高結(jié)直腸癌細(xì)胞中白細(xì)胞介素-8的分泌，經(jīng)由白細(xì)胞介素-8積極參與、調(diào)控糖酵解代謝過程；需要指出的是，PRL-3能增加PKM2的表達(dá)，但PRL-3是否能通過PKM2影響腫瘤的轉(zhuǎn)移，以及具體的信號調(diào)節(jié)通路，目前尚不清楚。

另一方面，結(jié)腸癌對化療藥物的耐藥性是嚴(yán)重影響結(jié)腸癌療效的因素。Lu等[53]發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌細(xì)胞系中PKM2和腎型谷氨酰胺酶的表達(dá)可以提高通透性糖蛋白的表達(dá)，抑制細(xì)胞凋亡，以增加奧沙利鉑的耐藥性；相反，在耐藥結(jié)腸癌細(xì)胞中，抑制PKM2/腎型谷氨酰胺酶表達(dá)可增加細(xì)胞凋亡，恢復(fù)奧沙利鉑對結(jié)腸癌的敏感性。Cao等[54]則發(fā)現(xiàn)，抑制PKM2表達(dá)能抑制糖酵解，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ATP水平降低而增加細(xì)胞內(nèi)5-氟尿嘧啶積累，從而增強5-氟尿嘧啶的功效。類似的，Cheng等[55]發(fā)現(xiàn)，對長春新堿和奧沙利鉑耐藥的結(jié)腸癌中PTBP1、PKM2和己糖激酶2的表達(dá)均顯著升高，而剔除PTBP1后，PKM2表達(dá)下降，而己糖激酶2表達(dá)未見明顯變化，因此，PTBP1低表達(dá)能下調(diào)PKM2的表達(dá)，抑制糖酵解，增強耐藥的結(jié)腸癌對長春新堿和奧沙利鉑的敏感性。此外，Yang等[56]的研究結(jié)果表明，單寧酸選擇性與PKM2上的433號賴氨酸殘基結(jié)合并抑制其活性，從而阻止結(jié)腸癌細(xì)胞增殖。因此，PKM2能影響結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移和耐藥，值得深入研究。

6 小 結(jié)

腫瘤細(xì)胞特殊的葡萄糖代謝方式有氧糖酵解與腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，從能量異常代謝的角度探索腫瘤形成、發(fā)展和轉(zhuǎn)移的分子機制被越來越多的學(xué)者認(rèn)可。PKM2作為參與、調(diào)控葡萄糖有氧糖酵解的重要因子，其參與腫瘤調(diào)節(jié)的方式復(fù)雜，且PKM2分子調(diào)控機制多變，仍需不斷研究探索。PKM2極有可能在組織癌變過程中扮演重要角色，特別是在消化系統(tǒng)腫瘤中。隨著對PKM2研究的不斷深入，PKM2有望成為治療腫瘤的潛在靶點，為臨床科研提供一種新的嘗試和途徑。