病毒致癌過程中的線粒體糖酵解代謝重編程機(jī)制研究進(jìn)展

蘭 尤，陳圓圓,2，林忠寧，林育純,

（1．廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院分子疫苗學(xué)和分子診斷學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，福建 廈門 361102；2．中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所，北京 100021）

癌癥的發(fā)生是一個多因素、多基因參與的多階段過程。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)估計2020年全球有1 930萬癌癥新發(fā)病例和1 000萬死亡病例，嚴(yán)重威脅全球人群健康。病毒感染是誘發(fā)特定腫瘤致癌過程的重要外源因素，如乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）、丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）與肝細(xì)胞 癌（hepatocellular carcinoma，HCC）；EB病 毒（Epstein-Barr virus，EBV）與鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma，NPC）；人乳頭瘤病毒（human papilloma virus，HPV）與宮頸癌等的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。部分具有致癌作用的病毒感染宿主細(xì)胞，介導(dǎo)病毒自身基因組轉(zhuǎn)錄和編碼特定病毒蛋白表達(dá)，作為誘導(dǎo)致癌作用的蛋白（簡稱病毒致癌蛋白），促進(jìn)宿主細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化。代謝重編程在誘導(dǎo)細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過程中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用，以應(yīng)對細(xì)胞存活和增殖的能量需求，是腫瘤細(xì)胞特征標(biāo)志之一。線粒體是許多病毒靶向的關(guān)鍵細(xì)胞器，可經(jīng)由線粒體質(zhì)量控制（mitochondrial quality control，MQC），即線粒體形態(tài)、數(shù)量和功能的多維調(diào)控機(jī)制，參與細(xì)胞內(nèi)多種信號通路和能量代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。病毒致癌蛋白可通過影響MQC相關(guān)分子機(jī)器或線粒體DNA等，調(diào)控線粒體功能和改變宿主代謝模式。本文綜述了HBV、HCV、EBV、HPV等病毒的致癌蛋白，誘導(dǎo)糖酵解代謝重編程的線粒體相關(guān)調(diào)控機(jī)制，以及靶向病毒感染和代謝重編程的干預(yù)作用，為病毒致癌蛋白誘導(dǎo)宿主細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化和致癌作用的預(yù)防控制提供理論依據(jù)。

1 線粒體相關(guān)的糖酵解代謝重編程

在誘導(dǎo)惡性轉(zhuǎn)化的細(xì)胞中，線粒體轉(zhuǎn)變正常生理狀態(tài)時的氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）能量代謝模式，發(fā)生代謝重編程，表現(xiàn)為在氧氣充足的情況下，腫瘤細(xì)胞仍糖酵解旺盛，消耗大量的葡萄糖，即有氧糖酵解。

細(xì)胞糖酵解代謝重編程的發(fā)生，與MQC穩(wěn)態(tài)介導(dǎo)線粒體功能調(diào)節(jié)有關(guān)，其中線粒體生物發(fā)生、線粒體動力學(xué)和線粒體自噬等是主要的調(diào)控機(jī)制。首先，線粒體生物發(fā)生是指線粒體前體生長和分化形成新線粒體的過程，主要受過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α，PGC-1α）調(diào)控。例如在受體相互作用蛋白1缺失的肺癌A549和H460細(xì)胞中，PGC-1α表達(dá)降低，可加速糖酵解代謝，引起細(xì)胞DNA損傷和細(xì)胞增殖抑制。其次，線粒體動力學(xué)是指線粒體分裂和融合的動態(tài)過程。例如饑餓狀態(tài)下的肝癌HLE細(xì)胞中，線粒體動力相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）絲氨酸637位點(diǎn)磷酸化（p-Drp1）激活，可經(jīng)由代謝模式向OXPHOS轉(zhuǎn)變，以維持腫瘤細(xì)胞生長。此外，線粒體自噬是將受損的線粒體特異性靶向自噬溶酶體，以維持線粒體功能和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的降解過程。例如小鼠胚胎發(fā)育期間，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞經(jīng)由缺氧誘導(dǎo)Bcl-2/腺病毒E1B相互作用樣蛋白3（bcl-2 interacting protein 3 like，BNIP3L）依賴性線粒體自噬，使線粒體數(shù)量減少和促進(jìn)細(xì)胞糖酵解代謝。因此，MQC在細(xì)胞糖酵解代謝重編程調(diào)控中起重要作用。

經(jīng)由糖酵解代謝重編程，可為腫瘤細(xì)胞提供ATP和生物大分子合成所需的原料，而且，代謝終產(chǎn)物乳酸釋放到胞外，形成局部酸性微環(huán)境，有助于腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸和耐藥。許多病毒及其致癌蛋白，可通過調(diào)控MQC和線粒體功能，經(jīng)由糖酵解代謝重編程，參與誘導(dǎo)宿主細(xì)胞代謝模式的轉(zhuǎn)變，介導(dǎo)致癌過程和細(xì)胞轉(zhuǎn)歸結(jié)局。同時，靶向MQC和糖酵解代謝重編程調(diào)控通路，也可提供潛在的干預(yù)靶點(diǎn)（圖1）。

圖1 常見病毒致癌蛋白對宿主細(xì)胞致癌過程中線粒體代謝的影響及靶向干預(yù)

2 常見病毒致癌蛋白經(jīng)線粒體相關(guān)調(diào)控機(jī)制誘導(dǎo)的細(xì)胞糖酵解代謝重編程

2.1 HBV相關(guān)致癌蛋白

HBV是HCC發(fā)生發(fā)展的重要環(huán)境暴露因素。首先，HBV的X蛋白（HBV X protein，HBx）持續(xù)表達(dá)，可使肝細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)和增殖失調(diào)，是HBV致肝癌作用的關(guān)鍵蛋白。HBx可與人肝癌HepG2細(xì)胞線粒體外膜上電壓依賴性陰離子通道3（voltage dependent anion channel 3，VDAC3）和Bcl-2結(jié)合定位于線粒體，導(dǎo)致線粒體膜電位（mitochondrial membrane potential，MMP）降低和線粒體DNA氧化損傷，降低細(xì)胞OXPHOS和胞內(nèi)ATP含量，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生代謝重編程；HBx還可通過上調(diào)缺氧誘導(dǎo)因子-1α（hypoxia-inducible factor 1 alpha，HIF-1α）的轉(zhuǎn)錄活性，誘導(dǎo)糖酵解相關(guān)酶類如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transporters，GLUTs）和乳酸脫氫酶A（lactate dehydrogenase A，LDHA）表達(dá)，介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞代謝重編程。其次，HBV的S蛋白（HBV S protein，HBs）也參與誘導(dǎo)宿主細(xì)胞糖酵解代謝重編程過程；HBs經(jīng)由與HepG2細(xì)胞中烯脂酰輔酶A水解酶（enoyl-CoA hydratase，ECHS1）相互作用，影響其線粒體定位和線粒體功能調(diào)節(jié)；敲低ECHS1后，可經(jīng)由活化AMP依賴性蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）和損傷細(xì)胞代謝，誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞自噬。因此，提示HBx和/或HBs可作為HBV相關(guān)致癌蛋白，經(jīng)由MQC通路參與線粒體代謝重編程相關(guān)致肝癌作用的調(diào)控。

2.2 HCV相關(guān)致癌蛋白

HCV在世界人口的感染率約為3%，其長度為9.6 kb的基因組編碼多種蛋白，包括結(jié)構(gòu)蛋白Core、E1和E2，以及非結(jié)構(gòu)蛋白NS3、NS4A和NS5A等。其中，HCV的Core蛋白能特異性抑制線粒體COX I活性，使線粒體適應(yīng)缺氧代謝；Core蛋白和NS5A可促進(jìn)細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca釋放和通過增加線粒體Ca攝取，調(diào)節(jié)線粒體通透性轉(zhuǎn)換和降低MMP；HepG2細(xì)胞中異位表達(dá)的Core蛋白，經(jīng)由與抗增殖蛋白Prohibitin相互作用，損傷線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）、干擾COX I和II的組裝和活性；NS3/4A能裂解線粒體抗病毒信號蛋白（mitochondrial antiviral signaling，MAVS），進(jìn)而影響線粒體功能；在肝癌Huh7.5和Huh9.13細(xì)胞中，NS5A蛋白能直接與己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）相互作用，增加其酶活性和促進(jìn)糖酵解過程。因此，提示HCV的Core蛋白和NS5A等相關(guān)蛋白對宿主細(xì)胞代謝途徑的調(diào)節(jié)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和錨著非依賴生長能力，在HCV感染誘導(dǎo)肝細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過程發(fā)揮重要作用。

2.3 EBV相關(guān)致癌蛋白

EBV感染與多種上皮性腫瘤的發(fā)生發(fā)展，特別是與我國華南地區(qū)人群NPC高發(fā)和主要死因直接相關(guān)。潛伏膜蛋白1（latent membrane protein 1，LMP1）是EBV編碼的癌基因，其可通過活化核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）、磷酸肌醇3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）和c-MYC等細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，上調(diào)GLUT1和HK2的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞糖酵解代謝過程和調(diào)控腫瘤細(xì)胞存活、增殖、分化、轉(zhuǎn)化及凋亡。LMP1可以誘導(dǎo)糖酵解關(guān)鍵限速酶HK2的表達(dá)，增強(qiáng)化療耐藥性，提示抑制HK2表達(dá)能誘導(dǎo)NPC細(xì)胞凋亡。LMP1通過阻滯RNA聚合酶Ⅱ的表達(dá)，進(jìn)而抑制同源盒基因C8的表達(dá)，調(diào)節(jié)糖酵解（HK2、GLUT1）和TCA相關(guān)基因（酮戊二酸脫氫酶）的表達(dá)，抑制NPC細(xì)胞生長。LMP1也能依賴于哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1（mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1）和NF-κB信號的激活，上調(diào)NPC細(xì)胞中的Glut1轉(zhuǎn)錄、增強(qiáng)有氧糖酵解；且在EBV陰性鼻咽癌NPC-TW01細(xì)胞中，外源性高表達(dá)LMP1使MMP降低、損傷OXPHOS功能、上調(diào)丙酮酸脫氫酶激酶1和丙酮酸激酶2等酶活性，促進(jìn)有氧糖酵解過程。此外，LMP2A是另一個EBV編碼的癌基因，可經(jīng)由激活mTORC1信號，進(jìn)而促進(jìn)EBV感染的NPC細(xì)胞中的葡萄糖代謝增強(qiáng)；在EBV陰性胃癌和乳腺癌細(xì)胞系中，LMP2A異位表達(dá)能刺激Notch信號通路，上調(diào)Drp1引起線粒體分裂增加，伴隨著遷移和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化增加。

2.4 HPV相關(guān)致癌蛋白

宮頸癌發(fā)生主要由HPV的感染引起。HPV E2蛋白高表達(dá)的人宮頸鱗癌C33a細(xì)胞中，經(jīng)由補(bǔ)體1q結(jié)合蛋白C表達(dá)增加，誘導(dǎo)線粒體活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加和線粒體功能障礙，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。HPV E6/E7蛋白過表達(dá)的宮頸癌HeLa細(xì)胞中，通過上調(diào)MYC和抑制miR-143-3p的表達(dá)，上調(diào)HK2表達(dá)。小鼠胚胎成纖維NIH 3T3細(xì)胞系中，HPV-16 E7蛋白經(jīng)由與M2型丙酮酸激酶（pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2）結(jié)合形成四聚體，增加糖酵解通量，促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸鹽，以滿足對核苷酸前體的需求和降低氧需求。人表皮HaCaT細(xì)胞中，高風(fēng)險性HPV-18 E2蛋白過表達(dá)，通過與呼吸鏈相關(guān)蛋白（COX III、IV和V）相互作用，誘導(dǎo)線粒體ROS產(chǎn)生、穩(wěn)定HIF-1α的表達(dá)和促進(jìn)糖酵解代謝過程，使線粒體向核周聚集和嵴結(jié)構(gòu)的喪失。此外，研究表明，HPV相關(guān)致癌蛋白E2、E7等通過誘導(dǎo)細(xì)胞代謝重編程，與宿主細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化有關(guān)。E6和E7蛋白可通過蛋白酶體降解途徑和蛋白相互作用、抑制和降解p53和p-RB的表達(dá)等促進(jìn)致癌進(jìn)程。

3 病毒致癌蛋白相關(guān)致癌過程的靶向干預(yù)

上述不同的病毒致癌蛋白誘導(dǎo)宿主細(xì)胞的致癌過程，涉及病毒感染、糖酵解和線粒體代謝等環(huán)節(jié)；因此，可以靶向這些環(huán)節(jié)采取選擇性干預(yù)，阻斷致癌作用。

3.1 靶向病毒感染的干預(yù)

病毒感染誘發(fā)的各類疾病是一個嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題，目前最有效的預(yù)防方式為疫苗接種，包括已有相關(guān)疫苗，如乙肝疫苗、宮頸癌疫苗等預(yù)防性疫苗用于人群，可靶向預(yù)防病毒感染和阻斷相關(guān)病毒蛋白的潛在致癌作用。而且，對HPV分型和病毒蛋白種類多等特征，已有應(yīng)用結(jié)構(gòu)疫苗學(xué)方法成功設(shè)計的第三代宮頸癌疫苗，以7種HPV嵌合疫苗分子預(yù)防20種型別的HPV感染，保護(hù)率達(dá)99%，具有對HPV相關(guān)宮頸癌預(yù)防覆蓋范圍廣、安全性高等優(yōu)勢，解決疫苗預(yù)防HPV感染誘發(fā)致癌的跨型保護(hù)問題。

治療性疫苗和治療性抗體在靶向控制病毒感染及其誘發(fā)致癌過程中的作用日益被關(guān)注。已發(fā)現(xiàn)能持久抑制HBsAg的乙肝治療性抗體E6F6，被國際評述為“是一個獨(dú)特的慢乙肝治療單抗”；并利用E6F6識別的表位和新型載體，發(fā)展了一種新型的B細(xì)胞表位嵌合型類病毒顆粒乙肝治療性疫苗；進(jìn)一步地，篩查到靶向抗HBx抗體（anti-HBx）和構(gòu)建重組質(zhì)粒（pTT5-9D11）在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)可溶性抗體，發(fā)現(xiàn)靶向干預(yù)肝癌Huh7細(xì)胞中HBx的表達(dá)，可經(jīng)由糖酵解代謝重編程調(diào)控BNIP3L表達(dá)和線粒體轉(zhuǎn)位，及其與微管相關(guān)蛋白1輕鏈3β （microtubule associated protein 1 light chain 3 beta，LC3B）相互作用介導(dǎo)的線粒體自噬，降低肝細(xì)胞癌干性表型及其誘導(dǎo)性轉(zhuǎn)歸。為靶向病毒蛋白特異性單克隆抗體（monoclonal antibody，mAb）在病毒感染誘導(dǎo)致癌過程的預(yù)防控制提供新的干預(yù)策略。

3.2 靶向糖酵解通路的干預(yù)

細(xì)胞對葡萄糖的攝入需要借助細(xì)胞膜上的GLUTs；在肝癌HepG2和Huh7細(xì)胞中，槲皮素通過競爭性抑制GLUT1對葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制細(xì)胞葡萄糖代謝并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。HKs是催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸的關(guān)鍵限速酶，研究發(fā)現(xiàn)，2-脫氧-D-葡萄糖（2-Deoxy-D-glucose，2-DG）、3-溴丙酮酸（3-bromopyruvic acid，3-BP）和茉莉酮酸甲酯都能抑制HKs的活性。其中，2-DG是抑制糖酵解的葡萄糖類似物，可競爭性抑制HKs，降低糖酵解速率，經(jīng)由抑制受體相互作用蛋白（receptor interacting protein，RIP）和細(xì)胞半胱天冬酶8（FLICE）樣抑制蛋白[cellular caspase 8（FLICE）-like inhibitory protein，c-FLIP]表達(dá)，導(dǎo)致腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體（tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand，TRAIL）誘導(dǎo)的肝癌HepG2和Hep3B細(xì)胞凋亡。我們的研究發(fā)現(xiàn)GLUT1抑制劑STF-31和2-DG靶向干預(yù)，經(jīng)由調(diào)節(jié)肝癌Huh7和MHCC-97H細(xì)胞中HBx表達(dá)誘導(dǎo)的糖酵解代謝重編程，參與介導(dǎo)線粒體自噬依賴性肝細(xì)胞癌干性。提示糖酵解通路可作為致癌作用干預(yù)和癌癥治療的代謝靶標(biāo)，在靶向抗腫瘤作用研究中具有潛在的意義。

3.3 靶向線粒體代謝的干預(yù)

目前干預(yù)線粒體代謝過程主要集中在電子傳遞鏈復(fù)合物、線粒體關(guān)鍵代謝酶和MQC相關(guān)蛋白上。采用新型生物材料，如超順磁氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIO-NPs），發(fā)現(xiàn)可特異性靶向線粒體信號通路和ETC，揭示其誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡敏感性的分子機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，HBx表達(dá)聯(lián)合黃曲霉毒素B1（aflatoxin B1，AFB1）暴露可增加肝細(xì)胞線粒體環(huán)氧合酶2（cyclooxygenase 2，COX-2）定位分布，促進(jìn)RIP3-MLKL壞死小體在線粒體的共分布，經(jīng)由Drp1介導(dǎo)線粒體分裂和動態(tài)紊亂，引發(fā)代謝功能失調(diào)和細(xì)胞中脂滴（lipid droplets，LDs）蓄積導(dǎo)致肝臟脂肪變性；靶向Drp1的基因干預(yù)（siDNM1L）等可調(diào)控HBx表達(dá)肝癌細(xì)胞壞死性凋亡介導(dǎo)的細(xì)胞轉(zhuǎn)歸。因此，線粒體代謝相關(guān)的細(xì)胞器通訊及其介導(dǎo)的調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（regulatory cell death，RCD）信號調(diào)控機(jī)制在病毒蛋白致癌和靶向抗腫瘤中的作用備受關(guān)注。

4 小結(jié)與展望

病毒致癌過程中惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中的代謝模式和調(diào)控已逐漸被闡明；目前研究表明，宿主細(xì)胞中不同病毒蛋白的表達(dá)，可經(jīng)由MQC介導(dǎo)線粒體關(guān)鍵代謝通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和功能的調(diào)控機(jī)制，引發(fā)細(xì)胞發(fā)生代謝重編程，參與宿主細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化和致癌作用的進(jìn)程。

新近研究也揭開了該領(lǐng)域待深入探明的新方向。首先，靶向胞內(nèi)蛋白的mAb表達(dá)，阻斷病毒蛋白的功能，以及依托高度特異性人源化mAb的結(jié)合物，標(biāo)記細(xì)胞和調(diào)節(jié)信號傳導(dǎo)途徑以抑制細(xì)胞增殖或誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，使mAb成為干預(yù)病毒感染相關(guān)致癌作用和延緩病毒相關(guān)腫瘤（如HCC、NPC等）進(jìn)展的一種新手段。其次，癌干細(xì)胞（cancer stem cells，CSCs）被認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞的一個亞群，具有自我更新和多向分化潛能，其與病毒致癌蛋白的關(guān)聯(lián)性備受關(guān)注?；贑SCs具有代謝重編程的高度可塑性及其隨微環(huán)境的可變性，我們開展了病毒致癌蛋白相關(guān)的肝癌干細(xì)胞（LSCS）和鼻咽癌干細(xì)胞中MQC和代謝重編程新通路調(diào)控和靶向干預(yù)的研究，為闡明不同代謝模式在CSCs干性表型維持的潛在機(jī)制、和探究靶向CSCs的清除提供新的方向。第三，蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）不同亞基靶向MQC相關(guān)蛋白的翻譯后修飾（post-translational modification，PTM）和功能調(diào)控，我們發(fā)現(xiàn)HBx等可經(jīng)由PP2A調(diào)控肝細(xì)胞中相關(guān)蛋白（如p53，Drp1，COX-2等）去磷酸化、介導(dǎo)線粒體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)關(guān)聯(lián)性細(xì)胞器間通訊和RCD細(xì)胞轉(zhuǎn)歸，為外源物（包括病毒蛋白等）致癌作用中MQC-代謝重編程-RCD級聯(lián)信號軸靶分子的PTM調(diào)控機(jī)制和靶向干預(yù)提供新依據(jù)?？傊?，新的研究不斷為靶向病毒感染及其致癌蛋白表達(dá)、細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)和惡性轉(zhuǎn)化微環(huán)境等不同層面的藥理學(xué)或基因干預(yù)，提供多路徑的有效靶點(diǎn)和新的多模式預(yù)防控制策略。