逆轉(zhuǎn)能量代謝重編程在腫瘤治療中的研究進(jìn)展①

王文晶，李清華

(桂林醫(yī)學(xué)院廣西腦與認(rèn)知重點實驗室，廣西 桂林 541004)

能量代謝是人體生命活動的基本特征之一，葡萄糖在人體內(nèi)經(jīng)糖酵解生成丙酮酸，氧供充足時丙酮酸進(jìn)入線粒體內(nèi)，經(jīng)三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))進(jìn)行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)供能，缺氧時丙酮酸進(jìn)行乳酸發(fā)酵，依靠糖酵解供能。腫瘤細(xì)胞在氧供充分時仍優(yōu)先通過糖酵解獲取能量，產(chǎn)生乳酸作為終產(chǎn)物，該現(xiàn)象于1924年由Warburg[1]首次觀察到，即眾所周知的Warburg效應(yīng)，是腫瘤能量代謝的重要特征。糖酵解不是高效的供能方式，為了滿足快速增殖的需要，腫瘤細(xì)胞獲得重新編排自身能量代謝的能力，即能量代謝重編程，是腫瘤形成或轉(zhuǎn)移過程中適應(yīng)環(huán)境的表現(xiàn)。發(fā)生代謝重編程的細(xì)胞通常呈現(xiàn)葡萄糖攝入量增高、糖酵解增強(qiáng)、乳酸堆積等特征。2011年，將能量代謝重編程視為腫瘤的十大特征之一，提出異常代謝模式與癌癥的惡性生物學(xué)行為密切相關(guān)[2]。近年來的研究表明，通過有效阻斷藥物逆轉(zhuǎn)代謝重編程是治療腫瘤的一種可行策略。但正常分化細(xì)胞有時也需要和腫瘤細(xì)胞相同的代謝需求，所以找到一個合適的靶點，既可以逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞能量代謝重編程，又不影響正常細(xì)胞的代謝，這很具挑戰(zhàn)。

1 腫瘤能量代謝

腫瘤能量代謝的特征性表現(xiàn)是葡萄糖的有氧糖酵解，1次糖酵解僅產(chǎn)生2分子ATP，而同樣的葡萄糖經(jīng)TCA和OXPHOS可以產(chǎn)生30或32分子ATP。腫瘤細(xì)胞增殖需要大量耗能，但仍選擇產(chǎn)能低的糖酵解作為自己的供能方式是因腫瘤細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)，產(chǎn)生ATP的速度比氧化磷酸化快100倍[3]，數(shù)量上可以超過氧化磷酸化，而增強(qiáng)的糖酵解可以產(chǎn)生大量的代謝中間產(chǎn)物如核酸、磷脂、脂肪酸和NADPH等滿足腫瘤細(xì)胞的增殖需求。且糖酵解后，細(xì)胞外堆積的乳酸使腫瘤微環(huán)境具有低氧和低酸堿度的特點，支持腫瘤細(xì)胞的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移[4]。再者，Warburg假說認(rèn)為腫瘤能量代謝重編程由線粒體功能障礙導(dǎo)致[5]，線粒體功能障礙導(dǎo)致氧化磷酸化受限，無法清除多余的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，ROS堆積進(jìn)一步損傷線粒體，促使腫瘤細(xì)胞以糖酵解方式產(chǎn)生ATP。此外，丙酮酸進(jìn)入線粒體參與TCA的過程非常緩慢，高糖酵解狀態(tài)下產(chǎn)生的大量丙酮酸來不及進(jìn)入線粒體，便優(yōu)先以糖酵解方式轉(zhuǎn)化為乳酸[6]。

腫瘤能量代謝受多種因素調(diào)控，如葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體、單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體、糖酵解關(guān)鍵酶、某些致癌因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、原癌基因活化、抑癌基因失活等。將這些因素與腫瘤能量代謝的關(guān)系研究透徹，也許有助于發(fā)現(xiàn)更好的腫瘤治療方法。

2 能量代謝重編程的調(diào)控因素

2.1 糖酵解途徑相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體

2.1.1 葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUTs) GLUTs是一種膜內(nèi)蛋白，功能是運(yùn)載葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行糖酵解。GLUT家族有14個亞型(GLUT1-14)，GLUT1在人體各組織中分布最廣泛，乳腺癌、子宮內(nèi)膜癌、宮頸癌、胃癌、胰腺癌、甲狀腺癌和肝癌等都有過表達(dá)且增加葡萄糖的攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)，還可以反映腫瘤增殖、良惡性、缺氧程度等重要生物學(xué)特征[7]。Abolhasani等[8]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖修飾的納米顆粒結(jié)合腫瘤細(xì)胞內(nèi)膜活化的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體后永久占用該通道，阻止葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞，可以抑制糖酵解，減少ATP的生成，抑制腫瘤生長。但GLUTs亞型間的協(xié)同作用使得在抑制腫瘤攝取葡萄糖的同時卻不影響正常細(xì)胞變得十分困難。

2.1.2 單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(MCT) 已知MCT有14個亞型(MCT1-14)，MCT1、MCT2、MCT3、MCT4與糖酵解轉(zhuǎn)運(yùn)乳酸，維持細(xì)胞酸堿平衡有關(guān)，MCT1、MCT4則分別是高糖酵解狀態(tài)下腫瘤細(xì)胞乳酸攝取和排出的主要運(yùn)載體，絕大多數(shù)的腫瘤都會表現(xiàn)出MCT1、MCT4上調(diào)，對維持腫瘤高糖酵解狀態(tài)很重要。MCT1、MCT4被抑制后，乳酸無法外排，細(xì)胞內(nèi)乳酸過度堆積而內(nèi)環(huán)境酸堿失衡，使糖酵解失活，造成細(xì)胞供能不足，抑制細(xì)胞生長[9]。Huang等[10]研究發(fā)現(xiàn)，人肺腺癌細(xì)胞(A549)中MCT1、MCT4的表達(dá)顯著上調(diào)，受異葒草苷(isoorientin)的抑制后，腫瘤細(xì)胞的糖酵解和遷移能力下降。MCTs抑制劑可能是一種有前途的肺癌靶向治療藥物，但選擇性差的MCT抑制劑，對其他依賴乳酸為能源的正常器官會產(chǎn)生不良影響。除肺癌外，王仲崑等[11]研究發(fā)現(xiàn)，MCT1特異性抑制劑AZD3965能抑制胃癌細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2.2 糖酵解關(guān)鍵酶

2.2.1 果糖激酶-2/果糖-2，6-二磷酸酶(PFKFB3) 磷酸果糖激酶1(phosphofructokinase 1，PFK1)能被磷酸果糖激酶2(phosphofructokinase 2， PFK2)催化生成的果糖2，6二磷酸(F-2，6-BP)變構(gòu)激活，而F-2，6-BP的活性主要受PFKFB3維持。多數(shù)腫瘤的PFKFB3水平上調(diào)，如甲狀腺癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌、直腸癌、卵巢癌等。3PO[3-(3-Pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one]是PFKFB3 的一種小分子拮抗劑，2008年由Clem等[12]發(fā)現(xiàn)，3PO能抑制葡萄糖的攝取、乳酸及ATP的生成，降低糖酵解速率，抑制腫瘤生長。臨床研究證明，PFKFB3抑制劑對腫瘤有良好的抑制作用。

2.2.2 磷酸甘油酸變構(gòu)酶1(PGAM1) PGAM1是糖酵解過程中3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸可逆轉(zhuǎn)化的重要酶。越來越多的證據(jù)表明，PGAM1在直腸癌、非小細(xì)胞肺癌、肝癌、乳腺癌中廣泛表達(dá)，通過其糖酵解功能在促進(jìn)癌細(xì)胞增殖中發(fā)揮重要作用，并能促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。大多數(shù)PGAM1抑制劑靶向糖酵解，抑制癌細(xì)胞增殖，但對癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移的作用很小[13]。

2.2.3 丙酮酸激酶M2(PKM2) PK將磷酸烯醇式丙酮酸、ADP催化生成丙酮酸和ATP，是糖酵解最后一步反應(yīng)的關(guān)鍵酶。PK有3種亞型(R、L和M)，PKM亞型有兩種異構(gòu)體(M1、M2)。PKM1主要在肌肉和大腦中表達(dá)，PKM2多見于正常增殖細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞。PKM2在多數(shù)癌細(xì)胞中表達(dá)上調(diào)，通過糖酵解和非糖酵解通路(作為蛋白激酶發(fā)揮作用)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，提示它可能成為一個重要的腫瘤治療靶點[14]。Li等[15]通過研究52份石蠟包埋胃癌組織發(fā)現(xiàn)，PKM2表達(dá)上調(diào)與患者生存期較差相關(guān)，下調(diào)PKM2，抑制葡萄糖代謝，加速胃癌細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤生長。PKM2在結(jié)構(gòu)上一定程度區(qū)別于別的亞型，這決定其專一抑制作用。

2.2.4 乳酸脫氫酶A(LDHA) LDH在糖酵解時催化丙酮酸接受NADH的氫生成乳酸，乳酸與腫瘤的生長、維持、侵襲相關(guān)。LDH有5種同工酶(LDH1-5)，每一種都由A、B兩個亞基組成，A鏈(LDHA)主導(dǎo)催化丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，在腫瘤中高表達(dá)，B鏈(LDHB)主導(dǎo)丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)，在正常組織和癌組織中的表達(dá)水平相當(dāng)。Yeung等[16]證明，LDHA在糖酵解依賴型尤文氏肉瘤的增殖中起關(guān)鍵作用，而非LDHB；LDHA是一個可調(diào)控的靶點，經(jīng)LDH抑制劑NCI-006 、NCI-737作用后，糖酵解速率降低，乳酸生成減少，體內(nèi)、外模型研究中都顯示出明顯的腫瘤抑制效果。

2.3 腫瘤糖酵解途徑相關(guān)基因

2.3.1 p53抑癌基因 抑癌基因p53是人類癌癥中最常見的突變基因，正常p53的功能主要是誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯、凋亡、應(yīng)激性衰老和維持基因組穩(wěn)定；p53能抑制糖酵解，可能會減弱甚至阻止Warburg效應(yīng)，成為抑制腫瘤的關(guān)鍵因素。p53抑制糖酵解的途徑有[17]：①p53直接抑制GLUT1/4的轉(zhuǎn)錄或與胰島素通路相互作用抑制胰島素受體激活，間接抑制GLUT4轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上；②p53抑制MCT，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞內(nèi)乳酸堆積，限制糖酵解速率；③p53降低糖酵解酶PGM的表達(dá)；④p53直接調(diào)控其靶基因TIGAR的表達(dá)，降低細(xì)胞中F-2，6-BP水平，抑制PFK1的活性。一些突變的p53蛋白促進(jìn)惡性腫瘤增殖、轉(zhuǎn)移和化療耐藥，并通過部分或完全消除對GLUT1基因的抑制作用，促使CLUT1轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜或激活HK2等方式促進(jìn)糖酵解。

2.3.2 Myc原癌基因 腫瘤原癌基因Myc是癌癥代謝的中樞調(diào)控因子，起轉(zhuǎn)錄因子的作用，控制細(xì)胞生長和代謝。正常細(xì)胞中，其表達(dá)受到嚴(yán)格控制，由于染色體易位、基因擴(kuò)增或轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)而被激活。Myc能影響糖酵解，被激活后，上調(diào)糖酵解相關(guān)基因或酶的表達(dá)，促進(jìn)Warburg效應(yīng)。c-Myc促進(jìn)ROS增加，引起線粒體功能障礙，促使癌細(xì)胞產(chǎn)能方式轉(zhuǎn)化為糖酵解[18]。靶向Myc的糖酵解相關(guān)抑制劑已被證實能下調(diào)Myc表達(dá)，逆轉(zhuǎn)能量代謝重編程，抑制腫瘤生長[19]。

2.3.3 Ras原癌基因 Ras基因由于基因點突變，表達(dá)增強(qiáng)，基因插入及轉(zhuǎn)位被激活。點突變多發(fā)生在N端第12，13和61位密碼子。Ras原癌基因激活在代謝重編程中的作用最初被認(rèn)為是促進(jìn)糖酵解[20]，Ras家族中與人類腫瘤相關(guān)的有K-Ras、H-Ras和N-Ras，又以K-Ras最常見。K-Ras突變激活，通常發(fā)生在胰腺癌、大腸癌和某些類型的肺癌中。K-Ras突變激活后，會以多種方式改變腫瘤細(xì)胞的新陳代謝：①上調(diào)糖酵解酶或GLUT1的表達(dá)，增加葡萄糖的攝取和消耗，增強(qiáng)糖酵解能力[21-22]；②通過磷酸戊糖途徑(PPP)和己糖胺生物合成途徑的葡萄糖中間體，促進(jìn)糖酵解[22]；③與腫瘤的遺傳結(jié)構(gòu)、組織類型等協(xié)同，促進(jìn)糖酵解，維持腫瘤的生長[23]。

2.4 缺氧誘導(dǎo)因子-1(HIF-1)

真核生物中HIF-α有HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α 3個亞型。HIF-1是缺氧時普遍激活的轉(zhuǎn)錄因子，是細(xì)胞適應(yīng)缺氧的主要調(diào)節(jié)器及Warburg效應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子，其結(jié)構(gòu)是由α亞基和β亞基構(gòu)成的異源二聚體，α亞基是功能亞基，受氧濃度影響。實體腫瘤異常的高代謝率，導(dǎo)致局部區(qū)域缺氧，刺激HIF-1α的高表達(dá)，這與血管生成增加、腫瘤侵襲和患者預(yù)后不良相關(guān)。HIF-1α在氧氣充足時，通過羥基化作用進(jìn)行降解，在缺氧時上調(diào)，并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)與HIF-1β相互作用，上調(diào)相關(guān)靶基因GLUT1/4、HK2、PDK1、PKM2、LDHA、PFKFB3/4等的表達(dá)，抑制三羧酸循環(huán)相關(guān)酶及Complex I的表達(dá)，使腫瘤以糖酵解方式獲得能量?？鄥A阻礙HIF-1α的mRNA及蛋白合成，降低其下游靶基因GLUT1、HK2、LDHA的表達(dá)，抑制糖酵解逆轉(zhuǎn)代謝重編程，抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞的生長[24]。

腫瘤的基因突變、組織來源及腫瘤所處微環(huán)境決定其代謝方式，即使同一種腫瘤，原發(fā)灶和轉(zhuǎn)移灶的代謝重編程因基因型、腫瘤亞型、分化程度的差異而不同[25]。癌細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)的代謝改變是大多數(shù)腫瘤的普遍特征，不代表所有腫瘤，甚至一些挑戰(zhàn)Warburg假設(shè)的研究認(rèn)為，許多腫瘤細(xì)胞利用OXPHOS而非糖酵解獲得能量。需要面對的問題是：①調(diào)控單一代謝途徑難以改變糖酵解型腫瘤的代謝重編程，糖酵解的代謝途徑之一被抑制后，腫瘤也可能發(fā)生糖酵解或線粒體能量代謝的代償，不足以抑制腫瘤的生長甚至可能導(dǎo)致耐藥問題；②由于癌細(xì)胞的代謝可塑性，處理Warburg效應(yīng)并不能完全抑制腫瘤的生長；③線粒體融合也可能是誘導(dǎo)腫瘤代謝重編程的重要因素，線粒體形態(tài)的這種劇烈變化導(dǎo)致氧化磷酸化的效率增加，此時抑制糖酵解酶不足以抑制腫瘤生長[26]。但不可否認(rèn)，Warburg效應(yīng)與腫瘤進(jìn)展相輔相成，且代謝重編程是許多癌癥的一個關(guān)鍵特征，雖然它促進(jìn)腫瘤發(fā)生機(jī)制不清楚，但逆轉(zhuǎn)腫瘤能量代謝是一種可行，且非常有潛力的輔助腫瘤治療新方法。相信在不久的將來，逆轉(zhuǎn)腫瘤能量代謝重編程在腫瘤的治療方案中將會占有重要地位。