磷酸戊糖途徑與腫瘤代謝的研究進展

代鵬鈺，裴亞萍，馬昕蕓，楊 蕊，章婷婷，劉會玲

(1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000)

腫瘤是一種代謝性疾病，2010年Warburg教授重新定義了腫瘤細胞代謝的十大特征，其中就包括了異常代謝[1]。隨著對腫瘤研究的深入，腫瘤細胞的代謝在腫瘤發(fā)生、發(fā)展的過程中發(fā)揮越來越重要的作用，腫瘤細胞的代謝具有明顯的異質(zhì)性，這可能與腫瘤細胞獨特的生存環(huán)境有關(guān)。

作為腫瘤代謝的另一重要通路，磷酸戊糖途徑(PPP)，又稱磷酸戊糖分流，是糖代謝的重要組成部分，它有兩個分支。氧化支將葡萄糖-6-磷酸(G6P)轉(zhuǎn)化為核酮糖-5-磷酸(Ru5P)和NADPH。在非氧化支中，主要為一些可逆反應(yīng)，通過轉(zhuǎn)碳基生成果糖-6-磷酸(F6P)和甘油醛-3-磷酸(G3P)，繼而進入糖酵解途徑。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)是PPP氧化支的關(guān)鍵酶，調(diào)節(jié)核糖-5-磷酸(R5P)、NADPH的生成，在核苷酸和脂質(zhì)的合成及維持氧化還原平衡中都起重要作用[2]。本文主要闡述PPP氧化支和非氧化支中的關(guān)鍵酶及其作用機制，為腫瘤的抗代謝治療提供新的思路和方向。

1 磷酸戊糖途徑與腫瘤

磷酸戊糖途徑的氧化分支主要生成NADPH和R5P，NADPH不僅可維持氧化還原狀態(tài)，也是脂質(zhì)、核苷酸合成的主要分子。而氧化支的關(guān)鍵酶G6PD在腫瘤中高表達，其高表達可促進更多NADPH的生成，高水平的NADPH降低了活性氧簇(ROS)的產(chǎn)生，ROS是一種腫瘤激活因子，即G6PD升高可抑制ROS的生成，從而調(diào)節(jié)氧化還原平衡[3]。

腫瘤細胞由于其快速的分裂增殖，需要大量的核苷酸、脂質(zhì)等物質(zhì)，且其所需的戊糖大多由PPP提供[4]。因此，維持一定的PPP流量，對腫瘤的生長至關(guān)重要。有研究表明，在氧化應(yīng)激的狀態(tài)下，腫瘤細胞也會降低糖酵解流量，提升PPP流量，產(chǎn)生更多的NADPH，用于抗氧化防御[5]。因此在腫瘤細胞中，高水平的PPP可以抵抗ROS誘導(dǎo)的細胞凋亡。

2 腫瘤細胞中PPP關(guān)鍵酶調(diào)節(jié)PPP以促進腫瘤細胞增殖和存活

2.1G6PD在腫瘤中的調(diào)節(jié)：G6PD在細胞中有兩種形式，分別為非活性形式(單體)、活性形式(二聚體)[6]。G6PD的活性與其翻譯后修飾有關(guān)。G6PD糖基化，主要通過改變酶結(jié)構(gòu)來影響酶功能，糖基化越高，腫瘤細胞生長越快，癌組織中糖基化的水平也明顯高于癌旁組織[7]。糖基化可以增強G6PD的活性和PPP的代謝流速，為脂質(zhì)和核苷酸的合成提供前體物質(zhì)。低氧會誘導(dǎo)G6PD糖基化，這是因為低氧條件下會增加O-連接的β-N-乙酰氨基轉(zhuǎn)移酶(OGT)及細胞內(nèi)的葡萄糖濃度，從而誘導(dǎo)G6PD糖基化，而經(jīng)過糖基化修飾的G6PD會增加與NADP+結(jié)合的親和力，NADPH/NADP+的比值會影響G6PD的活性，所以G6PD的活性增強。而腫瘤細胞就存在于低氧微環(huán)境中，故誘導(dǎo)G6PD糖基化從而促進PPP[8]。

G6PD還可與周期調(diào)控蛋白polo樣激酶1(PLK1)結(jié)合獲得磷酸化修飾，形成二聚體結(jié)構(gòu)，提高PPP促進腫瘤增殖。此外，PLK1會調(diào)控整個細胞周期，PPP中的關(guān)鍵酶及整個通路流量隨細胞周期的進程而增加[9]。

睪丸特異性蛋白酶 50(TSP50)是多種腫瘤不良預(yù)后的關(guān)鍵分子，它促進癌細胞增殖和上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)標記物的表達。研究表明，TSP50在肝癌細胞中顯著上調(diào)，TSP50過度表達，可以顯著降低NADP+/NADPH的比例，由此TSP50可能與PPP有關(guān)[10]。Zhang等研究[11]發(fā)現(xiàn)，TSP50 可以促進G6PD的表達，而且通過介導(dǎo)G6PD乙?；瘉碛绊懫浠钚?。過表達TSP50可以顯著抑制G6PD的?；瑢μ腔?、磷酸化作用不明顯。TSP50通過調(diào)控G6PD K171乙?；鰪奊6PD的活性。由此可知，TSP50乙?；疓6PD顯著促進腫瘤的增殖。TSP50介導(dǎo)的G6PD活性是一種新的治療肝癌的方式。

信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也與G6PD的活性相關(guān)。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)是參與免疫和細胞增殖、凋亡、分化的轉(zhuǎn)錄因子，也與G6PD活性有關(guān)。G6PD通過促進ROS的生成，導(dǎo)致p-STAT3 和細胞周期蛋白表達增加，p-STAT3還可以通過與G6PD啟動子結(jié)合從而激活G6PD轉(zhuǎn)錄，這表明p-STAT3與G6PD過表達形成了一個正反饋調(diào)控環(huán)[12]。因此G6PD在STAT3介導(dǎo)的腫瘤細胞增殖、分化、凋亡中起重要作用。在黑色素瘤中，STAT3和STAT5高度激活，G6PD敲低可導(dǎo)致磷酸化STAT5降低，過表達G6PD又可以增強STAT5磷酸化，這些結(jié)果表明，G6PD在STAT介導(dǎo)的腫瘤中發(fā)揮重要作用[13]。

此外，癌基因與G6PD也密切相關(guān)。由于腫瘤細胞快速增長，腫瘤細胞普遍處于缺氧狀態(tài)，此時會誘導(dǎo)缺氧因子(HIF-1α)來激活應(yīng)答機制，以利于腫瘤細胞代謝重編程[14]。HIF-1α可以與致癌轉(zhuǎn)錄因子c-MYC結(jié)合，從而抑制線粒體的功能，抑制線粒體中氧化磷酸化的進程，進而抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。c-MYC不僅可與G6PD啟動子區(qū)域結(jié)合，并促進其表達，增加PPP流量，還可增加G6PD的分泌，加速PPP[15]。

還有一些信號通路，也與G6PD的調(diào)控有關(guān)。如PI3K/AKT信號通路，是一種人類腫瘤中最常見的通路，它可以增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達、膜轉(zhuǎn)位、糖酵解相關(guān)酶活性促進Warburg效應(yīng)[16]。PTEN是一種抑癌因子，它通過其磷脂酸酶活性拮抗PI3K/AKT通路，PTEN缺失或者PI3K/AKT激活通過穩(wěn)定限速酶G6PD促進糖酵解中間產(chǎn)物向PPP轉(zhuǎn)變，PTEN缺失會延長G6PD的半衰期。PI3K激活通過抑制泛素介導(dǎo)的G6PD降解來促進PPP分支通路[17]。PI3K/AKT信號通路還會激活mTORC1，mTORC1間接誘導(dǎo)G6PD的表達，進而促進PPP的氧化階段，增加PPP的流量[18]。PI3K/AKT通路活化，還可促進核轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子Nrf2的核積累。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)抑制 Nrf2 可以降低 G6PD 的表達水平，其通過缺氧誘導(dǎo)因子 HIF-1α上 調(diào) Notch1 的 表 達，從 而 影 響 Hes 家族 BHLH 轉(zhuǎn)錄因子 1(HES1)和上皮細胞 - 間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)，增強了結(jié)腸癌細胞的增殖及遷移能力[19]。

G6PD與惡性腫瘤密切相關(guān)，上調(diào)或下調(diào)G6PD的表達會引起細胞的抗氧防御和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)受損，隨著人們的關(guān)注，快速增長的惡性腫瘤中，G6PD的活性明顯上調(diào)，參與多種信號通路的調(diào)節(jié)，促進腫瘤細胞對葡萄糖的攝取，提供核苷酸、NADPH等，這為癌癥的靶向治療及對化療藥物耐藥等提供了新的思路。因此通過抑制信號通路，來抑制G6PD的活性，對阻止腫瘤細胞快速增長、轉(zhuǎn)移等具有重要意義。

2.26PGDH的調(diào)節(jié)：PPP中氧化階段的第二個關(guān)鍵酶6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGDH)，6-磷酸葡萄糖酸在6PGDH的作用下可以生成核酮糖-5-磷酸，脫下來的H+，被NADP+接受生成NADPH。有研究表明，6PGDH的同源二聚體具有酶活性，與腫瘤增殖及其惡性程度密切相關(guān)，它在乳腺癌、肺癌等多種腫瘤中高表達[20-21]。在多種腫瘤中6PGDH大多數(shù)通過乙?；矁r修飾被激活，乙?；?PGDH能夠促進NADP+與其結(jié)合形成有活性的二聚體[22]。有研究表明，在腫瘤細胞中表達6PGDH乙?；毕莸耐蛔凅w能顯著抑制細胞的增殖和生長[23]。在肺癌細胞中，6PGDH缺失導(dǎo)致P53積累和隨后的細胞衰老，6PGDH也可以在肺癌細胞中乙?；?，激活6PGDH產(chǎn)生NADPH和核酮糖-5-磷酸，從而促進脂質(zhì)和RNA的合成，減弱ROS的生成。6PGDH異常表達可促進腫瘤細胞增殖，并誘導(dǎo)對化療的抵抗[24]。由此可知，抑制6PGDH可以是腫瘤治療的潛在策略，6PGDH如何調(diào)劑腫瘤細胞增殖仍需進一步研究。

2.3轉(zhuǎn)銅醇酶：轉(zhuǎn)銅醇酶(TKT)是PPP非氧化階段的主要酶，由于催化可逆反應(yīng)，故需根據(jù)反應(yīng)物和底物的水平調(diào)整反應(yīng)方向。在腫瘤中，轉(zhuǎn)銅醇酶以二聚體的形式來發(fā)揮作用。研究表明，轉(zhuǎn)銅醇酶-1(TKTL1)在宮頸癌、胃癌中表達上調(diào)，通過增強腫瘤細胞糖酵解、谷氨酰胺代謝進而維持高增殖狀態(tài)[25-26]。TKTL-1的激活使腫瘤細胞大量攝取葡萄糖，通過有氧糖酵解產(chǎn)生大量乳酸，使得腫瘤細胞能抑制自身凋亡，削弱機體的免疫殺傷作用，從而增強增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移能力。在白血病和結(jié)直腸癌中誘導(dǎo)的HIF-1a通過促進TKTL-1活性來增強PPP的非氧化支，導(dǎo)致對化療的抵抗[27]。TKTL-1不直接催化NADPH的形成，但最近的研究表明，它通過平衡糖酵解和PPP之間的通量來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)NADPH和R5P的水平[28]。因此，TKTL1被認為是一種新的腫瘤標志物和癌癥治療的潛在靶點。

3 總結(jié)和展望

由于腫瘤代謝異質(zhì)性的原因，腫瘤細胞高PPP流量異常于正常細胞，正是其高PPP產(chǎn)生更多的R5P和NADPH，滿足其快速增值對核苷酸、脂類等物質(zhì)的需要；同時NADPH用于維持細胞內(nèi)氧化還原平衡。G6PD作為PPP的關(guān)鍵酶，為臨床通過G6PD實施的腫瘤抗代謝治療提供了實驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。但到目前為止，沒有確鑿的證據(jù)表明G6PD對腫瘤細胞是必不可少的，以及G6PD影響腫瘤進展的機制也尚未闡明。此外，正如前文所述PPP中的其他酶也與腫瘤發(fā)生相關(guān)，而這些酶所參與的細胞調(diào)節(jié)及其上游調(diào)控這些酶活性的信號通路仍需進一步研究。