Warburg效應(yīng)及其關(guān)鍵酶在口腔鱗狀細(xì)胞癌治療中作用的研究進(jìn)展

侯佳麗,王鈞正,張鵬,劉靜

(1 青島大學(xué)附屬青島市海慈醫(yī)院口腔科,山東 青島 266033; 2 青島大學(xué)附屬青島市市立醫(yī)院口腔科)

口腔鱗狀細(xì)胞癌(OSCC)是口腔頜面部最常見的惡性腫瘤之一,占口腔癌的90%以上[1]。OSCC好發(fā)于舌、牙齦、頰及上頜竇等部位,容易侵襲病變附近的腺體、肌肉及骨骼,早期淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移亦常見。目前臨床上治療OSCC的主要手段有手術(shù)、放療、化療以及靶向治療等,但OSCC病人的5年生存率仍不足50%,病人預(yù)后不理想[2]。1920年,德國科學(xué)家OTTO WARBURG發(fā)現(xiàn),即使在氧供應(yīng)充足可以將葡萄糖徹底氧化磷酸化的條件下,腫瘤細(xì)胞也主要通過糖酵解方式獲取能量,即Warburg效應(yīng)[3]。雖然Warburg效應(yīng)曾受爭議,但是基于腫瘤細(xì)胞糖代謝異常誕生的PET-CT在臨床腫瘤診斷上的成功應(yīng)用及相關(guān)理論的創(chuàng)新性進(jìn)展,使Warburg效應(yīng)在腫瘤發(fā)生發(fā)展及治療中的深入研究再次受到重視[4-5]。本文對誘導(dǎo)Warburg效應(yīng)的分子機(jī)制以及Warburg效應(yīng)中關(guān)鍵酶的作用機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為OSCC的精準(zhǔn)靶向治療提供思路。

1 Warburg效應(yīng)與腫瘤細(xì)胞能量代謝特點(diǎn)

與正常細(xì)胞相比,腫瘤細(xì)胞能量代謝發(fā)生重編程從而導(dǎo)致糖酵解增強(qiáng)。腫瘤一直被認(rèn)為是脫離正常生長狀態(tài)的細(xì)胞瘋狂增長性疾病,需要攝取更多的能量滿足自我分化、高度活躍的生物行為,細(xì)胞能量失調(diào)是腫瘤十大特征之一[6]。惡性腫瘤細(xì)胞首選產(chǎn)能率低的糖酵解供能,主要因?yàn)樘墙徒饪商峁┠[瘤快速生長合成物質(zhì)所需的大分子,糖酵解中間產(chǎn)物煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、乙酰輔酶A、核糖和一些非必需氨基酸可被腫瘤細(xì)胞用作合成核苷酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的原料[7]。

1.1 誘發(fā)Warburg效應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制

腫瘤細(xì)胞糖酵解代謝活躍的機(jī)制較為復(fù)雜,目前尚不明確。認(rèn)為與低氧微環(huán)境、原癌基因激活和抑癌基因失活、糖酵解酶異常表達(dá)和線粒體氧化磷酸化功能損害等有關(guān)。

1.1.1低氧誘導(dǎo)因子(HIF)激活促進(jìn)腫瘤細(xì)胞糖酵解 低氧是腫瘤細(xì)胞普遍存在的狀態(tài),低氧會(huì)刺激HIF的基因表達(dá)。HIF是糖酵解的基本調(diào)節(jié)因子,可上調(diào)90%糖酵解酶的活性,也可抑制線粒體對丙酮酸的利用[8]。HIF-1是腫瘤微環(huán)境中主要的能量代謝調(diào)節(jié)因子,HIF-1可結(jié)合到原癌基因c-myc的啟動(dòng)子區(qū)刺激c-myc的表達(dá),c-myc又能促進(jìn)糖酵解第一限速步驟中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(GLUT)的表達(dá)從而促進(jìn)Warburg效應(yīng)[9]。c-myc基因過表達(dá)后可以導(dǎo)致乳酸脫氫酶A(LDH-A)的合成增多,LDH-A催化丙酮酸生成乳酸,使腫瘤微環(huán)境呈酸性[10]。酸性微環(huán)境激活組織蛋白酶和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs),它們可通過促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的降解而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲和遷移,MMP2和MMP9可通過特異性降解腫瘤細(xì)胞外基質(zhì)成分及調(diào)節(jié)細(xì)胞黏附,參與新生血管形成而促進(jìn)腫瘤的侵襲遷移[11]。

1.1.2癌基因活化和抑癌基因失活 癌基因活化及抑癌基因失活是驅(qū)動(dòng)腫瘤細(xì)胞能量代謝模式轉(zhuǎn)變發(fā)生Warburg效應(yīng)的內(nèi)在因素。許多癌基因、抑癌基因的異常表達(dá)都可引起葡萄糖攝取和糖酵解水平的改變,其中包括myc、Akt、P53、PTEN等[12]。癌基因myc的編碼產(chǎn)物是一種廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子,可誘導(dǎo)糖酵解過程中己糖激酶2(HK2)、LDH-A等大部分酶的表達(dá),還可刺激HIF-1的表達(dá)從而促進(jìn)Warburg效應(yīng)[13]。腫瘤抑制蛋白P53在調(diào)節(jié)線粒體有氧氧化和糖酵解方式之間的平衡中發(fā)揮重要作用。P53失活可促進(jìn)Warburg效應(yīng),其原因是多方面的。正常情況下,P53可通過下調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因GLUT1、GLUT3、GLUT4的表達(dá)減少葡萄糖的攝取[14],P53還可通過誘導(dǎo)糖酵解抑制基因TP53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡調(diào)控子(TIGAR)的表達(dá),上調(diào)線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅳ亞單位細(xì)胞色素C氧化合成酶2(SCO2)的表達(dá),從而抑制Warburg效應(yīng),促進(jìn)線粒體氧化磷酸化[15]。TIGAR通過去磷酸化降低果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)的含量抑制糖酵解,6-磷酸果糖激酶1(PFK-1)催化6-磷酸果糖(F6P)形成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-BP)是糖酵解的主要限速步驟,而F-2,6-BP是PFK-1的激活劑,可調(diào)節(jié)糖酵解[16]。

1.1.3其他因素 線粒體DNA變異、電子傳遞鏈功能障礙引起線粒體氧化磷酸化功能損傷導(dǎo)致活性氧(ROS)積聚,從而損害線粒體功能,促進(jìn)Warburg效應(yīng)的發(fā)生。但也有研究認(rèn)為,腫瘤細(xì)胞糖酵解是由于糖酵解抑制了線粒體氧化磷酸化而非線粒體不可逆損傷所致,抑制腫瘤細(xì)胞糖酵解則可恢復(fù)線粒體的氧化磷酸化[17]。PI3K/Akt信號通路廣泛存在于細(xì)胞中,通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞周期、能量代謝等多種途徑發(fā)揮廣泛的生物學(xué)功能。從黑種草籽中提取的化合物百里香醌通過調(diào)控PI3K/Akt/HK2信號通路抑制Warburg效應(yīng),進(jìn)而抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞HCT116和SW480的增殖和侵襲[18]。

1.2 Warburg效應(yīng)中的關(guān)鍵酶

調(diào)控Warburg效應(yīng)的關(guān)鍵酶主要有己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶(PK),其中研究較多且比較深入的為己糖激酶2(HK2)、M2型丙酮酸激酶(PKM2)。

1.2.1HK 作為糖酵解第一步的關(guān)鍵酶,HK不可逆地催化葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸(G-6-P),G-6-P是磷酸戊糖途徑的起始物質(zhì),可生成NADPH維持谷胱甘肽的還原狀態(tài),而還原型谷胱甘肽是體內(nèi)重要的抗氧化劑。HK有4種同工酶(HK1、HK2、HK3和HK4),其中HK2在正常人體中分布極少,僅在脂肪和骨骼肌中少量表達(dá),但高表達(dá)于OSCC等諸多腫瘤中[19]。在外界刺激或應(yīng)激作用下,HK2從細(xì)胞質(zhì)定位到線粒體而發(fā)揮作用,但HK1對這些刺激的敏感性卻較低[20]。HK2的N端和C端均有催化活性,因此HK2使葡萄糖的磷酸化速率翻倍,而HK1、HK3只有C端才具備催化活性。HK2可通過N端與線粒體外膜表面的電壓依賴性陰離子通道蛋白(VDAC)結(jié)合形成HK-VDAC復(fù)合體,此復(fù)合體不僅可以降低細(xì)胞色素C的釋放抑制線粒體途徑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡,而且可通過削弱G-6-P的負(fù)反饋抑制作用促進(jìn)糖酵解過程[21]。

1.2.2PK PK是催化糖酵解最后一步的關(guān)鍵酶,有4種同工酶(PKM1、PKM2、PKL、PKR),在惡性腫瘤的發(fā)生過程中PKM2表達(dá)上調(diào)取代了原有組織特異性的PKM1、PKL、PKR,因此一些科學(xué)家將PKM2稱為腫瘤特異性PK[22]。PKM2有二聚體和四聚體兩種形式,PKM2二聚體含量高但活性低,進(jìn)入細(xì)胞核可作為轉(zhuǎn)錄因子激活HIF-1α等促進(jìn)糖酵解和細(xì)胞生長,但PKM1不能調(diào)節(jié)HIF-1α活性[23]。當(dāng)PKM2為四聚體狀態(tài)時(shí)與其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有較強(qiáng)的親和力,因此具有較高的丙酮酸激酶活性,催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸進(jìn)而產(chǎn)生能量[24]。F-1,6-BP是葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物,可以與PKM2可逆性結(jié)合并穩(wěn)定PKM2四聚體狀態(tài),被認(rèn)為是PKM2的激活劑[25]。

2 Warburg效應(yīng)在OSCC中的作用

OSCC是一類異質(zhì)性疾病,腫瘤細(xì)胞在進(jìn)化過程中因環(huán)境壓力及生長狀態(tài)而發(fā)生重編程以適應(yīng)生長環(huán)境的變化。PI3K/Akt/mTOR信號通路、HIF、P53等信號通路或因子以及糖酵解關(guān)鍵酶參與腫瘤細(xì)胞Warburg效應(yīng)的調(diào)控。

2.1 Warburg效應(yīng)信號通路在OSCC治療中的作用

B7H3(CD276)是B族免疫共刺激和共抑制家族成員。有研究表明,B7H3可通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路上調(diào)HIF-α的表達(dá),HIF-1α可以通過促進(jìn)其下游靶蛋白GLUT1、磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3(PFKFB3)的表達(dá)而促進(jìn)糖酵解,從而促進(jìn)OSCC細(xì)胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移[26]。核心生物鐘基因中的周期基因1(PER1)在多種腫瘤的形成中發(fā)揮重要作用,GONG等[27]研究發(fā)現(xiàn),PER1在OSCC組織中呈低表達(dá),PER1可與活化蛋白激酶C受體1(RACK1)及PI3K結(jié)合形成復(fù)合體,調(diào)控PI3K/Akt信號通路抑制糖酵解,進(jìn)而抑制OSCC細(xì)胞的增殖和侵襲。二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK、抑制mTOR及HIF-1α,抑制多種腫瘤的生長。HARADA等[28]通過體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),二甲雙胍聯(lián)合5-氟尿嘧啶抑制OSCC組織HIF-1α、mTOR、Akt1表達(dá)效果較單用二甲雙胍或5-氟尿嘧啶更顯著,進(jìn)而抑制Warburg效應(yīng)使OSCC細(xì)胞的生長受阻。MAO等[29]研究表明,蛋白二硫化物異構(gòu)酶A6(PDIA6)在人OSCC組織中高表達(dá),PDIA6可以促進(jìn)人OSCC組織SCC9細(xì)胞以及Cal27細(xì)胞葡萄糖的攝取、乳酸生成及ATP產(chǎn)量升高,通過Warburg效應(yīng)促進(jìn)OSCC細(xì)胞的生長侵襲。

2.2 Warburg效應(yīng)關(guān)鍵酶在OSCC治療中的作用

2.2.1HK2 相關(guān)研究表明,在4種HK同工酶中,HK2與惡性腫瘤的關(guān)系最為密切,其在人體多種腫瘤組織、腫瘤模型中高表達(dá)[30]。LI等[31]通過體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證明,丹參酮ⅡA可抑制Akt磷酸化,并能促進(jìn)c-myc和E3泛素連接酶FBW7的相互作用,抑制HK2的活性進(jìn)而抑制OSCC細(xì)胞系CAL27、SCC15、SCC9細(xì)胞的增殖生長;同時(shí),HK2與線粒體結(jié)合是維持細(xì)胞生存的必要條件,丹參酮ⅡA作用于OSCC細(xì)胞后可激活A(yù)kt/c-myc/HK2信號軸,抑制HK2活性進(jìn)而促進(jìn)OSCC細(xì)胞的凋亡。還有研究表明,去泛素化酶泛素特異性肽酶13(USP13)可上調(diào)PTEN蛋白表達(dá)、抑制Akt磷酸化,通過PTEN/PI3K/Akt信號軸下調(diào)GLUT1和HK2的表達(dá),進(jìn)而抑制Warburg效應(yīng),最終抑制人舌鱗癌細(xì)胞CAL27、人口腔鱗癌細(xì)胞HSC4、人舌鱗癌細(xì)胞SCC15的生長;此外,USP13還可抑制無胸腺裸鼠OSCC移植瘤的生長[32]。miRNA是一類非編碼RNA,可以通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)并在多種腫瘤的生物進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。SUN等[33]研究表明,miRNA-143可以與HK2非編碼區(qū)一個(gè)保守的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合抑制HK2的活性,進(jìn)而抑制Warburg效應(yīng),最終抑制OSCC細(xì)胞的生長侵襲和葡萄糖攝取。上皮-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化(EMT)與惡性腫瘤細(xì)胞的浸潤、轉(zhuǎn)移和耐藥性息息相關(guān),有研究通過體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明,核糖體結(jié)合蛋白2(RPN2)通過誘發(fā)喉鱗狀細(xì)胞癌TU212細(xì)胞ROS的產(chǎn)生上調(diào)HK2的表達(dá),激活PI3K/Akt信號通路,促進(jìn)EMT進(jìn)而促進(jìn)喉鱗狀細(xì)胞癌的侵襲轉(zhuǎn)移。

2.2.2PKM2 PK為進(jìn)化保守的代謝酶,在腫瘤發(fā)生過程中組織特異性PKL、PKR及PKM1被PKM2取代,PKM2在OSCC等諸多惡性腫瘤組織中異常表達(dá),通過促進(jìn)Warburg效應(yīng)進(jìn)而促進(jìn)惡性腫瘤的增殖和侵襲。PKM2是癌變組織中主要形式的PK,被認(rèn)為是腫瘤治療的潛在靶點(diǎn)。WANG等[34]通過注射二羥甲基丁酸(DMBA)方法建立倉鼠OSCC模型研究顯示,PKM2在正常黏膜上皮低表達(dá),而在異型增生及腫瘤樣組織中高表達(dá);該研究對111例OSCC病人病變組織進(jìn)行病理學(xué)分析發(fā)現(xiàn),PKM2與病人整體生存率呈負(fù)相關(guān)。PARK等[35]通過對兩種永生性口腔角質(zhì)細(xì)胞IHOK-P和IHOK-S轉(zhuǎn)染HPV16E6/E7基因模擬OSCC成癌過程,同時(shí)對OSCC細(xì)胞YD10B細(xì)胞系和人OSCC組織標(biāo)本進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),PKM2核轉(zhuǎn)位后可以促進(jìn)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子-1(ETS-1)的表達(dá),進(jìn)而促進(jìn)MMP9的表達(dá),最終增強(qiáng)OSCC細(xì)胞的侵襲性,并且與OSCC病人的不良預(yù)后呈正相關(guān)。LUO等[36]對125例口腔舌鱗狀細(xì)胞癌病人的腫瘤組織及鄰近組織免疫組化分析顯示,PKM2在OSCC組織中高表達(dá)且與腫瘤TNM分期密切相關(guān),PKM2是OSCC預(yù)后評估的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。一項(xiàng)對正?？谇火つそM織及頭頸鱗癌標(biāo)本研究結(jié)果顯示,頭頸鱗癌組織中PKM2和CD276的表達(dá)水平較正?？谇火つそM織高,PKM2可以通過提高免疫檢查點(diǎn)CD276的表達(dá)參與腫瘤免疫調(diào)控使頭頸鱗癌細(xì)胞產(chǎn)生免疫抑制,PKM2和CD276的表達(dá)水平與頭頸鱗癌TNM分期相關(guān),而與病人性別、年齡和病理分級無相關(guān)性。

3 小結(jié)與展望

OSCC等惡性腫瘤細(xì)胞的能量供應(yīng)方式不同于正常細(xì)胞,腫瘤細(xì)胞增殖及侵襲過程需要大量能量和大分子物質(zhì),而Warburg效應(yīng)為此提供了物質(zhì)和能量支持。腫瘤細(xì)胞攝取能量的方式在很大程度上依賴高水平表達(dá)的糖酵解酶,糖酵解關(guān)鍵酶HK2、PKM2等在OSCC等惡性腫瘤中表達(dá)增高且與不良預(yù)后呈正相關(guān)。這些高表達(dá)的酶可作為腫瘤治療的靶點(diǎn)。由于腫瘤的異質(zhì)性和微環(huán)境的差別,單一糖酵解酶靶向治療可能不及多個(gè)糖酵解酶靶向聯(lián)合治療效果好。隨著細(xì)胞和分子生物學(xué)技術(shù)及新的糖酵解酶抑制劑的發(fā)現(xiàn)和深入研究,OSCC等惡性腫瘤基于能量代謝的靶向治療將會(huì)邁上新臺(tái)階。