M2型丙酮酸激酶在肿瘤代谢和发展中的作用

朱 珠，陈 敏，张晓琦，杨 燕，邹晓平

(南京医科大学 鼓楼医院 消化内科，江苏 南京 210008)

正常细胞在氧气充足的条件下会通过葡萄糖的有氧氧化来获得能量，但1920 年，德国生化专家Warburg首次报道肝癌细胞糖酵解活性较正常肝细胞明显增强，进一步研究表明即使在氧充足条件下恶性肿瘤细胞糖酵解代谢同样明显活跃，肿瘤细胞这种活跃的有氧糖酵解代谢特性被称为“Warburg 效应”[1]。最初，人们认为有氧糖酵解是由于肿瘤的呼吸链的损伤(线粒体的损伤)。然而，之后的研究表明，肿瘤细胞中线粒体损伤比较罕见[2- 3]。在某些情况下，肿瘤细胞可以转换成线粒体呼吸供能[4]。

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解通路中最后一个限速酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)去磷酸化，产生丙酮酸和ATP。PK在哺乳动物中存在4种亚型：PKL，在肝脏和肾脏中表达；PKR，在红细胞中表达； PKM1，主要表达在骨骼肌和脑组织中；PKM2，主要表达于胚胎组织以及高增殖细胞，尤其是肿瘤细胞中[5]。近年来，随着肿瘤代谢机制的深入研究，关于PKM2的研究成为一个热点，其范围从胞质的糖酵解酶扩展至作为蛋白激酶参与基因表达的调控，大量研究证实PKM2 与肿瘤的发生发展密切相关，使得PKM2成为肿瘤治疗的一个潜在靶点[6]。

1 PKM2的生物学特性

1.1 PKM2 的结构特征

PKM2和其他3种同工酶之间最显著的区别是，PKM2在体内可以3种形式存在，单体、二聚体和四聚体。在正常细胞中，PKM2主要为高活性的四聚体形式，但在肿瘤细胞中主要为低活性的二聚体形式。肿瘤细胞中PKM2可以单体形式移位至细胞核，调控细胞周期进展及Warburg效应[7]。

1.2 PKM2表达的调节

PKM2表达是在不同水平共同调节的。低氧诱导因子(hypoxia inducible factor 1α，HIF1α) 主要调节机体在低氧状态下的适应性反应，其在很多肿瘤细胞中高表达，是一种重要的转录因子，可以通过PKM2第一内含子中的低氧反应元件(hypoxic response element, HRE)上调PKM2的表达。PKM2可作为共激活剂，在细胞核内与脯氨酰羟化酶3(prolyl hydroxylase 3, PHD3)结合，使其自身的P303/408位点发生羟基化，与HIF- 1a结合，促进HIF- 1a的转录激活，从而形成一个正反馈调节[8]。

在常氧条件下，表皮生长因子可促进PKM2转录激活。PKM2的表达与人脑胶质瘤标本中的EGFR和IKKβ活性及脑胶质瘤恶性程度密切相关[9]。

转录后，PKM选择性剪切是PKM2表达的另一调控机制。PKM1与PKM2仅相差23个氨基酸，同是PKM基因前体mRNA选择性剪切的产物。PKM1包含外显子9，PKM2包含外显子10。PKM的选择性剪切主要由核内不均一核糖核蛋白(hnRNP)家族的hnRNPA1、hnRNPA1和PTB(也称为hnRNPI)3个成员介导。这3种蛋白都是PKM基因选择性剪切的抑制因子，可结合到PKM前体mRNA外显子9的侧翼序列抑制其剪切，从而释放出外显子10，形成成熟PKM2 mRNA 的表达。他们在正常组织中低表达，在快速增殖细胞，如胚胎及肿瘤细胞中高表达。c-Myc可上调这3种基因的转录，具有高活性c-Myc的细胞均呈现PKM2/PKM1增高[10]。c-Myc在β-catenin的激活的下游，可增加葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1, GLUT1)、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase A, LDHA)、PTB和PTB依赖的PKM2的表达，从而促进Warburg效应[11]。

此外，microRNAs(miRNAs)可调节PKM2基因的表达。在舌鳞状细胞癌中，PKM2的高表达与miR-133a和miR-133b下调有关[12]。

1.3 PKM2酶活性的调节

1.3.1 代谢中间产物对PKM2 活性的影响：1,6-二磷酸果糖(1,6-bisphosphate, FBP)，糖酵解的一种中间产物，作为PKM2的一种变构激活剂已被人熟知。可动态调节体内PKM2二聚体与四聚体比例，促进肿瘤细胞增殖。近来，丝氨酸(serine, Ser)被证实为PKM2的另一个重要的变构激活剂[13]。丝氨酸，是3-磷酸甘油醛转氨基形成，可结合并激活PKM2，促进细胞增殖。当丝氨酸充足时，PKM2激活，促进高效糖酵解利用葡萄糖。然而，当丝氨酸缺乏时，PKM2活性减低，快速转换成磷酸戊糖途径促进丝氨酸的生物合成。

此外，SAICAR(5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸)，嘌呤核苷酸从头合成途径的中间体，也被证实可以特异性的调节PKM2的活性[14]。

1.3.2 转录后修饰对PKM2活性的影响: PKM2的活性及功能还受到转录后修饰的广泛调节，包括磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化、脂化及水解等。蛋白质组学方法筛选PK的4个亚型中只有M2亚型是磷酸酪氨酸结合蛋白[15]。PKM2酪氨酸残基105(Y105)位点可被成纤维细胞生长因子受体1(FGFR1)直接磷酸化[16]。在PKM2 Y105磷酸化干扰了PKM2与其变构激活剂FBP的结合，抑制四聚体形成从而抑制PKM2的活性。肿瘤细胞中PKM2 Y105突变，细胞耗氧量增加且乳酸产生量减少，抑制细胞增殖及肿瘤发生。

蛋白乙酰化是另一种常见的转录后修饰[17]。在高浓度葡萄糖环境中，PKM2在赖氨酸305位(K305)发生乙酰化[18]。乙酰化的PKM2具有较低活性，促进分子伴侣介导的自噬降解作用，造成糖酵解代谢中间产物和NADPH积累，从而促进肿瘤生长。PKM2 K305Q突变株模拟过度乙酰化，可增加糖酵解中间体产量，促进细胞增殖和肿瘤发生。

2 PKM2对肿瘤代谢的调控作用

2.1 PKM2是肿瘤细胞增殖的调节器

细胞二分裂增殖前需要大量的核苷酸、氨基酸和脂质用于各组分复制。除了供能，葡萄糖也必须提供大量的前体物质用于生物合成[19]。例如，合成一分子的生物膜的组分棕榈酸，需要7分子的ATP、8分子乙酰辅酶A和14分子的NADPH。1分子的葡萄糖彻底氧化磷酸化可以提供38分子ATP。还需要3分子的葡萄糖提供辅酶A和7分子的葡萄糖通过磷酸戊糖途径提供NADPH[20]。同样，在核苷酸及氨基酸的合成过程中，对碳骨架及NADPH的需求要远远高于对ATP的需求。PKM2活性可影响能量与前体物质的比例从而调节细胞增殖速度。

2.2 PKM2在细胞核内作用

PKM2作为糖酵解酶主要定位在细胞质，然而，在某些情况下，可以单体形式迁移入细胞核中[7]。PKM2在核内有作为一种蛋白激酶的功能，使用PEP作为磷酸供体。PKM2能够在酪氨酸705位点磷酸化STAT3和促进MEK5转录[21]。最近的一项研究表明，表皮生长因子受体激活后，PKM2可以直接与组蛋白H3结合，磷酸化11位点的苏氨酸。组蛋白H3的磷酸化亦促进从CCND1和MYC基因启动子解离HDAC3。这些过程有助于表皮生长因子诱导的细胞周期蛋白D1和c-Myc的表达，促进肿瘤细胞增殖，加速细胞周期进程及肿瘤进展[22]。

3 PKM2的临床应用

3.1 PKM2的诊断作用

PKM2在肿瘤代谢和增殖中的重要作用，使其可以作为肿瘤诊断的重要工具。PKM2首次在肝癌中被发现[1]，其后在多种恶性肿瘤组织被发现高表达，如肺癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、肾癌及前列腺癌等。在早期肿瘤中，PKM2 表达显示异质性，但在转移的肿瘤组织染色均一而强烈。这也表明，PKM2可能在肿瘤的发生发展中起重要作用。肿瘤细胞大量表达PKM2，可促进肿瘤细胞增殖及延长生存期，肿瘤恶性程度增加。此外，肿瘤细胞的坏死和更新可使PKM2被释放到周围组织，外周血，消化道恶性肿瘤患者粪便及胸部肿瘤患者的胸腔积液中，从而可以被检测到。因此，肿瘤PKM2是一种非器官特异性蛋白，可作为检测肿瘤代谢和增殖状态的生物标志物[4]。

3.2 PKM2是一个潜在的治疗靶点

在大多数肿瘤中高表达的PKM2，成为癌症治疗的一个潜在的治疗靶点。PKM2基因敲除可促进肿瘤细胞凋亡和肿瘤细胞对化疗药物敏感性增加[23]。有研究鉴定出了3类PKM2 抑制剂类，其中最有效力的抑制剂可在生长因子信号丧失后导致糖酵解的减少和细胞死亡的增加[24]。PKM2能在低活性二聚体和高活性的四聚体之间动态变换，阻断变换可以改变肿瘤细胞的代谢。研究证实，当确保PKM2以稳定的低活性二聚体形式或高活性四聚体形式存在时，均可抑制肿瘤细胞增殖。PKM2核功能的发现，尤其是它的蛋白激酶活性，使得针对PKM2的靶向治疗更加多样化，为肿瘤治疗提供了新的思路。

4 结论

PKM2，一种糖酵解的关键酶，已被证明在肿瘤代谢及肿瘤进展过程中发挥关键作用。肿瘤细胞有多种方式调节PKM2，以利于肿瘤细胞生长和存活，包括PKM2的转录、选择性剪切、翻译后修饰、变构调节等。此外，PKM2作为一种蛋白激酶，可以调节基因表达，细胞周期进程，以及细胞代谢。所有这些反应了PKM2调控的复杂性和PKM2在癌细胞代谢和细胞周期进程的核心作用。PKM2有望成为肿瘤治疗的一个有力的靶点。

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