缺氧诱导因子（HIF—1α）、M2型丙酮酸激酶（PK—M2）在肿瘤细胞中的研究进展

张楠 偰光华 廉卿 朴鹤云

【中途分类号】R473.73 【文章标识码】A 【文章编号】1004-7484（2014）02-0500-02

缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）是一个缺氧条件下稳定，在正常氧分压时通过泛素-蛋白体酶系统水解的蛋白质。国内目前尚缺乏HIF因子与PKM2在肿瘤细胞中的表达以及相互关系的研究报道。本文拟就HIF因子与PKM2之间存在的联系以及可能存在的几种分子通路的研究进展作一介绍。

1 缺氧引导因子（HIF）的结构、功能及调节

缺氧是肿瘤普遍存在的现象，由于肿瘤的快速生长以及血供相对不足导致其微环境处于相对乏氧状态，此时肿瘤细胞可表现出向周围组织浸润生长、转移等生物学特性。而缺氧诱导因子HIF在这些过程中起着中枢纽带的作用，它通过反式激活作用于缺氧反应元件HRE，激活下游靶基因的表达，改变组织的血管生成和代谢变化来维持氧的稳态，对肿瘤组织还参与其发生、发展和转移。生化研究表明，HIF-1是一个异源二聚体，由120-KDa HIF-1α亚基和91-94 KDa的HIF-1β/ARNT亚基组成，两亚基均属bHLH -PAS家族的成员。其中α亚基还包括HIF-2α和HIF-3α两种成员，但在组成异源二聚体时只有一种α亚基与β亚基结合。α亚基及β亚基具有以下共同特点：1）具有基本的螺旋-环-螺旋（bHLH）结构域，介导二聚体形成；2）具有PAS区域，与bHLH共同构成一个蛋白/蛋白二聚体功能界面；3）C末端有两个反式激活结构即N-TAD和C-TAD，对反式激活起调节作用。其中在N-TAD中含有一约200个氨基酸结构，是降解作用部位及降解必需结构，称为氧依赖的降解结构域。氧分压是调节HIF-1α的主要生理性因素，一般认为缺氧依赖的HIF-1α激活是一个多步骤和多因子参与的过程。缺氧时HIF-1α降解被抑制，在细胞内积聚，HIF-1α与HIF-1β（ARNT）形成一个复合体。该复合体通过HIF-1α与基因组的调控元件结合，促进靶基因表达。而在正常氧分压时，抑癌基因von Hipple-Lindau（VHL）的蛋白产物pVHL则直接引导HIF-1α多聚泛素化，被28S蛋白酶体降解而灭活。

缺氧诱导因子HIF-1α作为一个缺氧诱导基因的关键转录调控因子，与肿瘤的生长密切相关，参与调控肿瘤血管生成、糖代谢等多种靶基因的转录。免疫组织化学研究表明许多恶性肿瘤组织均异常表达HIF-1α，且与血管生成促进因子（VEGF）、葡萄糖转运因子（Glut）、己糖激酶Ⅱ等因子的表达呈正相关，包括胃癌、鼻咽癌、前列腺癌等。蒋奕等人在缺氧条件下，通过合成小干扰RNA（siRNA）转染腺癌细胞系BxPC-3从而沉默HIF-1amRNA，发现HIF-1α因子及丙酮酸激酶1（PK-1）、乳酸脱氢酶A（LDH-A）的表达均显著下降，并促进柠檬酸合成酶（CS）的表达，从而抑制肿瘤细胞的糖酵解代谢。亦有大量免疫组织化学的研究表明，胆管癌细胞中高度表达HIF-1α，而VEGF、Glut-1、乙酰肝素酶亦呈高表达，与HIF-1α因子的表达呈正相关。

2 PKM2的结构、功能及调节

丙酮酸激酶（PK）是糖酵解途径中的一个关键酶。由两种同源基因所编码，并由于组织选择性的特异性，LR型、R型、M1型、M2型四种同工型，通常均以四聚体的活性形式存在，胚胎和未分化或增生的组织主要表达M2型。研究表明，在恶性肿瘤组织中在ATP、1，6-二磷酸果糖，丝氨酸以及不同的癌蛋白之间的相互作用下，肿瘤细胞中M2-PK从四聚体向二聚体转变，即使在血供极差以及供氧不足时仍能进行，有助于肿瘤细胞大量增生。因此在肿瘤细胞中，M2-PK通常以无活性的二聚体形式占据主要地位。美国学者孔（Kung）等研究发现PK-M2的活性提高后肿瘤生长受到抑制；而通过对AGX-257作用前后进行对比发现，活性低的PK-M2无法将糖酵解途径中的中间体全部转化为丙酮酸，导致这些中间体合成丝氨酸进入氨基酸代谢途径，从而促进了肿瘤的生长。因此肿瘤型M2-PK正受到越来越多的重视。近年来，在消化道肿瘤中均发现M2-PK较正常组织差异显著，并有学者认为M2-PK可作为消化道肿瘤的一种新的肿瘤标志物。M2-PK的两种存在状态强活性四聚体以及低活化二聚体，两者之间的比例不是固定不变的，而是受到其底物、糖代谢中间产物、癌蛋白等的影响。癌基因蛋白pp60v-src就是第一种发现的可影响M2-PK的癌基因，pp60v-src激酶可使M2-PK的酪氨酸残基磷酸化从而影响M2-PK的活化状态。糖酵解中间产物1，6-2磷酸果糖和活化剂丝氨酸可催化二聚体M2-PK向四聚体M2-PK转化，从而有利于能量的再生，而当1，6-2磷酸果糖下降到最小信号水平以下时，四聚体分解成无活性的二聚体。丝氨酸是有糖酵解的中间产物3-磷酸甘油和谷氨酰胺化的中间产物谷氨酸合成的，借糖酵解和谷氨酰胺化两种途径进行调控。

3 HIF-1α、M2-PK与胆管癌的关系

HIF-1α通过结合或者活化靶基因上低氧反应元件所包含的共同结合位点5-RCGTG-3，从而在肿瘤发展过程中发挥作用。低氧诱导的上百种靶基因以HIF-l依赖的方式编码蛋白，这些蛋白在肿瘤生物学的各个方面发挥重要作用，包括血管生成、细胞存活、能量代谢、侵袭和转移等。在缺氧状态下，腫瘤中的一些功能缺失的基因通过参与氧传递机制上调HIF-1α的表达以及HIF-1信号通路的活化。如在VHL相关的肿瘤中，VHL的功能缺失能够抑制HIF-1α的泛素化降解，从而使HIF-1α蛋白含量增高；p53或肿瘤抑制蛋白磷酸酶及张力蛋白同系物（PTEN）的功能缺失均能导致HIF-1的活性增强。此外，细胞内一些主要信号转导通路的异常也能上调HIF-1α的表达。研究发现：肿瘤细胞中碎片基因-丝裂原活化蛋白激酶（Ras-MAPK），类固醇激酶共活化子（Src），磷脂酰肌醇3激酶-丝氨酸/苏氨酸激酶（蛋白激酶B）-雷帕霉素靶蛋白[PI3K-AKT（PKB）-mTOR]信号通路的活化能提高HIF-1α的表达，过表达胞外信号调节激酶1（ERK1）能显著提高HIF-1的活性，pp60v-Src的活化能提高HIF-1α蛋白的合成。徐莲等人在前列腺癌细胞中通过LY294002抑制Akt的磷酸化从而使氯化钴模拟缺氧状态下HIF-1α的表达下降，说明HIF-1α通过Akt通路影响肿瘤细胞的糖代谢。而何桂钧等人在食管癌细胞株中通过Wortmannin阻断PI3K/AKT途径，然后检测HIF因子及基因，糖酵解相关因子如己糖激酶（HK）-Ⅱ、葡萄糖载体蛋白（GLUT）-1、乳酸脱氢酶（LDH）-A及其基因后，发现常氧及缺氧条件下，Wortmannin能通过抑制食管癌细胞HIF-1a和糖酵解相关基因的表达导致乳酸水平降低，表明P13K/AKT—HIF-la途径与食管癌细胞糖酵解通路密切相关。在缺氧状态下，HIF-1可诱导ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01等相关糖酵解因子的表达。在低氧细胞中.HIF-1结合位点，和ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01这些酶的启动子转录激活时被暴露，HIF-1通过激活这些位点来激活这些酶基因.从而诱导糖醇解酶的合成.促进糖酵解的进行。另外大部分糖酵解相关基因，如Gltu-1基因5端增强子存在27bp的缺氧相关元件（HRE）、PGK1基因5侧翼的序列上有18bp的HRE，这些存在于糖酵解基因中片段极易与HIF-1结合，从而启动转录。Daniel等人研究发现，PK-M2与HIF-1α关系密切，两者共同促进肿瘤细胞能量的供应。

4 结语

综上所述，HIF-1α在肿瘤糖酵解中扮演十分重要的作用，HIF-1α可通过多种分子通路，如Ras-MAPK、Src、PI3K-AKT（PKB）-mTOR等诱导多种糖酵解因子的转录及活化。而PK-M2作为近年来计较重要的糖酵解关键酶也逐渐引起人们的重视，但HIF-1α与PK-M2之间的关系有待进一步深入研究。亦有研究指出，通过阻断HIF-1α与糖酵解相关因子的联系可抑制肿瘤的生长，因此亦寄希望研究清楚HIF-1α与PK-M2是否存在一种或多种分子通路，找到两者之间的特异性靶点，通过分子技术阻断此靶点，从而抑制肿瘤的糖代谢，诱导肿瘤细胞的凋亡。