以Warburg效应为轴心的恶性肿瘤代谢机制



以Warburg效应为轴心的恶性肿瘤代谢机制

杨康丽余祖江李晶晶阚全程

(郑州大学第一附属医院 感染科河南 郑州450052)

【关键词】肿瘤细胞；糖酵解；氧化磷酸化；磷酸戊糖途径；脂肪酸分解

代谢是生物体用于维持生命的一系列有序的化学反应的总称。生物体生长、繁殖、保持它们的结构以及对外界环境做出反应等多项生命活动都需要消耗能量，其绝大部分由三磷酸腺苷(adenosine triphophate，ATP)供应，而糖代谢是最主要的ATP生成途径。糖异生的逆反应是糖酵解。1920年德国生物学家Warburg发现肿瘤细胞即便在有氧条件下仍表现出活跃的葡萄糖摄取和糖酵解，即“Warburg effect”[1]。

1924年Warburg观察到肿瘤细胞与正常细胞相比，将更多的葡萄糖代谢产生乳酸。通过直接检测大鼠肝癌和正常肝脏组织中乳酸的产生量和耗氧量，Warburg等发现正常肝脏组织显示“Pasteur effect”，即在有氧环境中乳酸的生成受到抑制，而肿瘤组织在任何氧浓度的环境下均保持乳酸的生成。随后许多的人类肿瘤研究均表明，在氧气存在的情况下乳酸仍持续产生。Warburg检测到癌组织消耗可用呼吸作用解释的10倍葡萄糖量，而且肿瘤内乳酸的产生量比正常组织的产生量多两个数量级[2]。随着该领域研究的不断深入，人们几乎在所有肿瘤中证实了“Warburg effect”的存在。近年来，关于“Warburg effect”起因的研究热点主要集中在以下几个方面。

1抑癌基因突变

研究表明，一些抑癌基因发生突变或功能丧失能够促进肿瘤细胞的糖酵解，如Ras、Myc，通过诱导糖酵解的酶和活化糖转运体而不断激活糖酵解过程[3]。Jiang等[4]研究发现，肿瘤细胞中p53突变或缺失、p73大量表达可加速磷酸戊糖途径，证明p53可与磷酸戊糖途径第1步反应中的关键酶葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)结合，并抑制它的活性；p53除具有转录活性外，还具有催化功能，它通过与底物瞬时结合，以“hit-and-run”模式使G6PD酶活性降低；高表达量的p73使G6PD的活性大大增强[5]。这一发现部分解释了“Warburg effect”。

2线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)受抑

2.1线粒体DNA(mtDNA)的高突变率造成mtDNA高突变率的原因主要有：①在线粒体构型中，mtDNA与细胞内氧自由基(reactive oxygen species，ROS)产生位点在物理位置上十分接近；②mtDNA缺乏组蛋白的保护，使线粒体更容易受到细胞内ROS的影响；③mtDNA没有细胞核DNA一样强大的修复能力。

许多肿瘤细胞表现出来的是mtDNA变异，而并非线粒体功能受到抑制或数目减少，mtDNA变异使OXPHOS受到抑制，ROS产量增加，使肿瘤细胞能在不利的条件下生长。核酸DNA变异导致琥珀酸脱氢酶和延胡索酸水解酶功能受抑，而参与糖酵解和磷酸戊糖途径的有关酶活性增加[6]。

2.2Crabtree Effect1929年Crabtree在高浓度的葡萄糖培养基和有氧条件下培养细胞时发现细胞生长受到抑制并生成乙醇，该现象称为“Crabtree effect”。在快速生长的肿瘤细胞和正常增殖的细胞中添加葡萄糖或其他己糖会导致OXPHOS部分受抑制[7]。这种现象并非由葡萄糖直接引起。在大鼠肝细胞瘤AS-30D培养过程中添加葡萄糖后，糖酵解途径增强，而ATP和无机磷酸盐(inorganic phosphate，Pi)含量下降，胞液的pH从7.2降至6.8，磷酸己糖的浓度大幅度增加[8]。

3加速进行的糖酵解

3.1己糖激酶(hexokinase，HK)HK是糖酵解第1步反应的限速酶，使葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖。肿瘤细胞线粒体中HK的活性上调。Akt信号系统能够促使HK和电压依赖的阴离子通道(voltage dependent anion cannel，VDAC)结合，活化HK，抑制细胞色素C酶和细胞凋亡，HK可通过抑制bcl-2家族抑制细胞程序性死亡[9-10]。

3.26-磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase，PFK-1)

PFK-1催化6-磷酸果糖转化为1,6-二磷酸果糖。果糖-2, 6-二磷酸激酶3(PFKFB3)是PFK1的重要调节剂，2,6-二磷酸果糖是PFK1的变构调节剂。PFK1和PFKFB3与肿瘤细胞的生物合成相关，两者过表达可使1,6-二磷酸果糖明显升高，分流进入磷酸戊糖途径，参与5-磷酸核糖的合成[11]。

3.3丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)PK催化糖酵解中第2个产生ATP的反应，将磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酸基转移给ADP，生成ATP和丙酮酸盐。肿瘤细胞中含有其变构体PKM2。其抑制剂有氟磷酸、5-磷酸吡哆醛、肌酸磷酸、草酸盐、L-磷酸乳糖及合成的环状庚肽CAP-232/TLN-232[12]。当肿瘤细胞快速分裂需要合成大量大分子物质时，PK活性受抑制，由四聚体形式转变为二聚体形式，其碳源物质将进入磷酸戊糖途径。

3.4乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH) LDH催化丙酮酸生成乳酸，同时将NADH氧化为NAD+。该酶使丙酮酸和NADH得以循环利用。肿瘤细胞中存在过表达的LDH，在细胞质中促进NAD+生成，从而提高了有氧条件下糖酵解的速率。在肿瘤组织中，缺氧区的细胞可以产生并排出乳酸，而氧气充足区的细胞则通过单羧酸转运蛋白1摄取乳酸，将其转化为丙酮酸进入线粒体OXPHOS[13-14]。以此形成的酸性微环境影响了肿瘤的浸润和转移[15]。

3.5低氧诱导因子1(HIF-1)HIF-1是具有转录活性的核蛋白，由2个异源性亚单位构成(氧敏感亚单位HIF-1α和共表达亚单位HIF-1β)，可使肿瘤细胞代谢有关的基因和葡萄糖转运体表达上调，激活糖酵解。HIF-1α的生物合成受磷酸肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和细胞外信号调控酶-有丝分裂原活化蛋白激酶(ERK-MAPK)信号途径调控。这两种信号通路被G蛋白偶联受体、受体酪氨酸激酶、非受体酪氨酸激酶活化。HIF-1α可以通过氧依赖机制被降解。HIF-1α表达升高能够促使糖酵解中间产物进入磷酸戊糖途径，促使转酮基酶和PKM2表达，参与磷酸戊糖途径和5-磷酸核糖产生。许多HIF-1抑制剂主要通过抑制HIF-1α亚单位而发挥作用，如PI3K/Akt/mTOR、ERK-MAPK信号途径、热休克蛋白90复合物、拓扑异构酶-1[16]。现在对低氧诱导基因表达机制了解甚少，低氧时HIF-1表达增强只是现象，其触发机制有待阐明。

4被激活的磷酸戊糖途径

变异的人间充质干细胞能够上调5-磷酸核糖异构酶A(ribose phosphate isomerase A，RPIA)的表达，RPIA可以增加5-磷酸核糖生成并增强DNA合成相关酶的活性，可以得出变异细胞中磷酸戊糖途径的活性是上调的[17]。高速的糖酵解过程源源不断地产生中间产物，参与磷酸戊糖途径生成核苷酸，可以满足肿瘤细胞快速生长所需要的大量的DNA复制，刺激肿瘤细胞的增殖。

5脂肪酸分解的增加

肿瘤细胞利用糖酵解的中间产物为合成代谢提供物质原料，如6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖可用于糖原及磷酸戊糖的合成，磷酸二羟丙酮可用于甘油及磷脂的合成，而肿瘤中PKM2活性降低引起丙酮酸上游磷酸代谢物在肿瘤细胞中的累积可以促进脂肪酸及核酸的合成[18]。同时，肿瘤细胞可通过上调磷酸戊糖途径将葡萄糖代谢为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，用于脂肪酸合成，为肿瘤细胞快速增殖提供细胞膜合成原料，并抵抗肿瘤内ROS引起的细胞凋亡[19]。

6免疫紊乱

有研究观察到恶性肿瘤细胞产生的乳酸可调节树突状细胞的活性，提示肿瘤源性的乳酸还会影响抗肿瘤T细胞的免疫应答[20]。

肿瘤细胞的恶性增殖是一个大量消耗能量的过程，但其能量主要来源于产能率较低的糖酵解及继发增高的脂肪酸分解、磷酸戊糖途径的加速，高产能率的线粒体氧化磷酸化及三羧酸循环受到抑制，从调控代谢的基因、酶学及免疫方面掐断恶性肿瘤细胞的畸形能量来源，使其恢复正常的代谢途径，可能为靶向能量代谢的肿瘤治疗策略提供新的视野和契机。

参考文献

[1]Lu C L,Qin L,Liu H C,et al.Tumor cells switch to mitochondrial oxidative phosphorylation under radiation via mTOR-mediated hexokinase II inhibition-a Warburg-reversing effect[J].PLoS One,2015,10(3):e0121046.

[2]Zhang C,Lin M,Wu R,Wang X,et al.Parkin, a p53 target gene, mediates the role of p53 in glucose metabolism and the Warburg effect[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2011,108(39):16259-16264.

[3]Levine A J,Puzio-Kuter A M.The control of the metabolic switch in cancers by oncogenes and tumor suppressor genes[J].Science,2010,330(6009):1340-1344.

[4]Jiang P,Du W,Wang X,et al.p53 regulates biosynthesis through direct inactivation of glucose-6-phosphate dehydrogenase[J].Nat Cell Biol,2011,13(3):310-316.

[5]Du W,Jiang P,Mancuso A,et al.TAp73 enhances the pentose phosphate pathway and supports cell proliferation[J].Nat Cell Biol,2013,15(8):991-1000.

[6]Dang N H,Singla A K,Mackay E M,et al.Targeted cancer therapeutics: biosynthetic and energetic pathways characterized by metabolomics and the interplay with key cancer regulatory factors[J].Curr Pharm Des,2014,20(15):2637-2647.

[7]Hagman A,Säll T,Piškur J.Analysis of the yeast short-term Crabtree effect and its origin[J].FEBS J,2014,281(21):4805-4814.

[8]Rodríguez-Enríquez S,Juárez O,Rodríguez-Zavala J S,et al.Multisite control of the Crabtree effect in ascites hepatoma cells[J].Eur J Biochem,2001,268(8):2512-2519.

[9]Wolf A,Agnihotri S,Micallef J,et al.Hexokinase 2 is a key mediator of aerobic glycolysis and promotes tumor growth in human glioblastoma multiforme[J].J Exp Med,2011,208(2):313-326.

[10]Brenner C,Lemoine A.Mitochondrial Proteins (e.g., VDAC, Bcl-2, HK, ANT) as Major Control Points in Oncology[J].Front Oncol,2014,4:365.

[11]Pegoraro C,Maczkowiak F,Monsoro-Burq A H.Pfkfb (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase) isoforms display a tissue-specific and dynamic expression during Xenopus laevis development[J].Gene Expr Patterns,2013,13(7):203-211.

[12]Sun Q,Chen X,Ma J,et al.Mammalian target of rapamycin up-regulation of pyruvate kinase isoenzyme type M2 is critical for aerobic glycolysis and tumor growth[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2011,108(10):4129-4134.

[13]Kennedy K M,Dewhirst M W.Tumor metabolism of lactate: the influence and therapeutic potential for MCT and CD147 regulation[J].Future Oncol,2010,6(1):127-148.

[14]Sonveaux P,Végran F,Schroeder T,et al.Targeting lactate-fueled respiration selectively kills hypoxic tumor cells in mice[J].J Clin Invest,2008,118(12):3930-3942.

[15]Chiche J,Brahimi-Horn M C,Pouyssegur J. Tumour hypoxia induces a metabolic shift causing acidosis: a common feature in cancer[J].J Cell Mol Med,2010,14(4):771-794.

[16]Mun J,Jabbar A A,Devi N S,et al.Design and in vitro activities of N-alkyl-N-[(8-R-2,2-dimethyl-2H-chromen-6-yl)methyl]heteroarylsulfonamides, novel, small-molecule hypoxia inducible factor-1 pathway inhibitors and anticancer agents[J].J Med Chem,2012,55(15):6738-6750.

[17]Wild L,Funes J M,Boshoff C,et al.In vitro transformation of mesenchymal stem cells induces gradual genomic hypomethylation[J].Carcinogenesis,2010,31(10):1854-1862.

[18]Hong I S,Lee H Y,Nam J S.Cancer stem cells: the 'Achilles heel' of chemo-resistant tumors[J].Recent Pat Anticancer Drug Discov,2015,10(1):2-22.

[19]Samudio I,Harmancey R,Fiegl M,et al.Pharmacologic inhibition of fatty acid oxidation sensitizes human leukemia cells to apoptosis induction[J].J Clin Invest,2010,120(1):142-156.

[20]Brown M,Roulson J A,Hart C A,et al.Arachidonic acid induction of Rho-mediated transendothelial migration in prostate cancer[J].Br J Cancer,2014,110(8):2099-2108.

(收稿日期：2015-10-27)

【中图分类号】R 730.2

doi:10.3969/j.issn.1004-437X.2016.03.037