肿瘤细胞能量代谢特点及其研究进展

李其响，张 配，刘 浩

(蚌埠医学院药学院，安徽 蚌埠 233030)

肿瘤细胞能量代谢特点及其研究进展

李其响，张 配，刘 浩

(蚌埠医学院药学院，安徽 蚌埠 233030)

肿瘤细胞能量代谢依赖于糖酵解和氧化磷酸化，肿瘤细胞由于其生长迅速，常常出现葡萄糖等营养物质摄取增多、糖酵解增加等现象。近年来，针对肿瘤细胞能量代谢的研究受到了广泛的关注。该文总结了肿瘤细胞能量代谢过程中所需要的营养物质、调控网络以及治疗靶点，为后续研究和临床治疗提供重要参考。

肿瘤细胞；能量代谢；营养物质；调控网络；治疗靶点；瓦博格效应

能量代谢是指有机体在物质代谢过程中能量的产生、释放、转换及利用的过程。细胞的能量主要来源于葡萄糖的转化。正常细胞主要以葡萄糖的有氧氧化作为供能方式，而肿瘤细胞的能量代谢特点则明显有别于正常细胞，即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞仍以糖酵解作为主要的产能方式，这就是瓦博格效应[1]。虽然糖酵解产能效率低，但它能为肿瘤细胞快速提供ATP，还能提供许多大分子物质，满足快速增殖的肿瘤细胞对于能量和物质的需求。虽然肿瘤细胞偏好于利用糖酵解作为主要的产能方式，但是线粒体氧化磷酸化为一种高效的产能方式，在氧气充足情况下，肿瘤细胞依然会以氧化磷酸化为能量供应的主要方式，只是不同肿瘤细胞糖酵解和氧化磷酸化产生的ATP比例不同[2]。本文着重对肿瘤细胞能量代谢所需要的营养物质、调控网络以及治疗靶点进行总结，为靶向能量代谢治疗肿瘤的基础研究和临床治疗提供参考。

1 肿瘤细胞能量代谢所需的营养物质

1.1葡萄糖葡萄糖是自然界分布最广且最重要的一种单糖，其在生命活动中不可缺少，并在人体内能直接参与新陈代谢。血液中的葡萄糖含量丰富，是肿瘤细胞最主要的能量来源。葡萄糖进入细胞主要依赖葡萄糖转运蛋白(glucose transporters, GLUTs)的参与，而在众多的转运蛋白中，以GLUT1发挥的作用最为重要[3]。葡萄糖进入细胞后，首先经己糖激酶(hexokinase, HK)催化生成6-磷酸葡萄糖，后经磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase-1, PFK-1)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)、乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)等催化，进行糖酵解和有氧氧化等过程来产生能量，供给肿瘤细胞的生长增殖过程。

1.2谷氨酰胺谷氨酰胺是细胞增殖过程中重要的营养物质之一，它的氨基氮是己糖胺和核酸生物合成的必需底物。同时，谷氨酰胺也能经过三羧酸循环来产生能量。Lai等[4]证实，在晚期癌症病人血液中谷氨酰胺水平有所升高。在有氧条件下，肿瘤细胞可将糖酵解产生的丙酮酸作为三羧酸循环最重要的代偿底物来产生能量。在缺氧细胞或者缺氧诱导因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活的细胞中，谷氨酰胺能充当脂肪酸合成的底物[5]。另外，谷氨酰胺对于谷胱甘肽的合成是极其重要的，谷胱甘肽是肿瘤细胞中主要的抗氧化剂，维持肿瘤细胞的氧化还原平衡和氧化应激[6]。

1.3乳酸大多数肿瘤细胞在缺氧的环境下都能产生乳酸，而大量的乳酸使肿瘤细胞处于酸性环境中，这可能与病人体内肿瘤细胞的远处器官转移和较短的总体生存期具有相关性。肿瘤细胞通常利用乳酸作为生长增殖和线粒体代谢的物质，并可生成丙氨酸和谷氨酰胺[7]。缺氧的癌细胞产生的乳酸可通过单羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters, MCTs)转运到氧供充足的癌细胞内被利用。因此，阻断乳酸的转运或可成为肿瘤治疗一种可能的方法。

1.4丙酮酸丙酮酸是糖酵解途径的终产物，在缺氧条件下，可被LDH催化成乳酸。氧供应充足条件下，可被丙酮酸脱氢酶催化生成乙酰辅酶A，而后乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，进入三羧酸循环供能，柠檬酸也可通过细胞质中ATP柠檬酸裂解酶的作用，为脂肪从头合成、乙酰化反应、酮体合成等的原料。丙酮酸能促进线粒体氧消耗并增强其储备呼吸能力，线粒体代谢的增加与细胞体增殖和侵袭性相关[8]。因此，根据丙酮酸在ATP生成和生物合成反应中的重要作用，有望成为抗肿瘤治疗的另一关键点。

1.5酮体酮体包括丙酮、β-羟基丁酸和乙酰乙酸，后两者为肿瘤细胞的分解代谢底物。缺氧和营养物质应激可增加细胞对醋酸盐和酮体的依赖，β-羟基丁酸酯和乙酰乙酸在自噬或自消化的细胞中产生，自噬和自消化主要发生于肿瘤细胞中[9]。在人体血浆中，β-羟基丁酸和乙酰乙酸的含量是醋酸盐的数十倍，这些都为肿瘤的发生发展提供了重要的物质基础。但肿瘤细胞以酮体为靶向的治疗尚需进一步研究。

1.6脂肪酸脂肪酸是肿瘤细胞分解代谢途径的底物，每摩尔脂肪酸氧化产生的ATP是每摩尔葡萄糖氧化磷酸化生成ATP的2.5倍。所以，即使在营养充足的情况下，肿瘤细胞也会选择脂肪酸氧化作为细胞生长的主要能量来源方式。脂肪酸氧化在葡萄糖缺乏的癌细胞触发的代谢应激过程中有重要作用，肿瘤细胞通常从周围的微环境中摄取脂肪酸[10]。这说明脂肪酸可作为肿瘤细胞的能量供应物质。

2 肿瘤细胞能量代谢的调控网络

2.1HIF-1αHIF-1是在缺氧时诱导产生的一类核转录因子，由α亚基和β亚基构成的异源二聚体。β亚基主要表达在细胞核内，不受氧浓度的影响；α亚基主要存在细胞质中，其活性随氧浓度的变化而改变。HIF-1α作为活性亚基和功能亚基，通过转录调控低氧反应基因及其下游靶基因的表达，并可增强GLUTs的表达和多种糖酵解酶的活性，如HKⅡ、丙酮酸脱氢酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1)、丙酮酸激酶2(pyruvate kinase 2, PKM2)等[11]。

2.2K-RasRas基因是首个被鉴定的人类原癌基因，主要调节细胞的分化增殖，并具有GTP酶活性。K-Ras、H-Ras和N-Ras是Ras家族中与人类肿瘤发生相关的3个成员。Ras蛋白与GTP结合并处于活性状态Ras-GTP时，能调控细胞周期、促进细胞的增殖，同时还具有调控细胞分化、血管生成等作用。原癌基因Ras的突变是导致肿瘤发生的另一重要因素，大部分突变发生于K-Ras基因，Ras突变使 Ras-GTP 持续在较高水平，导致细胞过度增殖。K-Ras的突变能导致线粒体功能失调，促使肿瘤细胞从氧化磷酸化转换到糖酵解；也可增加GLUT1的表达以及葡萄糖的摄取，并增强糖酵解和乳酸生成[12]。

2.3p53p53是目前研究最广泛的抑癌基因之一，野生型的p53能参与修复损伤的DNA、细胞周期调控、细胞凋亡、抑制血管生成等过程。p53基因的突变使得这些功能丧失，从而促进肿瘤的形成。p53能通过调节GLUTs和糖酵解酶来抑制细胞糖酵解：直接抑制GLUT1和GLUT4的表达；并可间接下调GLUT3[13]。而且，p53可调控葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD)的活性和PI3K-Akt-mTOR途径来调节葡萄糖代谢。抑制 PI3K/Akt/GSK-3β通路可激活p53信号通路，促进结肠癌细胞的凋亡[14]。

2.4AMPK腺苷磷酸激活蛋白激酶(adenosine phosphate activates protein kinase, AMPK)是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，由α-催化亚基、β-调节亚基和γ-调节亚基组成的异源三聚体复合物，能够感受细胞的能量代谢变化，调节细胞的葡萄糖、脂肪酸代谢等过程。AMPK作为真核细胞的能量传感器，可以检测ATP产生和消耗之间的平衡[15]。一旦发生能量应激反应，AMPK将使代谢过程从消耗ATP的合成代谢状态改变为产生ATP的分解代谢，同时AMPK能抑制mTOR依赖性mRNA翻译来减弱蛋白质合成，包括HIF-1α和糖酵解过程需要的酶和转运体的表达[16]。

2.5c-MycMyc基因家族是一种核蛋白类的原癌基因，它编码的产物可与核内DNA特异性结合，对细胞核内信息的传递起着重要作用。c-Myc作为Myc基因家族的一员，能参与控制细胞的增殖、分化和凋亡。c-Myc可上调GLUT1和相关糖酵解酶的表达，增加葡萄糖摄取和糖酵解过程。

2.6PI3K-Akt-mTOR通路PI3K-Akt-mTOR是参与癌症发生发展的主要信号通路，其在调节有氧糖酵解和肿瘤生长过程中具有关键的作用。许多酪氨酸激酶受体(tyrosine kinase receptors, RTKs)如表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)、血小板衍生生长因子受体(platelet-derived growth factor receptor, PDGFR)能激活细胞膜表面的PI3K，然后使信号级联放大。PI3K被激活后，Akt将被募集到细胞膜并被激活。mTOR是PI3K-Akt下游的丝氨酸/苏氨酸激酶，在肿瘤发生发展和能量代谢方面发挥关键作用。

2.7Wnt信号通路Wnt信号通路与细胞的分化密切相关，在机体内调控参与细胞增殖、分化、迁移和凋亡的多种相关基因的表达，因其启动蛋白为Wnt蛋白而得名。Wnt信号通路的开启和关闭直接控制着大量与生长和代谢相关的基因表达水平，同时，这一信号通路通过与其它信号通路(如PI3K、RTK等)相互作用，间接影响这些信号通路下游的基因表达。因此，Wnt信号通路参与了多种生物学过程的调控，包括胚胎的生长和形态发育、组织的稳定以及能量代谢的平衡。Wnt信号能通过PDK1调节糖酵解和血管生成，干扰结肠癌细胞中的Wnt信号能减少糖酵解代谢和抑制肿瘤细胞生长[17]。

3 肿瘤细胞能量代谢的治疗靶点

3.1GLUTsGLUTs能将葡萄糖转运到肿瘤细胞内，经过糖酵解或者有氧氧化为细胞提供生长增殖所需的能量。葡萄糖转运蛋白家族共有14个亚型，其中GLUT1发挥着较为重要的作用，也是目前研究的热点。根皮素、STF-31和WZB117均能抑制GLUT1的活性[18]。抑制GLUT1能减弱糖酵解作用，并明显降低肿瘤细胞存活率和ATP水平。因此，GLUT1有望成为抗肿瘤的治疗靶点。

3.2己糖激酶Ⅱ(HKⅡ) HKs 是糖酵解过程的第1个限速酶，其4种亚型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)在正常细胞中通常低表达，而在多种肿瘤细胞中呈现高表达，靶向作用HKⅡ能有效抑制肿瘤细胞生长[19]。一些小分子化合物，如2-脱氧葡萄糖(2-deoxyglucose, 2-DG)、3-溴丙酮酸(3-bromopyruvate, 3-BrPA)、氯尼达明、FV-429均能抑制HK Ⅱ的活性，且被研究证实具有较好的抗肿瘤作用[18]。

3.3丙酮酸激酶(PK) PK是糖酵解途径最后一步反应的催化酶，能将磷酸烯醇式丙酮酸催化生成丙酮酸和ATP，也是瓦博格效应和肿瘤代谢的主要调控因素之一。PKM1和PKM2是其主要的2种亚型，是转录过程中由前体mRNA选择性剪切的产物。研究表明[20]，PKM2在多种肿瘤细胞中表达是上调的，且能够促进肿瘤的发生发展。因此，抑制PKM2的活性有利于肿瘤治疗，但PKM2作为糖酵解中重要的代谢酶，低活性的PKM2会促进癌细胞增殖过程中必需中间产物的积累，有利于肿瘤细胞的生长增殖。尽管抑制 PKM2活性能够抑制癌细胞增殖这一观点得到了实验证实 ，但在体内实验中，用具有组成型活性的 PKM1 代替PKM2后，减少了糖酵解中间产物的积累，可以大大降低癌细胞的增殖[20]。因此，具体在何种情况下增强或者抑制PKM2的活性能抑制肿瘤的生长，仍需进一步研究。

3.4乳酸脱氢酶A(LDHA) LDH是糖酵解过程最后一步反应的催化酶，能够将丙酮酸转化为乳酸。LDH有5种同工酶，其中LDHA与肿瘤的发生最为密切，也与肿瘤的侵袭和预后相关。c-Myc 上调LDHA 基因的表达，使得肿瘤细胞进行高效有氧糖酵解，并可促进肿瘤的生长[21]。而LDHA 的高表达在人乳腺癌细胞对曲妥珠单抗和紫杉醇的耐药中起重要作用，下调LDHA 的表达可增加耐药细胞株对这两个抗癌药物的敏感性[22]。目前已发现的 LDH 抑制剂环聚乳酸盐、草氨酸盐、棉酚等均有一定的抗肿瘤效应。抑制LDHA活性或可成为抗肿瘤治疗一大可行的策略。

3.5单羧酸转运蛋白(MCTs) MCTs是广泛分布在哺乳动物细胞膜上的一类跨膜转运蛋白。MCTs家族共包含14位成员，均由SLC16A基因家族编码，其主要通过调控乳酸、丙酮酸、脂肪酸等一元羧酸类物质的跨膜转运来发挥其生物学功能。在恶性肿瘤的发生和发展过程中，MCTs主要通过参与调控肿瘤细胞能量代谢和肿瘤微环境酸碱度两方面，来影响肿瘤细胞的生物学行为。MCTs 既能将细胞糖酵解代谢产生的乳酸排出胞外，又能将细胞外的乳酸摄入胞内以补充糖酵解底物；同时，MCTs通过介导乳酸等的跨膜转运来保持肿瘤微环境处于弱酸化状态[23]。因此，抑制MCTs会达到抑制乳酸代谢的效果，从而增强抗肿瘤的免疫反应，降低肿瘤细胞的迁移能力。综上，靶向MCTs有望成为肿瘤靶向治疗的可行措施。

3.6谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS) GLS是谷氨酰胺分解的限速酶，与肿瘤的生长增殖、血管的形成有重要关系，增加谷氨酰胺可刺激肿瘤细胞的生长。谷氨酰胺进入细胞后，在GLS的作用下水解生成谷氨酸和氨，谷氨酸能转变成α-酮戊二酸进入三羧酸循环，为细胞提供能量和代谢产物。GLS拮抗剂阿西维辛能有效抑制GLS的活性，抑制肿瘤细胞的生长，并用于治疗急性淋巴白血病[24]。CB-839是一种新型强效选择性GLS抑制剂，能有效抑制肿瘤细胞的生长和存活[25]。

4 问题与展望

研究肿瘤能量代谢的最终目标是为肿瘤的临床治疗提供思路和方法，尽管目前对于肿瘤细胞的能量来源和能量代谢的调控网络仍存在许多未知，单一或同时抑制肿瘤细胞的能量来源或生物合成途径可能并不能在体能达到足够的抗肿瘤效果，但通过靶向肿瘤能量代谢来干预肿瘤的发生发展和临床治疗已取得一些不错的成果，如靶向抑制GLUTs、HKⅡ、PK、LDHA、MCTs等能降低肿瘤细胞的糖酵解产能，抑制肿瘤的生长增殖。相信在不久的将来，靶向肿瘤细胞能量代谢的治疗方案将会在肿瘤治疗领域占据重要地位。

[1] Warburg O. On the origin of cancer cells[J].Science, 1956,123(3191): 309-14.

[2] Guerra F, Arbini A A, Moro L. Mitochondria and cancer chemoresistance[J].BiochimBiophysActa, 2017,2728(17) :30020-8.

[3] 余苏云，刘兆国，贾 琦，等. 葡萄糖转运蛋白1与肿瘤能量代谢关系的研究进展[J]. 中国药理学通报, 2016,32(7): 906-9.

[3] Yu S Y, Liu Z G, Jia Q, et al. Research progress on relationship between glucose transporter 1 and tumor energy metabolism[J].ChinPharmacolBull, 2016,32(7): 906-9.

[4] Lai H S, Lee J C, Lee P H, et al. Plasma free amino acid profile in cancer patients[J].SeminCancerBiol, 2005,15(4): 267-76.

[5] Metallo C M, Gameiro P A, Bell E L, et al. Reductive glutamine metabolism by IDH1 mediates lipogenesis under hypoxia[J].Nature, 2011,481(7381): 380-4.

[6] Diehn M, Cho R W, Lobo N A, et al. Association of reactive oxygen species levels and radioresistance in cancer stem cells[J].Nature, 2009,458(7239): 780-3.

[7] Kennedy K M, Scarbrough P M, Ribeiro A, et al. Catabolism of exogenous lactate reveals it as a legitimate metabolic substrate in breast cancer[J].PLoSOne, 2013,8(9): e75154.

[8] Diers A R, Broniowska K A, Chang C F, et al. Pyruvate fuels mitochondrial respiration and proliferation of breast cancer cells: effect of monocarboxylate transporter inhibition[J].BiochemJ, 2012,444(3): 561-71.

[9] Rabinowitz J D, White E. Autophagy and metabolism[J].Science, 2010,330(6009): 1344-8.

[10] Jeon S M, Chandel N S, Hay N. AMPK regulates NADPH homeostasis to promote tumour cell survival during energy stress[J].Nature, 2012,485(7400): 661-5.

[11] Rempel A, Mathupala S P, Griffin C A, et al. Glucose catabolism in cancer cells: amplification of the gene encoding type II hexokinase[J].CancerRes, 1996,56(11): 2468-71.

[12] Yun J, Rago C, Cheong I, et al. Glucose deprivation contributes to the development of KRAS pathway mutations in tumor cells[J].Science, 2009,325(5947): 1555-9.

[13] Schwartzenberg-Bar-Yoseph F, Armoni M, Karnieli E. The tumor suppressor p53 down-regulates glucose transporters GLUT1 and GLUT4 gene expression[J].CancerRes, 2004,64(7): 2627-33.

[14] 石雪萍，李 静， 冉建华，等. 人参皂苷Rh2调控PI3K/AKT/GSK-3β信号通路诱导人结肠癌细胞凋亡[J]. 中国药理学通报, 2017,33(1): 114-9.

[14] Shi X P, Li J, Ran J H, et al. Ginsenoside Rh2 induced human colorectal cancer cell apoptosis through PI3K/AKT/GSK-3β pathway[J].ChinPharmacolBull, 2017,33(1): 114-9.

[15] Oakhill J S, Steel R, Chen Z P, et al. AMPK is a direct adenylate charge-regulated protein kinase[J].Science, 2011,332(6036): 1433-5.

[16] Gwinn D M, Shackelford D B, Egan D F, et al. AMPK phosphorylation of raptor mediates a metabolic checkpoint[J].MolCell, 2008,30(2): 214-26.

[17] Pate K T, Stringari C, Sprowl-Tanio S, et al. Wnt signaling directs a metabolic program of glycolysis and angiogenesis in colon cancer[J].EMBOJ, 2014,33(13): 1454-73.

[18] Martinez-Outschoorn U E, Peiris-Pages M, Pestell R G, et al. Cancer metabolism: a therapeutic perspective[J].NatRevClinOncol, 2017,14(2): 113-33.

[19] 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].JExpMed, 2011,208(2): 313-26.

[20] Christofk H R, Vander Heiden M G, Harris M H, et al. The M2 splice isoform of pyruvate kinase is important for cancer metabolism and tumour growth[J].Nature, 2008,452(7184): 230-3.

[21] Shim H, Dolde C, Lewis B C, et al. c-Myc transactivation of LDH-A: implications for tumor metabolism and growth[J].ProcNatlAcadSciUSA, 1997,94(13): 6658-63.

[22] Zhao Y, Liu H, Liu Z, et al. Overcoming trastuzumab resistance in breast cancer by targeting dysregulated glucose metabolism[J].CancerRes, 2011,71(13): 4585-97.

[23] Gatenby R A, Gillies R J. Why do cancers have high aerobic glycolysis[J].NatRevCancer, 2004,4(11): 891-9.

[24] Murnin M, Kumar A, Li G D, et al. Effects of glutamine isomers on human(Caco-2) intestinal epithelial proliferation, strain-responsiveness, and differentiation[J].JGastrointestSurg, 2000,4(4): 435-42.

[25] Gross M I, Demo S D, Dennison J B, et al. Antitumor activity of the glutaminase inhibitor CB-839 in triple-negative breast cancer[J].MolCancerTher, 2014,13(4): 890-901.

Characteristicsandprogressofenergymetabolismoftumorcells

LI Qi-xiang, ZHANG Pei, LIU Hao

(SchoolofPharmacy,BengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233030,China)

Tumor cell energy metabolism is dependent on glycolysis and oxidative phosphorylation. Tumor cells, because of its rapid growth, often show increased intake of glucose and other nutrients, increased glycolysis and so on. In recent years, the study on energy metabolism of tumor cells has

extensive attention. This paper summarizes the required nutrients, regulatory networks and therapeutic targets in the energy metabolism of tumor cells, and provides important reference for future research and clinical treatment.

tumor cells; energy metabolism; nutrients; regulatory networks; therapeutic targets; Warburg effect

A

1001-1978(2017)11-1499-04

R-05；R329.24；R333.6；R343；R730.25

时间：2017-10-10 10:05 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20171010.1005.012.html

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.11.006

2017-06-03,

2017-07-05

国家自然科学基金资助项目(No 81372899,81603155)；安徽省教育厅重大项目(No KJ2016SD39)；安徽省国际合作交流项目(No 1503062024)；安徽省自然科学青年基金项目(No 1708085QH212)

李其响(1993-)，男，硕士生，研究方向：生化药理学，E-mail:915082607@qq.com； 刘 浩(1979-)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向：生化药理学，通讯作者，E-mail:liuhao6886@foxmail.com