与病毒感染相关的糖酵解研究进展

王一娜 邹银萍 郑义 谭鸿熙 林列坤 杨菊红

中国科学院大学深圳医院医学遗传与分子诊断中心（广东深圳518106）

肿瘤细胞与正常细胞在葡萄糖代谢方式上差异很大，20 世纪20年代德国生物学家OTTO WAR⁃BURG 发现，正常细胞主要是通过氧化磷酸化代谢葡萄糖，为机体提供能量，只有在缺氧的情况下才会启用糖酵解途径，而肿瘤细胞无论是否有氧气存在都主要依赖糖酵解进行代谢，大量消耗葡萄糖的同时并伴有乳酸的产生，快速提供ATP 以支持肿瘤细胞增殖，这一现象被称为糖酵解或瓦博格（Warburg）效应。近10 余年来研究发现，病毒感染与肿瘤代谢过程类似，也会诱导有氧糖酵解的发生。病毒入侵机体后自身无法合成供能物质，主要依靠宿主细胞为其复制、繁殖提供能量及生物大分子，同时病毒也改变着宿主的代谢状态，特别是糖代谢，许多糖酵解途径的中间产物会显著增加，病毒诱导糖酵解的发生机制具有病毒种类特异性［1］。许多病毒，例如肿瘤病毒，在潜伏感染期间会诱导有氧糖酵解和乳酸的产生，表明病毒诱导的糖酵解过程对肿瘤的发生具有潜在影响。本文分析了相关DNA 病毒、RNA 病毒感染机体后诱导糖酵解的具体机制，以期从代谢角度寻求新的抗病毒治疗途径。

1 病毒与Warburg 效应

与癌细胞代谢途径相似，病毒感染的细胞糖酵解过程也显著增加，许多病毒已被证明能够激活并重新编程细胞新陈代谢，病毒及病毒编码蛋白通过改变葡萄糖转运蛋白的表达、糖酵解酶的活性以及调节参与葡萄糖代谢的关键信号分子来影响宿主细胞的代谢，并以类似的方式重新编程细胞的新陈代谢过程［2］。癌细胞和病毒感染细胞通常都存在一种特殊的代谢过程，称为Warburg效应，尽管有充足的氧气，但细胞会表现出糖酵解增加和细胞呼吸同时减少（尽管不是完全减少）的现象。相反，未感染病毒的细胞则会优先利用细胞呼吸而不是将糖酵解作为生成ATP 的主要途径，谷氨酰胺分解在未感染病毒细胞中也是减少的。然而有一些未感染病毒的细胞也会优先利用Warburg 效应，例如内皮细胞和激活的免疫细胞（效应T 细胞、激活的巨噬细胞和树突状细胞），会转变为类似Warburg 效应的代谢过程［3］。相关致瘤DNA 病毒，例如人乳头状瘤病毒、乙型肝炎病毒、人巨细胞病毒、单纯疱疹病毒、爱泼斯坦⁃巴尔病毒和卡波西肉瘤相关疱疹病毒都能增加宿主细胞的糖酵解活性。一些RNA 病毒，如丙型肝炎病毒和人类免疫缺陷病毒也能增加糖酵解。

2 致瘤DNA 病毒

2.1 人乳头状瘤病毒人乳头状瘤病毒（human papillomavirus，HPV）感染是宫颈癌发病的一个根本原因，其中能够引起宫颈癌和高度宫颈上皮内瘤变的称为高危型人乳头瘤病毒（HR⁃HPV），越来越多的证据表明，HPV 参与了宫颈癌细胞的代谢重编程。HR⁃HPV E6 通过与E6 相关蛋白（E6AP）形成复合物诱导p53 降解，从而阻断p53 依赖性凋亡［4］。据报道，p53 增强了TP53 诱导的糖酵解和凋亡调节因子（TIGAR）的表达，HR⁃HPV E6 与p53 的相互作用是其调节代谢途径的机制之一［5］，其中p53 直接抑制葡萄糖转运蛋白1（lucose trans⁃porter 1，GLUT1）和GLUT4 的 转 录，间 接 抑 制GLUT3 的转录，HPV E6 诱导的p53 降解可能导致GLUT1 的过度表达，从而促进糖酵解过程。HPV⁃16 E6 通过与转录因子c⁃MYC 相互作用，可促进糖酵解控制的基因表达，如己糖激酶2（hexokinase II，HK2）、丙酮酸激酶亚型2（pyruvate kinase iso⁃form 2，PKM2）和葡萄糖转运蛋白等；E6 还能通过磷酸肌醇依赖性激酶⁃1 和mTORC 通路激活雷帕霉素复合物1（mammalian target of the rapamycin complex 1，mTORC1）通路的哺乳动物靶点，诱导增加蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，也称为AKT）活性，而mTORC1 信号级联作为一种代谢传感器，促进了对营养物和生长因子的利用，并导致低氧诱导因子1（hypoxia⁃inducible factor 1，HIF⁃1）的累积，该转录因子参与细胞适应性缺氧和其他低氧反应调节蛋白的表达，如GLUT1［6］。HIF⁃1 有两个亚基，其中HIF⁃1α受氧浓度调节，与HIF⁃1β二聚化形成转录因子HIF⁃1，HIF⁃1 的表达增强了葡萄糖相关代谢基因的转录，并通过激活HIF⁃1α增强糖酵解、抑制氧化磷酸化，以诱导产生Warburg 效应。E7 癌蛋白可以通过调节HIF⁃1 影响糖酵解途径，HPV E6 和E7 都能通过上调HIF⁃1α增加肺癌中GLUT1 的表达；HPV⁃16 的E5 癌蛋白可通过表皮生长因子及其受体（epidermal growth factor and its receptor，EGF⁃EGFR）间接调节Warburg 效应，E5 刺激EGFR 信号通路，维持细胞外信号调节激酶⁃1，2和AKT的长期活性，以增强EGFR 途径促进糖酵解代谢过程［7］。除此之外，HPV⁃16 E6 还能够防止林岛综合征抑癌基因对HIF⁃1 的相互作用和降解，从而诱导Warburg 效应［8］。

2.2 乙型肝炎病毒人类病毒特异性CD8+T 细胞的全部效应器功能依赖于线粒体能量供应和糖酵解，CD8+T 细胞是乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）清除的重要介质之一。在慢性HBV 感染中，关键的抗病毒CD8+T 细胞几乎是缺失的，耗尽的特异性T 细胞表现出利用线粒体能量供应的能力受损，导致对糖酵解依赖增加。尽管糖酵解的能量效率较低，但它能快速地提供能量和代谢物来支持增殖和效应器功能T 细胞的新陈代谢变化，以满足抗病毒反应所增加的能量需求。HBV 的CD8+T 细胞在T 细胞受体（TCR）刺激下，T 细胞显著增加GLUT1 的表达，促进对葡萄糖的摄取，诱导糖酵解的增加；PI3K⁃AKT⁃mTOR 通路也进一步增加了由TCR 激活的T 细胞葡萄糖摄取，诱导有氧糖酵解［9］。HBV 感染在肝癌的发生发展中起重要作用，在隐匿性HBV 感染的情况下，HBV 也能保持其促肿瘤特性，连环蛋白β1（Catenin beta⁃1，CTNNB1）和p53 基因突变可能与HBV 感染患者发生肝癌有关。研究发现，糖酵解途径的关键酶如HK2、PKM2、人果糖二磷酸醛缩酶A（Human Fruc⁃tose⁃Bisphosphate Aldolase A，ALDOA）被显著上调，表明肝癌对葡萄糖代谢需求的增强，CTNNB1 突变肿瘤中富集的蛋白质与药物代谢、糖酵解/糖异生、氨基酸代谢等各种代谢过程有关，在CTNNB1突变肿瘤中ALDOA 和烯醇酶⁃1 在内的关键代谢酶的磷酸化增加，这表明它们的磷酸化可能有助于CTNNB1 突变肿瘤的代谢重编程，也就是说CTNNB1 突变相关的ALDOA 磷酸化能促进肝癌细胞糖酵解代谢和细胞增殖，但确切的机制仍不清楚［10］。

2.3 疱疹病毒

2.3.1 人巨细胞病毒人巨细胞病毒（human cyto⁃megalovirus，HCMV）感染可引起葡萄糖和谷氨酰胺代谢的剧烈变化，HCMV 感染细胞有更高的糖酵解率，这很大程度上是由于GLUT4显著诱导增加对葡萄糖的摄取。糖反应元件结合蛋白（carbohy⁃drate responsive element binding protein，ChREBP）是HCMV 感染过程中诱导代谢改变的关键调节因子，机体感染HCMV 后强烈诱导ChREBP⁃α和ChREBP⁃β的表达，显著增加了GLUT2 和GLUT4 的表达，减少了成纤维细胞中GLUT1 的表达，这种向非优势的高容量葡萄糖转运体的转变似乎对病毒感染机体起着重要作用，因为GLUT4的药理抑制作用会降低病毒诱导的葡萄糖摄取，并极大影响病毒的产生［11］。GLUT4 表达的增加似乎依赖于HCMV诱导的AMP 活化蛋白激酶（AMPK）的激活，AMPK是一种主要的能量调节激酶，但这种诱导机制尚不清楚。此外，HCMV 感染细胞的乳酸排泄率增加，细胞内糖酵解中间产物也增加，这表明HCMV感染增加了糖酵解代谢和生物合成酶的生成，包括磷酸果糖激酶（PFK⁃1）、AMP 蛋白激酶（AMPK）和钙离子/钙调素依赖的蛋白激酶（CaMKK）［12］。HCMV 立即早期UL38 蛋白也与糖酵解激活有关，UL38 的表达是促进糖酵解激活和诱导特定氨基酸分解代谢的必要条件和充分条件，UL38 诱导代谢重编程依赖于它与结节性硬化症蛋白复合物2（tuberous sclerosis protein complex 2，TSC2）的相互作用，TSC2 是一种抑制mTORC1 信号的肿瘤抑制因子，UL38 通过抑制TSC2 诱导的代谢重编程，从而激活mTORC1，但UL38 介导的各种代谢通量的激活在很大程度上独立于mTOR［12-13］。mTOR 通过控制合成代谢和分解代谢过程之间的平衡来协调细胞的生长、增殖和新陈代谢，为机体适应内环境提供营养物质或生长因子，因此UL38 既可以促进葡萄糖代谢和糖酵解，也可以诱导mTORC1 激活，但UL38 促进糖酵解代谢似乎不依赖于mTOR 激活，这说明UL38 诱导糖酵解是依赖于它对TSC2的抑制作用，TSC2 具有不依赖于mTOR 的重要功能。

2.3.2 单纯疱疹病毒单纯疱疹病毒1 型（herpes simplex virus type 1，HSV⁃1）可通过与其他疱疹病毒（如HCMV）不同的机制诱导糖酵解，HSV⁃1 诱导的糖酵解不依赖于CaMKK，但HSV⁃1 感染在转录和翻译水平都增加了PFK⁃1 的表达，这与HCMV感染相似［14］。HSV⁃1 增强PFK⁃1 的活性依赖于感染复数的增加，同时诱导增强PFK⁃1 活性似乎与多因素相关，需要丝氨酸残基的磷酸化和PFK⁃1转录/翻译的增加，这是疱疹病毒介导PFK⁃1 活化的新机制。HSV⁃1 通过增加PFK⁃1 的磷酸化和表达诱导感染细胞的糖酵解过程，同时HSV⁃1 诱导PFK⁃1 表达似乎是异构体依赖的，因为只有L 亚型PFK⁃1 的mRNA 是显著增加的，这种特殊的PFK⁃1异构体表达增加与肿瘤的恶性程度和细胞中的糖酵解率呈正相关，表现出Warburg 效应［15］，也就是说HSV⁃1 感染是通过一种原始机制刺激PFK⁃1 的L 亚型，促进糖酵解过程。

单纯疱疹病毒性角膜炎（herpes simplex kerati⁃tis，HSK）是一种因HSV⁃1 反复感染而发展起来的角膜慢性炎症性疾病，随着疾病进展，角膜中会形成缺氧微环境，而低氧条件有利于糖酵解过程，以满足代谢活跃细胞的能量需求。α亚型HIF 蛋白的稳定是细胞缺氧的标志之一，α亚型有HIF⁃1α和HIF⁃2α两种主要形式，缺氧时HIF⁃α亚型趋于稳定，并与HIF⁃1β蛋白络合形成异源二聚体，后者转移到细胞核以诱导一系列基因的表达，这些基因调控着糖酵解过程［16］。虽然HIF⁃1α和HIF⁃2α蛋白有48%的氨基酸序列同源性，但它们调节不同靶基因的转录。HIF⁃1α可以直接刺激糖酵解酶、葡萄糖转运蛋白和乳酸转运蛋白基因的表达，这表明HIF⁃1α在糖酵解代谢过程中起着重要作用。虽然HIF⁃2α不直接调节糖酵解基因的表达，但它可能通过增强c⁃MYC 的活性或其他促进糖酵解的因子间接达到类似的效果［16］。因此，HIF⁃1α和HIF⁃2α蛋白在HSK 病变中都是稳定的，糖酵解基因表达的增强可能是由HIF⁃α转录因子调节的。

2.3.3 爱泼斯坦⁃巴尔病毒爱泼斯坦⁃巴尔病毒（epstein⁃barr virus，EBV）是第一个发现编码miR⁃NAs 的人类肿瘤病毒，EBV⁃miR⁃BART1⁃5P 是一种EBV⁃BARTS 编码的miRNA，它能促进鼻咽癌的糖酵解和诱导血管生成，miRNAs 可以调节细胞能量代谢，但其基本机制仍不清楚［17］。miRNA⁃BARTS对鼻咽癌细胞中的病毒基因和细胞基因均有调控作用，EBV⁃miR⁃BART1⁃5P 在体内外均能显著促进鼻咽癌细胞糖酵解，从机制上讲，miR⁃BART1⁃5P直接靶向腺苷酸活化蛋白激酶α1 催化亚单位（AMPKα1），从而调节AMPK/mTOR/HIF1 通路，减少AMPKα1 的表达，增加mTOR 和HIF⁃1α的表达，从而促进糖酵解［18］，因此AMPKα1 是鼻咽癌EBV⁃miR⁃BART1⁃5P 的直接细胞靶点。抑癌基因PTEN的过度表达并没有完全减弱BART1⁃5P 对葡萄糖代谢的影响，表明PTEN 不是影响葡萄糖代谢的独立因素，EBV⁃miR⁃BART1⁃5P 可以通过PTEN 非依赖的方式诱导糖酵解过程［18］。

EBV 编码的潜伏膜蛋白1（LMP1）具有很强的细胞信号转导和致瘤作用，核因子κB（NF⁃κB）的激活是介导LMP1 许多下游转化特性的主要信号通路。研究表明，LMP1 可促进细胞内糖酵解过程，并伴有mTORC1/NF⁃B 信号的激活和GLUT1 的表达。NF⁃κB 参与了LMP1 诱导GLUT1 转录的增加和鼻咽癌细胞的生长，LMP1 通过其关键信号域即C 端活化区2 和AKT/ERK/IκB 激酶信号轴诱导mTORC1 的激活，LMP1 激活mTORC1 是NF⁃κB信号转导所必需的［19］，即LMP1 激活NF⁃κB 依赖于mTORC1，阻断mTORC1 可有效抑制LMP1 诱导的NF⁃κB 活化和GLUT1 转录，干扰NF⁃κB 信号对mTORC1 活性无影响，但可有效改变GLUT1 转录，这说明GLUT1 是NF⁃κB 信号的直接靶基因。在LMP1表达细胞中，GLUT1的启动子活性受到mTORC1和NF⁃κB 信号的影响，通过激活mTORC1 和NF⁃κB信号途径可直接上调GLUT1 的转录，促进细胞有氧糖酵解。

2.3.4 卡波西肉瘤相关疱疹病毒卡波西肉瘤相关疱疹病毒（kaposi′s sarcoma associated herpesvi⁃rus，KSHV）主要在卡波西肉瘤细胞中处于潜伏状态。在卡波西氏肉瘤的发展过程中，由于大量免疫细胞浸润、细胞因子分泌及低氧状态等造成了有利于病毒打破潜伏感染状态并进入裂解复制的肿瘤微环境。研究发现潜伏性感染的内皮细胞耗氧量降低，糖酵解的第一个限速步骤HK2的表达增加，GLUT3 的表达也增加，而KSHV 诱导的糖酵解过程在人包皮成纤维细胞中却没有发生，提示KSHV 诱导糖酵解有一定的细胞类型特异性［20-21］。KSHV 可诱导增强内皮细胞HIF⁃1和HIF⁃2 的转录活性来促进糖酵解过程；同时潜伏基因也能诱导糖酵解，KSHV 表达来自12 个位点的大量microRNAs，过表达含有10 个miRNA 位点的区域足以诱导内皮细胞的糖酵解，这说明KSHV 进化到编码潜伏期基因表达也能激活糖酵解过程［21］。

有不同研究表明，KSHV 抑制了转化细胞中的有氧糖酵解和氧化磷酸化，GLUT1 和GLUT3 在KSHV 感染细胞中显著下调，KSHV 通过抑制营养胁迫下的有氧糖酵解和氧化磷酸化来促进细胞存活和细胞转化，具体地说，miRNA 簇和病毒FLICE抑制蛋白（vFLIP）都介导了KSHV 对代谢途径的重新编程，KSHV microRNAs 和vFLIP 通过诱导活化B 细胞核因子κ⁃轻链增强子（NF⁃κB）减少GLUT1和GLUT3 的表达，进一步增强AKT 和NF⁃κB 信号，从而抑制糖酵解过程，也就是说过表达转运蛋白在挽救糖酵解活性的同时，也会诱导细胞凋亡［22］。机制上，GLUT1和GLUT3抑制AKT和NF⁃κB促生存通路的组成性激活，由葡萄糖转运蛋白施加的AKT/NF⁃κB/miRNA 途径的负反馈环被vFLIP 和κ簇破坏［22］。值得注意的是，GLUT1 和GLUT3 在KSHV感染细胞中的表达显著减少，进而最大限度地激活AKT/NF⁃κB 存活途径，从而增强细胞存活和细胞转化，这揭示了致癌病毒调节关键代谢途径以适应肿瘤微环境应激的新机制，微调代谢途径对于维持癌细胞的增殖和存活具有重要作用，特别是在应激条件下。对于以上两种不同研究结果，究竟是由于不同的细胞类型还是由于细胞转化状态造成的，目前尚未得出结论。

3 RNA 病毒

3.1 丙型肝炎病毒丙型肝炎病毒（hepatitis C vi⁃rus，HCV）感染后早期下调线粒体氧化磷酸化复合物核心亚单位的表达，线粒体丙酮酸脱氢酶（PDH）、柠檬酸循环和氧化磷酸化进一步减少了下游代谢物的消耗，但并未完全消除，仍然允许足够的ATP 产生，通过有氧糖酵解过程，为癌细胞生长提供更多的合成代谢产物［23］。HCV 感染的细胞中，HIF⁃1α和原癌基因c⁃MYC 的表达水平均显著增高，进而诱导糖酵解关键酶的表达，如葡萄糖激酶（GK）、磷酸果糖激酶⁃1（PFK⁃1）和丙酮酸激酶（PK），它们共同通过糖酵解过程控制代谢物的通量，HK2 则是通过与HCV 非结构蛋白NS5A相互作用而增强表达［23-24］。在有足够氨基酸水平的情况下，生长激素诱导激活HCV 的PI3K⁃AKT⁃mTOR 通路的哺乳动物靶标，促进糖酵解过程；microRNAs（miRNAs）也有助于糖酵解酶的上调，HIF⁃1α mRNA 是microRNA⁃199a（miR⁃ 199a）的直接靶标，miR⁃199a 本身与HCV RNA 基因组结合，由于miR⁃199a 在细胞中不是很丰富，在感染细胞中复制的数千个HCV 基因组隔离了miR⁃199a，从而将其从HIF⁃1α 3′UTR 中提取出来，导致HIF⁃1α的上调；而PKM2 mRNA 是miR⁃122 的直接靶点，该microRNA 结合到HCV 基因组中的5 ～6 个位点（取决于基因型），即使在肝细胞中存在数万个miR⁃122 分子，但HCV 也在相当大的程度上隔离miR⁃122［25⁃26］。

3.2 人类免疫缺陷病毒CD4+T 细胞是适应性免疫系统的重要组成部分，也是人类免疫缺陷病毒1型（human immuno ⁃deficiency virus type 1，HIV⁃1）感染的主要目标，已知HIV⁃1 能感染活化的CD4+T细胞，但不易感染静息型CD4+T 细胞。在TCR 刺激和共刺激的代谢转换下，静息到激活状态的效应CD4+T 细胞需增加生物合成和能量供应来支持细胞的生长、增殖和效应分子的表达，促进AKT、PI3K、mTOR 和细胞外信号调节激酶之间进行信号传导，从而导致营养转运蛋白在细胞膜上的表达和靶向性增加，此外，MYC 增强的转录过程可确保在CD4+T 细胞活化时协调代谢酶和营养转运蛋白的表达［27］。

由于GLUT1 诱导增加葡萄糖转运，导致CD4+T细胞的激活与糖酵解代谢的上调表现出一致性，HIV⁃1 感染的T 细胞诱导了糖酵解，导致HK1 的表达增加，并很显著地增加己糖激酶活性，而这与HK2 的表达增加无关，HK1 的增加依赖于病毒的复制，但与HIV⁃1 辅助基因Vpu、Vpr、Vif 和Nef 的表达无关［27］。有不同研究表明，HIV⁃1 感染的外周血单个核细胞中HK1 表达增加，恰好与己糖激酶活性降低和由HIV⁃1 Vpr 稳定转导的U936 衍生巨噬细胞中HK1 上调的报道形成对比，但这些差异的原因目前尚不清楚，可能与HIV⁃1 对T 细胞和巨噬细胞两种不同细胞类型的特异性代谢机制有关［28］。转录抑制因子Bcl⁃6 是免疫系统各种类型细胞发育所必需的，与糖酵解途径中编码分子的许多基因位点相关，包括由PKM 和HK2 编码的限速酶，糖酵解过程受到Bcl⁃6 的严格控制，Bcl⁃6 可以抑制编码T 细胞糖酵解过程中重要分子的基因，这是一种转录后调节葡萄糖代谢的细胞内信号通路，但目前还不清楚Bcl⁃6 是调节哪些额外的基因通路促进不同T 细胞群体的功能特征［29］。

4 讨论

随着研究病毒如何调节宿主细胞新陈代谢的机制不断深入，可以看到许多病毒已经进化到能针对地作用于特定代谢酶及其调节机制，这些与代谢重编程之间的相互作用对病毒成功感染机体起着至关重要的作用，然而该领域正处于阐明病毒调节特定代谢活动的机制，并确定它们如何促进成功感染的最早阶段及病毒蛋白是如何调节与细胞生长相关的宿主细胞信号通路。解决这些问题将进一步加深对宿主⁃病原体相互作用的理解，有助于理解病毒诱导的代谢重编程及其致癌的机制，并确定治疗干预的新靶点。