有氧糖酵解在乳腺癌中的研究进展

翁秀珍 符策岗

(1中南大学湘雅医学院附属海口医院乳腺甲状腺外科，海南 海口 570208；2上海市第六人民医院-海口骨科与糖尿病医院骨科)

世界卫生组织数据显示，全球每年有上百万女性被诊断出患有乳腺癌〔1〕。2012年世界癌症发病和死亡报告表示乳腺癌的发病率和死亡率在女性恶性肿瘤中排名第一，乳腺癌已成为威胁妇女健康的重大疾病〔2〕。乳腺癌常发生于30岁以后，在45～50岁时达到高峰〔3〕。近年来，在中国乳腺癌成为诊断最多见的女性癌症〔4〕。现代医学认为乳腺癌的高危因素包括乳腺癌家族史、绝经后肥胖和放射性物质接触史等。其发病机制可能与病毒感染和内分泌紊乱等有关〔5〕。目前，乳腺癌的主要治疗方式包括手术、术后化疗和放疗，而化疗是治疗乳腺癌最积极、最有效的治疗手段。但化疗同样也会带来如上肢肿胀、脱发、呕吐和免疫力降低等不良反应〔6〕。因此，深入了解乳腺癌的发病机制，寻求新的治疗靶点有助于减轻乳腺癌治疗过程的不良反应，提高患者的生活质量。

肿瘤细胞的葡萄糖代谢主要表现为葡萄糖摄取和有氧糖酵解增加。有氧糖酵解是指癌细胞利用糖的效率远高于正常细胞，即使在氧充足条件下，癌细胞仍主要利用糖酵解产生能量〔7〕。其可能的原因是，虽然糖酵解生成的三磷酸腺苷(ATP)量低于线粒体氧化磷酸化，但是糖酵解中葡萄糖转化为乳酸的速度更快，因此产生更多ATP。其次，除ATP外，肿瘤细胞还需要对大分子的生物合成至关重要的代谢中间产物和前体，是肿瘤生长过程中不可或缺的〔8〕。在肿瘤的发生发展中，有氧糖酵解增多，致癌性突变诱导葡萄糖转运体蛋白上调，癌细胞利用葡萄糖增多，有利于癌细胞的生长〔9〕。此外，糖酵解可促进磷酸戊糖途径产生对脂类和核酸的生物合成至关重要的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和核糖-5-磷酸，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸能使癌细胞谷胱甘肽维持还原形式，谷胱甘肽通过抵消化疗药物的某些作用，在保护癌细胞对抗肿瘤药物方面发挥着关键作用。已有研究证明耐化学性细胞株表现为活跃的有氧糖酵解，表示抗性与糖酵解之间存在生化联系〔10〕。宫颈癌细胞糖酵解途径的关键酶丙酮酸脱氢酶激酶对化疗产生抵抗力，诱导耐药〔11〕。也有研究证实有氧糖酵解对放射治疗存在抵抗，糖酵解或能量代谢途径的调节影响肿瘤细胞的敏感性〔12〕。由此可见，有氧糖酵解可为癌细胞提供多种益处，如促进肿瘤生长和对治疗的抵抗。

1 糖酵解在乳腺癌中的作用

有氧糖酵解在乳腺癌细胞骨架重塑和细胞运动中起着基础作用〔13〕。此外，糖酵解能促进乳腺癌细胞迁移〔14〕、增殖和抑制凋亡〔15〕。说明有氧糖酵解在乳腺癌细胞中发挥着重要作用。

1.1己糖激酶(HK)与乳腺癌 HK催化葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸酶。在哺乳动物中HK家族有4种亚型，分别为HK1，HK2，HK3和HK4。其中，HK2除了参与糖酵解外，还能与线粒体中的膜蛋白电压依赖性阴离子通道相互作用，从而调节凋亡过程〔16〕。据研究，乳腺癌组织HK2的特异性活性明显高于正常乳腺组织，HK2的过度表达除了能够促进乳腺癌细胞增殖，还能抑制癌细胞的凋亡〔17〕。而敲除HK2可抑制乳腺癌小鼠肿瘤的发生和发展〔18〕。微小核糖核酸(miRNA)是一种负性调节蛋白质编码基因的微小非编码RNA，在肿瘤治疗中被证实具有很好的抗癌作用，如肿瘤抑制性小RNA(miRNA-143)。研究表明miRNA-143通过下调乳腺癌细胞中HK2的表达，降低葡萄糖的摄取和乳酸的产生，发挥抑制乳腺癌细胞糖酵解的作用〔19〕。鼠源淋巴插入性病毒2是丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员之一，能直接与HK2结合使其磷酸化，从而增加HK2蛋白的稳定性。研究发现乳腺癌组织中鼠源淋巴插入性病毒2与磷酸化的HK2呈正相关，磷酸化的HK2能促进乳腺癌细胞生长所必需的糖酵解。此外磷酸化的HK2还能诱导葡萄糖饥饿时的自噬，从而增强对紫杉醇治疗肿瘤的抵抗〔20〕。因此，鼠源淋巴插入性病毒2介导的HK2的磷酸化可为乳腺癌治疗提供了依据。

1.26-磷酸果糖激酶(PFK)与乳腺癌 PFK催化糖酵解的另一个限速步骤，PFK的翻译后修饰是引起癌细胞糖酵解增加的因素之一。PFK1酶利用ATP作为磷酸供体催化果糖-6-磷酸为果糖-1，6-磷酸。果糖-2，6-二磷酸，二磷酸腺苷/ATP和铵离子是PFK1的激活剂，而柠檬酸盐和ATP则是PFK1的抑制剂〔21〕。在人类细胞中，存在3种PFK1基因，分别为肌肉型(PFK-M)，肝脏型(PFK-I)和血小板型(PFK-P)。在不同的侵袭性水平的乳腺癌细胞系中，可检测到不同比例的PFK1亚型〔22〕。研究表明，非致瘤性乳腺癌细胞和致瘤性乳腺癌细胞的PFK1同工酶存在差异，即PFK1的表达与侵袭性和糖酵解效率相关。人类乳腺癌组织中的大多数PFK1位于肌动蛋白富集部分，这种分布的改变可能与糖酵解的增加有关，而糖酵解的增加又与癌变和肿瘤的发生密切相关。研究发现乳腺组织中的总PFK1水平明显高于癌旁组织，且人类乳腺组织和癌旁组织中的PFK1同工酶表达模式存在差异。乳腺癌组织中糖酵解活性的增强主要取决于PFK1从PFK-I到PFK-P的转化〔23〕。表没食子儿茶素没食子酸酯是绿茶中丰富的多酚，通过剂量依赖性方式抑制PFK的活性和信使RNA水平，降低乳腺肿瘤的重量及葡萄糖和乳酸水平，从而发挥抗肿瘤作用〔24〕。白藜芦醇是一种通过降低癌细胞的葡萄糖代谢和生存能力来发挥抗肿瘤作用的药物。它使PFK从完全活性的四聚体分解成活性较低的二聚体，从而减弱人乳腺癌细胞的活力，降低葡萄糖利用率和ATP的生成，以达到破坏葡萄糖代谢和降低癌细胞生存能力的目的〔25〕。

1.3丙酮酸激酶(PK)与乳腺癌 PK能催化磷酸烯醇丙酮酸和二磷酸腺苷转化为丙酮酸和ATP。PFK共有4种同工酶形式：L型，R型，M1型和M2型〔26〕。PKM1具有组成性活性，通常在分化细胞中表达，而PKM2具有调节活性，通常在癌症中表达。PKM2可被上游糖酵解中间产物果糖-1，6-二磷酸激活，而与酪氨酸磷酸化蛋白相互作用后失活〔27〕。乳腺癌组织分析证实了PKM2在乳腺癌中表达上调，其表达升高与乳腺癌的不良结局和预后相关〔28〕。拉帕替尼是一种小分子酪氨酸激酶抑制剂，它能降低PKM2的表达水平，抑制糖酵解途径，从而抑制乳腺癌细胞分化〔26〕。二烯丙基硫化物是一种脂溶性有效成分，研究发现它能靶向作用于乳腺癌干细胞中的PKM2，抑制葡萄糖代谢，继而阻碍乳腺癌干细胞的增殖和转移〔29〕。β-连环蛋白是胰岛素样生长因子的下游分子，是细胞膜上的一个重要连接成分。β-连环蛋白表达异常的激活突变可引起经典Wnt/β-连环蛋白信号通路的失调，失调的信号通路被认为是乳腺癌发生和发展的标志之一。研究表明，miRNA参与Wnt/β-连环蛋白途径的转录后调控，如miRNA-152通过抑制β-连环蛋白和PKM2使乳腺癌细胞对紫杉醇治疗敏感度增加。因此，将miRNA-152与紫杉醇联合应用可为今后克服乳腺癌对紫杉醇的耐药性提供一种新的治疗策略〔30〕。

1.4甘油醛-3-磷酸脱氢酶与乳腺癌 甘油醛-3-磷酸脱氢酶能够可逆地催化甘油醛-3-磷酸氧化磷酸化为1，3-二磷酸甘油酯。研究表明，缺氧可上调甘油醛-3-磷酸脱氢酶的转录活性，甘油醛-3-磷酸脱氢酶表达增加的乳腺癌患者的总生存率与普通乳腺癌患者相比较低，其可能的原因是甘油醛-3-磷酸脱氢酶的过度表达可能与乳腺癌细胞的增殖和侵袭有关〔31〕。

1.5乳酸脱氢酶(LDH)与乳腺癌 LDH在糖酵解途径中将丙酮酸转化为乳酸，通常被认为是组织损伤、炎症和心肌损伤的标志物。此外，高含量的血清LDH可作为恶性肿瘤的预测指标，如LDH与乳腺癌骨转移患者的生存率密切相关〔32〕。此外，高水平的LDH可预测非转移性Ⅱ期和Ⅲ期乳腺癌患者具有更差的5年生存率〔33〕。检测119例三阴乳腺癌患者组织中LDH表达及血清LDH表达水平，发现肿瘤组织中LDH的表达明显高于正常组织，血清LDH表达水平明显升高。说明肿瘤LDH和血清LDH的升高可能是三阴乳腺癌的两个预测指标〔34〕。对28例晚期三阴性乳腺癌患者进行化疗，治疗后LDH水平高于基线(第1组)患者的无进展生存期明显低于LDH降至正常(第2组)患者和治疗LDH正常(第3组)患者，并且第1组患者的总生存率明显低于第3组和第4组。说明LDH可能对晚期三阴性乳腺癌患者的生存和化疗反应具有重要的预测价值〔35〕。检测分化良好型，侵袭性三阴性肿瘤和具有他莫昔芬抗性的人乳腺癌细胞系(MCF)-7的亚系三种乳腺癌细胞之间的差异，发现侵袭性三阴性肿瘤和具有他莫昔芬抗性的MCF-7的亚系细胞的LDH水平和葡萄糖摄取量均高于分化良好型乳腺癌细胞，而两者的耗氧量却低于分化良好型乳腺癌细胞。对上述3种乳腺癌细胞给予LDH抑制剂黄素处理后，结果显示即使是不同病理类型的乳腺癌细胞，黄素均能抑制三种乳腺癌细胞的LDH水平，阻断糖酵解途径和降低ATP的产生，从而抑制癌细胞的增殖〔36〕。

2 乳腺癌中与糖酵解相关通路

参与乳腺癌糖酵解途径的信号通路异常复杂，包括雷帕霉素靶蛋白(mTOR)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路等。

2.1mTOR信号通路与乳腺癌糖酵解 mTOR是磷酸肌醇3激酶相关激酶家族成员之一，表达于大多数哺乳动物中。它除了是营养和生长因子的细胞传感器，也是磷脂肌醇3-激酶信号途径的重要分子。mTOR的活化能够增加蛋白质合成量，抑制自噬，促进肿瘤生长，最终降低患者生存率〔37〕。mTOR蛋白是两种结构和功能不同的蛋白复合物(mTORC1和mTORC2)的催化亚单位。mTORC1抑制转录因子真核起始因子4b结合蛋白和激活S6核糖体蛋白，促进调节细胞蛋白生长所必需的蛋白质的表达。mTORC2通过磷酸化调节AKT的活性，参与细胞存活和增殖，诱导糖酵解酶和谷氨酰胺酶的表达〔38〕。研究表明，与正常乳腺癌组织相比，mTOR在乳腺癌中表达更多，并且与乳腺癌预后恶化相关〔39〕。槲皮素是一种有生物活性的黄酮类化合物，能抑制葡萄糖摄取水平和乳酸的产生，降低糖酵解相关蛋白PKM2、葡萄糖转运蛋白1和LDH的表达，进而阻碍乳腺癌细胞糖酵解过程。说明槲皮素通过降低肿瘤微环境的酸度，抑制糖酵解，最终限制乳腺癌细胞的迁移。进一步研究发现，槲皮素通过抑制AKT/mTOR信号通路介导的自噬来阻碍细胞迁移和糖酵解，从而抑制乳腺癌发生发展〔40〕。据报道，乳腺癌细胞长期缺乏雌激素或暴露于他莫昔芬中可出现激素抵抗现象及对细胞毒性药物的敏感性增加，其原因可能与mTOR信号通路受到抑制和乳腺癌细胞糖酵解降低有关〔41〕。维生素D3是胆固醇氧化生成7-脱氢胆固醇后经紫外线照射后生成的一种脂溶性维生素，研究发现维生素D3能够降低mTOR介导的乳腺癌细胞葡萄糖的摄入，影响糖酵解途径，从而发挥抗肿瘤作用〔42〕。

2.2MAPK信号通路与乳腺癌糖酵解 MAPK信号通路参与细胞凋亡、分化、增殖和其他应激反应，可被肿瘤坏死因子、渗透应激、热休克、脱氧核糖核酸损伤和超氧化物刺激。活化的MAPK信号通路能够调节增殖和凋亡细胞，MAPK的表达和活性的增加与癌细胞的预后不良有关，因此MAPK可作为肿瘤抑制因子发挥作用〔43〕。Sonic是一种与动物发育有关的蛋白质，Sonic信号通路的活化首先由Sonic配体启动，随后细胞表面受体smo将信号传递至细胞中，最后由Gli家族因子将信号传递到细胞核中。研究发现Sonic信号通路在乳腺癌组织过度活化，根据生存分析结果认为这种现象是乳腺癌预后不良的指标。此外，Sonic信号通路能够激活MAPK介导的PFK，活化的PFK可诱导乳腺癌细胞的糖酵解增多和刺激癌细胞增殖〔44〕。肿瘤相关成纤维细胞是指乳腺肿瘤微环境中的激活的成纤维细胞，在肿瘤的生长、侵袭和转移中起着不可或缺的作用。由于肿瘤的血液供应不良常导致缺氧，低氧又能促进癌细胞的糖酵解，因此糖酵解的增强和氧化磷酸化的降低被认为是肿瘤相关成纤维细胞的一个特征。研究发现缺氧能够诱导葡萄糖转运体1的磷酸化及PKM2表达增加，导致乳腺癌相关成纤维细胞糖酵解增多。此外，乳腺癌相关成纤维细胞通过激活MAPK信号通路促进乳腺癌细胞侵袭并增加肿瘤细胞中的线粒体活性，揭示了肿瘤相关成纤维细胞在侵袭性乳腺癌中的新作用，可为治疗乳腺癌提供新策略〔45〕。

2.3其他信号通路与乳腺癌糖酵解 腺嘌呤核糖核苷酸依赖蛋白激酶(AMPK)，受体酪氨酸激酶/信号转导转录激活因子和AKT/葡萄糖转运蛋白1等信号通路参与乳腺癌糖酵解的发生发展。抗糖剂能抑制乳腺癌细胞糖酵解和生长，然而抗糖剂也可激活AMPK，活化的AMPK可以部分恢复乳腺癌细胞内ATP的水平，从而抵消抗糖剂对乳腺癌细胞生长的抑制作用。抑制AMPK可增强抗糖剂对ATP产生的抑制作用，并导致乳腺癌细胞的细胞毒性增加〔46〕。因此，抑制糖酵解联合使AMPK抑制剂是一种潜在的、安全有效的乳腺癌治疗策略。抑制miR-155-5p介导的受体酪氨酸激酶/信号转导转录激活因子信号通路能降低乳腺癌细胞的葡萄糖消耗、ATP的产生和LDH生成的能力，抑制受体酪氨酸激酶和信号转导转录激活因子的磷酸化可抑制乳腺癌细胞的糖酵解〔47〕。研究发现AKT的活性与葡萄糖转运蛋白1在乳腺癌细胞中呈正相关性，激活AKT/葡萄糖转运蛋白1信号通路可促进葡萄糖的摄取，有助于乳腺肿瘤的生长〔48〕。

3 糖酵解在乳腺癌中的诊断与治疗价值

已有许多研究证实了糖酵解途径在乳腺癌中的诊断和治疗价值。如高浓度的LDH可作为乳腺癌的预测因子，与乳腺癌患者的存活率存在相关性〔32〕。Yu等〔49〕发现乳腺癌糖酵解相关蛋白与生物学上的侵袭性表型显著相关，如肿瘤体积大、肿瘤分化差、肿瘤晚期、淋巴结转移阳性和血管浸润阳性。此外，乳腺癌总生存率与糖酵解相关蛋白之间也存在相关性。如前所述，一方面可利用外源性小分子调节糖酵解酶，如miRNA-143通过抑制HK2的磷酸化，抑制乳腺癌细胞的糖酵解〔19〕；另一方面外源性药物如白藜芦醇也可通过抑制PFK来降低乳腺癌细胞糖酵解〔25〕。此外，外源性药物也可抑制糖酵解相关信号通路如AKT/mTOR介导的自噬来阻碍乳腺癌的发展〔40〕。糖酵解抑制在乳腺癌中的保护作用机制尚未阐明，外源性小分子和药物的发挥作用的具体机制和不良反应等仍需进一步研究。

4 展 望

乳腺癌是一种具有高发病率和死亡率的女性肿瘤，目前乳腺癌的治疗方式主要集中在手术和放化疗等。虽然这些治疗方式取得一定成效，但由于乳腺癌发病机制极其复杂，乳腺癌患者的总生存率提高的并不明显。糖酵解途径作为肿瘤细胞利用ATP的主要来源，在乳腺癌细胞生长、增殖、侵袭和转移过程中发挥重要作用，为今后乳腺癌的治疗提供可靠策略。