逆转能量代谢重编程在肿瘤治疗中的研究进展①

王文晶，李清华

(桂林医学院广西脑与认知重点实验室，广西 桂林 541004)

能量代谢是人体生命活动的基本特征之一，葡萄糖在人体内经糖酵解生成丙酮酸，氧供充足时丙酮酸进入线粒体内，经三羧酸循环(TCA循环)进行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)供能，缺氧时丙酮酸进行乳酸发酵，依靠糖酵解供能。肿瘤细胞在氧供充分时仍优先通过糖酵解获取能量，产生乳酸作为终产物，该现象于1924年由Warburg[1]首次观察到，即众所周知的Warburg效应，是肿瘤能量代谢的重要特征。糖酵解不是高效的供能方式，为了满足快速增殖的需要，肿瘤细胞获得重新编排自身能量代谢的能力，即能量代谢重编程，是肿瘤形成或转移过程中适应环境的表现。发生代谢重编程的细胞通常呈现葡萄糖摄入量增高、糖酵解增强、乳酸堆积等特征。2011年，将能量代谢重编程视为肿瘤的十大特征之一，提出异常代谢模式与癌症的恶性生物学行为密切相关[2]。近年来的研究表明，通过有效阻断药物逆转代谢重编程是治疗肿瘤的一种可行策略。但正常分化细胞有时也需要和肿瘤细胞相同的代谢需求，所以找到一个合适的靶点，既可以逆转肿瘤细胞能量代谢重编程，又不影响正常细胞的代谢，这很具挑战。

1 肿瘤能量代谢

肿瘤能量代谢的特征性表现是葡萄糖的有氧糖酵解，1次糖酵解仅产生2分子ATP，而同样的葡萄糖经TCA和OXPHOS可以产生30或32分子ATP。肿瘤细胞增殖需要大量耗能，但仍选择产能低的糖酵解作为自己的供能方式是因肿瘤细胞糖酵解增强，产生ATP的速度比氧化磷酸化快100倍[3]，数量上可以超过氧化磷酸化，而增强的糖酵解可以产生大量的代谢中间产物如核酸、磷脂、脂肪酸和NADPH等满足肿瘤细胞的增殖需求。且糖酵解后，细胞外堆积的乳酸使肿瘤微环境具有低氧和低酸碱度的特点，支持肿瘤细胞的生长、侵袭和转移[4]。再者，Warburg假说认为肿瘤能量代谢重编程由线粒体功能障碍导致[5]，线粒体功能障碍导致氧化磷酸化受限，无法清除多余的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，ROS堆积进一步损伤线粒体，促使肿瘤细胞以糖酵解方式产生ATP。此外，丙酮酸进入线粒体参与TCA的过程非常缓慢，高糖酵解状态下产生的大量丙酮酸来不及进入线粒体，便优先以糖酵解方式转化为乳酸[6]。

肿瘤能量代谢受多种因素调控，如葡萄糖转运体、单羧酸转运体、糖酵解关键酶、某些致癌因子信号转导通路、原癌基因活化、抑癌基因失活等。将这些因素与肿瘤能量代谢的关系研究透彻，也许有助于发现更好的肿瘤治疗方法。

2 能量代谢重编程的调控因素

2.1 糖酵解途径相关转运体

2.1.1 葡萄糖转运体(GLUTs) GLUTs是一种膜内蛋白，功能是运载葡萄糖进入细胞内进行糖酵解。GLUT家族有14个亚型(GLUT1-14)，GLUT1在人体各组织中分布最广泛，乳腺癌、子宫内膜癌、宫颈癌、胃癌、胰腺癌、甲状腺癌和肝癌等都有过表达且增加葡萄糖的摄取和转运，还可以反映肿瘤增殖、良恶性、缺氧程度等重要生物学特征[7]。Abolhasani等[8]研究发现，葡萄糖修饰的纳米颗粒结合肿瘤细胞内膜活化的葡萄糖转运体后永久占用该通道，阻止葡萄糖进入细胞，可以抑制糖酵解，减少ATP的生成，抑制肿瘤生长。但GLUTs亚型间的协同作用使得在抑制肿瘤摄取葡萄糖的同时却不影响正常细胞变得十分困难。

2.1.2 单羧酸转运体(MCT) 已知MCT有14个亚型(MCT1-14)，MCT1、MCT2、MCT3、MCT4与糖酵解转运乳酸，维持细胞酸碱平衡有关，MCT1、MCT4则分别是高糖酵解状态下肿瘤细胞乳酸摄取和排出的主要运载体，绝大多数的肿瘤都会表现出MCT1、MCT4上调，对维持肿瘤高糖酵解状态很重要。MCT1、MCT4被抑制后，乳酸无法外排，细胞内乳酸过度堆积而内环境酸碱失衡，使糖酵解失活，造成细胞供能不足，抑制细胞生长[9]。Huang等[10]研究发现，人肺腺癌细胞(A549)中MCT1、MCT4的表达显著上调，受异荭草苷(isoorientin)的抑制后，肿瘤细胞的糖酵解和迁移能力下降。MCTs抑制剂可能是一种有前途的肺癌靶向治疗药物，但选择性差的MCT抑制剂，对其他依赖乳酸为能源的正常器官会产生不良影响。除肺癌外，王仲崑等[11]研究发现，MCT1特异性抑制剂AZD3965能抑制胃癌细胞增殖和诱导细胞凋亡。

2.2 糖酵解关键酶

2.2.1 果糖激酶-2/果糖-2，6-二磷酸酶(PFKFB3) 磷酸果糖激酶1(phosphofructokinase 1，PFK1)能被磷酸果糖激酶2(phosphofructokinase 2， PFK2)催化生成的果糖2，6二磷酸(F-2，6-BP)变构激活，而F-2，6-BP的活性主要受PFKFB3维持。多数肿瘤的PFKFB3水平上调，如甲状腺癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌、直肠癌、卵巢癌等。3PO[3-(3-Pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one]是PFKFB3 的一种小分子拮抗剂，2008年由Clem等[12]发现，3PO能抑制葡萄糖的摄取、乳酸及ATP的生成，降低糖酵解速率，抑制肿瘤生长。临床研究证明，PFKFB3抑制剂对肿瘤有良好的抑制作用。

2.2.2 磷酸甘油酸变构酶1(PGAM1) PGAM1是糖酵解过程中3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸可逆转化的重要酶。越来越多的证据表明，PGAM1在直肠癌、非小细胞肺癌、肝癌、乳腺癌中广泛表达，通过其糖酵解功能在促进癌细胞增殖中发挥重要作用，并能促进肿瘤的侵袭和转移。大多数PGAM1抑制剂靶向糖酵解，抑制癌细胞增殖，但对癌细胞的侵袭和转移的作用很小[13]。

2.2.3 丙酮酸激酶M2(PKM2) PK将磷酸烯醇式丙酮酸、ADP催化生成丙酮酸和ATP，是糖酵解最后一步反应的关键酶。PK有3种亚型(R、L和M)，PKM亚型有两种异构体(M1、M2)。PKM1主要在肌肉和大脑中表达，PKM2多见于正常增殖细胞和肿瘤细胞。PKM2在多数癌细胞中表达上调，通过糖酵解和非糖酵解通路(作为蛋白激酶发挥作用)促进肿瘤的发生，提示它可能成为一个重要的肿瘤治疗靶点[14]。Li等[15]通过研究52份石蜡包埋胃癌组织发现，PKM2表达上调与患者生存期较差相关，下调PKM2，抑制葡萄糖代谢，加速胃癌细胞凋亡，抑制肿瘤生长。PKM2在结构上一定程度区别于别的亚型，这决定其专一抑制作用。

2.2.4 乳酸脱氢酶A(LDHA) LDH在糖酵解时催化丙酮酸接受NADH的氢生成乳酸，乳酸与肿瘤的生长、维持、侵袭相关。LDH有5种同工酶(LDH1-5)，每一种都由A、B两个亚基组成，A链(LDHA)主导催化丙酮酸转化为乳酸，在肿瘤中高表达，B链(LDHB)主导丙酮酸转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环，在正常组织和癌组织中的表达水平相当。Yeung等[16]证明，LDHA在糖酵解依赖型尤文氏肉瘤的增殖中起关键作用，而非LDHB；LDHA是一个可调控的靶点，经LDH抑制剂NCI-006 、NCI-737作用后，糖酵解速率降低，乳酸生成减少，体内、外模型研究中都显示出明显的肿瘤抑制效果。

2.3 肿瘤糖酵解途径相关基因

2.3.1 p53抑癌基因 抑癌基因p53是人类癌症中最常见的突变基因，正常p53的功能主要是诱导细胞周期阻滞、凋亡、应激性衰老和维持基因组稳定；p53能抑制糖酵解，可能会减弱甚至阻止Warburg效应，成为抑制肿瘤的关键因素。p53抑制糖酵解的途径有[17]：①p53直接抑制GLUT1/4的转录或与胰岛素通路相互作用抑制胰岛素受体激活，间接抑制GLUT4转运到细胞膜上；②p53抑制MCT，导致肿瘤细胞内乳酸堆积，限制糖酵解速率；③p53降低糖酵解酶PGM的表达；④p53直接调控其靶基因TIGAR的表达，降低细胞中F-2，6-BP水平，抑制PFK1的活性。一些突变的p53蛋白促进恶性肿瘤增殖、转移和化疗耐药，并通过部分或完全消除对GLUT1基因的抑制作用，促使CLUT1转运到细胞膜或激活HK2等方式促进糖酵解。

2.3.2 Myc原癌基因 肿瘤原癌基因Myc是癌症代谢的中枢调控因子，起转录因子的作用，控制细胞生长和代谢。正常细胞中，其表达受到严格控制，由于染色体易位、基因扩增或转录增强而被激活。Myc能影响糖酵解，被激活后，上调糖酵解相关基因或酶的表达，促进Warburg效应。c-Myc促进ROS增加，引起线粒体功能障碍，促使癌细胞产能方式转化为糖酵解[18]。靶向Myc的糖酵解相关抑制剂已被证实能下调Myc表达，逆转能量代谢重编程，抑制肿瘤生长[19]。

2.3.3 Ras原癌基因 Ras基因由于基因点突变，表达增强，基因插入及转位被激活。点突变多发生在N端第12，13和61位密码子。Ras原癌基因激活在代谢重编程中的作用最初被认为是促进糖酵解[20]，Ras家族中与人类肿瘤相关的有K-Ras、H-Ras和N-Ras，又以K-Ras最常见。K-Ras突变激活，通常发生在胰腺癌、大肠癌和某些类型的肺癌中。K-Ras突变激活后，会以多种方式改变肿瘤细胞的新陈代谢：①上调糖酵解酶或GLUT1的表达，增加葡萄糖的摄取和消耗，增强糖酵解能力[21-22]；②通过磷酸戊糖途径(PPP)和己糖胺生物合成途径的葡萄糖中间体，促进糖酵解[22]；③与肿瘤的遗传结构、组织类型等协同，促进糖酵解，维持肿瘤的生长[23]。

2.4 缺氧诱导因子-1(HIF-1)

真核生物中HIF-α有HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α 3个亚型。HIF-1是缺氧时普遍激活的转录因子，是细胞适应缺氧的主要调节器及Warburg效应的重要调节因子，其结构是由α亚基和β亚基构成的异源二聚体，α亚基是功能亚基，受氧浓度影响。实体肿瘤异常的高代谢率，导致局部区域缺氧，刺激HIF-1α的高表达，这与血管生成增加、肿瘤侵袭和患者预后不良相关。HIF-1α在氧气充足时，通过羟基化作用进行降解，在缺氧时上调，并转移到细胞核内与HIF-1β相互作用，上调相关靶基因GLUT1/4、HK2、PDK1、PKM2、LDHA、PFKFB3/4等的表达，抑制三羧酸循环相关酶及Complex I的表达，使肿瘤以糖酵解方式获得能量。苦参碱阻碍HIF-1α的mRNA及蛋白合成，降低其下游靶基因GLUT1、HK2、LDHA的表达，抑制糖酵解逆转代谢重编程，抑制人结肠癌细胞的生长[24]。

肿瘤的基因突变、组织来源及肿瘤所处微环境决定其代谢方式，即使同一种肿瘤，原发灶和转移灶的代谢重编程因基因型、肿瘤亚型、分化程度的差异而不同[25]。癌细胞糖酵解增强的代谢改变是大多数肿瘤的普遍特征，不代表所有肿瘤，甚至一些挑战Warburg假设的研究认为，许多肿瘤细胞利用OXPHOS而非糖酵解获得能量。需要面对的问题是：①调控单一代谢途径难以改变糖酵解型肿瘤的代谢重编程，糖酵解的代谢途径之一被抑制后，肿瘤也可能发生糖酵解或线粒体能量代谢的代偿，不足以抑制肿瘤的生长甚至可能导致耐药问题；②由于癌细胞的代谢可塑性，处理Warburg效应并不能完全抑制肿瘤的生长；③线粒体融合也可能是诱导肿瘤代谢重编程的重要因素，线粒体形态的这种剧烈变化导致氧化磷酸化的效率增加，此时抑制糖酵解酶不足以抑制肿瘤生长[26]。但不可否认，Warburg效应与肿瘤进展相辅相成，且代谢重编程是许多癌症的一个关键特征，虽然它促进肿瘤发生机制不清楚，但逆转肿瘤能量代谢是一种可行，且非常有潜力的辅助肿瘤治疗新方法。相信在不久的将来，逆转肿瘤能量代谢重编程在肿瘤的治疗方案中将会占有重要地位。