能量代谢与氧化应激在肿瘤中的作用及其相互关系

阎鑫宇，张绍林，陈海燕，戴琴升（中国药科大学，南京 210009）

癌症是严重威胁人类生命健康的一类疾病。据统计，2019年全球约有2360 万癌症新发病例，约1000 万人死于癌症。虽然自1991年起，美国的癌症病死率持续下降，总体约下降32%。但是，全球的形式仍然不容乐观，科学家们仍然在不断探索，希望能够通过更加深入地了解癌症以找到有效的治疗方法。在对癌症生物学的研究中，癌症代谢是研究最为深入的热门研究方向之一。早在20 世纪20年代，Warburg 就观察到肿瘤细胞中的糖酵解速率会明显升高，即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞仍然会以糖酵解为主，这种现象被称作“有氧糖酵解”或“Warburg 效应”。2011年，能量代谢重编程被列入了肿瘤的十大特征之一。能量代谢重编程不仅为肿瘤细胞的生长和增殖提供能量和生物大分子合成所需的物质，同时还支持肿瘤细胞在应激条件下能够生存下来。近年来，越来越多的研究表明肿瘤能量代谢与氧化应激关系密切，肿瘤代谢重编程与氧化应激反应在肿瘤的发生发展中起着关键性的作用。本文旨在对肿瘤能量代谢，氧化应激以及它们之间的关系作一综述。

1 肿瘤细胞中的能量代谢

能量代谢是机体生命活动的基本特征之一，无论是在正常细胞还是肿瘤细胞中，细胞的生长增殖都需要能量来支持。细胞中的能量主要是由三磷酸腺苷（ATP）所提供，而细胞中大部分的ATP 是通过葡萄糖分解所产生的，少量由谷氨酰胺分解以及脂肪酸代谢补充提供。

1.1 糖代谢

Warburg 假说在肿瘤糖代谢的研究领域是一个里程碑式的标志。该假说认为糖酵解是肿瘤细胞的主要供能途径，即使氧气充足，肿瘤细胞依旧依赖于糖酵解供能。1 分子的葡萄糖通过糖酵解途径分解成丙酮酸共涉及9 ～10 个步骤，期间会产生2 分子ATP，而通过线粒体的氧化磷酸化完全氧化则会产生32 ～33 分子ATP。肿瘤细胞为了快速增殖需要大量的能量供应，但是它却选择了产能更低的糖酵解。Warburg 认为这是由于肿瘤细胞的线粒体功能受损，使其只能依赖于糖酵解产生能量。但是，通过对肿瘤细胞线粒体的研究发现，肿瘤细胞中的线粒体保持着完整的功能，而且当靶向敲除线粒体DNA 时，无论是体外还是体内的癌细胞系致瘤功能都会下降。甚至有研究发现肿瘤细胞会积累大量的线粒体，其中具有更多受损线粒体的肿瘤细胞更趋向于维持良性状态，而积累了更多形态完整、功能正常线粒体的肿瘤细胞则更易发展为恶性。

事实上，大多数的肿瘤细胞仍然依赖于线粒体的氧化磷酸化供能。对于肿瘤细胞而言，线粒体代谢是必不可少的。三羧酸（TCA）循环不仅可以提供氧化磷酸化所需的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（FADH），还能产生用于合成核苷酸、脂质、氨基酸等生物大分子的代谢物，当TCA 循环中某些蛋白突变时会造成致癌代谢物的积累，如琥珀酸和富马酸。Gentric 等通过代谢组学、蛋白组学以及遗传组学相结合发现高级别浆液性卵巢癌可分为高氧化磷酸化型和低氧化磷酸化型（即有氧糖酵解）。而通过正电子断层扫描（PET）成像技术也观察到小鼠的肺癌组织部位线粒体膜电位更高，即线粒体活性更强；另外，在黑色素瘤、胆管癌、白血病、乳腺癌等癌症中均发现线粒体是细胞的主要能量来源，使用二甲双胍或PGC-1

α

等靶向氧化磷酸化的药物可以显著抑制肿瘤细胞的增殖。这些研究均表明线粒体在肿瘤细胞中发挥着重要的作用。既然线粒体功能如此强大，那么为什么有些肿瘤细胞仍然会选择产能更低的糖酵解途径来作为主要供能方式呢？首先，细胞质生成ATP 的速度要比线粒体快100 倍，即产量低但速率高，只要葡萄糖供应充足，单位时间内糖酵解产生的ATP 就高于氧化磷酸化；其次，糖酵解的增强会导致代谢中间物积累，它们可以通过其他反应生成肿瘤细胞增殖所需的生物大分子，如核酸、脂质、氨基酸等；最后，糖酵解中大量堆积的丙酮酸在乳酸脱氢酶A（LDHA）的作用下生成乳酸，乳酸通过单羧酸转运蛋白4（MCT4）转运到细胞外，使细胞外形成一个酸性环境，有利于肿瘤细胞的生长、侵袭和转移。而有些肿瘤细胞之所以表现出高糖酵解率，是由致癌基因的激活（如

Kras

），

c-Myc

、肿瘤抑制因子

P53

或磷酸酯酶与张力蛋白同源物（

Pten

）的丧失，PI3K-AKTmTOR 信号通路的失调所导致的。另外，研究发现肿瘤细胞会通过改变自身的代谢方式以适应不同的生存挑战，这一过程被称为代谢可塑性。在使用靶向肿瘤细胞增殖期化疗药物时，肿瘤干细胞（CSC）可以通过调节自身的代谢过程，使其处于一种能量代谢低下的“静息”状态，从而逃避化疗药物的杀伤作用。同时，CSC 还会促进磷酸戊糖途径的代谢，加强自身的抗氧化能力以适应不同的肿瘤微环境（TME）。Elgendy 等通过间歇性节食及给药也证明肿瘤细胞具有代谢可塑性，为了适应不同的生存挑战可以在糖酵解和氧化磷酸化之间进行改变。腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）和缺氧诱导因子（HIF）-1 是氧化磷酸化和糖酵解的两种主要调控因子。当细胞处在氧化应激，葡萄糖匮乏或急需能量供应的状态时，AMPK 就会被激活，通过调控多条信号通路促进脂肪酸氧化、氨基酸代谢加强回补途径从而促进细胞的氧化磷酸化，最终实现ATP 相对含量的升高。在缺氧情况下，大多数真核细胞会通过HIF-1 诱导参与糖酵解基因的表达；而常氧状态下，肿瘤细胞依旧会通过多种机制表现出组成性HIF-1 的激活，以此来抑制丙酮酸脱氢酶（PDH）的活性，促进

α

-酮戊二酸脱氢酶（KGDH）的蛋白水解，从而促进肿瘤细胞的有氧糖酵解以及谷氨酰胺代谢相关的脂质合成。Jia 等通过对AMPK、HIF-1 和混合型数学模型的建立以及对乳腺癌患者临床样本的代谢组学和转录组学的研究验证了肿瘤细胞能够在糖酵解和氧化磷酸化之间相互转变，只有当两种途径被同时抑制时，肿瘤细胞的生长增殖才会被有效抑制。

1.2 谷氨酰胺代谢

谷氨酰胺代谢是肿瘤细胞的另一大标志。正常情况下，谷氨酰胺是人体血液中含量最丰富的一种非必需氨基酸，由谷氨酸和氨在谷氨酰胺合成酶（GS）的催化作用下合成。但是，在肿瘤细胞或快速增殖的细胞中，从头合成谷氨酰胺不能满足细胞能量代谢对于谷氨酰胺的需求，故其转变为条件性必需氨基酸。谷氨酰胺通过氨基酸转运蛋白SLC1A5 和 SLC7A5/SLC3A2 进入到细胞内，并在线粒体中经谷氨酰胺酶（GLS）的作用脱氨转化为谷氨酸，谷氨酸在谷氨酸脱氢酶（GDH）或者氨基酸转氨酶的作用下生成

α

-酮戊二酸（KG）回补到TCA 循环中，通过氧化磷酸化为细胞提供能量。研究发现，相比于TME 中的免疫细胞，肿瘤细胞会摄取更多的谷氨酰胺和更少的葡萄糖。同时，实验观察到谷氨酰胺的摄取及代谢能够明显抑制葡萄糖代谢，具体机制尚不清楚，但说明谷氨酰胺代谢对于肿瘤细胞非常重要。在肿瘤细胞中，原癌基因

c-Myc

能够诱导SLC1A5 和SLC7A5/SLC3A2以及GLS 的表达，从而促进谷氨酰胺代谢。而大多数肿瘤细胞中高表达的HIF-1 会通过促进

α

-KGDH 的泛素化和蛋白水解，使谷氨酰胺代谢产生的KG 在异柠檬酸脱氢酶（IDH）的作用下通过消耗NADPH 逆反应最终生成乙酰辅酶A（CoA），用于脂质合成。

1.3 脂肪酸代谢

近年来，研究人员对于肿瘤细胞中的脂肪酸代谢越来越关注，因为在快速增殖的肿瘤细胞中，脂肪酸不仅是膜形成的主要成分，还是能量供应的一种来源以及信号传导的二级信使。在能量应激的状态下，线粒体中的脂肪酸会通过

β

-氧化产生乙酰CoA，并伴有NADH 和FADH的生成，从而支持细胞的生物合成途径并产生ATP。另外，磷脂肌醇3-激酶（PI3K）调控多条重要的信号通路：PI3K-AKT 信号通路通过激活葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）及己糖激酶促进葡萄糖摄取和糖酵解；PI3K-AKT 信号通路还能够通过激活谷氨酸丙酮酸转氨酶增强谷氨酰胺的回补反应以及脂质的重塑。

2 氧化应激对肿瘤细胞的影响

当细胞内的氧化还原稳态被打破时，细胞就会发生氧化应激。从理论上来说，氧化应激是指与抗氧化剂相比，细胞内的活性物质ROS 或活性氮（RNS）相对过量。本文主要讨论ROS 对肿瘤细胞的影响。

ROS 包括超氧阴离子（O·），过氧化氢（HO）和羟基自由基（OH·），它们的氧化性由强到弱依次是OH·、O·、HO，但即使是它们中氧化性最弱的HO仍然具有很强的氧化能力。细胞内ROS 的主要来源包括：① 线粒体呼吸链复合物Ⅰ处的反向电子泄露或复合物Ⅲ中半醌形式的辅酶Q（CoQ）与O之间的反应生成O·；② 在生长因子信号传导过程中，NADPH氧化酶（NOXs）将O还原为O·；③ 内质网中蛋白质的折叠过程产生HO。

在肿瘤细胞中ROS 的影响根据浓度的不同而不同，过量的ROS 对肿瘤细胞是有损伤的，严重情况会造成细胞衰老、凋亡或者铁死亡；但是，少量或者适量的ROS 则会促进肿瘤的生长增殖，甚至是肿瘤发生发展过程中必不可少的一部分。

2.1 ROS 促进肿瘤的发生发展

适量的ROS 可以参与细胞信号调控，促进肿瘤细胞的发生发展。较为经典的有ROS 对生长因子信号的影响，对丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路的调控以及对血管内皮生长因子（VEGF）的作用。据报道，ROS 可以氧化表皮生长因子受体（EGFR）的Cys-797，增加EGFR酪氨酸磷酸化，刺激下游的信号通路，如Ras/MAPK 通路和PI3K/AKT 通路，从而促进肿瘤细胞的生长。ROS 也可直接作用于MAPK 相关信号通路，HO作为乳腺癌雌激素代谢的副产物，可以直接激活MAPK-ERK1/2 通路，从而促进肿瘤细胞生长增殖，同时有利于肿瘤的侵袭转移。而在促肿瘤转移方面，ROS 可以通过诱导细胞中VEGF 的表达，激活基质金属蛋白酶（MMP），从而促进细胞的转移；也可以在缺氧诱导因子-1

α

（HIF-1

α

）的作用下与VEGF 相互作用，诱导新生血管的生成，促进肿瘤细胞的转移。

2.2 ROS 诱导肿瘤细胞死亡

ROS 对肿瘤细胞的作用是双面的，当细胞内的ROS 水平超过阈值时就会产生细胞毒性，造成肿瘤细胞凋亡或铁死亡。Huang 等通过对抑制素（PHB）的研究发现PHB 会抑制胶质母细胞瘤干细胞中ROS 的产生，造成肿瘤进展和不良预后；而一些小分子探针或纳米粒子也被设计通过光动力疗法或光热疗法刺激细胞内产生大量ROS，从而诱导细胞凋亡。ROS 是细胞凋亡的有效刺激剂，在线粒体途径，死亡受体途径以及内质网（ER）应激途径中都发挥着核心作用。而每一种途径中，线粒体都是触发凋亡的核心。高浓度ROS 会损伤线粒体膜，使线粒体内膜通透性丧失，线粒体通透性转换孔（MPTP）开放，导致线粒体膜电位被破环，细胞色素C 释放，从而激活caspase-9，进一步激活caspase-3 和caspase-7，造成细胞凋亡。ROS 还可以与肿瘤坏死因子-

α

（TNF-

α

）在反馈回路中相互串扰，激活死亡受体通路。另外，ROS 还会加剧蛋白的错误折叠，造成严重的内质网应激，从而激活凋亡级联反应。

近几年来铁死亡成为引起细胞死亡的又一研究热点，这是一种铁依赖性的死亡形式，有别于细胞凋亡、自噬和坏死。有研究表明，ROS可以触发铁死亡，当细胞中谷胱甘肽过氧化酶（GPX4）被抑制时，细胞内的谷胱甘肽（GSH）耗竭，导致脂质过氧化物累积，最终，在过渡金属铁的存在下磷脂过氧化物发生催化反应，引起细胞死亡。Badgley 等的研究发现，在基因小鼠中半胱氨酸（Cys）的耗竭可以诱发铁死亡。嵌于细胞膜表面的SLC3A2 和SLC7A11 以二聚体形式组成了xCT，它们作用于谷氨酸和胱氨酸反向转运。其中，SLC7A11 将胱氨酸运送至细胞内生成Cys，当SLC7A11 的表达被抑制后，细胞内的Cys 耗竭，诱发铁死亡。

3 肿瘤能量代谢与氧化应激的关系

肿瘤细胞为了应对氧化应激，将ROS 的浓度维持在一个既不会伤害到细胞又能促进细胞生长增殖的合适范围内，肿瘤细胞需要改变代谢或者基因的表达增加自身的抗氧化能力，而这一过程与能量代谢有着密切的关联。

3.1 肿瘤能量代谢对ROS 的影响

细胞中O·在超氧化物歧化酶（SOD1，SOD2 和SOD3，分别定位于细胞质、线粒体基质或细胞外）的作用下生成氧化性稍差的HO，HO随后在过氧化物酶（PRXs）或者过氧化氢酶的作用下生成水，而这一过程中PRXs 的活性位点Cys 被氧化，需要靠硫氧还蛋白（TXN）还原氧化的PRXs 来完成催化；当然HO还可以通过GSH 氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG）的过程中解毒生成水，最后GSSG 再在谷胱甘肽还原酶（GR）的作用下还原成GSH 完成催化循环。人体中的抗氧化剂有很多，基本可分为水溶性和脂溶性两大类，它们协同作用，共同维持细胞的氧化还原稳态。其中，GSH 体系和TXN 体系是两种重要的抗氧化酶体系，而它们均由NADPH 来维持，使其一直处于还原状态。所以，NADPH 在细胞抗氧化方面发挥着至关重要的作用。

细胞中的NADPH 主要来源于磷酸戊糖途径（PPP），还有一部分来自于由丝氨酸羟甲基转移酶2（SHMT2）和亚甲基四氢叶酸脱氢酶2（MTHFD2）调节的丝氨酸（Ser）分解代谢。当细胞短时间急性暴露于ROS 后，细胞会主要调整自身的代谢以应对氧化应激。大量的ROS会迅速消耗细胞中的NADPH，但由于NADPH对葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PDH）活性起到负反馈调节，所以细胞中的G6DPH 被激活并通过PPP 的氧化将糖酵解转化为核苷酸的合成，增加NADPH 的含量。同时，ROS 还会通过氧化3-磷酸甘油醛脱氢酶（GAPDH）的Cys-152 和丙酮酸激酶同工酶M2（PKM2）的Cys-358抑制GAPDH 和PKM2 的活性，从而导致糖酵解被中断，TCA 循环及氧化磷酸化通量减少，ROS 的产生降低，而糖酵解上游代谢中间体的大量堆积使得葡萄糖-6-磷酸从糖酵解途径中溢出，进入到PPP 途径中产生大量的NADPH，维持细胞的氧化还原稳态。

PKM2 是有氧糖酵解的一个标志性蛋白，同时它对细胞内的氧化还原稳态十分敏感。PKM2失活不仅会使葡萄糖代谢从糖酵解重新路由至PPP 途径，造成细胞内葡萄糖-6-磷酸溢出，促进NADPH 的生成，还有助于GSH 的合成。研究表明，由于PKM2 的失活造成的3-磷酸甘油醛的累积可以通过Ser 合成途径消耗，产生的Ser 可用于形成甘氨酸（Gly）和Cys，用于合成GSH。不过，也有研究表明PKM2 表达的升高，有利于有氧糖酵解，可以促进肿瘤细胞的生长增殖。Wang等的研究证明外泌体PKM2 可以中和顺铂引起的ROS，抵抗细胞凋亡，造成耐药性；Liang 等的研究也发现PKM2 可以磷酸化Bcl2，从而稳定ROS 引起的细胞凋亡。

另外，生长在低糖低氧环境中的肿瘤细胞，由于营养匮乏，细胞中ROS 水平升高，氧化PPP的通量被限制，使得细胞中的NADPH 水平下降无法抵抗氧化应激。在这种情况下，细胞会通过减少需要消耗高水平NADPH 的合成代谢途径（如脂质合成）和刺激PPP 依赖性的NADPH 来激活AMPK 从而提高NADPH 水平。

3.2 ROS 造成的基因改变对肿瘤能量代谢的影响

当细胞长时间慢性暴露于ROS 时，细胞会改变基因的表达，激活多种转录因子来调节细胞的氧化还原状态，如激活蛋白1（AP-1）、HIF-1

α

、热休克因子1（HSF1）、核因子-

κ

B（NF-

κ

B）、核因子红细胞2-相关因子2（NRF2）和肿瘤蛋白P53。这些转录因子都与致癌作用有关。此外，转录调节蛋白BTB 和CNC 同系物1（BACH1）是一种拮抗NRF2 的氧化应激反应的阻遏物，本身被促氧化剂抑制，也会影响癌症的进化转移。这些转录因子不可能同时激活，但是它们的差异化激活程度目前尚不明确。目前存在一种假说，是氧化应激“分层反应”假说，以NRF2 作为抗氧化的第一层防御，AP-1 和NF-

κ

B 作为第二层防御，涉及细胞凋亡的激活作为最后一层防御。研究表明，肿瘤形成早期随着细胞中ROS 水平的升高，GLUT1、己糖激酶2（HK2）、MCT4、G6PDH 和TP53 诱导糖酵解及凋亡调节因子（TIGAR）的表达上调，同时氧化磷酸化及琥珀酸脱氢酶被抑制，以此来减少细胞的氧化磷酸化通量，增加葡萄糖分解向PPP 的转化，从而减少ROS 的产生，增加抗氧化剂的生成，以此来抵抗氧化应激，维持细胞的生长增殖。而其中抗氧化转录因子HIF-1

α

可能会影响GLUT1、HK2、MCT4 的转录，NF-

κ

B 影响GLUT1 的表达，P53影响TIGAR 的转录。

4 总结

综上所述，肿瘤细胞需要大量的能量来维持其发生发展，而在氧化磷酸化（产ATP 这一过程中）所释放的ROS 也会随之增多，造成肿瘤细胞处在一个相比于正常细胞ROS 水平更高的环境中。为了维持细胞的生长增殖，肿瘤细胞会通过改变自身的代谢以及基因表达来增加抗氧化能力，与此同时，代谢的转变以及一些抗氧化转录因子又会影响到细胞能量代谢的相关通路。它们之间相互影响、相互作用，共同促进了肿瘤细胞的发生发展。通过对能量代谢及氧化应激的研究，可以为抗肿瘤药物的研发及其作用机制的研究提供一些新方向；同时，通过对它们之间关系的研究，也可以为后续的肿瘤治疗以及药物联用等拓宽新思路。