转录因子与肿瘤代谢重编程的研究进展

关永俊，余佳，王卫星

武汉大学人民医院肝胆外科，湖北 武汉 430060

肿瘤细胞的微环境与正常细胞不同，为了适应缺氧和营养缺乏，肿瘤细胞会改变营养获取或代谢途径，以满足肿瘤细胞的能量、生物合成和氧化还原需要。肿瘤细胞的这种生物能量变化现象，称为“代谢重编程”。代谢重编程被认为是癌症的标志，细胞的恶性转化和肿瘤的侵袭、转移都需要代谢重编程。肿瘤代谢重编程涉及的代谢途径包括糖酵解、戊糖磷酸途径、脂质代谢、核酸和氨基酸代谢。近年来研究发现，肿瘤细胞的代谢重新编程是由许多不同的因素调节，而转录因子对肿瘤细胞代谢基因的调控是肿瘤细胞代谢重编程的主要机制之一，其中c-Myc、缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)、p53、叉头框(forkhead-box，Fox)在肿瘤代谢重编程中研究最多。本文综述了c-Myc、HIF-1、p53、Fox对癌细胞中糖酵解、戊糖磷酸途径、脂质代谢、核酸和氨基酸代谢的调控机制，以期为肿瘤代谢重编程及其相关分子机制的理解提供思路。

一、HIF-1与肿瘤代谢重编程

HIF-1是一种对氧敏感的转录因子，主要在缺氧状态下促进缺氧诱导基因的表达，从而引起机体组织对缺氧的特异性反应。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β亚单位组成。研究发现，HIF-1在结直肠癌[1]、胰腺癌[2]、乳腺癌[3]等多种肿瘤组织中高表达并与肿瘤细胞的糖酵解途径密切相关。HIF-1可以通过上调葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)和乳酸脱氢酶A(lactate dehydrogenase A，LDHA)的表达，增强乳腺癌细胞的糖酵解[4]。此外，其他糖酵解酶的表达亦被证实可受HIF-1的诱导。例如，HIF-1α可以通过调节丙酮酸激酶M2亚型(pyruvate kinase M2，PKM2)的表达，而PKM2又与HIF-1α亚基相互作用，并在反馈环中刺激其反式激活，诱导巨噬细胞中的无氧糖酵解途径[5]，从而促进肿瘤细胞增殖和发展。在胰腺癌细胞中，PKM2也同样可以调节HIF-1α的转录活性，从而促进肿瘤细胞的生长。HIF-1α在缺氧的条件下表达量会增加，同时丙酮酸脱氢酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1)、LDHA、PKM2等糖酵解酶的表达也比有氧条件下增加。敲除HIF-1α后，PDK1、LDHA和PKM2的表达下降同时也抑制了胰腺癌细胞的增殖[6]。这些研究表明，HIF-1可以通过调控肿瘤糖酵解的多种关键酶而影响肿瘤细胞的生长。HIF-1还可以影响肿瘤细胞的三羧酸循环。糖代谢过程中，丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)可将丙酮酸转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环，也可被LDHA转化为乳酸。HIF-1可以通过转录活化PDK1，使PDH催化域磷酸化并失活，抑制PDH催化生产乙酰辅酶A，导致进入三羧酸循环中的乙酰辅酶A量减少，从而减少了还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸(flavine adenine dinucleotide，FADH2)对电子传递链的传递，致使氧化磷酸化减少。此外，HIF-1还可以与c-Myc协同促进PDK1和己糖激酶2的表达，共同促进酵解。

除了糖酵解外，HIF-1对肿瘤脂质代谢也有影响。在胃癌中HIF-1α、脂肪酸合酶(fatty acid synthase，FASN)和固醇调节元件结合蛋白1c基因的表达增高且与预后不良有关，HIF-1α增高可以上调FASN的活性，进而激活固醇调节元件结合蛋白1c(sterol-regulatory element binding proteins-1c， SREBP-1c)[7]。抑制FASN可以降低HIF-1α的表达、活性和泛素化，从而抑制肝癌细胞的迁移、侵袭[8]。此外，HIF-1还可以上调红细胞生成素(erythropoietin，EPO)转录表达，EPO可以促进红细胞生成，增强葡萄糖代谢和缓解肿瘤的缺氧状况。HIF-1除了参与肿瘤代谢重编程外，还可通过多种方式调节肿瘤免疫。但是，HIF-1是否可以通过影响肿瘤糖酵解，导致肿瘤细胞微环境中的乳酸堆积和酸性环境的改变而影响免疫细胞的分泌，进而引起免疫逃逸，这有待于进一步研究证实。综上所述，HIF-1可以参与肿瘤代谢的多个环节，在肿瘤细胞增殖的过程中扮演重要的功能。

二、c-Myc与肿瘤代谢重编程

Myc基因家族包括c-Myc、n-Myc、1-Myc、s-Myc。其中c-Myc主要定位在细胞核中，扮演转录因子的作用，并参与细胞周期调控、代谢、蛋白质合成、细胞黏附、细胞骨架、凋亡和血管生成等。c-Myc在大多数恶性肿瘤中高表达并且与肿瘤的发展密切相关，如胃癌[9]、胰腺癌[10]、结直肠癌[11]、甲状腺癌[12]、卵巢癌[13]。已经证明Myc通过调节糖酵解基因的表达，包括GLUT、LDHA、己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶和α-烯醇化酶来增强糖酵解[14]，促进肿瘤细胞增殖。为了维持较高的糖酵解，Myc通过上调LDHA生成NAD+，尤其是3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)，它是糖酵解所需的辅助因子，也为促进肿瘤细胞增殖提供充足的能量和物质基础。敲除胃癌细胞中的c-Myc，则能抑制细胞增殖能力和糖酵解水平，与单独敲除PKM2或c-Myc相比，PKM2和c-Myc共同敲除对胃癌细胞的抑制作用更为明显[15]。GLUT1作为糖酵解中的另一个关键基因，与肿瘤的增殖密切相关。在乳腺癌中研究发现，抑制c-Myc调节的GLUT1的翻译和转录可抑制肿瘤细胞生长[16]。

Myc还可以通过上调异质胞核核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoproteins，hnRNP)来调丙酮酸激酶的可变剪接。Myc通过上调聚嘧啶束结合蛋白、hnRNPA1和hnRNPA2的转录，从而维持高比例的PKM2/PKM1，促进糖酵解。此外，Myc还可直接激活单羧酸转运蛋1/2的基因转录，或通过抑制miRNA的表达而间接增加单羧酸转运蛋1的基因表达，促进肿瘤细胞将乳酸转运进入细胞，并将乳酸作为能源物质进行利用，避免了低氧状态下局部葡萄糖缺乏造成的损伤，从而发挥促进肿瘤细胞生长的作用[17]。

为了维持功能性三羧酸循环，肿瘤细胞可通过谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)将谷氨酰胺转化为谷氨酸，同时进入三羧酸循环后通过代谢产生ATP。因此，谷氨酰胺分解是肿瘤能量代谢的另一个重要特征。Myc是主要导致肿瘤细胞对谷氨酰胺产生依赖的主要癌蛋白，而在低葡萄糖和氧气的环境下，Myc诱导的谷氨酰胺代谢有利于细胞的存活。Myc可以上调谷氨酰胺合成酶的表达，从而在三羧酸循环中将谷氨酰胺转化为谷氨酸[18]。此外，Myc可以通过提高谷氨酰胺转运蛋白钠/葡萄糖共转运蛋白和高亲和力阳离子氨基酸转运蛋白的表达来促进谷氨酰胺的吸收。此外，谷氨酰胺通过谷氨酰胺转运蛋白丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运蛋白2(alanine-serine-cysteine transporter 2，ASCT2)进入细胞，然后通过GLS将其转化为谷氨酸。Myc通过直接诱导谷氨酰胺转运蛋白ASCT2的表达来促进谷氨酰胺的导入。

核苷酸代谢途径受转录因子c-Myc的调节， c-Myc可与核苷酸代谢途径中的多个重要基因结合从而直接调控这些代谢酶，如氨甲酰磷酸合成酶。此外，丝氨酸羟甲基转移酶1(serine hydroxymethyl transferase 1，SHMT1)和SHMT2将一碳单元提供给四氢叶酸，通过胸苷酸合成酶将脱氧尿苷酸甲基化为脱氧胸苷酸，其中SHMT2是参与一碳代谢的酶，对脱氧核糖核苷三磷酸合成至关重要，而Myc可直接激活SHMT1和SHMT2表达，从而导致核苷酸代谢的异常。最近的一项研究发现，过表达Myc可增强真核翻译起始因子4E(eIF4E)驱动磷酸核糖焦磷酸合成酶2(PRPS2)翻译以促进核苷酸合成[19]。

Myc也可以通过调控脂肪酸代谢相关基因而影响肿瘤细胞的脂质代谢重编程，包括ATP柠檬酸裂合酶、乙酰辅酶A羧化酶α、硬脂酰辅酶A去饱和酶和FASN[20]。在前列腺上皮细胞中，Myc呈高表达并可增强FASN的转录和翻译水平。代谢组学分析还表明，Myc过表达细胞中磷脂和柠檬酸脂质前体的富集，表明Myc的高水平与脂肪酸合成增加有关。总之，Myc通过促进糖酵解、谷氨酰胺分解、核苷酸合成、脂肪酸代谢等多种途径促进肿瘤细胞的增殖，在肿瘤细胞的生物学过程中扮演着关键作用。深入探讨其在肿瘤细胞代谢的中的作用，研究开发以此为靶点的特异性靶向治疗药物对恶性肿瘤的治疗具有重要意义。

三、p53与肿瘤代谢重编程

转录因子p53是最为常见的抑癌基因，近年来发现p53在肿瘤细胞代谢重编程中发挥重要作用。在糖酵解中，GLUT是p53的直接靶基因，p53以组织特异性方式抑制GLUT1、GLUT4和GLUT12基因的转录，影响葡萄糖代谢，抑制肿瘤生长[21]。除了抑制葡萄糖的转运外，在缺氧条件下，p53还通过抑制MCT1并导致乳酸积累，从而限制了癌细胞中的糖酵解速率，抑制了乳酸的转运。此外，p53可直接通过下调己糖激酶2的表达，从而抑制肿瘤发展。还可以协同锌通过磷酸化电压依赖性阴离子通道1来破坏前列腺癌细胞己糖激酶2的线粒体结合，抑制肿瘤细胞增殖[22]。p53还可调控细胞色素c氧化合成酶2的表达，从而上调线粒体的活性，导致糖酵解被抑制。

p53还参与戊糖磷酸途径(pentose phosphate pathway，PPP)，这是一种从糖酵解分支出来的代谢途径。p53可以与葡萄糖6-磷酸脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)结合并阻止了活性二聚体的形成，抑制PPP途径而影响肿瘤的生长。p53缺陷细胞表现出更高的葡萄糖消耗和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)生成，表明戊糖磷酸途径的上调，而突变型p53不能抑制G6PD。此外，TP53诱导的糖酵解和细胞凋亡调节剂(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator，TIGAR)能够将2，6-二磷酸果糖磷酸化为6-磷酸果糖，从而降低2，6二磷酸果糖水平和磷酸果糖激酶1活性，而磷酸果糖激酶1是糖酵解的关键酶。p53可通过诱导TIGAR来抑制肿瘤细胞的糖酵解途径，促进葡萄糖转向PPP[23]，最终，TIGAR促进了NADPH和5-磷酸核糖的生成。这些研究表明，p53不仅通过调节糖酵解基因表达而且还直接抑制戊糖磷酸途径而达到抑癌作用。

p53也可以调节三羧酸循环。p53通过抑制PDK2的启动子，使PDH活性降低，从而阻止了乙酰辅酶A的产生，影响三羧酸循环。GLS2也是p53靶基因[24]，p53依赖性方式诱导GLS2表达并催化谷氨酰胺水解为谷氨酸来促进线粒体呼吸，同时增加三羧酸循环中α-酮戊二酸的水平。此外，三羧酸循环相关的苹果酸酶1(malic enzyme 1，ME1)和ME2对NADPH的产生、脂肪生成和谷氨酰胺代谢均有重要作用。而p53可以直接通过下调ME1和ME2产生抑癌作用[25]。

p53也参与肿瘤脂质代谢。p53通过调节胍基乙酸N-甲基转移酶、AMP依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、肉毒碱棕榈酰转移酶等增强肪酸分解代谢和抑制脂肪酸合成，从而充当脂质合成的负调节剂[26]。p53可以直接调控脂肪酸代谢调节因子脂素蛋白1，促进脂肪酸氧化。同时，p53可通过直接阻遏SREBPs或通过增加SREBP抑制剂脂素蛋白1的表达来间接抑制SREBPs，进一步抑制脂肪酸的合成和肿瘤的增殖[27]。而突变型p53可直接与SREBP-1结合并增强其转录功能或抑制AMPK的活性而增加脂肪酸合成，促进肿瘤的生长[28]。此外，p53还激活酰基辅酶A脱氢酶家族成员11，催化线粒体中脂肪酸氧化循环的第一步[29]。除了直接调节参与脂质代谢基因的转录外，p53还可以通过直接与蛋白质间相互作用的方式调节脂质代谢。例如，葡萄糖6-磷酸脱氢酶与p53结合并被p53直接抑制，导致NADPH产生减少，从而导致脂肪酸合成减少[30]。因此，p53通过抑制脂肪酸的合成并促进脂肪酸的氧化，从而维持线粒体呼吸，最终影响肿瘤细胞的脂质代谢重编程。总之，p53与肿瘤细胞代谢密切相关，它可通过对糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循环、脂质代谢途径的调节而影响肿瘤细胞代谢重编程[31]，而p53参与肿瘤细胞代谢调控的分子机制尚未完全掌握。因此，深入研究p53调节肿瘤代谢的机制，对于肿瘤的防控及药物的研究均有重要意义。

四、Fox与肿瘤代谢重编程

Fox蛋白是一个大家族转录因子且在多种生物学过程中具有重要功能。基于Fox家族基因的相似性，Fox蛋白可以分为19个亚族，从FoxA到FoxS。其中，FoxO和FoxM亚族与肿瘤代谢关系最为密切。

FoxO家族包括四个成员：FoxO1，FoxO3a，FoxO4和FoxO6。FoxO转录因子家族除了参与细胞周期调控、细胞生长、凋亡、自噬、血管生成、DNA修复等，还与肿瘤代谢相关。在糖代谢方面，FoxO通过调节Myc来抑制糖酵解基因的表达以及葡萄糖的摄取和乳酸的产生，影响Warburg效应[32]。在FoxO3a敲低细胞中，降低与mTORC1激活相对的结节性硬化复合物1(tuberous sclerosis complex subunit 1，TSC1)肿瘤抑制因子的表达，mTORC1依赖性糖酵解增加。FoxO3a可与TSC1启动子结合并激活TSC1，抑制mTORC1和核糖体蛋白S6激酶1最终抑制糖酵解并且能促进肿瘤细胞凋亡，在肿瘤中主要发挥抑癌基因功能[33]。在谷氨酰胺代谢方面，FoxO3a和FoxO4可以调节谷氨酰胺合成酶的表达，直接影响谷氨酰胺的代谢。谷氨酰胺分解增加会激活mTOR，而谷氨酰胺合成增加会抑制mTOR的激活。mTOR能够抑制自噬，而FoxO3a介导的谷氨酰胺合成酶活性增加可以导致自噬增加。这表明FoxO3a可以通过增加谷氨酰胺合成酶的活性导致自噬体形成，有助于FoxO3a抑制肿瘤细胞的增殖。在调节脂代谢方面，FoxO1可以抑制SREBP1c的表达。此外，FoxO1可以通过上调脂肪三酰甘油脂肪酶的表达来促进脂解作用[34]。

FoxM1是正常细胞增殖所必需的，但是，FoxM1在乳腺癌[35]、肾上腺皮质癌[36]、大肠癌[37]、前列腺癌[38]、肝癌[39]、肺癌[40]和胃癌[41]中高表达。癌症基因组图谱(TCGA)数据库分析发现，FoxM1在大多数肿瘤中高表达且与预后不良密切相关[42]。FoxM1促进肿瘤发展的机制众多，其中包括对细胞代谢的重编程过程。在胃癌和胰腺癌的研究中，FoxM1通过对LDHA的转录调控促进癌细胞的糖酵解及癌细胞的增殖、迁移[43]。此外，FoxM1D通过与PKM2结合，促进糖酵解并增强血管内皮生长因子转录，从而促进肿瘤血管生成[44]。但是，不同Fox家族的转录因子同样通过代谢途径对肿瘤产生影响，但却分别产生抑癌或促癌作用，其机制仍不明确。目前，关于Fox家族对肿瘤代谢的影响主要集中在糖酵解和脂质代谢，而对其他代谢途径的影响有待更多的研究。

五、结语

糖酵解、磷酸戊糖途径、核酸和氨基酸代谢、三羧酸循环和脂质代谢不仅为肿瘤的生长提供能量，而且还为肿瘤细胞增殖等生物学行为提供了必要的合成底物。越来越多的证据支持转录因子在调节癌症代谢中的关键作用，识别和阻断肿瘤代谢过程中的调控途径和靶点将成为肿瘤靶向治疗的研究热点。虽然已经明确HIF-1、c-Myc、p53、Fox等转录因子在肿瘤代谢中的作用，但其他转录因子在肿瘤代谢中的作用还有待进一步研究。此外，肿瘤微环境和自噬对肿瘤的发生和发展也有重要影响，而肿瘤代谢重编程与肿瘤微环境和自噬相关。那么，转录因子是否在肿瘤微环境、自噬与代谢重编程之间的联系中发挥作用，这些问题还需要进一步探索。

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