糖酵解及其关键限速酶在肝细胞癌中的作用研究进展

梁 婷，斯 韬，刘湘慧，覃正萍

(1.广西中医药大学，广西 南宁 530200；2.广西中医药大学第三附属医院肿瘤科，广西 柳州 545001)

肿瘤有别于正常组织的特点之一即代谢重编程，其贯穿了肿瘤发生与发展的整个过程。近年来人们研究的肿瘤代谢过程主要集中在脂质代谢、氨基酸代谢及糖酵解。脂质代谢在肿瘤代谢中发挥了维持氧化还原稳态的作用，氨基酸所具有的氧化还原平衡、能量调节、生物合成支持和稳态维持的功能使得氨基酸(谷氨酰胺、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸等支链氨基酸)在肿瘤发展过程中充当燃料的角色。糖酵解则为肿瘤提供了能量来源。临床已有研究证实糖酵解限速酶抑制剂可帮助减少肝细胞癌(Hepatocellular carcinoma，HCC)靶向药物索拉菲尼耐药性，或与二甲双胍协同发挥抗肿瘤效应。分析糖酵解对HCC发生、发展过程的影响，探究限速酶的作用机制及途径将有助于揭示HCC发病机制和潜在治疗途径，为肝癌患者争取更高的生活质量和预后。

1 糖酵解在HCC中的作用

1924年Otto Warburg发现了肿瘤可通过代谢重编程利用糖酵解加速获取能量。人体正常细胞通过线粒体磷酸化产生能量，而肿瘤细胞倾向于通过糖酵解获得能量，即在足够氧气的条件下也倾向于将葡萄糖转化为乳酸盐，即沃伯格效应。其特征在于葡萄糖摄取和乳酸产生增强。尽管在有氧糖酵解过程中三磷酸腺苷(ATP)的产生效率较低，但在不同肿瘤中仍占ATP供应量的50%～70%[1]。乳酸的产生也提供了酸性环境，以帮助肿瘤细胞的侵袭和转移[2]。

研究[3]证明了HCC中糖酵解的存在。糖酵解可影响HCC的凋亡[4]、转移[5]、增殖[6]和预测肝癌患者的预后[7]。近年来，在肿瘤免疫疗法当中也发现了糖酵解的身影，研究证实提高HCC周围区域的糖酵解水平诱导了这些细胞上的程序性死亡配体1(PD-L1)表达，随后减弱了肿瘤组织中的细胞毒性T淋巴细胞反应[8]，促进了患者肿瘤中嗜中性粒细胞的积累[9]，两者都是通过肿瘤单核细胞中的果糖-2，6-二磷酸酶3(PFKFB3)作为作用靶点。糖酵解肿瘤微环境中的乳酸是肿瘤免疫疗法的靶点[10]，肿瘤外泌体使得糖酵解代谢重编程增加PD-L1表达，其信号转导还可刺激活性氧升高而抑制线粒体氧化磷酸化，促进丙酮酸向乳酸的进一步转化，乳酸向核因子κB(NF-κB)的反馈使得PD-L1进一步表达增加[11]。

糖酵解第一步是通过葡萄糖转运蛋白(GLUT)将葡萄糖转运进细胞内。GLUT1受胰岛素样生长因子1受体(IGF-1R)和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT)的调控[12]。GLUT2和GLUT3与HCC患者的预后相关[13]。GLUT4则和GLUT1共同作为p53的下游调控因子，调节糖酵解速率[14]。

2 关键限速酶在HCC中的作用

糖酵解有三个关键限速酶，包括己糖激酶(Hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase，PFK)和丙酮酸激酶(Pyruvate kinase，PK)。HK催化葡萄糖转化为果糖-6-磷酸，并促进ATP的产生和细胞凋亡的抑制。PFK可利用ATP催化果糖6-磷酸转化为果糖1，6-二磷酸，处于糖酵解过程的中间位置。PK则在最后一步利用少量ATP将磷酸烯醇丙酮酸转换为丙酮酸，同时产生大量能量供HCC细胞使用。

2.1 己糖激酶 HK是耗氧糖酵解中的第一个限速酶，可催化葡萄糖转为葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)[15]。HK有四种亚型，即HK1、HK2、HK3和HK4。其中，HK1、HK2和HK3是结构相似的己糖激酶，对葡萄糖具有高亲和力；只有HK4同工酶对葡萄糖的亲和力较低，这与其葡萄糖感应功能有关。HK1无处不在，在大多数组织中构成主要的HK形式；HK2广泛存在，但表达量低于HK1，是胰岛素敏感区(如心脏、骨骼肌和脂肪组织)以及各种肿瘤中的主要同工酶；HK3和己糖激酶结构域蛋白1抗体(HKDC1)的表达模式较为有限，并且特征较少[16]。HCC细胞中主要表达HK2，删除HCC细胞中的HK2可抑制HCC细胞的生长、增殖及侵袭[17-19]。HK2与HCC患者的预后同样密切相关[20]。作为HK2上游靶标的转录因子有缺氧诱导因子-α(HIF-α)、雷帕霉素(mTOR)、AKT1、肿瘤抑制因子p53、信号转导和转录激活因子3(STAT3)、激活钙调素依赖蛋白激酶的激酶(CaMKKβ)[6]等。在治疗HCC方面，二甲双胍通过在体外以腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)依赖性方式靶向c-myc基因来抑制HK2的表达，降低HCC细胞的高能量代谢[21]。

2.2 磷酸果糖激酶 PFK是参与糖酵解的第二种限速酶，可催化果糖-6-磷酸(F-6-P)转化为果糖-1，6-二磷酸(F-1，6-BP)。F-2，6-BP是PFK最有效的激活剂[22]。F-2，6-BP可受HIF-α调节[23]，其水平与PFKFB活性密切相关。PFKFB是一种双功能酶，负责F-2，6-BP的合成与降解。PFKFB有四种同工酶，即PFKFB1、PFKFB2、PFKFB3和PFKFB4。PFKFB1尚未被发现在肿瘤细胞中过度表达。PFKFB2主要在心脏中表达，已证实受表皮生长因子受体(EGFR)[24]、AMPK、HIF、核糖体S6激酶(RSK)[25]调节。EGFR促进AKT依赖性PFKFB2磷酸化、糖酵解、细胞增殖和脑肿瘤发生[25]，缺血或缺氧期间AMPK可诱导PFKFB2磷酸化，从而增加F-2，6-BP水平和刺激糖酵解。PFKFB3可在不同的恶性肿瘤当中表达，HCC生长也和PFKFB3有关：PFKFB3可减少葡萄糖消耗和阻碍DNA修复，诱导G2/M期停滞，影响HCC细胞生长。HIF-1α、AKT调控PFKFB3，影响肿瘤代谢，AKT还可通过阻断TP53诱导的糖酵解和细胞凋亡调节因子(TIGAR)响应PFKFB3。VEGF可诱导PFKFB3，促进血管生成和内皮迁移，从而增加肿瘤血管生成和远处转移。PFKFB4首先从大鼠和人类睾丸克隆而来，缺氧条件下受HIF-α调节。PFKFB4与HCC患者的预后密切相关。

2.3 丙酮酸激酶 PK催化糖酵解的最后一步，产生ATP和丙酮酸。PK包含四种由PKL和PKM基因编码的亚型，及PKL、PKR、PKM1和PKM2。这四种酶均有催化作用，在不同的组织及器官中表达水平不同。PKL和PKR主要分别在肝细胞和红细胞中表达，而PKM1在正常细胞中表达，PKM2在HCC组织中高度表达，与患者病理分期和预后[26]、肿瘤大小与数量以及临床分期[27]相关。PKM2以四聚体或二聚体两种形式存在：前者具有高催化活性，以便高速产生ATP；后者催化活性低，可以易位到细胞核中作为几种转录因子如HIF-1α、NF-κB和STAT3的共激活剂[28]。PKM2诱导PD-L1驱动HCC发展，还可通过PKM2/mTOR轴影响HCC细胞的自噬。AKT、HIF-α、CaMKKβ[6]作为PKM2的上游靶标，可通过调节PKM2影响HCC细胞的增殖和糖酵解。

3 结 语

肿瘤细胞为何会选择产能较低下的糖酵解作为供能方式的原因尚未十分明确，但糖酵解及其关键限速酶在肿瘤发生与发展过程中的作用不可小觑。许多实验均表明糖酵解可影响HCC进展。本文综述了糖酵解的机制和影响糖酵解限速酶的上下游靶点，许多已证实与HCC细胞增殖、凋亡、侵袭相关的靶点和通路同样在糖酵解过程中发挥着作用，如HIF-α可作用于糖酵解的三种关键限速酶，但实际影响力是否相同仍未知。临床上针对三种限速酶的竞争性抑制剂如2-DG(葡萄糖的类似物，可被HK2催化成2-脱氧-D-葡萄糖-6-磷酸)、3-溴丙酮酸、二氯乙酸酯(PDK小分子抑制剂)等已经被证实可抑制糖酵解，但关于如何将糖酵解抑制剂转换成临床药物还有待进一步研究。鉴于糖酵解的抑制剂已展现出抗肿瘤效应和药物协同作用[29-30]，探究糖酵解过程如何影响HCC细胞的机制可为治疗HCC开发新的治疗靶点和新的治疗方法。