血小板型磷酸果糖激酶介导的代谢重编程机制及其在疾病中的作用研究进展

王道辉，刘凤英，骆 媛，王 天，王永安

（1.烟台大学药学院分子药理和药物评价教育部重点实验室，山东 烟台 264005；2.军事科学院军事医学研究院毒物药物研究所，抗毒药物与毒理学国家重点实验室，北京 100850）

在人类各种疾病中，尤其是癌症、神经退行性疾病和糖尿病等代谢类疾病，人体细胞在发生病变后常引起整体的代谢模式变化，这种异常改变有碍于人体正常细胞的代谢状态，使病变细胞更具有生长和存活优势，引起病情的发展和恶化。同样，代谢类疾病的致病因素和致病机制复杂多变，一直以来都是医学研究的难点和热点。近年研究表明，细胞因微环境变化或癌变引起的代谢重编程不仅在代谢性疾病研究中具有举足轻重的地位，在其他涉及代谢重编程的疾病中也逐渐成为研究的主要切入点，如呼吸系统疾病。磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase-1，PFK-1）能催化果糖-6-磷酸转化为果糖-1，6-二磷酸，并受果糖-2，6-二磷酸的调控。PFK-1是糖酵解过程的主要限速酶，也是糖酵解过程中的主要调节点。当细胞发生代谢重编程时可通过调节PFK-1，改变糖酵解代谢状态，如肿瘤细胞通过调节PFK-1的活性或表达使代谢模式向有氧糖酵解转变，以支持肿瘤细胞的快速增殖［1-3］。根据构型不同，PFK-1分为3种亚型：肝型PFK在人体中分布广泛，不具有组织特异性；肌肉型PFK主要分布于骨骼肌细胞的内质网中；血小板型PFK（platelet isoform of PFK，PFKP）是其主要活性亚型，介导糖酵解途径的催化反应，是细胞能量代谢的重要调控者。PFKP广泛存在于各种组织细胞中，在细胞代谢、能量产生、细胞生长和增殖等方面发挥重要作用。近年来，PFKP由于在代谢中不可替代的地位，已成为药理学的热门靶点和研究内容。许多研究团队将PFKP作为研究重点，通过改变其活性或表达，或通过对抗病变引发的代谢重编程而引起细胞整体代谢模式的改变，达到调控多种疾病的目的。鉴于PFKP与代谢重编程间的紧密联系，本文综述了PFKP介导的代谢重编程机制及其在多种疾病中的重要调控作用，为基础医学研究和临床治疗提供参考和指导。

1 细胞主要能量代谢途径

通常来说，细胞有2条利用葡萄糖产生ATP的代谢途径：糖酵解途径和三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA）途径。糖酵解途径通过催化酶（如PFKP）的作用，将1分子葡萄糖转化为2分子丙酮酸，净产生2分子ATP［4］。丙酮酸作为糖酵解途径的中间产物，既可转化为乙酰辅酶A参与线粒体的TCA，也能转化为乳酸，而乳酸与多种疾病的严重程度和死亡率密切相关［5］。因此，丙酮酸作为纽带性底物调控2种主要的细胞能量代谢途径。具体来讲，在生理条件下，丙酮酸可被丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）催化生成乙酰辅酶A，并产生2种还原性辅酶参与线粒体的氧化磷酸化，最终产生36分子ATP［6］。然而，当pH值、营养物质或氧浓度等发生改变引起细胞微环境变化时，细胞为适应环境变化必须改变代谢模式，从而满足自身对底物和能量的需求，这种改变自身代谢模式的变化称为代谢重编程［7］。一般来说，细胞发生代谢重编程主要是通过调控代谢途径中关键酶的表达或活性，或影响细胞利用代谢底物进行生物合成和产能的代谢途径，通过改变代谢模式满足细胞生长和增殖的需求，通常指癌细胞发生糖酵解增强的Warburg效应，其中，代谢底物包括葡萄糖、氨基酸和脂肪酸等，代谢途径包括磷酸戊糖途径、糖酵解途径和TCA途径等［8］。研究表明，营养有效性和氧浓度是代谢重编程驱动因素［7］。营养有效性是指细胞所处微环境中进行代谢所需的底物不足时，迫使细胞利用其他能量代谢途径满足代谢需求；氧浓度变化主要影响氧化磷酸化和关键代谢酶的表达，如低氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）和PFKP等［5］。但鉴于代谢重编程主要通过调节代谢酶的活性或表达而改变细胞代谢模式，从而调控细胞对微环境中代谢底物的需求。因此，本文重点讨论关键代谢酶PFKP参与代谢重编程的机制及其与疾病的关系和药物靶向治疗研究进展。

2 PFKP参与代谢重编程的机制

PFKP是糖酵解的三大限速酶之一，许多研究表明，通过调控PFKP表达或活性影响细胞代谢重编程，从而实现对多种疾病的调控作用。

2.1 PFKP的结构与功能

细胞初始合成的PFKP单体无活性且不稳定，需通过二聚反应和低聚反应形成具有活性的稳定四聚体结构，才能发挥催化作用［9］。研究表明，PFKP以浓度和配体依赖方式组装成四聚体，从而维持一定水平糖酵解以满足TCA所需底物。因此，通过影响PFKP四聚体的形成或结构，调控其活性而改变代谢模式，不失为一种有效的干预措施。如变构激活剂 PFK-2/果糖-2，6-二磷酸酶 3（PFK-2/fructose-2，6-bisphosphatase 3，PFKFB3）有利于四聚体的形成［10-12］。然而，当细胞所处微环境发生变化时，如稳态失衡或PFKP高表达，细胞会发生代谢重编程，形成以糖酵解为主的代谢模式。另有研究发现，体细胞发生突变后，新表达的PFKP在结构上发生了明显变化，导致催化活性改变而影响糖酵解。因此，通过改变PFKP活性或表达来调控糖酵解失调可能是一种有效的治疗策略［10］。

2.2 HlF通路调控PFKP介导的代谢重编程

在代谢重编程过程中，多种环境因素可通过调控HIF通路诱导细胞代谢重编程，其中氧浓度降低是主要诱导因素［13］。HIF是炎症关键调控因子，可改善组织炎症所致的缺氧微环境［14］。HIF分为HIF-1和HIF-2亚型，HIF-1又分为HIF-1α和HIF-1β亚型。HIF-1α主要存在于细胞质，当细胞处于缺氧状态时，HIF-1α进入细胞核并与核内HIF-1β结合形成复合体，随后与启动子位点上含有HRE的基因片段结合，激活下游基因转录，如PFKP、葡萄糖转运体1、红细胞生成素和血管内皮生长因子等。通过HIF-1α上调PFKP等基因的表达，引起细胞发生代谢重编程，调节细胞从氧化磷酸化转变为以糖酵解为主的代谢模式［2］。

代谢重编程通过调节能量代谢促进细胞快速生长和增殖，被认为是肿瘤细胞的独特标志，而低氧微环境是导致代谢重编程的重要因素。肿瘤细胞低氧微环境的形成可分为2个阶段［2］：①在细胞癌变初期，细胞微环境氧含量充足，脯氨酰羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）羟基化HIF-1α，再通过泛素化修饰和蛋白酶体降解，完成HIF-1α降解，维持细胞内HIF-1α动态平衡。但肿瘤细胞内琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）可发生突变而失去催化活性，无法将琥珀酸转化为富马酸，使肿瘤细胞内积累大量琥珀酸。除上述累积方式外，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）可诱导柠檬酸失衡并产生累积，这会诱导衣康酸积累，衣康酸是SDH弱竞争性拮抗剂，同样也会导致大量琥珀酸积累。通过以上方式，细胞内超出正常水平的琥珀酸诱导PHD失活，引起胞内HIF-1α诱导多种基因表达，诱发代谢重编程，生成“假低氧”状态。这样的变化使肿瘤细胞优先利用糖酵解作为代谢途径，消耗大量葡萄糖而快速产能，以满足细胞对底物的需求，达到肿瘤细胞快速生长和增殖的目的。②细胞癌变后的短时间内，肿瘤细胞会处于快速增殖状态，极易出现血管化程度不全情况，导致微环境代谢所需底物匮乏，如葡萄糖和氧，形成真正的低氧状态，并进一步诱导HIF调控PFKP在肿瘤细胞的代谢重编程。基于此，许多研究结果表明，通过靶向调控HIF-1或PHD，可抑制肿瘤细胞生长、增殖和转移［15］。

在这2个阶段中，以细胞癌变初期研究最为深入，并将这种“假低氧”环境的代谢模式称为Warburg效应，即在氧充足条件下，恶性肿瘤细胞的糖酵解代谢依然有异常活跃的有氧糖酵解方式［16］。一般情况下，肿瘤细胞利用代谢重编程改变代谢模式，向产生ATP速度快于氧化磷酸化的糖酵解转变，从而满足自身对快速增殖和生长的需求［17］。通常表现为葡萄糖摄取量提高，乳酸产量提高，单次ATP产量少，但速度快，可满足能量需求。因此，基于Warburg效应的分子或基因水平调控为肿瘤的靶向治疗提供了新策略。Warburg效应依赖的糖酵解途径存在3个关键的限速酶：己糖激酶、PFK-1和丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK），均是糖酵解途径不可逆反应的催化酶，控制代谢水平［5］。肿瘤细胞发生代谢重编程依赖的Warburg效应主要通过调节糖酵解限速酶的表达或活性，改善微环境资源供应不足的情况，满足肿瘤细胞生长、增殖和侵袭能力的需求［14］。因此，调控糖酵解限速酶是癌症或代谢类疾病的主要治疗策略。

总之，发生低氧或细胞癌变后，细胞内HIF-1通过激活细胞核内启动子位点含有HRE的基因片段，上调以PFKP为代表的糖酵解基因表达，提高细胞的糖酵解能力，引起细胞代谢重编程，使代谢模式从氧化磷酸化转化为以糖酵解为主的Warburg效应，满足细胞生长增殖对代谢底物和能量的需求。

2.3 PFKP介导的代谢重编程的其他分子机制

在糖酵解途径中，PFKP作为限速酶具有调节代谢的重要作用。研究发现，激活蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）可促进PFKP表达。三结构域蛋白21（tripartite motif-containing protein 21，TRIM21）含E3连接酶，可引起PFKP泛素化，最终完全降解，保持稳态。但PFKP的S386位点在特殊条件下可被Akt磷酸化，而磷酸化PFKP无法被TRIM21泛素化，使PFKP含量升高［18］。另外，该过程还通过调节M2型丙酮酸激酶的上游底物磷酸烯醇式丙酮酸的产生及其变构活化剂果糖-6-磷酸产量共调节M2型丙酮酸激酶活性。此外，磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）-Akt-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路也是经典的PFKP激活机制，这一信号通路还可通过三碘甲状腺原氨酸与甲状腺激素受体β结合而激活，调节代谢模式［19］。因此，PFKP表达高低可反映细胞代谢模式及状态。

糖酵解途径和戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway，PPP）中的关键限速酶活性，如PFKP，可被硫氧还蛋白相互作用蛋白（thioredoxininteracting protein，TXNIP）改变而改善细胞内能量供应［20］。上述研究表明，硫氧还蛋白系统的功能可被TXNIP抑制，介导如氧化应激、抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡等。首先，PPP通过增加还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和还原型/氧化型谷胱甘肽的比值调节氧化还原功能，共同对抗活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）。其次，抑制TXNIP可导致葡萄糖转运体1的mRNA和蛋白水平明显升高，表明葡萄糖摄取提高。最后，PFKP、PK和乳酸脱氢酶活性提高，从而增加丙酮酸和乳酸生成、提升细胞内ATP水平和增强线粒体活性。以上3方面共同作用改变细胞代谢模式。

除改变蛋白水平引起代谢模式的变化，基因层面也有相似变化。PFKP基因的启动子区域不仅可被HIF-1复合体结合，也可被转录因子Krüppel样因子4（Krüppel-like factor 4，KLF4）或含锌指结构的转录调节因子GATA4结合并促进相关基因转录表达，引起细胞代谢重编程［21-22］。鉴于此，通过靶向结合PFKP基因启动子位点发生促进或抑制作用也是一种改变代谢模式的策略。

不仅如此，当PFKP的表达或活性被抑制时也会诱导代谢模式变化。Kim等［23］研究表明，PFKP活性可被上皮-间充质转化的关键转录抑制因子Snail抑制，从而调节糖酵解通量，使更多葡萄糖进入到PPP，并调节NADPH稳态，特别是在资源有限的分解代谢环境中更为明显。Snail也可抑制果糖-1，6-二磷酸脂酶（PFK-1催化反应的逆反应催化酶），使糖酵解效率增高。另外，在卵丘细胞中，过量神经生长因子（nerve growth factor，NGF）会与神经营养受体酪氨酸激酶1（NGF的高亲和力受体）结合，从而显著降低PFKP和乳酸脱氢酶A的转录和表达［24］。

3 PFKP介导的代谢重编程与疾病

多种疾病中，如癌症和呼吸系统疾病，PFKP介导的代谢重编程均具有重要的调控作用。在癌症中，细胞通过PFKP介导的代谢重编程不仅维持和加快肿瘤细胞的生长、增殖和侵袭，且靶向抑制PFKP的表达或活性。此外，相比于其他人体系统，在呼吸系统疾病中，细胞能量代谢的影响更加显著。因此，调节代谢对于疾病的致病和治疗都十分重要。在其他疾病的研究中，也出现微环境变化引起PFKP介导代谢重编程的发生。

3.1 肿瘤

有氧糖酵解对肿瘤细胞具有重要意义，不仅能为细胞快速供能，还能产生各种底物，为肿瘤生长、增殖和侵袭提供能量和物质保障。

在多种肿瘤组织中均发现PFKP高表达，包括乳腺癌、肝癌和胰腺导管腺癌等。Cardim等［25］研究发现，PFKP可调节P44/42丝裂原活化蛋白激酶（P44/42 mitogen-activated protein kinase，P44/42 MAPK）通路的信号转导，诱发代谢重编程。敲除PFKP会下调P44/42 MAPK表达，同时肿瘤细胞对抗肿瘤药物敏感性显著增强；而PFKP表达增高时，肿瘤细胞对抗肿瘤药物的耐受性显著增强。此外，异柠檬酸脱氢酶1（isocitrate dehydrogenase 1，IDH-1）发生突变可导致PFKP表达增加，引起糖酵解增强，促进肿瘤发生［26］。以上研究结果表明，在筛选抗肿瘤药物时，可以PFKP介导的代谢重编程为出发点，指导药物的研发。

共济失调-毛细血管扩张突变激酶（ataxia-telangiectasia mutated kinase，ATM）是抗DNA损伤的调节因子，然而在低氧条件下，细胞会生成与DNA损伤无关的氧化ATM，并激活HIF-1α结合HRE，上调PFKP表达增强糖酵解，促进乳腺癌细胞生长和转移［27］。因此，通过靶向抑制氧化ATM调控PFKP可抑制乳腺癌发展。另外，当口腔鳞癌处于“饥饿”条件时，PFKP表达明显增加，这会促进糖酵解、细胞自噬和上皮-间充质转化，引起口腔鳞癌快速发展［28］。因此，肿瘤细胞在微环境发生变化时，多通过改变PFKP的表达引起代谢重编程，适应环境继续生长增殖。

此外，PFKP在抑制肿瘤方面也发挥重要作用。如肝癌细胞的WAP 4-二硫化物核心域蛋白21的假基因（WAP four-disulfide core domain 21 pseudogene，WFDC21P，一种长链非编码RNA）可与PFKP靶向结合，阻碍四聚体的形成而抑制其活性，从而抑制肝癌细胞的增殖、生长和侵袭［29］。WFDC21P也可与M2型丙酮酸激酶（M2 type pyruvate kinase，PKM2）结合，阻止PKM2核转位，抑制HIF-1α对相关基因表达的调控作用。WFDC21P在结构上存在明显的区域划分，WFDC21P的外显子3（421-621nt）负责与PFKP相互作用，而外显子2（272-420nt）负责与PKM2相互作用。上述研究表明，WFDC21P通过调控PFKP的活性介导代谢重编程而影响肿瘤细胞代谢模式。

ZBTB7A蛋白，又称POKEMON，属于人POZ/BTB和Kruppel（POK）转录抑制因子家族，在透明细胞性肾细胞癌中可直接与PFKP基因启动子区域结合并产生抑制性作用，从而抑制肿瘤生长［30］。另外，在乳腺癌细胞中，PFKP表达减少与WNT5A（一种分泌型糖蛋白）信号通路相关［31］，具体来说，WNT5A显著抑制胞外信号调节蛋白激酶1/2（extracellular regulated protein kinases1/2，ERK1/2）信号转导，而ERK1/2可激活β连环蛋白并诱导PFKP表达。因此，乳腺癌细胞的WNT5A高表达可抑制PFKP，从而抑制肿瘤进展。从以上研究不难发现，内源性物质能影响PFKP的表达而引起代谢重编程和代谢模式的变化，因此，外源性的补充或干预是一种对抗肿瘤的治疗策略。

3.2 呼吸系统疾病

低氧、基因突变等致病因素会引起急性肺损伤（acute lung injury，ALI）、肺动脉高压、肺纤维化等呼吸系统疾病。研究发现，代谢重编程与很多呼吸系统疾病的病理生理过程亦密切相关。

LPS可激活肺成纤维细胞PI3K-Akt-mTOR信号通路，引起PFKP诱导的代谢重编程，激活并促进肺成纤维细胞增殖，同时合成大量胶原，最终引起肺纤维化［32］。Gong等［33］研究结果显示，PFKP也参与脓毒症所致ALI的病理过程。大多数脓毒症和脓毒性休克患者的血清中乳酸浓度会异常升高，表明糖酵解是该类患者的主要代谢方式。在Wang等［34］的报道中也出现相似的研究结果，异常增强的糖酵解产生过量的乳酸激活NF-κB信号通路，这会产生并释放促炎因子、黏附因子和趋化因子等，引起白细胞聚集、浸润并增强内皮细胞通透性，导致细胞功能紊乱、炎症和肺水肿等，最终形成ALI。进一步研究表明，PFKP高表达会引起内皮细胞糖酵解增强，激活NF-κB通路，促进炎症因子表达［35］。炎症因子在早期可诱导肺内皮细胞炎症，并引发肺血管收缩，在后期可造成内皮细胞增殖，引起丛状病变，形成肺动脉高压。在这种病理条件下，细胞以糖酵解作为主要代谢方式，进一步引起病情恶化，形成恶性循环。通过以上机制研究发现，PFKP介导代谢重编程改变代谢模式在呼吸系统疾病的病理生理过程尤为重要。因此，影响代谢模式发生改变是治疗呼吸系统疾病的可行性策略。

3.3 其他疾病

除肿瘤和呼吸系统疾病外，PFKP介导的代谢重编程也参与其他疾病的病理生理过程，其中类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）最具代表性。RA患者关节腔内含有大量滑膜液，病变后细胞所处微环境出现特殊变化，促使细胞发生PFKP介导的代谢重编程［12］。RA患者病理变化主要表现为微环境中葡萄糖浓度降低和乳酸浓度升高，形成低氧微环境。在这种病理条件下，细胞产生HIF信号级联反应，诱导包括PFKP在内的基因表达。因此，细胞能借助PFKP介导的代谢重编程适应低氧微环境而继续生长增殖。然而代谢重编程并非都是病理性的，神经元的分化过程中也会出现代谢重编程，并由3种不同代谢途径共同进行调控：早期分化阶段是PFKP介导的糖酵解增强；后期分化阶段，细胞借助线粒体生物合成途径和谷氨酸-谷氨酰胺途径共同作用完成神经元分化进程［36］。

4 基于PFKP分子的药物靶向治疗策略

鉴于PFKP在多种疾病中具有重要调控作用，因此，基于PFKP介导代谢重编程的靶向治疗策略成为研究热点。老药新用是新药开发有效、快捷的策略之一，Spitz等［37］研究发现，阿司匹林不仅具有解热、镇痛和抗炎等传统的药理活性，还可以剂量依赖性方式改变PFKP四聚体结构而达到抑制细胞糖酵解的目的。此外，克霉唑（clotrimazole）除具有抑制真菌细胞膜的合成以及影响代谢过程的作用外，还可通过与阿司匹林相似的作用机制对PFKP产生同样的效果［38］。在传统中医药研究中，黄酮醇类化合物槲皮素对多种疾病具有良好疗效，不仅可显著减少脂肪因子表达，还能抑制低氧条件下ROS生成，从而保护线粒体和稳定HIF-1α。然而，最近研究发现，槲皮素亦可间接抑制PFKP，纵使在低氧条件下也能对线粒体起到保护作用［39］。除外源性物质的治疗策略，近几年发现，某些内源性物质对PFKP也能达到类似作用。一般情况下，R-2-羟基戊二酸（R-2-hydroxyglutarate，R-2HG）由异柠檬酸脱氢酶催化产生，外源性增加R-2HG可抑制白血病患者细胞中出现的PFKP高表达情况，达到抑制有氧糖酵解的目的［40］。此外，HMG-CoA还原降解酶1（HMG-CoA reductase degradation protein 1，HRD1）在生理条件下可与PFKP结合，发生泛素化并促进PFKP降解，从而保持PFKP稳态。在乳腺癌细胞中给予一定剂量的HRD1，可降低PFKP蛋白含量和活性，抑制乳腺癌生长和转移，为乳腺癌提供新的治疗策略［41］。除作为糖酵解途径中的限速酶外，PFKP还能磷酸化2，5-脱水甘露醇生成2，5-脱水-D-葡萄糖醇-1，6-二磷酸。通过在细胞培养液中额外添加2，5-脱水-D-葡萄糖醇-1，6-二磷酸可达到竞争性抑制PFKP表达和活性的目的，从而抑制PFKP在糖酵解中的作用［42］。综上，通过靶向PFKP改变细胞病理状态下的代谢模式是一种高效治疗策略。随着对PFKP介导代谢重编程在疾病中机制的深入研究，未来将会有更多基于PFKP分子的药物靶向治疗策略出现。

5 结语

近几年的研究中，不仅癌症，在许多其他难以攻克的疾病（如呼吸系统疾病、神经退行性疾病和糖尿病等）中也发现了以代谢重编程为主的特殊致病机制及PFKP对糖酵解的调控性作用。在对抗疾病过程中，代谢重编程引起代谢模式的改变一直是研究者们关注的焦点，其中，关键糖酵解酶PFKP是不可忽视的重要因素。近年来，随着对PFKP介导代谢重编程的机制探索越来越深入，PFKP的靶向性药物逐渐增多。无论是老药新用的研发思路，还是竞争性抑制的研究路线，都在不断地为对抗代谢重编程提供新的治疗策略，为靶向药物的研发提供新的例证。在研究新型对抗代谢重编程药物的同时，除将经典的PFKP作为主要研究机制和靶点外，也要考虑糖酵解之外的其他能量代谢途径并深入研究，为新药研发提供更可靠的信息数据并拓展更宽广的研究领域。