張晶，張淑蘭

3-磷酸甘油酸脫氫酶在腫瘤中的研究進展

張晶，張淑蘭△

3-磷酸甘油酸脫氫酶（3-PGDH或PHGDH）是絲氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶。其編碼基因PHGDH位于人類染色體1p12，在一些正常組織中存在高表達，特別對神經(jīng)系統(tǒng)功能發(fā)育有著重要作用。近年研究發(fā)現(xiàn)在一些腫瘤細胞中糖酵解途徑的部分中間產(chǎn)物進入絲氨酸合成途徑，PHGDH酶活性增強、基因出現(xiàn)擴增且蛋白存在高表達，參與調(diào)控腫瘤細胞的增殖、凋亡及侵襲等過程。腫瘤細胞代謝方式的改變利于腫瘤的發(fā)生發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH可抑制腫瘤細胞增殖并增加細胞凋亡，沉默PHGDH后還可抑制腫瘤細胞侵襲，PHGDH有望成為腫瘤治療的新靶點。主要從PHGDH基因概述、功能及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用等方面進行研究進展綜述。

腫瘤；絲氨酸合成途徑；3-磷酸甘油酸脫氫酶

（J Int Obstet Gynecol，2016，43:331-334）

眾所周知，許多腫瘤在有氧條件下存在糖酵解增強的現(xiàn)象，即“warburg效應(yīng)”［1］。腫瘤細胞代謝方式的改變是腫瘤的核心標志之一，但是仍有許多問題尚未解釋清楚，例如何種因素調(diào)節(jié)這些代謝途徑的改變，代謝途徑變化如何影響腫瘤發(fā)生發(fā)展等。關(guān)于腫瘤代謝方面的研究經(jīng)歷一段時間的沉寂后，又重新成為研究的熱點。目前研究提出代謝途徑的改變一方面保證腫瘤增長所需的能量，另一方面代謝的中間產(chǎn)物又為合成蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等大分子提供原料，這使腫瘤形成依賴代謝關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)，所以深入研究其機制勢必會為腫瘤的治療找到新的靶點。2011年發(fā)表在Nature和Nature Genetics上的兩篇文章將研究焦點引入到腫瘤的絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶——3-磷酸甘油酸脫氫酶（D-3-phosphoglycerate dehydrogenase，3-PGDH或phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH），并引起了大量研究者的興趣，至今多項研究證實了絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶PHGDH在腫瘤中發(fā)揮重要作用，本文就PHGDH及其在腫瘤中的研究結(jié)果進行綜述。

1 PHGDH基因概述

PHGDH基因位于人類染色體1p12，目前發(fā)現(xiàn)有多種不同的剪接轉(zhuǎn)錄體，但是其全長基因的性質(zhì)尚未完全清楚，有報道cDNA全長2 478 bp。PHGDH基因有12個外顯子，估計有533個氨基酸的開放讀碼框，編碼長為56.8 ku的蛋白，與小鼠肝臟Phgdh蛋白有94%的同源性［2］。小鼠Phgdh基因全長大約27 kb，位于3號染色體F2-F3區(qū)，包含12個外顯子和11個內(nèi)含子，所有的外顯子與內(nèi)含子的交界處都包含一致的剪接信號，并遵循GT/AG規(guī)律。分析小鼠5′側(cè)翼區(qū)長度1.8 kb的片段，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄起始位點并不包含經(jīng)典的TATA盒子，而是在富含GC的近側(cè)區(qū)包含一個潛在的Sp1識別序列。計算分析發(fā)現(xiàn)人與小鼠富含GC的近側(cè)序列有71.3%相同，并且在小鼠、大鼠、人類富含GC的近側(cè)序列都包含保守的GC盒子和CAAT盒子。保守的Sp1識別位點對發(fā)揮基本啟動子活性是非常重要的［3］。Jun等［4］通過突變分析、凝膠遷移實驗（EMSA）、染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）方法證實轉(zhuǎn)錄因子SP-1、核轉(zhuǎn)錄因子-Y（NF-Y）是PHGDH基因的啟動子。

在人體正常組織中可以檢測到PHGDH有兩個不同的轉(zhuǎn)錄本。其中占優(yōu)勢的長為2.1 kb的轉(zhuǎn)錄本在前列腺、睪丸、卵巢、腦、肝、腎、胰腺中高表達，在甲狀腺、結(jié)腸、心臟中低表達，長為710 bp的轉(zhuǎn)錄本在長為2.1 kb的轉(zhuǎn)錄本表達的組織中也有較弱的表達，但在心臟及骨骼肌中更為重要。PHGDH mRNA在人白血病細胞、淋巴瘤Sup-T1、結(jié)腸腺癌COLO 320DM、上皮性腫瘤HeLa S3、鼠淋巴瘤BW5147.G. 1.4中都有顯著表達，但在人白血病K526細胞中則無表達［2］。

在鼠的子宮內(nèi)膜及人子宮內(nèi)膜細胞中PHGDH受同源框基因A10（HOXA10）反向調(diào)節(jié)，應(yīng)用免疫組化方法檢測到PHGDH存在于人子宮內(nèi)膜間質(zhì)細胞及腺細胞的胞質(zhì)中，在增殖期子宮內(nèi)膜中PHGDH表達水平相對較高，而在分泌期相對較低［5］。

在發(fā)育中及成熟的腦組織中，PHGDH的調(diào)節(jié)受細胞種系特異性行為的影響，主要是神經(jīng)上皮干細胞、放射狀膠質(zhì)細胞、星形細胞。PHGDH缺乏可導(dǎo)致兒童神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，如先天小頭畸形、重度精神運動發(fā)育遲緩、高顱壓、癲癇、生長發(fā)育遲緩、性腺發(fā)育不全［6］。

2 PHGDH催化絲氨酸合成途徑的作用

PHGDH是L-絲氨酸從頭合成的關(guān)鍵酶，作用在絲氨酸合成途徑的第1步，即氧化3-磷酸甘油酸酯（3PG）生成3-磷酸羥基丙酮酸（3-phosphohydroxypyruvate，pPYR），煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）作為輔助因子。接下來pPYR在磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶（phosphoserine aminotransferase，PSAT）作用下轉(zhuǎn)氨基形成磷酸絲氨酸（phosphoserine，pSER）和α酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，αKG），由谷氨酸提供氮。最后pSER在磷酸絲氨酸磷酸化酶（phosphoserine phosphatase，PSPH）的作用下脫磷酸形成絲氨酸。絲氨酸可通過給葉酸池中提供一碳單位而直接轉(zhuǎn)化成甘氨酸。絲氨酸合成途徑可以說是從糖酵解途徑在3PG處的一個分支。糖酵解途徑的中間產(chǎn)物3PG流入絲氨酸合成途徑，可產(chǎn)生如下作用：①限制三磷酸腺苷（ATP）的產(chǎn)生；②3PG氧化使NAD+轉(zhuǎn)化為NADH而影響氧化還原狀態(tài)；③絲氨酸合成途徑產(chǎn)物絲氨酸和甘氨酸是生物合成通路的前體，如絲氨酸是合成嘌呤、嘧啶的前體；④絲氨酸合成甘氨酸時為葉酸池提供一碳單位，有利于生物合成及DNA甲基化；⑤α酮戊二酸的產(chǎn)生為線粒體三羧酸循環(huán)補充其所需的50%的谷氨酰胺。

3 PHGDH與腫瘤關(guān)系的研究

3.1 PHGDH在腫瘤中的酶活性增強早期關(guān)于PHGDH與腫瘤的研究主要關(guān)注在酶活性方面，Snell等［7］檢測了人直腸癌及鼠移植肉瘤模型中絲氨酸代謝相關(guān)酶的活性，發(fā)現(xiàn)絲氨酸脫水酶及絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶的活性缺失，而PHGDH及絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶的活性在上述兩種腫瘤中明顯增高。PHGDH是絲氨酸從頭合成的關(guān)鍵酶，絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶則催化絲氨酸合成甘氨酸及甲基四氫葉酸，后兩者為核苷酸合成的重要前體，并提出絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶可能成為腫瘤治療的新靶點，可以說Snell等［7］當時尚未關(guān)注PHGDH的作用。

3.2 PHGDH在腫瘤中的表達PHGDH在乳腺癌中的研究最多，多項研究發(fā)現(xiàn)在乳腺癌中不但PHGDH所在的基因組區(qū)域拷貝數(shù)增加，而且PHGDH的mRNA及蛋白水平均明顯增高。另外發(fā)現(xiàn)PHGDH高表達與三陰性（PR/ER/Her2）及基底亞型相關(guān)，與轉(zhuǎn)移情況、腫瘤體積不相關(guān)，證實PHGDH的表達是亞型特異性的［8-9］。Kim等［10］利用組織芯片通過免疫組織化學(xué)方法檢測PHGDH等多個絲氨酸合成途徑酶在6個乳腺癌細胞系及709例乳腺癌組織中的表達，且通過單因素分析得出腫瘤中PHGDH高表達與生存期縮短相關(guān)，但COX多因素分析得出腫瘤中PHGDH陰性與無瘤生存期縮短相關(guān)，結(jié)果不一致，尚需進一步研究證實。Kwon等［11］同樣利用組織芯片檢測203例分葉狀腫瘤中PHGDH等絲氨酸和甘氨酸合成途徑酶的表達情況及與臨床病理因素的相關(guān)性，結(jié)果表明在分葉狀腫瘤間質(zhì)中PHGDH存在高表達且與腫瘤分期呈正相關(guān)，通過單因素分析得出間質(zhì)中PHGDH表達增加與無病生存期縮短相關(guān)。

PHGDH在其他一些腫瘤中也存在高表達。Mullarky等［12］發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤中同樣存在PHGDH基因的擴增，而且PHGDH拷貝數(shù)越多其蛋白表達水平越高。Liu等［13］研究發(fā)現(xiàn)PHGDH mRNA及蛋白在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中均存在高表達，且表達水平與世界衛(wèi)生組織（WHO）分級呈正相關(guān)，Kaplan-Meier生存分析顯示PHGDH的表達水平與神經(jīng)膠質(zhì)瘤預(yù)后相關(guān)。研究者研究發(fā)現(xiàn)PHGDH在宮頸癌中存在高表達，且與國際婦產(chǎn)科聯(lián)盟（FIGO）分期及腫瘤大小呈正相關(guān)，在宮頸鱗癌中PHGDH的表達與宮頸鱗狀上皮抗原（SCC-Ag）的表達呈正相關(guān)［14］。最近又有研究報道PHGDH在結(jié)腸癌組織中的表達明顯高于癌旁正常組織［15］。

3.3 PHGDH對腫瘤細胞增殖凋亡的影響PHGDH在多種腫瘤中存在高表達并且與一些臨床病理參數(shù)存在相關(guān)性，PHGDH可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，目前多項研究深入探討了PHGDH對腫瘤細胞增殖凋亡的影響。Locasale等［9］研究PHGDH在乳腺癌細胞中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高表達PHGDH的細胞系中，即使培養(yǎng)液中缺乏絲氨酸，不影響細胞生長，但在低表達PHGDH的細胞系中，如培養(yǎng)液中缺乏絲氨酸，則可導(dǎo)致細胞生長變慢或停止。抑制PHGDH高表達細胞系的PHGDH，絲氨酸合成途徑流量減少，細胞增殖明顯下降。在PHGDH低表達的細胞系（MCF-10A）中通過轉(zhuǎn)染使其高表達PHGDH，在無絲氨酸的培養(yǎng)液中也可增殖。Liu等［13］研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH可抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細胞的增殖并將細胞阻斷在G2期，其機制可能與沉默PHGDH后下調(diào)細胞周期檢測點激酶2（Chk2）和細胞周期素D1（cyclin D1）的表達相關(guān)。Ou等［16］研究發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤細胞中p53可抑制PHGDH的表達而誘導(dǎo)細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)在宮頸癌中沉默PHGDH后可抑制HeLa細胞增殖并增強其順鉑化療敏感性，并發(fā)現(xiàn)PHGDH可調(diào)節(jié)HeLa細胞中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）及B細胞淋巴瘤/白血病-2（Bcl-2）的表達［17］。

在體內(nèi)研究中，多個研究證實沉默PHGDH可抑制荷瘤鼠模型腫瘤的生長［13，17］。但Chen等［18］研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH初期可抑制荷瘤鼠模型腫瘤的生長，逐漸對腫瘤生長的抑制作用減輕，提出沉默PHGDH可能對腫瘤初期形成有抑制作用，但對于腫瘤發(fā)展無明顯抑制作用。所以尚需進一步開展體內(nèi)研究明確PHGDH對腫瘤細胞增殖的影響。

上述多項研究可以得出PHGDH是腫瘤細胞中控制絲氨酸合成途徑流量的關(guān)鍵酶，PHGDH可促進腫瘤細胞的生長增殖。

3.4 PHGDH對腫瘤細胞其他代謝途徑的影響腫瘤細胞代謝是一個錯綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，不同代謝途徑之間存在著相互作用。在絲氨酸合成途徑中，每產(chǎn)生1摩爾的絲氨酸就會產(chǎn)生等摩爾的α酮戊二酸，如抑制PHGDH，α酮戊二酸的減少程度比絲氨酸明顯，α酮戊二酸參與三羧酸循環(huán)，同時引起三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的減少。在PHGDH高表達的細胞中，絲氨酸合成途徑上調(diào)補給反應(yīng)，使大概50%的谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為α酮戊二酸補充三羧酸循環(huán)所需［8］。另外新近有研究發(fā)現(xiàn)PHGDH可催化α酮戊二酸生成癌代謝產(chǎn)物2-羥基戊二酸，其相關(guān)作用機制尚需進一步研究［19］。

4 展望

綜上所述，目前研究已證實一些腫瘤細胞在代謝過程中部分葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物進入絲氨酸合成途徑，在特定壓力的作用下，使腫瘤細胞不得不通過這條途徑為自己的生長增殖提供原料和能量，這樣PHGDH作為絲氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶在腫瘤中便發(fā)揮重要作用。但是研究剛剛起步，首先，關(guān)于PHGDH基因表達調(diào)控的機制尚未完全清楚，PHGDH在腫瘤細胞中高表達是受缺氧等環(huán)境因素影響還是受到癌基因或通路的影響尚不清楚。另外新近Gromova等［20］研究提出PHGDH的表達與角蛋白5陽性的細胞相關(guān)，而不一定是惡性腫瘤細胞，但這尚需進一步證實。其次，腫瘤在代謝中選擇絲氨酸合成途徑的原因尚不清楚，絲氨酸合成途徑可能帶給腫瘤細胞諸多好處，但若發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞的依賴點，將為繼續(xù)研究腫瘤的治療帶來重要的影響。最后，絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶PHGDH與其他代謝途徑間的關(guān)系尚不完全清楚。在腫瘤細胞代謝重新成為研究熱點的今天，PHGDH基因及絲氨酸代謝途徑無疑又給探索腫瘤治療提供了新的導(dǎo)向，對其進行深入研究，PHGDH就可能成為腫瘤治療的新靶點。

［1］DeBerardinis RJ.Serine metabolism:some tumors take the road less traveled［J］.Cell Metab，2011，14（3）：285-286.

［2］ChoHM，JunDY，BaeMA，etal.Nucleotidesequenceand differentialexpressionofthehuman3-phosphoglycerate dehydrogenase gene［J］.Gene，2000，245（1）：193-201.

［3］Mitoma J，F(xiàn)uruya S，Shimizu M，et al.Mouse 3-phosphoglycerate dehydrogenasegene:genomic organization，chromosomal localization，and promoter analysis［J］.Gene，2004，334：15-22.

［4］Jun DY，Park HS，Lee JY，et al.Positive regulation of promoter activity of human 3-phosphoglycerate dehydrogenase（PHGDH）gene is mediated by transcription factors Sp1 and NF-Y［J］.Gene，2008，414（1/2）：106-114.

［5］Du H，Vitiello D，Sarno JL，et al.3-Phosphoglycerate dehydrogenase expression is regulated by HOXA10 in murine endometrium and human endometrial cells［J］.Reproduction，2010，139（1）：237-245.

［6］Jaeken J，Detheux M，Van Maldergem L，et al.3-Phosphoglyceratedehydrogenase deficiency:an inborn error of serine biosynthesis［J］. Arch Dis Child，1996，74（6）：542-545.

［7］Snell K，Natsumeda Y，Eble JN，et al.Enzymic imbalance in serine metabolism in human colon carcinoma and rat sarcoma［J］.Br J Cancer，1988，57（1）：87-90.

［8］Possemato R，Marks KM，Shaul YD，et al.Functional genomics reveal that the serine synthesis pathway is essential in breast cancer［J］. Nature，2011，476（7360）：346-350.

［9］LocasaleJW，GrassianAR，MelmanT，etal.Phosphoglycerate dehydrogenase diverts glycolytic flux and contributes to oncogenesis ［J］.Nat Genet，2011，43（9）：869-874.

［10］Kim SK，Jung WH，Koo JS.Differential expression of enzymes associated with serine/glycine metabolism in different breast cancer subtypes［J］.PLoS One，2014，9（6）：e101004.

［11］Kwon JE，Kim DH，Jung WH，et al.Expression of serine and glycinerelated enzymes in phyllodes tumor［J］.Neoplasma，2014，61（5）：566-578.

［12］Mullarky E，MattainiKR，VanderHeidenMG，etal.PHGDH amplification and altered glucose metabolism in human melanoma［J］. Pigment Cell Melanoma Res，2011，24（6）：1112-1115.

［13］Liu J，Guo S，Li Q，et al.Phosphoglycerate dehydrogenase induces glioma cells proliferation and invasion by stabilizing forkhead box M1 ［J］.J Neurooncol，2013，111（3）：245-255.

［14］Jing Z，Heng W，Aiping D，et al.Expression and clinical significance of phosphoglycerate dehydrogenase and squamous cell carcinoma antigen in cervical cancer［J］.Int J Gynecol Cancer，2013，23（8）：1465-1469.

［15］Yoon S，Kim JG，Seo AN，et al.Clinical Implication of Serine Metabolism-Associated Enzymes in Colon Cancer［J］.Oncology，2015，89（6）：351-359.

［16］Ou Y，Wang SJ，Jiang L，et al.p53 Protein-mediated regulation of phosphoglycerate dehydrogenase（PHGDH）is crucial for the apoptotic response upon serine starvation［J］.J Biol Chem，2015，290 （1）：457-466.

［17］Jing Z，Heng W，Xia L，et al.Downregulation of phosphoglycerate dehydrogenaseinhibitsproliferationandenhancescisplatin sensitivity in cervical adenocarcinoma cells by regulating Bcl-2 and caspase-3［J］.Cancer Biol Ther，2015，16（4）：541-548.

［18］Chen J，Chung F，Yang G，et al.Phosphoglycerate dehydrogenase is dispensable for breast tumor maintenance and growth［J］.Oncotarget，2013，4（12）：2502-2511.

［19］Fan J，Teng X，Liu L，et al.Human phosphoglycerate dehydrogenase produces the oncometabolite D-2-hydroxyglutarate［J］.ACS Chem Biol，2015，10（2）：510-516.

［20］Gromova I，Gromov P，Honma N，et al.High level PHGDH expression in breast is predominantly associated with keratin 5-positive cell lineage independently of malignancy［J］.Mol Oncol，2015，9（8）：1636-1654.

The Effect of Phosphoglycerate Dehydrogenase in Tumors

ZHANG Jing，ZHANG Shu-lan.Department of Obstetrics

and Gynecology，Shengjing Hospital，China Medical University，Shenyang 110004，China

Phosphoglycerate dehydrogenase（3-PGDH or PHGDH）is the key enzyme of de novo serine biosynthesis. The PHGDH gene located in human chromosomes 1p12，which is highly expressed in normal tissue，especially for the nervous system function.Recently，it was shown that a part of intermediate metabolites of glycolysis flew to serine biosynthesis.It was found PHGDH gene amplification and over expression in some tumor，PHGDH regulated tumor cell proliferation，apoptosis and invasion.Cell metabolism of tumor is benefit to tumor oncogenesis and progression.The study found that silence PHGDH can inhibit tumor cell proliferation，invasion and increase cell apoptosis.And PHGDH may be a potential treatment target.In this paper，we will review briefly the studies on PHGDH，including structural features，biological function and the genesis and development effect in some tumor.

Neoplasms；Serine biosynthesis；Phosphoglycerate dehydrogenase

2015-11-19）

［本文編輯 王琳］

110004 沈陽，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院婦產(chǎn)科

△審校者