楊建芬,劉瑤

(1贛南醫(yī)學(xué)院，江西贛州 341000；2贛南醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院)

與正常細胞相比，為滿足惡性增殖對能量和養(yǎng)分的需求，腫瘤細胞往往會適應(yīng)性地改變代謝方式，從氧化磷酸化代謝途徑向糖酵解途徑轉(zhuǎn)變，改變氨基酸代謝及脂質(zhì)代謝等，從而滿足必要的能量供應(yīng)以及生物合成需求，為腫瘤細胞的快速增殖提供基礎(chǔ)，這一過程稱為腫瘤的代謝重編程。近年越來越多的學(xué)者試圖研究腫瘤代謝重編程的發(fā)生機制，以及代謝重編程中的多種調(diào)控因子。高遷移率族蛋白B1(HMGB1)在多種腫瘤中高表達[1]，并參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[2]。研究發(fā)現(xiàn)，HMGB1可通過多種途徑參與腫瘤代謝重編程。因此了解HMGB1與腫瘤代謝重編程在腫瘤中的作用以及兩者之間的關(guān)系具有重要意義。

1 腫瘤代謝重編程

2011年，Hanahan等[3]概述了腫瘤的十大特征，包括持續(xù)的增殖、無限復(fù)制能力、逃避生長抑制因子、持續(xù)血管生成、抵抗細胞凋亡、浸潤和遷移、形成腫瘤炎性微環(huán)境、基因組不穩(wěn)定和突變、異常的代謝表型和免疫逃逸。其中代謝表型的異常是腫瘤代謝重編程的結(jié)果。腫瘤的代謝重編程是指通過改變腫瘤細胞的能量代謝方式以適應(yīng)逆境而保持快速生長，其增強了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以提供能量和生物合成[4]。腫瘤代謝重編程主要表現(xiàn)為：氧化還原代謝異常(葡萄糖以氧酵解為主)、谷氨酰胺分解代謝活躍、脂代謝異常等。即使是有氧條件下，腫瘤細胞的一個顯著特性[3]是更傾向于利用糖酵解來產(chǎn)能，這種現(xiàn)象稱為沃伯格(Warburg)效應(yīng)[5]。早期研究以為，Warburg效應(yīng)是由于線粒體功能受損、氧化磷酸化反應(yīng)受到抑制。近年越來越多的證據(jù)表明，腫瘤細胞也能依賴線粒體呼吸而產(chǎn)生能量，而Warburg效應(yīng)的發(fā)生是由于腫瘤細胞為滿足其快速增殖所需的能量以及生物合成而主動發(fā)生的過程。腫瘤細胞攝取大量葡萄糖，利用糖酵解中間產(chǎn)物進行旺盛的生物合成代謝，如6-磷酸-葡萄糖、6-磷酸-果糖、3-磷酸-甘油醛可經(jīng)磷酸戊糖途徑代謝成為5-磷酸核糖，用于核酸從頭合成。而3-磷酸甘油、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸可用于合成非必需氨基酸[6，7]。

氨基酸的代謝異常包括谷氨酰胺、絲氨酸、甘氨酸等代謝異常，其中最主要的是谷氨酰胺代謝異常。盡管谷氨酰胺是一種非必需氨基酸，但對腫瘤而言，谷氨酰胺是特定情況下的必需氨基酸，其代謝增強對腫瘤細胞具有重要的生物學(xué)意義。谷氨酰胺為合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，也是腫瘤細胞脂類物質(zhì)合成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。腫瘤細胞中，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶催化轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼?，谷氨酸又被谷氨酸脫氫酶催化形成?酮戊二酸，最終進入三羧酸循環(huán)，為三羧酸循環(huán)提供底物。谷氨酰胺還能抑制腫瘤細胞的氧化應(yīng)激，維持線粒體膜完整性，從而促進增殖細胞的存活能力[8]。此外，腫瘤中支鏈氨基酸的代謝異常除了能支持腫瘤細胞生物合成的需求，還有可能在腫瘤中發(fā)揮免疫抑制作用，參與腫瘤免疫逃逸[9]。

在腫瘤細胞中，脂肪酸從頭合成增強，分解降低，膽固醇以及磷脂等脂類合成增強[10]。脂肪酸的合成可以為細胞提供重要的生物膜、傳導(dǎo)信號及功能蛋白的修飾等[11]。脂類還能維持腫瘤細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進腫瘤細胞擴散，形成遠處轉(zhuǎn)移。此外，盡管大多數(shù)腫瘤主要依賴糖酵解維持能量與生物合成的需求，但也有一些腫瘤依賴脂肪酸-β氧化途徑進行氧化代謝、維持能量的生成[12]。

腫瘤代謝重編程受多種關(guān)鍵因子的調(diào)節(jié)，如癌基因c-Myc的過度活化和抑癌基因p53的失活能夠影響糖代謝、氨基酸代謝以及脂質(zhì)代謝；缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)也可以調(diào)控糖代謝與脂代謝，并與c-Myc和p53相互作用影響腫瘤細胞的代謝重編程。總之，腫瘤代謝重編程的最終目的是滿足腫瘤細胞快速增殖的需求，抵抗因營養(yǎng)消耗增加和腫瘤血管供應(yīng)不足導(dǎo)致的營養(yǎng)危機。

2 HMGB1的結(jié)構(gòu)及其在腫瘤發(fā)生中的生物學(xué)作用

2.1 HMGB1的結(jié)構(gòu) HMGB1是1973年發(fā)現(xiàn)的存在于真核細胞核內(nèi)的非組蛋白染色體結(jié)合蛋白，因其在聚丙烯酞胺凝膠電泳中快速遷移而得名[2]。人類HMGB1位于染色體13q12，含至少1 700個堿基對組成的啟動子區(qū)以及約2 600個堿基對組成的5個外顯子。HMGB1蛋白由215個氨基酸殘基組成，相對分子質(zhì)量約為25 kD[13]，由A box、B box和C末端3個結(jié)構(gòu)區(qū)組成。其中A box和B box均由3個α螺旋組成，構(gòu)成HMGB1的非特異性DNA結(jié)合區(qū)，C末端介導(dǎo)HMGB1與DNA的結(jié)合。

2.2 HMGB1在腫瘤發(fā)生中的生物學(xué)作用 HMGB1通過和晚期糖基化終產(chǎn)物受體(RAGE)和某些Toll樣受體家族結(jié)合[14]，調(diào)節(jié)炎癥通路、免疫、基因組穩(wěn)定性及細胞增殖、遷移、凋亡、自噬，廣泛地參與腫瘤的發(fā)生、生長、浸潤及轉(zhuǎn)移等過程，在腫瘤發(fā)病過程中扮演著雙重角色[15]。例如，HMGB1-RAGE復(fù)合物能激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶等信號通路，從而活化基質(zhì)金屬蛋白酶2和基質(zhì)金屬蛋白酶9，造成細胞外基質(zhì)的降解，進而引起腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移[16]；HMGB1可激活促炎信號通路，如TLR4信號通路以及核因子κB(NF-κB)信號通路，有助于形成炎性腫瘤微環(huán)境，炎性腫瘤微環(huán)境能支持腫瘤生長，促進腫瘤細胞增殖、侵襲、遷移[17]；HMGB1可通過維持基因組穩(wěn)定性以及增強抑癌因子Rb和p53的活性抑制腫瘤的發(fā)生[18，19]。近年研究證明，HMGB1還參與腫瘤代謝重編程。

3 HMGB1與腫瘤代謝重編程的相關(guān)性

3.1 HMGB1與糖代謝 研究表明,HMGB1能抑制糖酵解過程中的關(guān)鍵酶丙酮酸激酶M2(PKM2)。PKM2由四個亞基構(gòu)成，以二聚體和四聚體兩種形式存在，四聚體形式的PKM2具有最佳活性，能夠促進丙酮酸進入三羧酸循環(huán)徹底氧化分解，生成大量三磷酸腺苷(ATP)。PKM2的活性受糖酵解中間產(chǎn)物1，6-二磷酸果糖(FBP)的調(diào)節(jié)。FBP是PKM2的激活劑，與PKM2可逆性結(jié)合，并促進PKM2四聚體結(jié)構(gòu)的形成，其與PKM2親和力降低可導(dǎo)致四聚體PKM2合成減少[20]。HMGB1對結(jié)腸癌所有細胞株及結(jié)腸癌組織中四聚體形式的PKM2有抑制作用，HMGB1與PKM2的磷酸化殘基位點Y105競爭性擾亂PKM2與FBP的結(jié)合從而抑制四聚體形式PKM2的形成被認為是可能機制之一。研究還表明，磷酸化的HMGB1 B盒與PKM2的K433位點發(fā)生相互作用，K433可以促進磷酸酪氨酸與PKM2結(jié)合，使PKM2與FBP親和力降低，抑制PKM2的活性。此外，HMGB1可導(dǎo)致糖酵解中間產(chǎn)物流向磷酸戊糖途徑。磷酸戊糖途徑的主要特點是產(chǎn)生NADPH作為還原力以供生物合成利用，無ATP的產(chǎn)生和消耗[21]。HMGB1還能通過調(diào)控Hippo-Yes相關(guān)蛋白(YAP)通路調(diào)控糖酵解。Hippo通路是一種首次在果蠅體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的進化保守的細胞信號通路，在維持組織器官大小及腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中起著重要作用。YAP是Hippo通路主要的下游效應(yīng)蛋白，YAP過度表達以及活性增強可以促進細胞惡性轉(zhuǎn)化，引起腫瘤發(fā)生。實驗證明，HMGB1通過參與調(diào)控Hippo通路影響肝癌的發(fā)生發(fā)展：HMGB1與糖化白蛋白結(jié)合蛋白的結(jié)合促進了Hippo通路中YAP的表達，YAP表達的增加可以誘導(dǎo)HIF-1α依賴的有氧糖酵解，產(chǎn)生能量，促進腫瘤細胞的增殖。HIF-1α介導(dǎo)的Warburg效應(yīng)不僅能夠支持腫瘤細胞的生長，還能限制抗腫瘤T細胞的應(yīng)答。在腫瘤細胞中敲除HMGB1能夠下調(diào)Hippo通路中YAP和糖酵解相關(guān)基因的表達，延遲二乙基亞硝胺誘導(dǎo)的小鼠肝癌發(fā)生[22]。腫瘤中過表達的HMGB1可促進過氧化物酶體增殖物受體γ輔助激活因子1α(PGC-1α)、核呼吸因子-1和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A的表達，促進線粒體生物合成，維持細胞內(nèi)正常線粒體數(shù)目并增強線粒體呼吸鏈氧化磷酸化功能，平衡腫瘤細胞的能量供應(yīng)，為其快速增殖提供足夠的能量需求。在低氧肝癌細胞系中，沉默HMGB1可導(dǎo)致磷酸化的PGC-1α表達降低、線粒體生物合成下調(diào)、代謝紊亂以及線粒體活性氧(ROS)生成增多、ATP生成減少、細胞增殖顯著變慢、細胞侵襲遷移能力降低、細胞凋亡增加等一系列生物學(xué)反應(yīng)[23]。體外實驗證明，低氧條件下，癌細胞中HMGB1轉(zhuǎn)位至胞質(zhì)，與TLR9受體結(jié)合，導(dǎo)致p38通路激活，p38 MAPK信號通路使PGC-1α磷酸化，增強PGC-1α的活性，上調(diào)線粒體生物合成，并促進腫瘤細胞存活[23,24]。線粒體生物合成的上調(diào)增強腫瘤細胞的線粒體氧化磷酸化，滿足腫瘤細胞快速增殖的代謝需求，并且線粒體生物合成對腫瘤細胞的生長和遷移起重要作用。

除此之外，HMGB1的受體RAGE有兩種不同的機制介導(dǎo)腫瘤細胞的ATP生成：線粒體RAGE依賴途徑以及RAGE誘導(dǎo)的自噬依賴途徑。實驗證明，外源性重組HMGB1和壞死腫瘤細胞裂解液中的內(nèi)源性HMGB1以時間和劑量依賴的方式促進人和鼠胰腺癌細胞系中ATP生成和細胞增殖。此外，HMGB1在結(jié)直腸癌、白血病、肺癌中也能促進ATP生成和腫瘤細胞增殖。這種HMGB1誘導(dǎo)的ATP生成不依賴于結(jié)合DNA、白細胞介素1β或干擾素α，而是通過HMGB1受體RAGE來促進腫瘤細胞ATP生成。將外源性HMGB1添加到野生型panc02腫瘤細胞引起了氧化率以及細胞外酸化率的增加，表明HMGB1能夠使腫瘤細胞中氧化磷酸化水平和糖酵解水平增加。

研究發(fā)現(xiàn)，壞死腫瘤細胞裂解液中HMGB1增加了胰腺癌細胞中RAGE的表達，NF-κB的活性以及細胞遷移。HMGB1通過與細胞膜RAGE結(jié)合或者以小窩蛋白依賴的內(nèi)吞途徑進入細胞內(nèi)，促進細胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2的磷酸化，進而引起RAGE絲氨酸殘基Ser377位點的磷酸化，并誘導(dǎo)RAGE定位于線粒體，隨后促進線粒體呼吸鏈中復(fù)合體Ⅰ的磷酸化，導(dǎo)致復(fù)合體Ⅰ活性增強，從而促進ATP生成?？傊?，HMGB1/RAGE途徑以細胞外信號調(diào)控激酶1/2依賴的方式促進ATP的生成以維持腫瘤細胞的代謝需求及促進腫瘤生長。干擾HMGB1/RAGE途徑能誘導(dǎo)細胞凋亡，減少炎癥、細胞自噬、ATP的生成以及降低復(fù)合體Ⅰ的活性[25]。

在胰腺癌中，HMGB1受體RAGE介導(dǎo)的自噬促進白細胞介素6誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子和轉(zhuǎn)錄激活因子磷酸化及其線粒體定位，使STAT3在線粒體中通過增強復(fù)合體Ⅰ的活性來調(diào)節(jié)細胞呼吸，促進ATP生成，從而促進細胞增殖[26]。

3.2 HMGB1與腫瘤的氨基酸代謝 血漿中氨基酸的變化能夠反映新陳代謝的變化。血漿中的游離氨基酸由膳食蛋白和蛋白質(zhì)水解提供。蛋白質(zhì)水解是由泛素-蛋白酶體降解和自噬-溶酶體降解共同驅(qū)動的。自噬是指真核細胞質(zhì)內(nèi)的大分子物質(zhì)及細胞器被運送至溶酶體隔離并降解的過程，是在正常細胞和病理狀態(tài)細胞中普遍存在的生理機制，尤其是在細胞內(nèi)和(或)細胞外應(yīng)激的情況下，如缺氧、營養(yǎng)匱乏、蛋白質(zhì)錯誤折疊、病原菌感染時，一方面細胞通過自噬獲得可供循環(huán)利用的核苷、氨基酸等大分子物質(zhì)及能量，維持細胞代謝平衡;另一方面還可選擇性清除某些細胞成分，尤其是受損或多余的過氧化物酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體及DNA，減少異常蛋白和細胞器的堆積，維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。自噬主要受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)調(diào)控。mTOR是自噬的負調(diào)控因子。應(yīng)激、饑餓、p53或腺苷酸活化蛋白激酶對mTOR復(fù)合物的滅活作用誘導(dǎo)自噬相關(guān)因子激活，其中包括Beclin-1、微管相關(guān)蛋白輕鏈3。實驗證明，在1，2-二甲肼腹腔注射的C57BL/6雄性小鼠結(jié)腸癌模型發(fā)展的過程中，HMGB1通過RAGE相關(guān)的p38磷酸化上調(diào)Beclin-1和LC3Ⅱ，引起mTOR去磷酸化，誘導(dǎo)自噬相關(guān)蛋白水解，提供自由氨基酸。氨基酸從肌肉中釋放，導(dǎo)致血漿中游離氨基酸圖譜的改變，這種改變包括谷氨酰胺的增加；并且癌細胞消耗從肌肉釋放到血漿中的谷氨酰胺產(chǎn)生能量。此外，HMGB1可使肌肉中丙酮酸激酶(PK)的活性降低，PK對于氨基酸的穩(wěn)定性有重要作用，所以PK活性的降低對谷氨酰胺的升高也有一定的影響。

3.3 HMGB1與腫瘤的氧化應(yīng)激 研究證明，缺氧癌細胞中抑制HMGB1的表達能夠下調(diào)PGC-1α的表達，減少線粒體生物合成。線粒體生物合成的削弱能夠?qū)е履[瘤細胞積累大量的ROS。一方面，異常增高的ROS非特異性攻擊蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA，導(dǎo)致腫瘤細胞的損傷和死亡。另一方面，腫瘤細胞增殖快，部分細胞處于缺氧和營養(yǎng)不足的微環(huán)境中，異常增高的ROS可激活HIF-1α，HIF-1α是細胞能量代謝的重要調(diào)節(jié)因子之一，可通過上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子以及葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1等相關(guān)蛋白促進血管生成、糖酵解增強，還能激活乳酸脫氫酶A和丙酮酸脫氫酶激酶1的表達，使腫瘤代謝從有氧氧化轉(zhuǎn)向糖酵解。

4 小結(jié)與展望

HMGB1可以通過調(diào)控腫瘤代謝中關(guān)鍵因子、線粒體生物合成、自噬等參與腫瘤代謝重編程，影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。雖然有研究表明，HMGB1能參與腫瘤細胞能量代謝，但目前對HMGB1調(diào)節(jié)腫瘤代謝重編程的認識仍處于初級階段，其影響腫瘤細胞的增殖、存活、發(fā)生發(fā)展的具體分子機制仍不是很清楚，深入研究HMGB1調(diào)節(jié)腫瘤代謝重編程的具體分子機制或許有助于為腫瘤代謝的研究或腫瘤治療策略的開發(fā)提供新的理論依據(jù)。