王文晶，李清華

(桂林醫(yī)學院廣西腦與認知重點實驗室，廣西 桂林 541004)

能量代謝是人體生命活動的基本特征之一，葡萄糖在人體內經糖酵解生成丙酮酸，氧供充足時丙酮酸進入線粒體內，經三羧酸循環(huán)(TCA循環(huán))進行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation，OXPHOS)供能，缺氧時丙酮酸進行乳酸發(fā)酵，依靠糖酵解供能。腫瘤細胞在氧供充分時仍優(yōu)先通過糖酵解獲取能量，產生乳酸作為終產物，該現象于1924年由Warburg[1]首次觀察到，即眾所周知的Warburg效應，是腫瘤能量代謝的重要特征。糖酵解不是高效的供能方式，為了滿足快速增殖的需要，腫瘤細胞獲得重新編排自身能量代謝的能力，即能量代謝重編程，是腫瘤形成或轉移過程中適應環(huán)境的表現。發(fā)生代謝重編程的細胞通常呈現葡萄糖攝入量增高、糖酵解增強、乳酸堆積等特征。2011年，將能量代謝重編程視為腫瘤的十大特征之一，提出異常代謝模式與癌癥的惡性生物學行為密切相關[2]。近年來的研究表明，通過有效阻斷藥物逆轉代謝重編程是治療腫瘤的一種可行策略。但正常分化細胞有時也需要和腫瘤細胞相同的代謝需求，所以找到一個合適的靶點，既可以逆轉腫瘤細胞能量代謝重編程，又不影響正常細胞的代謝，這很具挑戰(zhàn)。

1 腫瘤能量代謝

腫瘤能量代謝的特征性表現是葡萄糖的有氧糖酵解，1次糖酵解僅產生2分子ATP，而同樣的葡萄糖經TCA和OXPHOS可以產生30或32分子ATP。腫瘤細胞增殖需要大量耗能，但仍選擇產能低的糖酵解作為自己的供能方式是因腫瘤細胞糖酵解增強，產生ATP的速度比氧化磷酸化快100倍[3]，數量上可以超過氧化磷酸化，而增強的糖酵解可以產生大量的代謝中間產物如核酸、磷脂、脂肪酸和NADPH等滿足腫瘤細胞的增殖需求。且糖酵解后，細胞外堆積的乳酸使腫瘤微環(huán)境具有低氧和低酸堿度的特點，支持腫瘤細胞的生長、侵襲和轉移[4]。再者，Warburg假說認為腫瘤能量代謝重編程由線粒體功能障礙導致[5]，線粒體功能障礙導致氧化磷酸化受限，無法清除多余的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，ROS堆積進一步損傷線粒體，促使腫瘤細胞以糖酵解方式產生ATP。此外，丙酮酸進入線粒體參與TCA的過程非常緩慢，高糖酵解狀態(tài)下產生的大量丙酮酸來不及進入線粒體，便優(yōu)先以糖酵解方式轉化為乳酸[6]。

腫瘤能量代謝受多種因素調控，如葡萄糖轉運體、單羧酸轉運體、糖酵解關鍵酶、某些致癌因子信號轉導通路、原癌基因活化、抑癌基因失活等。將這些因素與腫瘤能量代謝的關系研究透徹，也許有助于發(fā)現更好的腫瘤治療方法。

2 能量代謝重編程的調控因素

2.1 糖酵解途徑相關轉運體

2.1.1 葡萄糖轉運體(GLUTs) GLUTs是一種膜內蛋白，功能是運載葡萄糖進入細胞內進行糖酵解。GLUT家族有14個亞型(GLUT1-14)，GLUT1在人體各組織中分布最廣泛，乳腺癌、子宮內膜癌、宮頸癌、胃癌、胰腺癌、甲狀腺癌和肝癌等都有過表達且增加葡萄糖的攝取和轉運，還可以反映腫瘤增殖、良惡性、缺氧程度等重要生物學特征[7]。Abolhasani等[8]研究發(fā)現，葡萄糖修飾的納米顆粒結合腫瘤細胞內膜活化的葡萄糖轉運體后永久占用該通道，阻止葡萄糖進入細胞，可以抑制糖酵解，減少ATP的生成，抑制腫瘤生長。但GLUTs亞型間的協同作用使得在抑制腫瘤攝取葡萄糖的同時卻不影響正常細胞變得十分困難。

2.1.2 單羧酸轉運體(MCT) 已知MCT有14個亞型(MCT1-14)，MCT1、MCT2、MCT3、MCT4與糖酵解轉運乳酸，維持細胞酸堿平衡有關，MCT1、MCT4則分別是高糖酵解狀態(tài)下腫瘤細胞乳酸攝取和排出的主要運載體，絕大多數的腫瘤都會表現出MCT1、MCT4上調，對維持腫瘤高糖酵解狀態(tài)很重要。MCT1、MCT4被抑制后，乳酸無法外排，細胞內乳酸過度堆積而內環(huán)境酸堿失衡，使糖酵解失活，造成細胞供能不足，抑制細胞生長[9]。Huang等[10]研究發(fā)現，人肺腺癌細胞(A549)中MCT1、MCT4的表達顯著上調，受異葒草苷(isoorientin)的抑制后，腫瘤細胞的糖酵解和遷移能力下降。MCTs抑制劑可能是一種有前途的肺癌靶向治療藥物，但選擇性差的MCT抑制劑，對其他依賴乳酸為能源的正常器官會產生不良影響。除肺癌外，王仲崑等[11]研究發(fā)現，MCT1特異性抑制劑AZD3965能抑制胃癌細胞增殖和誘導細胞凋亡。

2.2 糖酵解關鍵酶

2.2.1 果糖激酶-2/果糖-2，6-二磷酸酶(PFKFB3) 磷酸果糖激酶1(phosphofructokinase 1，PFK1)能被磷酸果糖激酶2(phosphofructokinase 2， PFK2)催化生成的果糖2，6二磷酸(F-2，6-BP)變構激活，而F-2，6-BP的活性主要受PFKFB3維持。多數腫瘤的PFKFB3水平上調，如甲狀腺癌、胃癌、乳腺癌、膀胱癌、直腸癌、卵巢癌等。3PO[3-(3-Pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one]是PFKFB3 的一種小分子拮抗劑，2008年由Clem等[12]發(fā)現，3PO能抑制葡萄糖的攝取、乳酸及ATP的生成，降低糖酵解速率，抑制腫瘤生長。臨床研究證明，PFKFB3抑制劑對腫瘤有良好的抑制作用。

2.2.2 磷酸甘油酸變構酶1(PGAM1) PGAM1是糖酵解過程中3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸可逆轉化的重要酶。越來越多的證據表明，PGAM1在直腸癌、非小細胞肺癌、肝癌、乳腺癌中廣泛表達，通過其糖酵解功能在促進癌細胞增殖中發(fā)揮重要作用，并能促進腫瘤的侵襲和轉移。大多數PGAM1抑制劑靶向糖酵解，抑制癌細胞增殖，但對癌細胞的侵襲和轉移的作用很小[13]。

2.2.3 丙酮酸激酶M2(PKM2) PK將磷酸烯醇式丙酮酸、ADP催化生成丙酮酸和ATP，是糖酵解最后一步反應的關鍵酶。PK有3種亞型(R、L和M)，PKM亞型有兩種異構體(M1、M2)。PKM1主要在肌肉和大腦中表達，PKM2多見于正常增殖細胞和腫瘤細胞。PKM2在多數癌細胞中表達上調，通過糖酵解和非糖酵解通路(作為蛋白激酶發(fā)揮作用)促進腫瘤的發(fā)生，提示它可能成為一個重要的腫瘤治療靶點[14]。Li等[15]通過研究52份石蠟包埋胃癌組織發(fā)現，PKM2表達上調與患者生存期較差相關，下調PKM2，抑制葡萄糖代謝，加速胃癌細胞凋亡，抑制腫瘤生長。PKM2在結構上一定程度區(qū)別于別的亞型，這決定其專一抑制作用。

2.2.4 乳酸脫氫酶A(LDHA) LDH在糖酵解時催化丙酮酸接受NADH的氫生成乳酸，乳酸與腫瘤的生長、維持、侵襲相關。LDH有5種同工酶(LDH1-5)，每一種都由A、B兩個亞基組成，A鏈(LDHA)主導催化丙酮酸轉化為乳酸，在腫瘤中高表達，B鏈(LDHB)主導丙酮酸轉化為乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，在正常組織和癌組織中的表達水平相當。Yeung等[16]證明，LDHA在糖酵解依賴型尤文氏肉瘤的增殖中起關鍵作用，而非LDHB；LDHA是一個可調控的靶點，經LDH抑制劑NCI-006 、NCI-737作用后，糖酵解速率降低，乳酸生成減少，體內、外模型研究中都顯示出明顯的腫瘤抑制效果。

2.3 腫瘤糖酵解途徑相關基因

2.3.1 p53抑癌基因 抑癌基因p53是人類癌癥中最常見的突變基因，正常p53的功能主要是誘導細胞周期阻滯、凋亡、應激性衰老和維持基因組穩(wěn)定；p53能抑制糖酵解，可能會減弱甚至阻止Warburg效應，成為抑制腫瘤的關鍵因素。p53抑制糖酵解的途徑有[17]：①p53直接抑制GLUT1/4的轉錄或與胰島素通路相互作用抑制胰島素受體激活，間接抑制GLUT4轉運到細胞膜上；②p53抑制MCT，導致腫瘤細胞內乳酸堆積，限制糖酵解速率；③p53降低糖酵解酶PGM的表達；④p53直接調控其靶基因TIGAR的表達，降低細胞中F-2，6-BP水平，抑制PFK1的活性。一些突變的p53蛋白促進惡性腫瘤增殖、轉移和化療耐藥，并通過部分或完全消除對GLUT1基因的抑制作用，促使CLUT1轉運到細胞膜或激活HK2等方式促進糖酵解。

2.3.2 Myc原癌基因 腫瘤原癌基因Myc是癌癥代謝的中樞調控因子，起轉錄因子的作用，控制細胞生長和代謝。正常細胞中，其表達受到嚴格控制，由于染色體易位、基因擴增或轉錄增強而被激活。Myc能影響糖酵解，被激活后，上調糖酵解相關基因或酶的表達，促進Warburg效應。c-Myc促進ROS增加，引起線粒體功能障礙，促使癌細胞產能方式轉化為糖酵解[18]。靶向Myc的糖酵解相關抑制劑已被證實能下調Myc表達，逆轉能量代謝重編程，抑制腫瘤生長[19]。

2.3.3 Ras原癌基因 Ras基因由于基因點突變，表達增強，基因插入及轉位被激活。點突變多發(fā)生在N端第12，13和61位密碼子。Ras原癌基因激活在代謝重編程中的作用最初被認為是促進糖酵解[20]，Ras家族中與人類腫瘤相關的有K-Ras、H-Ras和N-Ras，又以K-Ras最常見。K-Ras突變激活，通常發(fā)生在胰腺癌、大腸癌和某些類型的肺癌中。K-Ras突變激活后，會以多種方式改變腫瘤細胞的新陳代謝：①上調糖酵解酶或GLUT1的表達，增加葡萄糖的攝取和消耗，增強糖酵解能力[21-22]；②通過磷酸戊糖途徑(PPP)和己糖胺生物合成途徑的葡萄糖中間體，促進糖酵解[22]；③與腫瘤的遺傳結構、組織類型等協同，促進糖酵解，維持腫瘤的生長[23]。

2.4 缺氧誘導因子-1(HIF-1)

真核生物中HIF-α有HIF-1α、HIF-2α、HIF-3α 3個亞型。HIF-1是缺氧時普遍激活的轉錄因子，是細胞適應缺氧的主要調節(jié)器及Warburg效應的重要調節(jié)因子，其結構是由α亞基和β亞基構成的異源二聚體，α亞基是功能亞基，受氧濃度影響。實體腫瘤異常的高代謝率，導致局部區(qū)域缺氧，刺激HIF-1α的高表達，這與血管生成增加、腫瘤侵襲和患者預后不良相關。HIF-1α在氧氣充足時，通過羥基化作用進行降解，在缺氧時上調，并轉移到細胞核內與HIF-1β相互作用，上調相關靶基因GLUT1/4、HK2、PDK1、PKM2、LDHA、PFKFB3/4等的表達，抑制三羧酸循環(huán)相關酶及Complex I的表達，使腫瘤以糖酵解方式獲得能量。苦參堿阻礙HIF-1α的mRNA及蛋白合成，降低其下游靶基因GLUT1、HK2、LDHA的表達，抑制糖酵解逆轉代謝重編程，抑制人結腸癌細胞的生長[24]。

腫瘤的基因突變、組織來源及腫瘤所處微環(huán)境決定其代謝方式，即使同一種腫瘤，原發(fā)灶和轉移灶的代謝重編程因基因型、腫瘤亞型、分化程度的差異而不同[25]。癌細胞糖酵解增強的代謝改變是大多數腫瘤的普遍特征，不代表所有腫瘤，甚至一些挑戰(zhàn)Warburg假設的研究認為，許多腫瘤細胞利用OXPHOS而非糖酵解獲得能量。需要面對的問題是：①調控單一代謝途徑難以改變糖酵解型腫瘤的代謝重編程，糖酵解的代謝途徑之一被抑制后，腫瘤也可能發(fā)生糖酵解或線粒體能量代謝的代償，不足以抑制腫瘤的生長甚至可能導致耐藥問題；②由于癌細胞的代謝可塑性，處理Warburg效應并不能完全抑制腫瘤的生長；③線粒體融合也可能是誘導腫瘤代謝重編程的重要因素，線粒體形態(tài)的這種劇烈變化導致氧化磷酸化的效率增加，此時抑制糖酵解酶不足以抑制腫瘤生長[26]。但不可否認，Warburg效應與腫瘤進展相輔相成，且代謝重編程是許多癌癥的一個關鍵特征，雖然它促進腫瘤發(fā)生機制不清楚，但逆轉腫瘤能量代謝是一種可行，且非常有潛力的輔助腫瘤治療新方法。相信在不久的將來，逆轉腫瘤能量代謝重編程在腫瘤的治療方案中將會占有重要地位。