朱 珠，陳 敏，張曉琦，楊 燕，鄒曉平

(南京醫(yī)科大學 鼓樓醫(yī)院 消化內科，江蘇 南京 210008)

正常細胞在氧氣充足的條件下會通過葡萄糖的有氧氧化來獲得能量，但1920 年，德國生化專家Warburg首次報道肝癌細胞糖酵解活性較正常肝細胞明顯增強，進一步研究表明即使在氧充足條件下惡性腫瘤細胞糖酵解代謝同樣明顯活躍，腫瘤細胞這種活躍的有氧糖酵解代謝特性被稱為“Warburg 效應”[1]。最初，人們認為有氧糖酵解是由于腫瘤的呼吸鏈的損傷(線粒體的損傷)。然而，之后的研究表明，腫瘤細胞中線粒體損傷比較罕見[2- 3]。在某些情況下，腫瘤細胞可以轉換成線粒體呼吸供能[4]。

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解通路中最后一個限速酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)去磷酸化，產生丙酮酸和ATP。PK在哺乳動物中存在4種亞型：PKL，在肝臟和腎臟中表達；PKR，在紅細胞中表達； PKM1，主要表達在骨骼肌和腦組織中；PKM2，主要表達于胚胎組織以及高增殖細胞，尤其是腫瘤細胞中[5]。近年來，隨著腫瘤代謝機制的深入研究，關于PKM2的研究成為一個熱點，其范圍從胞質的糖酵解酶擴展至作為蛋白激酶參與基因表達的調控，大量研究證實PKM2 與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關，使得PKM2成為腫瘤治療的一個潛在靶點[6]。

1 PKM2的生物學特性

1.1 PKM2 的結構特征

PKM2和其他3種同工酶之間最顯著的區(qū)別是，PKM2在體內可以3種形式存在，單體、二聚體和四聚體。在正常細胞中，PKM2主要為高活性的四聚體形式，但在腫瘤細胞中主要為低活性的二聚體形式。腫瘤細胞中PKM2可以單體形式移位至細胞核，調控細胞周期進展及Warburg效應[7]。

1.2 PKM2表達的調節(jié)

PKM2表達是在不同水平共同調節(jié)的。低氧誘導因子(hypoxia inducible factor 1α，HIF1α) 主要調節(jié)機體在低氧狀態(tài)下的適應性反應，其在很多腫瘤細胞中高表達，是一種重要的轉錄因子，可以通過PKM2第一內含子中的低氧反應元件(hypoxic response element, HRE)上調PKM2的表達。PKM2可作為共激活劑，在細胞核內與脯氨酰羥化酶3(prolyl hydroxylase 3, PHD3)結合，使其自身的P303/408位點發(fā)生羥基化，與HIF- 1a結合，促進HIF- 1a的轉錄激活，從而形成一個正反饋調節(jié)[8]。

在常氧條件下，表皮生長因子可促進PKM2轉錄激活。PKM2的表達與人腦膠質瘤標本中的EGFR和IKKβ活性及腦膠質瘤惡性程度密切相關[9]。

轉錄后，PKM選擇性剪切是PKM2表達的另一調控機制。PKM1與PKM2僅相差23個氨基酸，同是PKM基因前體mRNA選擇性剪切的產物。PKM1包含外顯子9，PKM2包含外顯子10。PKM的選擇性剪切主要由核內不均一核糖核蛋白(hnRNP)家族的hnRNPA1、hnRNPA1和PTB(也稱為hnRNPI)3個成員介導。這3種蛋白都是PKM基因選擇性剪切的抑制因子，可結合到PKM前體mRNA外顯子9的側翼序列抑制其剪切，從而釋放出外顯子10，形成成熟PKM2 mRNA 的表達。他們在正常組織中低表達，在快速增殖細胞，如胚胎及腫瘤細胞中高表達。c-Myc可上調這3種基因的轉錄，具有高活性c-Myc的細胞均呈現PKM2/PKM1增高[10]。c-Myc在β-catenin的激活的下游，可增加葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1, GLUT1)、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase A, LDHA)、PTB和PTB依賴的PKM2的表達，從而促進Warburg效應[11]。

此外，microRNAs(miRNAs)可調節(jié)PKM2基因的表達。在舌鱗狀細胞癌中，PKM2的高表達與miR-133a和miR-133b下調有關[12]。

1.3 PKM2酶活性的調節(jié)

1.3.1 代謝中間產物對PKM2 活性的影響：1,6-二磷酸果糖(1,6-bisphosphate, FBP)，糖酵解的一種中間產物，作為PKM2的一種變構激活劑已被人熟知。可動態(tài)調節(jié)體內PKM2二聚體與四聚體比例，促進腫瘤細胞增殖。近來，絲氨酸(serine, Ser)被證實為PKM2的另一個重要的變構激活劑[13]。絲氨酸，是3-磷酸甘油醛轉氨基形成，可結合并激活PKM2，促進細胞增殖。當絲氨酸充足時，PKM2激活，促進高效糖酵解利用葡萄糖。然而，當絲氨酸缺乏時，PKM2活性減低，快速轉換成磷酸戊糖途徑促進絲氨酸的生物合成。

此外，SAICAR(5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸)，嘌呤核苷酸從頭合成途徑的中間體，也被證實可以特異性的調節(jié)PKM2的活性[14]。

1.3.2 轉錄后修飾對PKM2活性的影響: PKM2的活性及功能還受到轉錄后修飾的廣泛調節(jié)，包括磷酸化、乙?；?、泛素化、甲基化、脂化及水解等。蛋白質組學方法篩選PK的4個亞型中只有M2亞型是磷酸酪氨酸結合蛋白[15]。PKM2酪氨酸殘基105(Y105)位點可被成纖維細胞生長因子受體1(FGFR1)直接磷酸化[16]。在PKM2 Y105磷酸化干擾了PKM2與其變構激活劑FBP的結合，抑制四聚體形成從而抑制PKM2的活性。腫瘤細胞中PKM2 Y105突變，細胞耗氧量增加且乳酸產生量減少，抑制細胞增殖及腫瘤發(fā)生。

蛋白乙?；橇硪环N常見的轉錄后修飾[17]。在高濃度葡萄糖環(huán)境中，PKM2在賴氨酸305位(K305)發(fā)生乙酰化[18]。乙?；腜KM2具有較低活性，促進分子伴侶介導的自噬降解作用，造成糖酵解代謝中間產物和NADPH積累，從而促進腫瘤生長。PKM2 K305Q突變株模擬過度乙?；稍黾犹墙徒庵虚g體產量，促進細胞增殖和腫瘤發(fā)生。

2 PKM2對腫瘤代謝的調控作用

2.1 PKM2是腫瘤細胞增殖的調節(jié)器

細胞二分裂增殖前需要大量的核苷酸、氨基酸和脂質用于各組分復制。除了供能，葡萄糖也必須提供大量的前體物質用于生物合成[19]。例如，合成一分子的生物膜的組分棕櫚酸，需要7分子的ATP、8分子乙酰輔酶A和14分子的NADPH。1分子的葡萄糖徹底氧化磷酸化可以提供38分子ATP。還需要3分子的葡萄糖提供輔酶A和7分子的葡萄糖通過磷酸戊糖途徑提供NADPH[20]。同樣，在核苷酸及氨基酸的合成過程中，對碳骨架及NADPH的需求要遠遠高于對ATP的需求。PKM2活性可影響能量與前體物質的比例從而調節(jié)細胞增殖速度。

2.2 PKM2在細胞核內作用

PKM2作為糖酵解酶主要定位在細胞質，然而，在某些情況下，可以單體形式遷移入細胞核中[7]。PKM2在核內有作為一種蛋白激酶的功能，使用PEP作為磷酸供體。PKM2能夠在酪氨酸705位點磷酸化STAT3和促進MEK5轉錄[21]。最近的一項研究表明，表皮生長因子受體激活后，PKM2可以直接與組蛋白H3結合，磷酸化11位點的蘇氨酸。組蛋白H3的磷酸化亦促進從CCND1和MYC基因啟動子解離HDAC3。這些過程有助于表皮生長因子誘導的細胞周期蛋白D1和c-Myc的表達，促進腫瘤細胞增殖，加速細胞周期進程及腫瘤進展[22]。

3 PKM2的臨床應用

3.1 PKM2的診斷作用

PKM2在腫瘤代謝和增殖中的重要作用，使其可以作為腫瘤診斷的重要工具。PKM2首次在肝癌中被發(fā)現[1]，其后在多種惡性腫瘤組織被發(fā)現高表達，如肺癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、腎癌及前列腺癌等。在早期腫瘤中，PKM2 表達顯示異質性，但在轉移的腫瘤組織染色均一而強烈。這也表明，PKM2可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。腫瘤細胞大量表達PKM2，可促進腫瘤細胞增殖及延長生存期，腫瘤惡性程度增加。此外，腫瘤細胞的壞死和更新可使PKM2被釋放到周圍組織，外周血，消化道惡性腫瘤患者糞便及胸部腫瘤患者的胸腔積液中，從而可以被檢測到。因此，腫瘤PKM2是一種非器官特異性蛋白，可作為檢測腫瘤代謝和增殖狀態(tài)的生物標志物[4]。

3.2 PKM2是一個潛在的治療靶點

在大多數腫瘤中高表達的PKM2，成為癌癥治療的一個潛在的治療靶點。PKM2基因敲除可促進腫瘤細胞凋亡和腫瘤細胞對化療藥物敏感性增加[23]。有研究鑒定出了3類PKM2 抑制劑類，其中最有效力的抑制劑可在生長因子信號喪失后導致糖酵解的減少和細胞死亡的增加[24]。PKM2能在低活性二聚體和高活性的四聚體之間動態(tài)變換，阻斷變換可以改變腫瘤細胞的代謝。研究證實，當確保PKM2以穩(wěn)定的低活性二聚體形式或高活性四聚體形式存在時，均可抑制腫瘤細胞增殖。PKM2核功能的發(fā)現，尤其是它的蛋白激酶活性，使得針對PKM2的靶向治療更加多樣化，為腫瘤治療提供了新的思路。

4 結論

PKM2，一種糖酵解的關鍵酶，已被證明在腫瘤代謝及腫瘤進展過程中發(fā)揮關鍵作用。腫瘤細胞有多種方式調節(jié)PKM2，以利于腫瘤細胞生長和存活，包括PKM2的轉錄、選擇性剪切、翻譯后修飾、變構調節(jié)等。此外，PKM2作為一種蛋白激酶，可以調節(jié)基因表達，細胞周期進程，以及細胞代謝。所有這些反應了PKM2調控的復雜性和PKM2在癌細胞代謝和細胞周期進程的核心作用。PKM2有望成為腫瘤治療的一個有力的靶點。

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