魏慧君 郭麗麗 李林 綜述 周清華 吳志浩 審校

腫瘤是以細(xì)胞異常增殖為特點(diǎn)的一大類疾病，其種類繁多，具有不同的生物學(xué)行為和表現(xiàn)，其中惡性腫瘤對(duì)人類健康的危害最為嚴(yán)重。據(jù)相關(guān)資料顯示在我國(guó)城市居民疾病死因居于第一位的便是惡性腫瘤。惡性腫瘤的主要特征之一是腫瘤轉(zhuǎn)移。研究[1]顯示雖然只有1%的原發(fā)腫瘤細(xì)胞可完成轉(zhuǎn)移的全部過(guò)程，但卻導(dǎo)致了超過(guò)90%的癌癥患者的死亡。因此，轉(zhuǎn)移是惡性腫瘤最后的，最具破壞性的階段，也是導(dǎo)致癌癥死亡的主要原因[2]，腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移是一個(gè)連續(xù)、漸進(jìn)的多因素、多步驟動(dòng)態(tài)的過(guò)程，大部分的研究也都集中于導(dǎo)致和影響轉(zhuǎn)移的相關(guān)分子機(jī)制上。近幾年腫瘤代謝成為了人們的關(guān)注熱點(diǎn)，部分研究表明腫瘤為了逃避代謝壓力，發(fā)生了轉(zhuǎn)移，而這個(gè)過(guò)程中通常伴隨了能量代謝的重編程。這種能量代謝的重編程會(huì)使得腫瘤細(xì)胞獲得相關(guān)的能力來(lái)逃避正常的細(xì)胞凋亡程序，進(jìn)行增殖和遷徙。

正常細(xì)胞體內(nèi)，葡萄糖會(huì)維持一個(gè)平衡狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)時(shí)，葡萄糖會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸徇M(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?，?dāng)氧含量正常時(shí)，丙酮酸會(huì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)（tricarboxylic acid cycle, TCA）循環(huán)。而腫瘤細(xì)胞即使在有氧情況下也不利用線粒體氧化磷酸化產(chǎn)能，轉(zhuǎn)而利用有氧糖酵解，即瓦博格效應(yīng)（Warburg effect）[3]。盡管Warburg效應(yīng)的機(jī)制并未被完全闡明，但是人們已經(jīng)研究證實(shí)了一些關(guān)鍵的調(diào)控機(jī)制與其密切相關(guān)，譬如線粒體氧化磷酸化損傷、糖代謝酶表達(dá)異常、癌基因激活、抑癌基因失活和腫瘤微環(huán)境改變等[4]。而且有研究[4]表明，這種代謝重編程過(guò)程與腫瘤轉(zhuǎn)移有著密不可分的關(guān)系，因此本文將對(duì)Warburg效應(yīng)及其與腫瘤轉(zhuǎn)移的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 Warburg效應(yīng)及其發(fā)生機(jī)制

正常細(xì)胞體內(nèi)，葡萄糖會(huì)維持一個(gè)平衡狀態(tài)，在缺氧狀態(tài)時(shí)，葡萄糖會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楸徇M(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗?，?dāng)氧含量正常時(shí)，丙酮酸會(huì)進(jìn)入TCA循環(huán)。而腫瘤細(xì)胞的一個(gè)普遍特點(diǎn)是即使在氧含量正常的情況下，葡萄糖攝取量和乳酸的積累量也會(huì)逐漸升高，利用糖酵解作為主要能量代謝的來(lái)源，獲得更高的糖分解能力，使得葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗醽?lái)產(chǎn)生ATP，這種現(xiàn)象我們稱為Warburg效應(yīng)[3]。

Warburg效應(yīng)代表著腫瘤細(xì)胞對(duì)葡萄糖利用方式由氧化磷酸化到糖酵解的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)在被認(rèn)為是腫瘤的一大特征。這種能量代謝的改變受復(fù)雜因素的調(diào)控，包括腫瘤微環(huán)境的壓力和基因的改變等。一方面增強(qiáng)糖酵解作用，一方面抑制線粒體氧化磷酸化[4]。Warburg內(nèi)在機(jī)制十分復(fù)雜，尚未完全闡明，近年研究提出并證實(shí)了相應(yīng)的一些調(diào)控機(jī)制。

1.1 癌基因和抑癌基因異常 腫瘤細(xì)胞糖酵解活性受癌基因和抑癌基因的調(diào)控。癌基因有促進(jìn)細(xì)胞糖酵解和削弱線粒體氧化磷酸化功能的作用，抑癌基因可以抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。癌基因的活化及過(guò)度表達(dá)和抑癌基因的失活可以異常調(diào)控糖酵解中的關(guān)鍵酶及重要蛋白分子，是致使腫瘤發(fā)生的主要原因。

如原癌基因Ras、Src基因突變激活后，變異的Ras[5]、Src[6]蛋白可以增加糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)，增加糖攝取和糖酵解，不受上游信號(hào)控制，持續(xù)促進(jìn)細(xì)胞增殖；AKT1通過(guò)增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4的表達(dá)，激活己糖激酶，刺激葡萄糖的攝取[7]；Myc的激活誘導(dǎo)糖酵解酶如乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH-A）和丙酮酸脫氫酶激酶（pyruvate dehydrogenase, PDK1）的表達(dá)上調(diào)從而誘導(dǎo)糖酵解[8,9]。關(guān)于抑癌基因，現(xiàn)在越來(lái)越多的研究顯示，它們的失活是腫瘤發(fā)生侵襲生長(zhǎng)的主要原因。nm23、p53在腫瘤轉(zhuǎn)移過(guò)程中已被確認(rèn)有著較為重要的作用。nm23基因的低表達(dá)已經(jīng)在多種高轉(zhuǎn)移性腫瘤中被證實(shí)，其表達(dá)異?？捎绊懳⒐芫酆希瑢?dǎo)致染色體畸變和非整倍體形成從而驅(qū)動(dòng)腫瘤轉(zhuǎn)移，也可通過(guò)影響細(xì)胞骨架構(gòu)成或G蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與腫瘤的發(fā)生[10]；p53是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，也是腫瘤細(xì)胞中最常發(fā)生突變的抑癌基因，在調(diào)節(jié)線粒體呼吸和與糖酵解方式之間的平衡中發(fā)揮著重要作用[11]，他的突變可促進(jìn)糖酵解和降低有氧呼吸，促使肝臟線粒體耗氧量下降，乳酸明顯增多。p53通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)靶基因表達(dá)，例如TIGAR等來(lái)控制糖酵解與線粒體氧化磷酸化之間的平衡[12]。除此之外，近年另一個(gè)抑癌基因LKB1也成為了人們的關(guān)注熱點(diǎn)，他與AMPK形成的路徑被證明與腫瘤的發(fā)展轉(zhuǎn)移有著緊密聯(lián)系。

1.2 糖代謝中相關(guān)酶 代謝中一些關(guān)鍵酶在Warburg效應(yīng)中起到了重要的作用，關(guān)鍵酶的代謝改變可導(dǎo)致糖酵解能力增強(qiáng)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞葡萄糖的攝取，增加了乳酸的積累量，從而進(jìn)一步支持腫瘤的生長(zhǎng)發(fā)展。如己糖激酶-II（hexokinase-II, HK-II)、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase, PFK）、丙酮酸激酶、乳酸脫氫酶、磷酸甘油脫氫酶等等。其中關(guān)鍵酶的一個(gè)共同特點(diǎn)就是都轉(zhuǎn)變?yōu)榕咛喰蛠?lái)支持增殖所需要的大規(guī)模代謝、合成[13]，為癌細(xì)胞提供了各種益處，譬如阻止細(xì)胞凋亡，增加侵襲性，對(duì)致癌作用有直接的影響。

糖異生途徑中一個(gè)限速酶——果糖1,6二磷酸酯酶催化F-1,6-BP轉(zhuǎn)化為F-6-P。有研究[14]表明在基底細(xì)胞樣乳腺癌（basal-like breast carcinoma, BLBC）細(xì)胞中，人果糖-1,6-二磷酸酶可以減少乳酸的產(chǎn)生，增加氧消耗，阻止糖酵解，增加氧化磷酸化，而FBP1的丟失可誘導(dǎo)糖酵解，導(dǎo)致葡萄糖攝入量的增高；還可以通過(guò)抑制線粒體復(fù)合物I活性來(lái)激活氧化產(chǎn)物從而抑制氧消耗。在控制糖酵解過(guò)程中，F(xiàn)BP1是snail的一個(gè)主要下游靶點(diǎn)，在乳腺癌中利用snail復(fù)合物可以抑制FBP1，沉默鈣粘著蛋白（E-cadherin）[15]，這樣的一個(gè)代謝重編程導(dǎo)致了腫瘤細(xì)胞中腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cell, CSC）類似特性的增加和維持，促進(jìn)腫瘤發(fā)生和轉(zhuǎn)移，在EMT和BLBC中是一個(gè)關(guān)鍵的致癌事件[14]。

有氧糖酵解是腫瘤細(xì)胞優(yōu)先選擇的代謝方式，活躍的糖酵解代謝有益于惡性腫瘤的增殖生存，增強(qiáng)癌細(xì)胞的侵襲能力[16]。

2 Waburg 效應(yīng)對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移的作用

2.1 Warburg效應(yīng)為腫瘤細(xì)胞提供生長(zhǎng)增殖優(yōu)勢(shì) 癌細(xì)胞不同于正常細(xì)胞利用線粒體氧化磷酸化產(chǎn)能，它們大部分采取有氧糖酵解這種代謝方式，即Warburg效應(yīng)。有氧糖酵解并不是有效的產(chǎn)能途徑，每分子葡萄糖經(jīng)糖酵解生成乳酸只產(chǎn)生2分子ATP，而經(jīng)TCA循環(huán)可產(chǎn)生36分子的ATP，但是對(duì)于快速增殖的腫瘤細(xì)胞而言，有氧糖酵解是更有利的代謝選擇[16]。腫瘤細(xì)胞受局部缺氧等微環(huán)境的影響，線粒體氧化磷酸化受到抑制，糖酵解可以補(bǔ)充產(chǎn)能，并且呈現(xiàn)較高的ATP/ADP比率[17]，而且有氧糖酵解滿足了快速增殖的癌細(xì)胞對(duì)于大分子合成代謝的需要，提供了大量的代謝前體物質(zhì)，其產(chǎn)生的大量碳水化合物代謝產(chǎn)物都分流進(jìn)了各種生物合成途徑中。例如糖酵解中間產(chǎn)物6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖、磷酸甘油醛-3-磷酸轉(zhuǎn)變成了5-磷酸核糖，合成核酸；磷酸烯醇式丙酮酸及丙酮酸可以合成氨基酸；G-6-P可以通過(guò)戊糖磷酸途徑產(chǎn)生NADPH合成脂肪酸等，這都為腫瘤細(xì)胞提供了生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)[3]。提高了腫瘤細(xì)胞的增殖生存能力，也是腫瘤細(xì)胞能夠發(fā)生侵襲轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)。

2.2 Warburg效應(yīng)幫助腫瘤細(xì)胞逃避失巢凋亡 失巢凋亡，一種特殊的細(xì)胞程序死亡，是由于細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)或相鄰細(xì)胞脫離接觸而誘發(fā)的。失巢凋亡作為一種特殊的程序化細(xì)胞死亡形式，在機(jī)體發(fā)育、組織自身平衡、疾病發(fā)生中起重要作用，是腫瘤轉(zhuǎn)移的一道障礙，也就是說(shuō)拒絕失巢凋亡對(duì)癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散很重要[18]。

腫瘤細(xì)胞中對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞失巢凋亡敏感性來(lái)說(shuō)，葡萄糖代謝是一個(gè)決定性的因素，有氧糖酵解減少了葡萄糖的氧化代謝，使得癌細(xì)胞對(duì)失巢凋亡的抵抗性增加，機(jī)制[16]在于有氧糖酵解中，PDKs、LDH等酶高表達(dá)，PDH等低表達(dá)，可以為癌細(xì)胞提供失巢凋亡阻力，幫助脫離細(xì)胞基質(zhì)的癌細(xì)胞逃避失巢凋亡，延長(zhǎng)他們的生存[19]，有研究表明PDKs是不依賴貼壁細(xì)胞存活的重要調(diào)節(jié)基因，也是癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移傳播的一個(gè)調(diào)節(jié)基因；其次有氧糖酵解可以使癌細(xì)胞避免產(chǎn)生過(guò)多活性氧（reactive oxygen species, ROS），保持在一個(gè)約化態(tài)，克服失巢凋亡。所以有氧糖酵解可以促使更多的葡萄糖流向PPP途徑，產(chǎn)生還原產(chǎn)物NADPH，作為細(xì)胞內(nèi)主要的抗氧化劑保護(hù)細(xì)胞免受ROS影響，而且通過(guò)降低線粒體氧化代謝，避開(kāi)ROS過(guò)表達(dá)，提高抗氧能力，保持氧化還原動(dòng)態(tài)平衡，促進(jìn)失巢凋亡的抵抗和腫瘤的轉(zhuǎn)移。

2.3 Warburg效應(yīng)下的腫瘤微環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)移的影響

2.3.1 重要的中間產(chǎn)物——乳酸 乳酸是糖酵解的最終產(chǎn)物，也是一種微環(huán)境因子。在腫瘤細(xì)胞中，葡萄糖經(jīng)有氧糖酵解生成乳酸，其積累量不斷增加造成了微環(huán)境的酸化。在實(shí)體瘤中乳酸的累積是惡性腫瘤發(fā)展中一個(gè)關(guān)鍵的早期事件，腫瘤乳酸代謝與癌侵襲性密切相關(guān)，腫瘤的乳酸量與遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移的發(fā)生率有正面聯(lián)系，利用其可以預(yù)測(cè)腫瘤轉(zhuǎn)移及患者的存活率[13]。研究[20]發(fā)現(xiàn)乳酸可以促進(jìn)細(xì)胞遷移和聚集，促進(jìn)免疫逃逸，誘導(dǎo)腫瘤轉(zhuǎn)移。具體的機(jī)制在于：腫瘤細(xì)胞通過(guò)乳酸誘導(dǎo)的分泌物血管內(nèi)皮生成因子（vascular endothelial growth factor,VEGF）來(lái)為增殖確保充足的氧和營(yíng)養(yǎng)物，導(dǎo)致新血管生成，為細(xì)胞遷移創(chuàng)造環(huán)境，導(dǎo)致遷移增多。當(dāng)腫瘤細(xì)胞釋放大量乳酸到細(xì)胞外時(shí)，由于細(xì)胞內(nèi)外乳酸濃度比率的變化，免疫細(xì)胞不能釋放自身乳酸出去，從而最終因?yàn)樽陨砣樗嶂舷⒍觯瑢?dǎo)致免疫逃避，從而促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移[21,22]。腫瘤細(xì)胞借助單羧基轉(zhuǎn)運(yùn)體（monocarboxylate transporters, MCTs）分泌乳酸，Vegran等[23]證實(shí)乳酸可以通過(guò)MCT1、MCT4進(jìn)入內(nèi)皮細(xì)胞并轉(zhuǎn)運(yùn)，刺激NF-κB/白細(xì)胞介素8通路引起細(xì)胞遷移和血管形成，而且伴隨著H+的運(yùn)輸，細(xì)胞內(nèi)pH下降，酸性環(huán)境導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)毒性T細(xì)胞的功能也會(huì)下降。一系列的反應(yīng)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸，為癌細(xì)胞營(yíng)造更適合的環(huán)境來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)移侵襲，逃避了代謝壓力從而避免凋亡。乳酸的積累是腫瘤微環(huán)境改變的一個(gè)重要方面，是腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的一個(gè)決定性事件。

2.3.2 缺氧誘導(dǎo)因子 快速生長(zhǎng)的腫瘤細(xì)胞中，局部供氧量不足，通過(guò)上調(diào)糖酵解來(lái)代替氧化磷酸化不足來(lái)補(bǔ)償能量不足。缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia-inducible factor, HIF-1α）是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一特異性缺氧狀況下發(fā)揮活性的轉(zhuǎn)錄因子，是細(xì)胞適應(yīng)低氧狀態(tài)的關(guān)鍵分子[19]，他的活化可以誘導(dǎo)糖酵解酶及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因的表達(dá)，并且通過(guò)轉(zhuǎn)錄活化PDK，細(xì)胞色素C氧化酶COX4-2亞型來(lái)抑制線粒體氧化代謝，從而上調(diào)腫瘤細(xì)胞的有氧糖酵解[24]。而葡萄糖消耗增加，氧化磷酸化減少及乳酸的生成積累又可以誘導(dǎo)HIF1α表達(dá)。例如在有氧糖酵解中，乳酸的積累造成的酸性缺氧環(huán)境，及Warburg激酶AKT[25]的活化都會(huì)促進(jìn)HIF1α的轉(zhuǎn)錄和翻譯。HIF1α通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、啟動(dòng)腫瘤血管新生和躲避細(xì)胞凋亡程序等來(lái)促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移——在腫瘤細(xì)胞缺氧條件下，調(diào)節(jié)多種代謝靶基因的高表達(dá)，提高腫瘤細(xì)胞增殖活性；HIF1α對(duì)血管生成起著中樞調(diào)節(jié)作用，HIF的表達(dá)可增強(qiáng)VEGF基因表達(dá)，增強(qiáng)VEGF的轉(zhuǎn)錄活性，而VEGF作為誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞血管生成能力最強(qiáng)的細(xì)胞因子[26]，在HIF1α促進(jìn)下使得腫瘤新生血管增加從而提高腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移能力；腫瘤缺氧微環(huán)境中HIF1α高表達(dá)，存在了大量免疫抑制活性的細(xì)胞因子和生長(zhǎng)因子促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸，而免疫細(xì)胞不但不能起到抗腫瘤的作用，反而促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移，加速了腫瘤的演進(jìn)。

2.4 Warburg效應(yīng)可能誘導(dǎo)上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移 上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial mesenchymal transition, EMT）是具有極性的上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)換成為具有活動(dòng)能力的間質(zhì)細(xì)胞并獲得侵襲和遷移能力的過(guò)程，在腫瘤細(xì)胞侵襲過(guò)程中起著重要作用，與腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移關(guān)系密切，是許多腫瘤侵襲轉(zhuǎn)移的早期標(biāo)志[27]。

Warburg效應(yīng)對(duì)EMT的誘導(dǎo)可能涉及到了多種信號(hào)通路及分子機(jī)制，例如其中抑癌基因LKB1，轉(zhuǎn)錄因子snail等可能起到了一定作用。LKB1是一個(gè)已知的腫瘤抑制基因，在大多數(shù)癌癥患者中都發(fā)生了由于體細(xì)胞突變而導(dǎo)致的LKB1基因的丟失，這種突變廣泛存在于眾多類型的惡性腫瘤中，如肺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌等，在非小細(xì)胞肺癌中突變率更高達(dá)15%-35%[28]。有研究[29]表明LKB1可調(diào)節(jié)E-cadherin的表達(dá)從而調(diào)控EMT，E-cadherin作為EMT的一種重要標(biāo)記物受到很多轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，其中研究較多的snail家族可識(shí)別并與E-cadherin基因啟動(dòng)子部位的E-box序列相結(jié)合，抑制其表達(dá)，近年一些研究證實(shí)，snail在一些惡性腫瘤中呈高表達(dá)，被認(rèn)為是一個(gè)反映惡性腫瘤預(yù)后不良的重要生物學(xué)標(biāo)記物。LKB1也許可以通過(guò)調(diào)控snail來(lái)對(duì)由Warburg誘導(dǎo)的EMT進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而調(diào)控腫瘤轉(zhuǎn)移，但是具體機(jī)制還有待研究。其他關(guān)于Warburg與EMT關(guān)聯(lián)的研究中，有實(shí)驗(yàn)[30]顯示W(wǎng)arburg效應(yīng)中一些相關(guān)酶，譬如檸檬酸鹽等的突變丟失可能促進(jìn)EMT發(fā)生，推進(jìn)腫瘤惡性發(fā)展。

3 展望

腫瘤細(xì)胞能量代謝較正常細(xì)胞發(fā)生了異常，是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，尤其糖代謝過(guò)程雖然已經(jīng)有了大量研究但是其中各關(guān)鍵點(diǎn)依然還有很多疑問(wèn)亟待解決，他對(duì)腫瘤轉(zhuǎn)移的作用逐漸成為研究的熱點(diǎn)。腫瘤中的Warburg效應(yīng)表現(xiàn)出腫瘤細(xì)胞的高糖酵解速率，不僅提供了能量還提供了用于細(xì)胞生物合成的大量中間產(chǎn)物，為腫瘤快速增殖提供了合適的能量和營(yíng)養(yǎng)，保證了腫瘤細(xì)胞的快速生長(zhǎng)，幫助其逃避了代謝壓力，譬如氧化損傷等，同時(shí)促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的免疫逃逸，增加了他們的侵襲能力，為轉(zhuǎn)移提供了合適的環(huán)境和條件。所以研究Warburg效應(yīng)中關(guān)鍵的調(diào)控點(diǎn)有助于揭示腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移的機(jī)制，為腫瘤的靶向性治療提供很好的方向和策略。