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以Warburg效應(yīng)為軸心的惡性腫瘤代謝機制

楊康麗余祖江李晶晶闞全程

(鄭州大學第一附屬醫(yī)院 感染科河南 鄭州450052)

【關(guān)鍵詞】腫瘤細胞；糖酵解；氧化磷酸化；磷酸戊糖途徑；脂肪酸分解

代謝是生物體用于維持生命的一系列有序的化學反應(yīng)的總稱。生物體生長、繁殖、保持它們的結(jié)構(gòu)以及對外界環(huán)境做出反應(yīng)等多項生命活動都需要消耗能量，其絕大部分由三磷酸腺苷(adenosine triphophate，ATP)供應(yīng)，而糖代謝是最主要的ATP生成途徑。糖異生的逆反應(yīng)是糖酵解。1920年德國生物學家Warburg發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞即便在有氧條件下仍表現(xiàn)出活躍的葡萄糖攝取和糖酵解，即“Warburg effect”[1]。

1924年Warburg觀察到腫瘤細胞與正常細胞相比，將更多的葡萄糖代謝產(chǎn)生乳酸。通過直接檢測大鼠肝癌和正常肝臟組織中乳酸的產(chǎn)生量和耗氧量，Warburg等發(fā)現(xiàn)正常肝臟組織顯示“Pasteur effect”，即在有氧環(huán)境中乳酸的生成受到抑制，而腫瘤組織在任何氧濃度的環(huán)境下均保持乳酸的生成。隨后許多的人類腫瘤研究均表明，在氧氣存在的情況下乳酸仍持續(xù)產(chǎn)生。Warburg檢測到癌組織消耗可用呼吸作用解釋的10倍葡萄糖量，而且腫瘤內(nèi)乳酸的產(chǎn)生量比正常組織的產(chǎn)生量多兩個數(shù)量級[2]。隨著該領(lǐng)域研究的不斷深入，人們幾乎在所有腫瘤中證實了“Warburg effect”的存在。近年來，關(guān)于“Warburg effect”起因的研究熱點主要集中在以下幾個方面。

1抑癌基因突變

研究表明，一些抑癌基因發(fā)生突變或功能喪失能夠促進腫瘤細胞的糖酵解，如Ras、Myc，通過誘導糖酵解的酶和活化糖轉(zhuǎn)運體而不斷激活糖酵解過程[3]。Jiang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞中p53突變或缺失、p73大量表達可加速磷酸戊糖途徑，證明p53可與磷酸戊糖途徑第1步反應(yīng)中的關(guān)鍵酶葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)結(jié)合，并抑制它的活性；p53除具有轉(zhuǎn)錄活性外，還具有催化功能，它通過與底物瞬時結(jié)合，以“hit-and-run”模式使G6PD酶活性降低；高表達量的p73使G6PD的活性大大增強[5]。這一發(fā)現(xiàn)部分解釋了“Warburg effect”。

2線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)受抑

2.1線粒體DNA(mtDNA)的高突變率造成mtDNA高突變率的原因主要有：①在線粒體構(gòu)型中，mtDNA與細胞內(nèi)氧自由基(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生位點在物理位置上十分接近；②mtDNA缺乏組蛋白的保護，使線粒體更容易受到細胞內(nèi)ROS的影響；③mtDNA沒有細胞核DNA一樣強大的修復(fù)能力。

許多腫瘤細胞表現(xiàn)出來的是mtDNA變異，而并非線粒體功能受到抑制或數(shù)目減少，mtDNA變異使OXPHOS受到抑制，ROS產(chǎn)量增加，使腫瘤細胞能在不利的條件下生長。核酸DNA變異導致琥珀酸脫氫酶和延胡索酸水解酶功能受抑，而參與糖酵解和磷酸戊糖途徑的有關(guān)酶活性增加[6]。

2.2Crabtree Effect1929年Crabtree在高濃度的葡萄糖培養(yǎng)基和有氧條件下培養(yǎng)細胞時發(fā)現(xiàn)細胞生長受到抑制并生成乙醇，該現(xiàn)象稱為“Crabtree effect”。在快速生長的腫瘤細胞和正常增殖的細胞中添加葡萄糖或其他己糖會導致OXPHOS部分受抑制[7]。這種現(xiàn)象并非由葡萄糖直接引起。在大鼠肝細胞瘤AS-30D培養(yǎng)過程中添加葡萄糖后，糖酵解途徑增強，而ATP和無機磷酸鹽(inorganic phosphate，Pi)含量下降，胞液的pH從7.2降至6.8，磷酸己糖的濃度大幅度增加[8]。

3加速進行的糖酵解

3.1己糖激酶(hexokinase，HK)HK是糖酵解第1步反應(yīng)的限速酶，使葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖。腫瘤細胞線粒體中HK的活性上調(diào)。Akt信號系統(tǒng)能夠促使HK和電壓依賴的陰離子通道(voltage dependent anion cannel，VDAC)結(jié)合，活化HK，抑制細胞色素C酶和細胞凋亡，HK可通過抑制bcl-2家族抑制細胞程序性死亡[9-10]。

3.26-磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase，PFK-1)

PFK-1催化6-磷酸果糖轉(zhuǎn)化為1,6-二磷酸果糖。果糖-2, 6-二磷酸激酶3(PFKFB3)是PFK1的重要調(diào)節(jié)劑，2,6-二磷酸果糖是PFK1的變構(gòu)調(diào)節(jié)劑。PFK1和PFKFB3與腫瘤細胞的生物合成相關(guān)，兩者過表達可使1,6-二磷酸果糖明顯升高，分流進入磷酸戊糖途徑，參與5-磷酸核糖的合成[11]。

3.3丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)PK催化糖酵解中第2個產(chǎn)生ATP的反應(yīng)，將磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酸基轉(zhuǎn)移給ADP，生成ATP和丙酮酸鹽。腫瘤細胞中含有其變構(gòu)體PKM2。其抑制劑有氟磷酸、5-磷酸吡哆醛、肌酸磷酸、草酸鹽、L-磷酸乳糖及合成的環(huán)狀庚肽CAP-232/TLN-232[12]。當腫瘤細胞快速分裂需要合成大量大分子物質(zhì)時，PK活性受抑制，由四聚體形式轉(zhuǎn)變?yōu)槎垠w形式，其碳源物質(zhì)將進入磷酸戊糖途徑。

3.4乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH) LDH催化丙酮酸生成乳酸，同時將NADH氧化為NAD+。該酶使丙酮酸和NADH得以循環(huán)利用。腫瘤細胞中存在過表達的LDH，在細胞質(zhì)中促進NAD+生成，從而提高了有氧條件下糖酵解的速率。在腫瘤組織中，缺氧區(qū)的細胞可以產(chǎn)生并排出乳酸，而氧氣充足區(qū)的細胞則通過單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1攝取乳酸，將其轉(zhuǎn)化為丙酮酸進入線粒體OXPHOS[13-14]。以此形成的酸性微環(huán)境影響了腫瘤的浸潤和轉(zhuǎn)移[15]。

3.5低氧誘導因子1(HIF-1)HIF-1是具有轉(zhuǎn)錄活性的核蛋白，由2個異源性亞單位構(gòu)成(氧敏感亞單位HIF-1α和共表達亞單位HIF-1β)，可使腫瘤細胞代謝有關(guān)的基因和葡萄糖轉(zhuǎn)運體表達上調(diào)，激活糖酵解。HIF-1α的生物合成受磷酸肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和細胞外信號調(diào)控酶-有絲分裂原活化蛋白激酶(ERK-MAPK)信號途徑調(diào)控。這兩種信號通路被G蛋白偶聯(lián)受體、受體酪氨酸激酶、非受體酪氨酸激酶活化。HIF-1α可以通過氧依賴機制被降解。HIF-1α表達升高能夠促使糖酵解中間產(chǎn)物進入磷酸戊糖途徑，促使轉(zhuǎn)酮基酶和PKM2表達，參與磷酸戊糖途徑和5-磷酸核糖產(chǎn)生。許多HIF-1抑制劑主要通過抑制HIF-1α亞單位而發(fā)揮作用，如PI3K/Akt/mTOR、ERK-MAPK信號途徑、熱休克蛋白90復(fù)合物、拓撲異構(gòu)酶-1[16]。現(xiàn)在對低氧誘導基因表達機制了解甚少，低氧時HIF-1表達增強只是現(xiàn)象，其觸發(fā)機制有待闡明。

4被激活的磷酸戊糖途徑

變異的人間充質(zhì)干細胞能夠上調(diào)5-磷酸核糖異構(gòu)酶A(ribose phosphate isomerase A，RPIA)的表達，RPIA可以增加5-磷酸核糖生成并增強DNA合成相關(guān)酶的活性，可以得出變異細胞中磷酸戊糖途徑的活性是上調(diào)的[17]。高速的糖酵解過程源源不斷地產(chǎn)生中間產(chǎn)物，參與磷酸戊糖途徑生成核苷酸，可以滿足腫瘤細胞快速生長所需要的大量的DNA復(fù)制，刺激腫瘤細胞的增殖。

5脂肪酸分解的增加

腫瘤細胞利用糖酵解的中間產(chǎn)物為合成代謝提供物質(zhì)原料，如6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖可用于糖原及磷酸戊糖的合成，磷酸二羥丙酮可用于甘油及磷脂的合成，而腫瘤中PKM2活性降低引起丙酮酸上游磷酸代謝物在腫瘤細胞中的累積可以促進脂肪酸及核酸的合成[18]。同時，腫瘤細胞可通過上調(diào)磷酸戊糖途徑將葡萄糖代謝為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)，用于脂肪酸合成，為腫瘤細胞快速增殖提供細胞膜合成原料，并抵抗腫瘤內(nèi)ROS引起的細胞凋亡[19]。

6免疫紊亂

有研究觀察到惡性腫瘤細胞產(chǎn)生的乳酸可調(diào)節(jié)樹突狀細胞的活性，提示腫瘤源性的乳酸還會影響抗腫瘤T細胞的免疫應(yīng)答[20]。

腫瘤細胞的惡性增殖是一個大量消耗能量的過程，但其能量主要來源于產(chǎn)能率較低的糖酵解及繼發(fā)增高的脂肪酸分解、磷酸戊糖途徑的加速，高產(chǎn)能率的線粒體氧化磷酸化及三羧酸循環(huán)受到抑制，從調(diào)控代謝的基因、酶學及免疫方面掐斷惡性腫瘤細胞的畸形能量來源，使其恢復(fù)正常的代謝途徑，可能為靶向能量代謝的腫瘤治療策略提供新的視野和契機。

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(收稿日期：2015-10-27)

【中圖分類號】R 730.2

doi:10.3969/j.issn.1004-437X.2016.03.037