張晶，張淑蘭

3-磷酸甘油酸脫氫酶在腫瘤中的研究進(jìn)展

張晶，張淑蘭△

3-磷酸甘油酸脫氫酶（3-PGDH或PHGDH）是絲氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶。其編碼基因PHGDH位于人類(lèi)染色體1p12，在一些正常組織中存在高表達(dá)，特別對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能發(fā)育有著重要作用。近年研究發(fā)現(xiàn)在一些腫瘤細(xì)胞中糖酵解途徑的部分中間產(chǎn)物進(jìn)入絲氨酸合成途徑，PHGDH酶活性增強(qiáng)、基因出現(xiàn)擴(kuò)增且蛋白存在高表達(dá)，參與調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖、凋亡及侵襲等過(guò)程。腫瘤細(xì)胞代謝方式的改變利于腫瘤的發(fā)生發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH可抑制腫瘤細(xì)胞增殖并增加細(xì)胞凋亡，沉默PHGDH后還可抑制腫瘤細(xì)胞侵襲，PHGDH有望成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。主要從PHGDH基因概述、功能及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用等方面進(jìn)行研究進(jìn)展綜述。

腫瘤；絲氨酸合成途徑；3-磷酸甘油酸脫氫酶

（J Int Obstet Gynecol，2016，43:331-334）

眾所周知，許多腫瘤在有氧條件下存在糖酵解增強(qiáng)的現(xiàn)象，即“warburg效應(yīng)”［1］。腫瘤細(xì)胞代謝方式的改變是腫瘤的核心標(biāo)志之一，但是仍有許多問(wèn)題尚未解釋清楚，例如何種因素調(diào)節(jié)這些代謝途徑的改變，代謝途徑變化如何影響腫瘤發(fā)生發(fā)展等。關(guān)于腫瘤代謝方面的研究經(jīng)歷一段時(shí)間的沉寂后，又重新成為研究的熱點(diǎn)。目前研究提出代謝途徑的改變一方面保證腫瘤增長(zhǎng)所需的能量，另一方面代謝的中間產(chǎn)物又為合成蛋白質(zhì)、脂肪、核酸等大分子提供原料，這使腫瘤形成依賴代謝關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)，所以深入研究其機(jī)制勢(shì)必會(huì)為腫瘤的治療找到新的靶點(diǎn)。2011年發(fā)表在Nature和Nature Genetics上的兩篇文章將研究焦點(diǎn)引入到腫瘤的絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶——3-磷酸甘油酸脫氫酶（D-3-phosphoglycerate dehydrogenase，3-PGDH或phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH），并引起了大量研究者的興趣，至今多項(xiàng)研究證實(shí)了絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶PHGDH在腫瘤中發(fā)揮重要作用，本文就PHGDH及其在腫瘤中的研究結(jié)果進(jìn)行綜述。

1 PHGDH基因概述

PHGDH基因位于人類(lèi)染色體1p12，目前發(fā)現(xiàn)有多種不同的剪接轉(zhuǎn)錄體，但是其全長(zhǎng)基因的性質(zhì)尚未完全清楚，有報(bào)道cDNA全長(zhǎng)2 478 bp。PHGDH基因有12個(gè)外顯子，估計(jì)有533個(gè)氨基酸的開(kāi)放讀碼框，編碼長(zhǎng)為56.8 ku的蛋白，與小鼠肝臟Phgdh蛋白有94%的同源性［2］。小鼠Phgdh基因全長(zhǎng)大約27 kb，位于3號(hào)染色體F2-F3區(qū)，包含12個(gè)外顯子和11個(gè)內(nèi)含子，所有的外顯子與內(nèi)含子的交界處都包含一致的剪接信號(hào)，并遵循GT/AG規(guī)律。分析小鼠5′側(cè)翼區(qū)長(zhǎng)度1.8 kb的片段，發(fā)現(xiàn)其轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)并不包含經(jīng)典的TATA盒子，而是在富含GC的近側(cè)區(qū)包含一個(gè)潛在的Sp1識(shí)別序列。計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)人與小鼠富含GC的近側(cè)序列有71.3%相同，并且在小鼠、大鼠、人類(lèi)富含GC的近側(cè)序列都包含保守的GC盒子和CAAT盒子。保守的Sp1識(shí)別位點(diǎn)對(duì)發(fā)揮基本啟動(dòng)子活性是非常重要的［3］。Jun等［4］通過(guò)突變分析、凝膠遷移實(shí)驗(yàn)（EMSA）、染色質(zhì)免疫共沉淀（ChIP）方法證實(shí)轉(zhuǎn)錄因子SP-1、核轉(zhuǎn)錄因子-Y（NF-Y）是PHGDH基因的啟動(dòng)子。

在人體正常組織中可以檢測(cè)到PHGDH有兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)錄本。其中占優(yōu)勢(shì)的長(zhǎng)為2.1 kb的轉(zhuǎn)錄本在前列腺、睪丸、卵巢、腦、肝、腎、胰腺中高表達(dá)，在甲狀腺、結(jié)腸、心臟中低表達(dá)，長(zhǎng)為710 bp的轉(zhuǎn)錄本在長(zhǎng)為2.1 kb的轉(zhuǎn)錄本表達(dá)的組織中也有較弱的表達(dá)，但在心臟及骨骼肌中更為重要。PHGDH mRNA在人白血病細(xì)胞、淋巴瘤Sup-T1、結(jié)腸腺癌COLO 320DM、上皮性腫瘤HeLa S3、鼠淋巴瘤BW5147.G. 1.4中都有顯著表達(dá)，但在人白血病K526細(xì)胞中則無(wú)表達(dá)［2］。

在鼠的子宮內(nèi)膜及人子宮內(nèi)膜細(xì)胞中PHGDH受同源框基因A10（HOXA10）反向調(diào)節(jié)，應(yīng)用免疫組化方法檢測(cè)到PHGDH存在于人子宮內(nèi)膜間質(zhì)細(xì)胞及腺細(xì)胞的胞質(zhì)中，在增殖期子宮內(nèi)膜中PHGDH表達(dá)水平相對(duì)較高，而在分泌期相對(duì)較低［5］。

在發(fā)育中及成熟的腦組織中，PHGDH的調(diào)節(jié)受細(xì)胞種系特異性行為的影響，主要是神經(jīng)上皮干細(xì)胞、放射狀膠質(zhì)細(xì)胞、星形細(xì)胞。PHGDH缺乏可導(dǎo)致兒童神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙，如先天小頭畸形、重度精神運(yùn)動(dòng)發(fā)育遲緩、高顱壓、癲癇、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、性腺發(fā)育不全［6］。

2 PHGDH催化絲氨酸合成途徑的作用

PHGDH是L-絲氨酸從頭合成的關(guān)鍵酶，作用在絲氨酸合成途徑的第1步，即氧化3-磷酸甘油酸酯（3PG）生成3-磷酸羥基丙酮酸（3-phosphohydroxypyruvate，pPYR），煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）作為輔助因子。接下來(lái)pPYR在磷酸絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶（phosphoserine aminotransferase，PSAT）作用下轉(zhuǎn)氨基形成磷酸絲氨酸（phosphoserine，pSER）和α酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，αKG），由谷氨酸提供氮。最后pSER在磷酸絲氨酸磷酸化酶（phosphoserine phosphatase，PSPH）的作用下脫磷酸形成絲氨酸。絲氨酸可通過(guò)給葉酸池中提供一碳單位而直接轉(zhuǎn)化成甘氨酸。絲氨酸合成途徑可以說(shuō)是從糖酵解途徑在3PG處的一個(gè)分支。糖酵解途徑的中間產(chǎn)物3PG流入絲氨酸合成途徑，可產(chǎn)生如下作用：①限制三磷酸腺苷（ATP）的產(chǎn)生；②3PG氧化使NAD+轉(zhuǎn)化為NADH而影響氧化還原狀態(tài)；③絲氨酸合成途徑產(chǎn)物絲氨酸和甘氨酸是生物合成通路的前體，如絲氨酸是合成嘌呤、嘧啶的前體；④絲氨酸合成甘氨酸時(shí)為葉酸池提供一碳單位，有利于生物合成及DNA甲基化；⑤α酮戊二酸的產(chǎn)生為線粒體三羧酸循環(huán)補(bǔ)充其所需的50%的谷氨酰胺。

3 PHGDH與腫瘤關(guān)系的研究

3.1 PHGDH在腫瘤中的酶活性增強(qiáng)早期關(guān)于PHGDH與腫瘤的研究主要關(guān)注在酶活性方面，Snell等［7］檢測(cè)了人直腸癌及鼠移植肉瘤模型中絲氨酸代謝相關(guān)酶的活性，發(fā)現(xiàn)絲氨酸脫水酶及絲氨酸轉(zhuǎn)氨酶的活性缺失，而PHGDH及絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶的活性在上述兩種腫瘤中明顯增高。PHGDH是絲氨酸從頭合成的關(guān)鍵酶，絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶則催化絲氨酸合成甘氨酸及甲基四氫葉酸，后兩者為核苷酸合成的重要前體，并提出絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶可能成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)，可以說(shuō)Snell等［7］當(dāng)時(shí)尚未關(guān)注PHGDH的作用。

3.2 PHGDH在腫瘤中的表達(dá)PHGDH在乳腺癌中的研究最多，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)在乳腺癌中不但PHGDH所在的基因組區(qū)域拷貝數(shù)增加，而且PHGDH的mRNA及蛋白水平均明顯增高。另外發(fā)現(xiàn)PHGDH高表達(dá)與三陰性（PR/ER/Her2）及基底亞型相關(guān)，與轉(zhuǎn)移情況、腫瘤體積不相關(guān)，證實(shí)PHGDH的表達(dá)是亞型特異性的［8-9］。Kim等［10］利用組織芯片通過(guò)免疫組織化學(xué)方法檢測(cè)PHGDH等多個(gè)絲氨酸合成途徑酶在6個(gè)乳腺癌細(xì)胞系及709例乳腺癌組織中的表達(dá)，且通過(guò)單因素分析得出腫瘤中PHGDH高表達(dá)與生存期縮短相關(guān)，但COX多因素分析得出腫瘤中PHGDH陰性與無(wú)瘤生存期縮短相關(guān)，結(jié)果不一致，尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。Kwon等［11］同樣利用組織芯片檢測(cè)203例分葉狀腫瘤中PHGDH等絲氨酸和甘氨酸合成途徑酶的表達(dá)情況及與臨床病理因素的相關(guān)性，結(jié)果表明在分葉狀腫瘤間質(zhì)中PHGDH存在高表達(dá)且與腫瘤分期呈正相關(guān)，通過(guò)單因素分析得出間質(zhì)中PHGDH表達(dá)增加與無(wú)病生存期縮短相關(guān)。

PHGDH在其他一些腫瘤中也存在高表達(dá)。Mullarky等［12］發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤中同樣存在PHGDH基因的擴(kuò)增，而且PHGDH拷貝數(shù)越多其蛋白表達(dá)水平越高。Liu等［13］研究發(fā)現(xiàn)PHGDH mRNA及蛋白在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中均存在高表達(dá)，且表達(dá)水平與世界衛(wèi)生組織（WHO）分級(jí)呈正相關(guān)，Kaplan-Meier生存分析顯示PHGDH的表達(dá)水平與神經(jīng)膠質(zhì)瘤預(yù)后相關(guān)。研究者研究發(fā)現(xiàn)PHGDH在宮頸癌中存在高表達(dá)，且與國(guó)際婦產(chǎn)科聯(lián)盟（FIGO）分期及腫瘤大小呈正相關(guān)，在宮頸鱗癌中PHGDH的表達(dá)與宮頸鱗狀上皮抗原（SCC-Ag）的表達(dá)呈正相關(guān)［14］。最近又有研究報(bào)道PHGDH在結(jié)腸癌組織中的表達(dá)明顯高于癌旁正常組織［15］。

3.3 PHGDH對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖凋亡的影響PHGDH在多種腫瘤中存在高表達(dá)并且與一些臨床病理參數(shù)存在相關(guān)性，PHGDH可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，目前多項(xiàng)研究深入探討了PHGDH對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖凋亡的影響。Locasale等［9］研究PHGDH在乳腺癌細(xì)胞中的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高表達(dá)PHGDH的細(xì)胞系中，即使培養(yǎng)液中缺乏絲氨酸，不影響細(xì)胞生長(zhǎng)，但在低表達(dá)PHGDH的細(xì)胞系中，如培養(yǎng)液中缺乏絲氨酸，則可導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)變慢或停止。抑制PHGDH高表達(dá)細(xì)胞系的PHGDH，絲氨酸合成途徑流量減少，細(xì)胞增殖明顯下降。在PHGDH低表達(dá)的細(xì)胞系（MCF-10A）中通過(guò)轉(zhuǎn)染使其高表達(dá)PHGDH，在無(wú)絲氨酸的培養(yǎng)液中也可增殖。Liu等［13］研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH可抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖并將細(xì)胞阻斷在G2期，其機(jī)制可能與沉默PHGDH后下調(diào)細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)激酶2（Chk2）和細(xì)胞周期素D1（cyclin D1）的表達(dá)相關(guān)。Ou等［16］研究發(fā)現(xiàn)在黑色素瘤細(xì)胞中p53可抑制PHGDH的表達(dá)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)在宮頸癌中沉默PHGDH后可抑制HeLa細(xì)胞增殖并增強(qiáng)其順鉑化療敏感性，并發(fā)現(xiàn)PHGDH可調(diào)節(jié)HeLa細(xì)胞中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）及B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2（Bcl-2）的表達(dá)［17］。

在體內(nèi)研究中，多個(gè)研究證實(shí)沉默PHGDH可抑制荷瘤鼠模型腫瘤的生長(zhǎng)［13，17］。但Chen等［18］研究發(fā)現(xiàn)沉默PHGDH初期可抑制荷瘤鼠模型腫瘤的生長(zhǎng)，逐漸對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的抑制作用減輕，提出沉默PHGDH可能對(duì)腫瘤初期形成有抑制作用，但對(duì)于腫瘤發(fā)展無(wú)明顯抑制作用。所以尚需進(jìn)一步開(kāi)展體內(nèi)研究明確PHGDH對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的影響。

上述多項(xiàng)研究可以得出PHGDH是腫瘤細(xì)胞中控制絲氨酸合成途徑流量的關(guān)鍵酶，PHGDH可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)增殖。

3.4 PHGDH對(duì)腫瘤細(xì)胞其他代謝途徑的影響腫瘤細(xì)胞代謝是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，不同代謝途徑之間存在著相互作用。在絲氨酸合成途徑中，每產(chǎn)生1摩爾的絲氨酸就會(huì)產(chǎn)生等摩爾的α酮戊二酸，如抑制PHGDH，α酮戊二酸的減少程度比絲氨酸明顯，α酮戊二酸參與三羧酸循環(huán)，同時(shí)引起三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的減少。在PHGDH高表達(dá)的細(xì)胞中，絲氨酸合成途徑上調(diào)補(bǔ)給反應(yīng)，使大概50%的谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為α酮戊二酸補(bǔ)充三羧酸循環(huán)所需［8］。另外新近有研究發(fā)現(xiàn)PHGDH可催化α酮戊二酸生成癌代謝產(chǎn)物2-羥基戊二酸，其相關(guān)作用機(jī)制尚需進(jìn)一步研究［19］。

4 展望

綜上所述，目前研究已證實(shí)一些腫瘤細(xì)胞在代謝過(guò)程中部分葡萄糖代謝的中間產(chǎn)物進(jìn)入絲氨酸合成途徑，在特定壓力的作用下，使腫瘤細(xì)胞不得不通過(guò)這條途徑為自己的生長(zhǎng)增殖提供原料和能量，這樣PHGDH作為絲氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶在腫瘤中便發(fā)揮重要作用。但是研究剛剛起步，首先，關(guān)于PHGDH基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制尚未完全清楚，PHGDH在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)是受缺氧等環(huán)境因素影響還是受到癌基因或通路的影響尚不清楚。另外新近Gromova等［20］研究提出PHGDH的表達(dá)與角蛋白5陽(yáng)性的細(xì)胞相關(guān)，而不一定是惡性腫瘤細(xì)胞，但這尚需進(jìn)一步證實(shí)。其次，腫瘤在代謝中選擇絲氨酸合成途徑的原因尚不清楚，絲氨酸合成途徑可能帶給腫瘤細(xì)胞諸多好處，但若發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的依賴點(diǎn)，將為繼續(xù)研究腫瘤的治療帶來(lái)重要的影響。最后，絲氨酸合成途徑及其關(guān)鍵酶PHGDH與其他代謝途徑間的關(guān)系尚不完全清楚。在腫瘤細(xì)胞代謝重新成為研究熱點(diǎn)的今天，PHGDH基因及絲氨酸代謝途徑無(wú)疑又給探索腫瘤治療提供了新的導(dǎo)向，對(duì)其進(jìn)行深入研究，PHGDH就可能成為腫瘤治療的新靶點(diǎn)。

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The Effect of Phosphoglycerate Dehydrogenase in Tumors

ZHANG Jing，ZHANG Shu-lan.Department of Obstetrics

and Gynecology，Shengjing Hospital，China Medical University，Shenyang 110004，China

Phosphoglycerate dehydrogenase（3-PGDH or PHGDH）is the key enzyme of de novo serine biosynthesis. The PHGDH gene located in human chromosomes 1p12，which is highly expressed in normal tissue，especially for the nervous system function.Recently，it was shown that a part of intermediate metabolites of glycolysis flew to serine biosynthesis.It was found PHGDH gene amplification and over expression in some tumor，PHGDH regulated tumor cell proliferation，apoptosis and invasion.Cell metabolism of tumor is benefit to tumor oncogenesis and progression.The study found that silence PHGDH can inhibit tumor cell proliferation，invasion and increase cell apoptosis.And PHGDH may be a potential treatment target.In this paper，we will review briefly the studies on PHGDH，including structural features，biological function and the genesis and development effect in some tumor.

Neoplasms；Serine biosynthesis；Phosphoglycerate dehydrogenase

2015-11-19）

［本文編輯 王琳］

110004 沈陽(yáng)，中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院婦產(chǎn)科

△審校者