范佳楊,梁 婷綜述,劉 康,羅岳西審校
宮頸癌是女性最常見的惡性腫瘤之一,在全球范圍內(nèi)其發(fā)病率僅次于乳腺癌,死亡率位居全球第二[1]。全世界每年大約有50萬名婦女被診斷出宮頸癌,且發(fā)病人群呈年輕化趨勢,嚴重威脅著女性的生命健康。Warburg效應(yīng)作為腫瘤細胞代謝特征之一,發(fā)現(xiàn)至今已近百年,在近10余年被廣泛研究,被大量研究深入探討。目前關(guān)于腫瘤細胞中普遍存在Warburg效應(yīng)的解釋有多種,其中一個熱點集中在糖酵解通路中的一些關(guān)鍵酶上,如烯醇化酶(Enolase)、磷酸甘油酸變位酶(phosphoglycerate mutase, PGAM)、己糖激酶(Hexokinase, HK)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK)等。研究表明,在腫瘤組織和細胞中,這些關(guān)鍵酶的表達和活性發(fā)生了改變[2-5]。因此,許多參與糖酵解的關(guān)鍵酶有望成為宮頸癌治療的靶點,為進一步研究宮頸癌發(fā)生、發(fā)展機制提供新思路。本文主要就與宮頸癌Warburg效應(yīng)相關(guān)的酶作一綜述。
葡萄糖是一種重要的營養(yǎng)物質(zhì),糖代謝對于維持動物的生命活動至關(guān)重要。細胞的能量主要來源于糖代謝,糖代謝有兩種途徑,氧化磷酸化和糖酵解。正常細胞在有氧條件下糖酵解被抑制,主要利用的是有氧呼吸。20世紀20年代,德國生物化學家Otto Heineieh Warburg研究發(fā)現(xiàn),腫瘤細胞與正常細胞的糖代謝存在很大的不同,在惡性增殖過程中,能量代謝途徑發(fā)生了改變,癌變細胞的能量代謝途徑由三羧酸循環(huán)為主轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒鉃橹?。Warburg指出在氧氣供應(yīng)充足的情況下,腫瘤細胞仍然偏好以糖酵解來獲取能量,而不是供能效率更高的氧化磷酸化,這一現(xiàn)象被稱之為Warburg效應(yīng)[6]。Warburg效應(yīng)被認為是腫瘤細胞為了適應(yīng)增殖分化的能量需要所發(fā)生的代謝重構(gòu),該效應(yīng)為腫瘤細胞的生長、增殖提供大量的腺嘌呤核苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP),并且制造了適宜腫瘤細胞生存的微環(huán)境,增強了其侵襲和轉(zhuǎn)移能力,也幫助腫瘤細胞逃避機體免疫和細胞凋亡機制。
據(jù)報道,糖酵解酶轉(zhuǎn)錄的上調(diào)與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)[7-9]。同時也有研究發(fā)現(xiàn),許多糖酵解基因Warburg效應(yīng)聯(lián)系在一起,為糖代謝在腫瘤發(fā)生中的作用提供了進一步的證據(jù)[10]。因此通過利用糖酵解過程的代謝特點,篩選出一些糖酵解相關(guān)的酶,特異地抑制腫瘤細胞的Warburg效應(yīng),將有效地抑制腫瘤的侵襲和增殖,為腫瘤的治療提供新的途徑。
2.1 EnolaseEnolase是一種金屬酶[11],是糖酵解過程中的關(guān)鍵酶之一,有三種不同形式的烯醇化酶,即ENO1、ENO2和ENO3[12]。ENO1在許多腫瘤中的轉(zhuǎn)錄活性和蛋白表達量均上調(diào)[3]。ENO1在細胞的分布位置和表現(xiàn)的功能不同,在腫瘤細胞表面可以觀察到ENO1,如乳腺癌、肺癌和胰腺癌細胞[13-15]。在細胞表面,ENO1與纖溶酶原結(jié)合,纖溶酶原和纖溶酶的細胞外蛋白水解活性在癌細胞增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移中起重要作用。在細胞核表達的ENO1與MYC結(jié)合(MYC為編碼基本核轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)基因和原癌基因家族,屬于堿性螺旋環(huán)螺旋DNA結(jié)合蛋白超家族,主要調(diào)控細胞生長、增殖、分化、細胞周期、代謝、存活、凋亡以及腫瘤發(fā)生[16],抑制環(huán)氧合酶COX2的表達,從而抑制腫瘤細胞的上皮間質(zhì)化[17],但 ENO1 對腫瘤細胞促進增殖的作用并未在正常細胞中觀察到[18]。烯醇化酶能夠催化2-磷酸甘油酸轉(zhuǎn)化為磷酸烯醇式丙酮酸[19]。張棟棟等[20]通過western blot法驗證了通過慢病毒建立的沉默ENO1基因的細胞的ENO1表達量明顯低于正常細胞。采用MTT法檢測出沉默ENO1基因后的宮頸癌Siha細胞增殖能力減弱,并且對化療藥物的敏感性增強。Michela 等[12]通過研究胰腺癌及乳腺癌細胞發(fā)現(xiàn)可通過沉默ENO1來抑制糖酵解和促進氧化磷酸化這兩方面來影響腫瘤細胞的Warburg效應(yīng)。沉默ENO1后,細胞中的磷酸果糖激酶表達下調(diào),這將嚴重影響葡萄糖進入糖酵解過程。由于糖酵解通量受損,沉默ENO1后乳酸水平下降。沉默ENO1后的細胞還表現(xiàn)出谷氨酰胺酶的活性增加,谷氨酰胺代謝物在三羧酸循環(huán)中被迅速消耗,所有細胞系均觀察到線粒體鏈電子通量的上調(diào),特別是通過復合物Ⅰ和Ⅱ,同時增加了耗氧量,ATP的合成量也有了很大程度的增加。ENO1沉默的細胞傾向于消耗更多的O2維持氧化磷酸化[7]。由此可見,ENO1在腫瘤細胞中普遍呈高表達,ENO1將會是宮頸癌治療中一個非常有前景的和臨床相關(guān)的靶點。
2.2 PGAMPGAM是最初在腦組織中發(fā)現(xiàn)的PGAM家族成員,包含PGAM1和PGAM2兩個同源二聚體[21]。定位于人染色體10q25.3區(qū)域,編碼cDNA全長1709 bp,包括一個31-bp 5′非翻譯區(qū)(5′UTR)、一個765 bp編碼區(qū)和一個913-bp 3′非翻譯區(qū)(3′UTR),延伸至Polya尾。既往有研究已證實PGAM1是參與細胞有氧糖酵解途徑的關(guān)鍵酶之一,PGAM 1通過協(xié)調(diào)糖酵解戊糖磷酸途徑來支持癌細胞快速增殖,這與其控制細胞內(nèi)3-磷酸甘油和2-磷酸甘油的代謝功能有關(guān)[4]。傅柳桃等[2]采用免疫組化法檢測了67例宮頸癌和癌旁組織中PGAM1的表達水平,結(jié)果顯示宮頸癌組織中PGAM1表達明顯高于癌旁組織。同時運用MTT法、流式細胞術(shù)、熒光定量實時PCR和Western blot法,檢測宮頸癌Hela細胞的周期、凋亡以及增殖情況,初步證實了PGAM1是通過激活A(yù)kt/mTOR信號通路來誘導、調(diào)控 Warburg效應(yīng),促進腫瘤細胞的增殖。MTT結(jié)果表明,宮頸癌Hela細胞PGAMl基因沉默后,腫瘤細胞增殖活性明顯受到抑制,細胞凋亡率顯著增加,葡萄糖消耗和乳酸產(chǎn)量明顯降低,PTEN表達量明顯上調(diào),PTEN是Akt/mTOR信號通路的負性調(diào)控蛋白,具有抑制癌基因的活性,可抑制腫瘤細胞增殖,并促使腫瘤細胞凋亡[2]。由此可見,PGAM1在宮頸癌組織中表現(xiàn)為上調(diào),且可作為宮頸癌診治的標志物。
2.3 HKHK是葡萄糖代謝過程中的第一個限速酶,催化葡萄糖生成6-磷酸-葡萄糖(G-6-P),作為ATP生產(chǎn)和代謝物生物合成的底物[22-23]。HK有四種亞型:HK-Ⅰ,HK-Ⅱ,HK-Ⅲ,HK-Ⅳ。HK1主要與線粒體結(jié)合,主要參與ATP生成的分解代謝,而HK2主要位于細胞質(zhì)內(nèi),主要參與代謝物的合成[24-25]。在免疫組織化學分析中,正常宮頸組織幾乎無HK2信號,而約60%的宮頸癌標本HK2染色呈陽性[26]。Tseng[4]等采用Western blotting和免疫熒光染色法分析了HK1和HK2在多種癌細胞中的表達。人宮頸癌(HeLa和SIHA)、乳腺癌(MCF 7)和前列腺癌(PC3)細胞表達大量HK1和HK2,HK1主要分布于胞漿和線粒體,而HK2主要分布在胞漿中,HK1和HK2在能量代謝中均起著重要作用[27-32]。在HK1沉默的細胞中磷酸化AMP依賴蛋白激酶(p-AMPK)水平和p-p38 MAPK蛋白水平均升高,干擾了生物能量的穩(wěn)態(tài),導致AMPK/p38MAPK通路的擴增,從而改變了細胞的能量代謝,HK1沉默可導致線粒體呼吸出現(xiàn)嚴重缺陷,但增加葡萄糖攝取,促進糖酵解活性。HK2的高表達導致p53/Tigar和SCO2通路增加糖酵解代謝。由此可見,HK在宮頸癌組織中呈現(xiàn)高表達,研究HK在糖酵解途徑中的機制也將成為腫瘤治療的靶點。
2.4 PK丙酮酸激酶M2 (pyruvate kinase M2,PKM2)是糖酵解中的關(guān)鍵酶之一,廣泛存在于多種惡性腫瘤中。Lin等[5]等通過qRT-PCR檢測到PKM 2在宮頸癌組織和細胞中均有高表達。已有研究表明PKM2可作為轉(zhuǎn)錄輔激活物發(fā)揮作用,PKM 2一旦進入細胞核,可促進靶基因的轉(zhuǎn)錄,如HIF-1α靶向表達的谷蛋白、PKM 2、LDH-A和VEGF-A,從而促進癌細胞的生長、正反饋調(diào)節(jié)的糖酵解[33]。細胞膜表面的表皮生長因子受體激活后的PKM2依賴的正反饋環(huán)促進有氧糖酵解,以及上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(glucose transporter1,GLUT1)和乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDHA)的表達[34]。原癌基因Myc家族在癌癥中經(jīng)常被過度激活,并通過增加許多糖酵解酶的表達與HIF在腫瘤代謝中發(fā)揮重要的協(xié)同作用[35-36]。MYC轉(zhuǎn)錄后,GLUT 1、LDHA和PTB介導的PKM 2表達上調(diào)。這些限速糖酵解基因的高表達在表皮生長因子誘導的Warburg效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用,其特點是葡萄糖攝取增加,氧氣作用下乳酸生成增加,從而促進腫瘤的發(fā)生。由此可見,PKM2在宮頸癌組織中呈現(xiàn)高表達,為人類腫瘤治療提供了新的靶點。
2.5 LDH乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase,LDH)也是糖代謝通路中的重要限速酶。LDH的分子量大約為140KD。一般認為,LDH可分為LDH-A和LDH-B兩種[37]。轉(zhuǎn)錄因子HIF-I和Myc在轉(zhuǎn)錄和或翻譯水平調(diào)節(jié)LDH-A基因的表達水平。c-Myc促進線粒體谷氨酰胺代謝,導致進入三羧酸循環(huán)的碳減少,并降低線粒體對糖脂生物合成的能量供應(yīng)。在結(jié)直腸癌的研究中,轉(zhuǎn)錄因子c-myc具有使糖酵解代謝相關(guān)基因表達增加和促進LDH-A參與線粒體生物合成的作用[38]。LDH-A對腫瘤的微環(huán)境和腫瘤的進展、轉(zhuǎn)移重要的影響,高表達的LDH-A與腫瘤預(yù)后不良有關(guān)[39]。在腫瘤組織中高表達的LDH-A積極地將丙酮酸還原為乳酸支持癌細胞的增殖。LDH-A活性的增加也會增加乳酸的生成,從而導致乳酸在細胞外環(huán)境中的輸出。從惡性細胞中擴散出來的代謝物刺激周圍成纖維細胞合成透明質(zhì)酸,導致細胞外基質(zhì)的重新排列,促進侵襲性細胞的生長[40]。LDH-B的表達下降與DNA的甲基化密切相關(guān)。Brown等[41]證實在人類乳腺癌中,LDH-B亞單位的表達喪失可能發(fā)生在早期,其潛在機制可能與LDH-B啟動子甲基化有關(guān)。此外,由于LDH-B缺乏細胞在缺氧條件下表現(xiàn)出明顯的乳酸水平升高,因此LDH-B表達的減少可能為癌細胞的生長提供了有利條件。由此可見,研究LDH在糖酵解途徑中的機制也將成為腫瘤治療的靶點。
宮頸癌的發(fā)生、發(fā)展是一個復雜的生理過程,宮頸癌的侵襲、轉(zhuǎn)移過程又極其復雜,這為早期發(fā)現(xiàn)、干預(yù)和治療宮頸癌帶來許多困難。Warburg效應(yīng)是公認的腫瘤細胞的代謝特征之一,腫瘤性糖酵解增加糖代謝,產(chǎn)生乳酸,從而產(chǎn)生酸性和低氧的微環(huán)境,促進腫瘤的發(fā)生、侵襲和轉(zhuǎn)移,這與臨床和預(yù)后密切相關(guān),為腫瘤的預(yù)防和治療提供了非常重要的理論基礎(chǔ)和研究方向。Warburg效應(yīng)及其在癌細胞中作用的廣泛研究,提高了對腫瘤細胞增殖原因的認識,但其影響宮頸癌的發(fā)展及預(yù)后仍然有一些機制不甚明確。雖然現(xiàn)在針對Warburg效應(yīng)仍然有許多亟待解決的問題,但隨著科學研究的不斷深入,通過干預(yù)糖酵解的關(guān)鍵酶來干擾腫瘤細胞的Warburg效應(yīng)來切斷其能量生成來干預(yù)宮頸癌的發(fā)生、發(fā)展將逐漸成為現(xiàn)實,為臨床上的治療提供新的思路,為越來越多的宮頸癌患者帶來希望。