關(guān)永俊，余佳，王衛(wèi)星

武漢大學(xué)人民醫(yī)院肝膽外科，湖北 武漢 430060

腫瘤細胞的微環(huán)境與正常細胞不同，為了適應(yīng)缺氧和營養(yǎng)缺乏，腫瘤細胞會改變營養(yǎng)獲取或代謝途徑，以滿足腫瘤細胞的能量、生物合成和氧化還原需要。腫瘤細胞的這種生物能量變化現(xiàn)象，稱為“代謝重編程”。代謝重編程被認為是癌癥的標(biāo)志，細胞的惡性轉(zhuǎn)化和腫瘤的侵襲、轉(zhuǎn)移都需要代謝重編程。腫瘤代謝重編程涉及的代謝途徑包括糖酵解、戊糖磷酸途徑、脂質(zhì)代謝、核酸和氨基酸代謝。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞的代謝重新編程是由許多不同的因素調(diào)節(jié)，而轉(zhuǎn)錄因子對腫瘤細胞代謝基因的調(diào)控是腫瘤細胞代謝重編程的主要機制之一，其中c-Myc、缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor-1，HIF-1)、p53、叉頭框(forkhead-box，F(xiàn)ox)在腫瘤代謝重編程中研究最多。本文綜述了c-Myc、HIF-1、p53、Fox對癌細胞中糖酵解、戊糖磷酸途徑、脂質(zhì)代謝、核酸和氨基酸代謝的調(diào)控機制，以期為腫瘤代謝重編程及其相關(guān)分子機制的理解提供思路。

一、HIF-1與腫瘤代謝重編程

HIF-1是一種對氧敏感的轉(zhuǎn)錄因子，主要在缺氧狀態(tài)下促進缺氧誘導(dǎo)基因的表達，從而引起機體組織對缺氧的特異性反應(yīng)。HIF-1由HIF-1α和HIF-1β亞單位組成。研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1在結(jié)直腸癌[1]、胰腺癌[2]、乳腺癌[3]等多種腫瘤組織中高表達并與腫瘤細胞的糖酵解途徑密切相關(guān)。HIF-1可以通過上調(diào)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(glucose transporter 1，GLUT1)和乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A，LDHA)的表達，增強乳腺癌細胞的糖酵解[4]。此外，其他糖酵解酶的表達亦被證實可受HIF-1的誘導(dǎo)。例如，HIF-1α可以通過調(diào)節(jié)丙酮酸激酶M2亞型(pyruvate kinase M2，PKM2)的表達，而PKM2又與HIF-1α亞基相互作用，并在反饋環(huán)中刺激其反式激活，誘導(dǎo)巨噬細胞中的無氧糖酵解途徑[5]，從而促進腫瘤細胞增殖和發(fā)展。在胰腺癌細胞中，PKM2也同樣可以調(diào)節(jié)HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性，從而促進腫瘤細胞的生長。HIF-1α在缺氧的條件下表達量會增加，同時丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1)、LDHA、PKM2等糖酵解酶的表達也比有氧條件下增加。敲除HIF-1α后，PDK1、LDHA和PKM2的表達下降同時也抑制了胰腺癌細胞的增殖[6]。這些研究表明，HIF-1可以通過調(diào)控腫瘤糖酵解的多種關(guān)鍵酶而影響腫瘤細胞的生長。HIF-1還可以影響腫瘤細胞的三羧酸循環(huán)。糖代謝過程中，丙酮酸脫氫酶(pyruvate dehydrogenase，PDH)可將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進入三羧酸循環(huán)，也可被LDHA轉(zhuǎn)化為乳酸。HIF-1可以通過轉(zhuǎn)錄活化PDK1，使PDH催化域磷酸化并失活，抑制PDH催化生產(chǎn)乙酰輔酶A，導(dǎo)致進入三羧酸循環(huán)中的乙酰輔酶A量減少，從而減少了還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸(flavine adenine dinucleotide，F(xiàn)ADH2)對電子傳遞鏈的傳遞，致使氧化磷酸化減少。此外，HIF-1還可以與c-Myc協(xié)同促進PDK1和己糖激酶2的表達，共同促進酵解。

除了糖酵解外，HIF-1對腫瘤脂質(zhì)代謝也有影響。在胃癌中HIF-1α、脂肪酸合酶(fatty acid synthase，F(xiàn)ASN)和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c基因的表達增高且與預(yù)后不良有關(guān)，HIF-1α增高可以上調(diào)FASN的活性，進而激活固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(sterol-regulatory element binding proteins-1c， SREBP-1c)[7]。抑制FASN可以降低HIF-1α的表達、活性和泛素化，從而抑制肝癌細胞的遷移、侵襲[8]。此外，HIF-1還可以上調(diào)紅細胞生成素(erythropoietin，EPO)轉(zhuǎn)錄表達，EPO可以促進紅細胞生成，增強葡萄糖代謝和緩解腫瘤的缺氧狀況。HIF-1除了參與腫瘤代謝重編程外，還可通過多種方式調(diào)節(jié)腫瘤免疫。但是，HIF-1是否可以通過影響腫瘤糖酵解，導(dǎo)致腫瘤細胞微環(huán)境中的乳酸堆積和酸性環(huán)境的改變而影響免疫細胞的分泌，進而引起免疫逃逸，這有待于進一步研究證實。綜上所述，HIF-1可以參與腫瘤代謝的多個環(huán)節(jié)，在腫瘤細胞增殖的過程中扮演重要的功能。

二、c-Myc與腫瘤代謝重編程

Myc基因家族包括c-Myc、n-Myc、1-Myc、s-Myc。其中c-Myc主要定位在細胞核中，扮演轉(zhuǎn)錄因子的作用，并參與細胞周期調(diào)控、代謝、蛋白質(zhì)合成、細胞黏附、細胞骨架、凋亡和血管生成等。c-Myc在大多數(shù)惡性腫瘤中高表達并且與腫瘤的發(fā)展密切相關(guān)，如胃癌[9]、胰腺癌[10]、結(jié)直腸癌[11]、甲狀腺癌[12]、卵巢癌[13]。已經(jīng)證明Myc通過調(diào)節(jié)糖酵解基因的表達，包括GLUT、LDHA、己糖激酶、磷酸果糖激酶、磷酸甘油酸激酶和α-烯醇化酶來增強糖酵解[14]，促進腫瘤細胞增殖。為了維持較高的糖酵解，Myc通過上調(diào)LDHA生成NAD+，尤其是3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)，它是糖酵解所需的輔助因子，也為促進腫瘤細胞增殖提供充足的能量和物質(zhì)基礎(chǔ)。敲除胃癌細胞中的c-Myc，則能抑制細胞增殖能力和糖酵解水平，與單獨敲除PKM2或c-Myc相比，PKM2和c-Myc共同敲除對胃癌細胞的抑制作用更為明顯[15]。GLUT1作為糖酵解中的另一個關(guān)鍵基因，與腫瘤的增殖密切相關(guān)。在乳腺癌中研究發(fā)現(xiàn)，抑制c-Myc調(diào)節(jié)的GLUT1的翻譯和轉(zhuǎn)錄可抑制腫瘤細胞生長[16]。

Myc還可以通過上調(diào)異質(zhì)胞核核糖核蛋白(heterogeneous nuclear ribonucleoproteins，hnRNP)來調(diào)丙酮酸激酶的可變剪接。Myc通過上調(diào)聚嘧啶束結(jié)合蛋白、hnRNPA1和hnRNPA2的轉(zhuǎn)錄，從而維持高比例的PKM2/PKM1，促進糖酵解。此外，Myc還可直接激活單羧酸轉(zhuǎn)運蛋1/2的基因轉(zhuǎn)錄，或通過抑制miRNA的表達而間接增加單羧酸轉(zhuǎn)運蛋1的基因表達，促進腫瘤細胞將乳酸轉(zhuǎn)運進入細胞，并將乳酸作為能源物質(zhì)進行利用，避免了低氧狀態(tài)下局部葡萄糖缺乏造成的損傷，從而發(fā)揮促進腫瘤細胞生長的作用[17]。

為了維持功能性三羧酸循環(huán)，腫瘤細胞可通過谷氨酰胺酶(glutaminase，GLS)將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸，同時進入三羧酸循環(huán)后通過代謝產(chǎn)生ATP。因此，谷氨酰胺分解是腫瘤能量代謝的另一個重要特征。Myc是主要導(dǎo)致腫瘤細胞對谷氨酰胺產(chǎn)生依賴的主要癌蛋白，而在低葡萄糖和氧氣的環(huán)境下，Myc誘導(dǎo)的谷氨酰胺代謝有利于細胞的存活。Myc可以上調(diào)谷氨酰胺合成酶的表達，從而在三羧酸循環(huán)中將谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為谷氨酸[18]。此外，Myc可以通過提高谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白鈉/葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白和高親和力陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白的表達來促進谷氨酰胺的吸收。此外，谷氨酰胺通過谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉(zhuǎn)運蛋白2(alanine-serine-cysteine transporter 2，ASCT2)進入細胞，然后通過GLS將其轉(zhuǎn)化為谷氨酸。Myc通過直接誘導(dǎo)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運蛋白ASCT2的表達來促進谷氨酰胺的導(dǎo)入。

核苷酸代謝途徑受轉(zhuǎn)錄因子c-Myc的調(diào)節(jié)， c-Myc可與核苷酸代謝途徑中的多個重要基因結(jié)合從而直接調(diào)控這些代謝酶，如氨甲酰磷酸合成酶。此外，絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶1(serine hydroxymethyl transferase 1，SHMT1)和SHMT2將一碳單元提供給四氫葉酸，通過胸苷酸合成酶將脫氧尿苷酸甲基化為脫氧胸苷酸，其中SHMT2是參與一碳代謝的酶，對脫氧核糖核苷三磷酸合成至關(guān)重要，而Myc可直接激活SHMT1和SHMT2表達，從而導(dǎo)致核苷酸代謝的異常。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，過表達Myc可增強真核翻譯起始因子4E(eIF4E)驅(qū)動磷酸核糖焦磷酸合成酶2(PRPS2)翻譯以促進核苷酸合成[19]。

Myc也可以通過調(diào)控脂肪酸代謝相關(guān)基因而影響腫瘤細胞的脂質(zhì)代謝重編程，包括ATP檸檬酸裂合酶、乙酰輔酶A羧化酶α、硬脂酰輔酶A去飽和酶和FASN[20]。在前列腺上皮細胞中，Myc呈高表達并可增強FASN的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平。代謝組學(xué)分析還表明，Myc過表達細胞中磷脂和檸檬酸脂質(zhì)前體的富集，表明Myc的高水平與脂肪酸合成增加有關(guān)?？傊琈yc通過促進糖酵解、谷氨酰胺分解、核苷酸合成、脂肪酸代謝等多種途徑促進腫瘤細胞的增殖，在腫瘤細胞的生物學(xué)過程中扮演著關(guān)鍵作用。深入探討其在腫瘤細胞代謝的中的作用，研究開發(fā)以此為靶點的特異性靶向治療藥物對惡性腫瘤的治療具有重要意義。

三、p53與腫瘤代謝重編程

轉(zhuǎn)錄因子p53是最為常見的抑癌基因，近年來發(fā)現(xiàn)p53在腫瘤細胞代謝重編程中發(fā)揮重要作用。在糖酵解中，GLUT是p53的直接靶基因，p53以組織特異性方式抑制GLUT1、GLUT4和GLUT12基因的轉(zhuǎn)錄，影響葡萄糖代謝，抑制腫瘤生長[21]。除了抑制葡萄糖的轉(zhuǎn)運外，在缺氧條件下，p53還通過抑制MCT1并導(dǎo)致乳酸積累，從而限制了癌細胞中的糖酵解速率，抑制了乳酸的轉(zhuǎn)運。此外，p53可直接通過下調(diào)己糖激酶2的表達，從而抑制腫瘤發(fā)展。還可以協(xié)同鋅通過磷酸化電壓依賴性陰離子通道1來破壞前列腺癌細胞己糖激酶2的線粒體結(jié)合，抑制腫瘤細胞增殖[22]。p53還可調(diào)控細胞色素c氧化合成酶2的表達，從而上調(diào)線粒體的活性，導(dǎo)致糖酵解被抑制。

p53還參與戊糖磷酸途徑(pentose phosphate pathway，PPP)，這是一種從糖酵解分支出來的代謝途徑。p53可以與葡萄糖6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD)結(jié)合并阻止了活性二聚體的形成，抑制PPP途徑而影響腫瘤的生長。p53缺陷細胞表現(xiàn)出更高的葡萄糖消耗和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)生成，表明戊糖磷酸途徑的上調(diào)，而突變型p53不能抑制G6PD。此外，TP53誘導(dǎo)的糖酵解和細胞凋亡調(diào)節(jié)劑(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator，TIGAR)能夠?qū)?，6-二磷酸果糖磷酸化為6-磷酸果糖，從而降低2，6二磷酸果糖水平和磷酸果糖激酶1活性，而磷酸果糖激酶1是糖酵解的關(guān)鍵酶。p53可通過誘導(dǎo)TIGAR來抑制腫瘤細胞的糖酵解途徑，促進葡萄糖轉(zhuǎn)向PPP[23]，最終，TIGAR促進了NADPH和5-磷酸核糖的生成。這些研究表明，p53不僅通過調(diào)節(jié)糖酵解基因表達而且還直接抑制戊糖磷酸途徑而達到抑癌作用。

p53也可以調(diào)節(jié)三羧酸循環(huán)。p53通過抑制PDK2的啟動子，使PDH活性降低，從而阻止了乙酰輔酶A的產(chǎn)生，影響三羧酸循環(huán)。GLS2也是p53靶基因[24]，p53依賴性方式誘導(dǎo)GLS2表達并催化谷氨酰胺水解為谷氨酸來促進線粒體呼吸，同時增加三羧酸循環(huán)中α-酮戊二酸的水平。此外，三羧酸循環(huán)相關(guān)的蘋果酸酶1(malic enzyme 1，ME1)和ME2對NADPH的產(chǎn)生、脂肪生成和谷氨酰胺代謝均有重要作用。而p53可以直接通過下調(diào)ME1和ME2產(chǎn)生抑癌作用[25]。

p53也參與腫瘤脂質(zhì)代謝。p53通過調(diào)節(jié)胍基乙酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶、AMP依賴的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)、肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶等增強肪酸分解代謝和抑制脂肪酸合成，從而充當(dāng)脂質(zhì)合成的負調(diào)節(jié)劑[26]。p53可以直接調(diào)控脂肪酸代謝調(diào)節(jié)因子脂素蛋白1，促進脂肪酸氧化。同時，p53可通過直接阻遏SREBPs或通過增加SREBP抑制劑脂素蛋白1的表達來間接抑制SREBPs，進一步抑制脂肪酸的合成和腫瘤的增殖[27]。而突變型p53可直接與SREBP-1結(jié)合并增強其轉(zhuǎn)錄功能或抑制AMPK的活性而增加脂肪酸合成，促進腫瘤的生長[28]。此外，p53還激活?；o酶A脫氫酶家族成員11，催化線粒體中脂肪酸氧化循環(huán)的第一步[29]。除了直接調(diào)節(jié)參與脂質(zhì)代謝基因的轉(zhuǎn)錄外，p53還可以通過直接與蛋白質(zhì)間相互作用的方式調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝。例如，葡萄糖6-磷酸脫氫酶與p53結(jié)合并被p53直接抑制，導(dǎo)致NADPH產(chǎn)生減少，從而導(dǎo)致脂肪酸合成減少[30]。因此，p53通過抑制脂肪酸的合成并促進脂肪酸的氧化，從而維持線粒體呼吸，最終影響腫瘤細胞的脂質(zhì)代謝重編程?？傊琾53與腫瘤細胞代謝密切相關(guān)，它可通過對糖酵解、磷酸戊糖、三羧酸循環(huán)、脂質(zhì)代謝途徑的調(diào)節(jié)而影響腫瘤細胞代謝重編程[31]，而p53參與腫瘤細胞代謝調(diào)控的分子機制尚未完全掌握。因此，深入研究p53調(diào)節(jié)腫瘤代謝的機制，對于腫瘤的防控及藥物的研究均有重要意義。

四、Fox與腫瘤代謝重編程

Fox蛋白是一個大家族轉(zhuǎn)錄因子且在多種生物學(xué)過程中具有重要功能?；贔ox家族基因的相似性，F(xiàn)ox蛋白可以分為19個亞族，從FoxA到FoxS。其中，F(xiàn)oxO和FoxM亞族與腫瘤代謝關(guān)系最為密切。

FoxO家族包括四個成員：FoxO1，F(xiàn)oxO3a，F(xiàn)oxO4和FoxO6。FoxO轉(zhuǎn)錄因子家族除了參與細胞周期調(diào)控、細胞生長、凋亡、自噬、血管生成、DNA修復(fù)等，還與腫瘤代謝相關(guān)。在糖代謝方面，F(xiàn)oxO通過調(diào)節(jié)Myc來抑制糖酵解基因的表達以及葡萄糖的攝取和乳酸的產(chǎn)生，影響Warburg效應(yīng)[32]。在FoxO3a敲低細胞中，降低與mTORC1激活相對的結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1(tuberous sclerosis complex subunit 1，TSC1)腫瘤抑制因子的表達，mTORC1依賴性糖酵解增加。FoxO3a可與TSC1啟動子結(jié)合并激活TSC1，抑制mTORC1和核糖體蛋白S6激酶1最終抑制糖酵解并且能促進腫瘤細胞凋亡，在腫瘤中主要發(fā)揮抑癌基因功能[33]。在谷氨酰胺代謝方面，F(xiàn)oxO3a和FoxO4可以調(diào)節(jié)谷氨酰胺合成酶的表達，直接影響谷氨酰胺的代謝。谷氨酰胺分解增加會激活mTOR，而谷氨酰胺合成增加會抑制mTOR的激活。mTOR能夠抑制自噬，而FoxO3a介導(dǎo)的谷氨酰胺合成酶活性增加可以導(dǎo)致自噬增加。這表明FoxO3a可以通過增加谷氨酰胺合成酶的活性導(dǎo)致自噬體形成，有助于FoxO3a抑制腫瘤細胞的增殖。在調(diào)節(jié)脂代謝方面，F(xiàn)oxO1可以抑制SREBP1c的表達。此外，F(xiàn)oxO1可以通過上調(diào)脂肪三酰甘油脂肪酶的表達來促進脂解作用[34]。

FoxM1是正常細胞增殖所必需的，但是，F(xiàn)oxM1在乳腺癌[35]、腎上腺皮質(zhì)癌[36]、大腸癌[37]、前列腺癌[38]、肝癌[39]、肺癌[40]和胃癌[41]中高表達。癌癥基因組圖譜(TCGA)數(shù)據(jù)庫分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)oxM1在大多數(shù)腫瘤中高表達且與預(yù)后不良密切相關(guān)[42]。FoxM1促進腫瘤發(fā)展的機制眾多，其中包括對細胞代謝的重編程過程。在胃癌和胰腺癌的研究中，F(xiàn)oxM1通過對LDHA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控促進癌細胞的糖酵解及癌細胞的增殖、遷移[43]。此外，F(xiàn)oxM1D通過與PKM2結(jié)合，促進糖酵解并增強血管內(nèi)皮生長因子轉(zhuǎn)錄，從而促進腫瘤血管生成[44]。但是，不同F(xiàn)ox家族的轉(zhuǎn)錄因子同樣通過代謝途徑對腫瘤產(chǎn)生影響，但卻分別產(chǎn)生抑癌或促癌作用，其機制仍不明確。目前，關(guān)于Fox家族對腫瘤代謝的影響主要集中在糖酵解和脂質(zhì)代謝，而對其他代謝途徑的影響有待更多的研究。

五、結(jié)語

糖酵解、磷酸戊糖途徑、核酸和氨基酸代謝、三羧酸循環(huán)和脂質(zhì)代謝不僅為腫瘤的生長提供能量，而且還為腫瘤細胞增殖等生物學(xué)行為提供了必要的合成底物。越來越多的證據(jù)支持轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)癌癥代謝中的關(guān)鍵作用，識別和阻斷腫瘤代謝過程中的調(diào)控途徑和靶點將成為腫瘤靶向治療的研究熱點。雖然已經(jīng)明確HIF-1、c-Myc、p53、Fox等轉(zhuǎn)錄因子在腫瘤代謝中的作用，但其他轉(zhuǎn)錄因子在腫瘤代謝中的作用還有待進一步研究。此外，腫瘤微環(huán)境和自噬對腫瘤的發(fā)生和發(fā)展也有重要影響，而腫瘤代謝重編程與腫瘤微環(huán)境和自噬相關(guān)。那么，轉(zhuǎn)錄因子是否在腫瘤微環(huán)境、自噬與代謝重編程之間的聯(lián)系中發(fā)揮作用，這些問題還需要進一步探索。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突