3-磷酸甘油酸脱氢酶在肿瘤中的研究进展

张晶，张淑兰

3-磷酸甘油酸脱氢酶在肿瘤中的研究进展

张晶，张淑兰△

3-磷酸甘油酸脱氢酶（3-PGDH或PHGDH）是丝氨酸合成途径的关键酶。其编码基因PHGDH位于人类染色体1p12，在一些正常组织中存在高表达，特别对神经系统功能发育有着重要作用。近年研究发现在一些肿瘤细胞中糖酵解途径的部分中间产物进入丝氨酸合成途径，PHGDH酶活性增强、基因出现扩增且蛋白存在高表达，参与调控肿瘤细胞的增殖、凋亡及侵袭等过程。肿瘤细胞代谢方式的改变利于肿瘤的发生发展，研究发现沉默PHGDH可抑制肿瘤细胞增殖并增加细胞凋亡，沉默PHGDH后还可抑制肿瘤细胞侵袭，PHGDH有望成为肿瘤治疗的新靶点。主要从PHGDH基因概述、功能及其在肿瘤发生发展中的作用等方面进行研究进展综述。

肿瘤；丝氨酸合成途径；3-磷酸甘油酸脱氢酶

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

众所周知，许多肿瘤在有氧条件下存在糖酵解增强的现象，即“warburg效应”［1］。肿瘤细胞代谢方式的改变是肿瘤的核心标志之一，但是仍有许多问题尚未解释清楚，例如何种因素调节这些代谢途径的改变，代谢途径变化如何影响肿瘤发生发展等。关于肿瘤代谢方面的研究经历一段时间的沉寂后，又重新成为研究的热点。目前研究提出代谢途径的改变一方面保证肿瘤增长所需的能量，另一方面代谢的中间产物又为合成蛋白质、脂肪、核酸等大分子提供原料，这使肿瘤形成依赖代谢关键酶的调节，所以深入研究其机制势必会为肿瘤的治疗找到新的靶点。2011年发表在Nature和Nature Genetics上的两篇文章将研究焦点引入到肿瘤的丝氨酸合成途径及其关键酶——3-磷酸甘油酸脱氢酶（D-3-phosphoglycerate dehydrogenase，3-PGDH或phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH），并引起了大量研究者的兴趣，至今多项研究证实了丝氨酸合成途径及其关键酶PHGDH在肿瘤中发挥重要作用，本文就PHGDH及其在肿瘤中的研究结果进行综述。

1 PHGDH基因概述

PHGDH基因位于人类染色体1p12，目前发现有多种不同的剪接转录体，但是其全长基因的性质尚未完全清楚，有报道cDNA全长2 478 bp。PHGDH基因有12个外显子，估计有533个氨基酸的开放读码框，编码长为56.8 ku的蛋白，与小鼠肝脏Phgdh蛋白有94%的同源性［2］。小鼠Phgdh基因全长大约27 kb，位于3号染色体F2-F3区，包含12个外显子和11个内含子，所有的外显子与内含子的交界处都包含一致的剪接信号，并遵循GT/AG规律。分析小鼠5′侧翼区长度1.8 kb的片段，发现其转录起始位点并不包含经典的TATA盒子，而是在富含GC的近侧区包含一个潜在的Sp1识别序列。计算分析发现人与小鼠富含GC的近侧序列有71.3%相同，并且在小鼠、大鼠、人类富含GC的近侧序列都包含保守的GC盒子和CAAT盒子。保守的Sp1识别位点对发挥基本启动子活性是非常重要的［3］。Jun等［4］通过突变分析、凝胶迁移实验（EMSA）、染色质免疫共沉淀（ChIP）方法证实转录因子SP-1、核转录因子-Y（NF-Y）是PHGDH基因的启动子。

在人体正常组织中可以检测到PHGDH有两个不同的转录本。其中占优势的长为2.1 kb的转录本在前列腺、睾丸、卵巢、脑、肝、肾、胰腺中高表达，在甲状腺、结肠、心脏中低表达，长为710 bp的转录本在长为2.1 kb的转录本表达的组织中也有较弱的表达，但在心脏及骨骼肌中更为重要。PHGDH mRNA在人白血病细胞、淋巴瘤Sup-T1、结肠腺癌COLO 320DM、上皮性肿瘤HeLa S3、鼠淋巴瘤BW5147.G. 1.4中都有显著表达，但在人白血病K526细胞中则无表达［2］。

在鼠的子宫内膜及人子宫内膜细胞中PHGDH受同源框基因A10（HOXA10）反向调节，应用免疫组化方法检测到PHGDH存在于人子宫内膜间质细胞及腺细胞的胞质中，在增殖期子宫内膜中PHGDH表达水平相对较高，而在分泌期相对较低［5］。

在发育中及成熟的脑组织中，PHGDH的调节受细胞种系特异性行为的影响，主要是神经上皮干细胞、放射状胶质细胞、星形细胞。PHGDH缺乏可导致儿童神经系统功能障碍，如先天小头畸形、重度精神运动发育迟缓、高颅压、癫痫、生长发育迟缓、性腺发育不全［6］。

2 PHGDH催化丝氨酸合成途径的作用

PHGDH是L-丝氨酸从头合成的关键酶，作用在丝氨酸合成途径的第1步，即氧化3-磷酸甘油酸酯（3PG）生成3-磷酸羟基丙酮酸（3-phosphohydroxypyruvate，pPYR），烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）作为辅助因子。接下来pPYR在磷酸丝氨酸转氨酶（phosphoserine aminotransferase，PSAT）作用下转氨基形成磷酸丝氨酸（phosphoserine，pSER）和α酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，αKG），由谷氨酸提供氮。最后pSER在磷酸丝氨酸磷酸化酶（phosphoserine phosphatase，PSPH）的作用下脱磷酸形成丝氨酸。丝氨酸可通过给叶酸池中提供一碳单位而直接转化成甘氨酸。丝氨酸合成途径可以说是从糖酵解途径在3PG处的一个分支。糖酵解途径的中间产物3PG流入丝氨酸合成途径，可产生如下作用：①限制三磷酸腺苷（ATP）的产生；②3PG氧化使NAD+转化为NADH而影响氧化还原状态；③丝氨酸合成途径产物丝氨酸和甘氨酸是生物合成通路的前体，如丝氨酸是合成嘌呤、嘧啶的前体；④丝氨酸合成甘氨酸时为叶酸池提供一碳单位，有利于生物合成及DNA甲基化；⑤α酮戊二酸的产生为线粒体三羧酸循环补充其所需的50%的谷氨酰胺。

3 PHGDH与肿瘤关系的研究

3.1 PHGDH在肿瘤中的酶活性增强早期关于PHGDH与肿瘤的研究主要关注在酶活性方面，Snell等［7］检测了人直肠癌及鼠移植肉瘤模型中丝氨酸代谢相关酶的活性，发现丝氨酸脱水酶及丝氨酸转氨酶的活性缺失，而PHGDH及丝氨酸羟甲基转移酶的活性在上述两种肿瘤中明显增高。PHGDH是丝氨酸从头合成的关键酶，丝氨酸羟甲基转移酶则催化丝氨酸合成甘氨酸及甲基四氢叶酸，后两者为核苷酸合成的重要前体，并提出丝氨酸羟甲基转移酶可能成为肿瘤治疗的新靶点，可以说Snell等［7］当时尚未关注PHGDH的作用。

3.2 PHGDH在肿瘤中的表达PHGDH在乳腺癌中的研究最多，多项研究发现在乳腺癌中不但PHGDH所在的基因组区域拷贝数增加，而且PHGDH的mRNA及蛋白水平均明显增高。另外发现PHGDH高表达与三阴性（PR/ER/Her2）及基底亚型相关，与转移情况、肿瘤体积不相关，证实PHGDH的表达是亚型特异性的［8-9］。Kim等［10］利用组织芯片通过免疫组织化学方法检测PHGDH等多个丝氨酸合成途径酶在6个乳腺癌细胞系及709例乳腺癌组织中的表达，且通过单因素分析得出肿瘤中PHGDH高表达与生存期缩短相关，但COX多因素分析得出肿瘤中PHGDH阴性与无瘤生存期缩短相关，结果不一致，尚需进一步研究证实。Kwon等［11］同样利用组织芯片检测203例分叶状肿瘤中PHGDH等丝氨酸和甘氨酸合成途径酶的表达情况及与临床病理因素的相关性，结果表明在分叶状肿瘤间质中PHGDH存在高表达且与肿瘤分期呈正相关，通过单因素分析得出间质中PHGDH表达增加与无病生存期缩短相关。

PHGDH在其他一些肿瘤中也存在高表达。Mullarky等［12］发现在黑色素瘤中同样存在PHGDH基因的扩增，而且PHGDH拷贝数越多其蛋白表达水平越高。Liu等［13］研究发现PHGDH mRNA及蛋白在神经胶质瘤中均存在高表达，且表达水平与世界卫生组织（WHO）分级呈正相关，Kaplan-Meier生存分析显示PHGDH的表达水平与神经胶质瘤预后相关。研究者研究发现PHGDH在宫颈癌中存在高表达，且与国际妇产科联盟（FIGO）分期及肿瘤大小呈正相关，在宫颈鳞癌中PHGDH的表达与宫颈鳞状上皮抗原（SCC-Ag）的表达呈正相关［14］。最近又有研究报道PHGDH在结肠癌组织中的表达明显高于癌旁正常组织［15］。

3.3 PHGDH对肿瘤细胞增殖凋亡的影响PHGDH在多种肿瘤中存在高表达并且与一些临床病理参数存在相关性，PHGDH可能在肿瘤的发生发展中发挥重要作用，目前多项研究深入探讨了PHGDH对肿瘤细胞增殖凋亡的影响。Locasale等［9］研究PHGDH在乳腺癌细胞中的作用，结果发现在高表达PHGDH的细胞系中，即使培养液中缺乏丝氨酸，不影响细胞生长，但在低表达PHGDH的细胞系中，如培养液中缺乏丝氨酸，则可导致细胞生长变慢或停止。抑制PHGDH高表达细胞系的PHGDH，丝氨酸合成途径流量减少，细胞增殖明显下降。在PHGDH低表达的细胞系（MCF-10A）中通过转染使其高表达PHGDH，在无丝氨酸的培养液中也可增殖。Liu等［13］研究发现沉默PHGDH可抑制神经胶质瘤细胞的增殖并将细胞阻断在G2期，其机制可能与沉默PHGDH后下调细胞周期检测点激酶2（Chk2）和细胞周期素D1（cyclin D1）的表达相关。Ou等［16］研究发现在黑色素瘤细胞中p53可抑制PHGDH的表达而诱导细胞凋亡。研究发现在宫颈癌中沉默PHGDH后可抑制HeLa细胞增殖并增强其顺铂化疗敏感性，并发现PHGDH可调节HeLa细胞中含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（caspase-3）及B细胞淋巴瘤/白血病-2（Bcl-2）的表达［17］。

在体内研究中，多个研究证实沉默PHGDH可抑制荷瘤鼠模型肿瘤的生长［13，17］。但Chen等［18］研究发现沉默PHGDH初期可抑制荷瘤鼠模型肿瘤的生长，逐渐对肿瘤生长的抑制作用减轻，提出沉默PHGDH可能对肿瘤初期形成有抑制作用，但对于肿瘤发展无明显抑制作用。所以尚需进一步开展体内研究明确PHGDH对肿瘤细胞增殖的影响。

上述多项研究可以得出PHGDH是肿瘤细胞中控制丝氨酸合成途径流量的关键酶，PHGDH可促进肿瘤细胞的生长增殖。

3.4 PHGDH对肿瘤细胞其他代谢途径的影响肿瘤细胞代谢是一个错综复杂的网络，不同代谢途径之间存在着相互作用。在丝氨酸合成途径中，每产生1摩尔的丝氨酸就会产生等摩尔的α酮戊二酸，如抑制PHGDH，α酮戊二酸的减少程度比丝氨酸明显，α酮戊二酸参与三羧酸循环，同时引起三羧酸循环中间产物的减少。在PHGDH高表达的细胞中，丝氨酸合成途径上调补给反应，使大概50%的谷氨酰胺转化为α酮戊二酸补充三羧酸循环所需［8］。另外新近有研究发现PHGDH可催化α酮戊二酸生成癌代谢产物2-羟基戊二酸，其相关作用机制尚需进一步研究［19］。

4 展望

综上所述，目前研究已证实一些肿瘤细胞在代谢过程中部分葡萄糖代谢的中间产物进入丝氨酸合成途径，在特定压力的作用下，使肿瘤细胞不得不通过这条途径为自己的生长增殖提供原料和能量，这样PHGDH作为丝氨酸合成途径的关键酶在肿瘤中便发挥重要作用。但是研究刚刚起步，首先，关于PHGDH基因表达调控的机制尚未完全清楚，PHGDH在肿瘤细胞中高表达是受缺氧等环境因素影响还是受到癌基因或通路的影响尚不清楚。另外新近Gromova等［20］研究提出PHGDH的表达与角蛋白5阳性的细胞相关，而不一定是恶性肿瘤细胞，但这尚需进一步证实。其次，肿瘤在代谢中选择丝氨酸合成途径的原因尚不清楚，丝氨酸合成途径可能带给肿瘤细胞诸多好处，但若发现肿瘤细胞的依赖点，将为继续研究肿瘤的治疗带来重要的影响。最后，丝氨酸合成途径及其关键酶PHGDH与其他代谢途径间的关系尚不完全清楚。在肿瘤细胞代谢重新成为研究热点的今天，PHGDH基因及丝氨酸代谢途径无疑又给探索肿瘤治疗提供了新的导向，对其进行深入研究，PHGDH就可能成为肿瘤治疗的新靶点。

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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）

［本文编辑 王琳］

110004 沈阳，中国医科大学附属盛京医院妇产科

△审校者