HMGB1与肿瘤代谢重编程关系的研究进展

杨建芬,刘瑶

(1赣南医学院，江西赣州 341000；2赣南医学院第一附属医院)

与正常细胞相比，为满足恶性增殖对能量和养分的需求，肿瘤细胞往往会适应性地改变代谢方式，从氧化磷酸化代谢途径向糖酵解途径转变，改变氨基酸代谢及脂质代谢等，从而满足必要的能量供应以及生物合成需求，为肿瘤细胞的快速增殖提供基础，这一过程称为肿瘤的代谢重编程。近年越来越多的学者试图研究肿瘤代谢重编程的发生机制，以及代谢重编程中的多种调控因子。高迁移率族蛋白B1(HMGB1)在多种肿瘤中高表达[1]，并参与肿瘤的发生发展[2]。研究发现，HMGB1可通过多种途径参与肿瘤代谢重编程。因此了解HMGB1与肿瘤代谢重编程在肿瘤中的作用以及两者之间的关系具有重要意义。

1 肿瘤代谢重编程

2011年，Hanahan等[3]概述了肿瘤的十大特征，包括持续的增殖、无限复制能力、逃避生长抑制因子、持续血管生成、抵抗细胞凋亡、浸润和迁移、形成肿瘤炎性微环境、基因组不稳定和突变、异常的代谢表型和免疫逃逸。其中代谢表型的异常是肿瘤代谢重编程的结果。肿瘤的代谢重编程是指通过改变肿瘤细胞的能量代谢方式以适应逆境而保持快速生长，其增强了营养物质的吸收以提供能量和生物合成[4]。肿瘤代谢重编程主要表现为：氧化还原代谢异常(葡萄糖以氧酵解为主)、谷氨酰胺分解代谢活跃、脂代谢异常等。即使是有氧条件下，肿瘤细胞的一个显著特性[3]是更倾向于利用糖酵解来产能，这种现象称为沃伯格(Warburg)效应[5]。早期研究以为，Warburg效应是由于线粒体功能受损、氧化磷酸化反应受到抑制。近年越来越多的证据表明，肿瘤细胞也能依赖线粒体呼吸而产生能量，而Warburg效应的发生是由于肿瘤细胞为满足其快速增殖所需的能量以及生物合成而主动发生的过程。肿瘤细胞摄取大量葡萄糖，利用糖酵解中间产物进行旺盛的生物合成代谢，如6-磷酸-葡萄糖、6-磷酸-果糖、3-磷酸-甘油醛可经磷酸戊糖途径代谢成为5-磷酸核糖，用于核酸从头合成。而3-磷酸甘油、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸可用于合成非必需氨基酸[6，7]。

氨基酸的代谢异常包括谷氨酰胺、丝氨酸、甘氨酸等代谢异常，其中最主要的是谷氨酰胺代谢异常。尽管谷氨酰胺是一种非必需氨基酸，但对肿瘤而言，谷氨酰胺是特定情况下的必需氨基酸，其代谢增强对肿瘤细胞具有重要的生物学意义。谷氨酰胺为合成核苷酸和非必需氨基酸提供氮源，也是肿瘤细胞脂类物质合成的重要物质基础。肿瘤细胞中，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶催化转变为谷氨酸，谷氨酸又被谷氨酸脱氢酶催化形成α-酮戊二酸，最终进入三羧酸循环，为三羧酸循环提供底物。谷氨酰胺还能抑制肿瘤细胞的氧化应激，维持线粒体膜完整性，从而促进增殖细胞的存活能力[8]。此外，肿瘤中支链氨基酸的代谢异常除了能支持肿瘤细胞生物合成的需求，还有可能在肿瘤中发挥免疫抑制作用，参与肿瘤免疫逃逸[9]。

在肿瘤细胞中，脂肪酸从头合成增强，分解降低，胆固醇以及磷脂等脂类合成增强[10]。脂肪酸的合成可以为细胞提供重要的生物膜、传导信号及功能蛋白的修饰等[11]。脂类还能维持肿瘤细胞的氧化还原稳态，促进肿瘤细胞扩散，形成远处转移。此外，尽管大多数肿瘤主要依赖糖酵解维持能量与生物合成的需求，但也有一些肿瘤依赖脂肪酸-β氧化途径进行氧化代谢、维持能量的生成[12]。

肿瘤代谢重编程受多种关键因子的调节，如癌基因c-Myc的过度活化和抑癌基因p53的失活能够影响糖代谢、氨基酸代谢以及脂质代谢；缺氧诱导因子1α(HIF-1α)也可以调控糖代谢与脂代谢，并与c-Myc和p53相互作用影响肿瘤细胞的代谢重编程。总之，肿瘤代谢重编程的最终目的是满足肿瘤细胞快速增殖的需求，抵抗因营养消耗增加和肿瘤血管供应不足导致的营养危机。

2 HMGB1的结构及其在肿瘤发生中的生物学作用

2.1 HMGB1的结构 HMGB1是1973年发现的存在于真核细胞核内的非组蛋白染色体结合蛋白，因其在聚丙烯酞胺凝胶电泳中快速迁移而得名[2]。人类HMGB1位于染色体13q12，含至少1 700个碱基对组成的启动子区以及约2 600个碱基对组成的5个外显子。HMGB1蛋白由215个氨基酸残基组成，相对分子质量约为25 kD[13]，由A box、B box和C末端3个结构区组成。其中A box和B box均由3个α螺旋组成，构成HMGB1的非特异性DNA结合区，C末端介导HMGB1与DNA的结合。

2.2 HMGB1在肿瘤发生中的生物学作用 HMGB1通过和晚期糖基化终产物受体(RAGE)和某些Toll样受体家族结合[14]，调节炎症通路、免疫、基因组稳定性及细胞增殖、迁移、凋亡、自噬，广泛地参与肿瘤的发生、生长、浸润及转移等过程，在肿瘤发病过程中扮演着双重角色[15]。例如，HMGB1-RAGE复合物能激活丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)、c-Jun氨基末端激酶等信号通路，从而活化基质金属蛋白酶2和基质金属蛋白酶9，造成细胞外基质的降解，进而引起肿瘤的浸润和转移[16]；HMGB1可激活促炎信号通路，如TLR4信号通路以及核因子κB(NF-κB)信号通路，有助于形成炎性肿瘤微环境，炎性肿瘤微环境能支持肿瘤生长，促进肿瘤细胞增殖、侵袭、迁移[17]；HMGB1可通过维持基因组稳定性以及增强抑癌因子Rb和p53的活性抑制肿瘤的发生[18，19]。近年研究证明，HMGB1还参与肿瘤代谢重编程。

3 HMGB1与肿瘤代谢重编程的相关性

3.1 HMGB1与糖代谢 研究表明,HMGB1能抑制糖酵解过程中的关键酶丙酮酸激酶M2(PKM2)。PKM2由四个亚基构成，以二聚体和四聚体两种形式存在，四聚体形式的PKM2具有最佳活性，能够促进丙酮酸进入三羧酸循环彻底氧化分解，生成大量三磷酸腺苷(ATP)。PKM2的活性受糖酵解中间产物1，6-二磷酸果糖(FBP)的调节。FBP是PKM2的激活剂，与PKM2可逆性结合，并促进PKM2四聚体结构的形成，其与PKM2亲和力降低可导致四聚体PKM2合成减少[20]。HMGB1对结肠癌所有细胞株及结肠癌组织中四聚体形式的PKM2有抑制作用，HMGB1与PKM2的磷酸化残基位点Y105竞争性扰乱PKM2与FBP的结合从而抑制四聚体形式PKM2的形成被认为是可能机制之一。研究还表明，磷酸化的HMGB1 B盒与PKM2的K433位点发生相互作用，K433可以促进磷酸酪氨酸与PKM2结合，使PKM2与FBP亲和力降低，抑制PKM2的活性。此外，HMGB1可导致糖酵解中间产物流向磷酸戊糖途径。磷酸戊糖途径的主要特点是产生NADPH作为还原力以供生物合成利用，无ATP的产生和消耗[21]。HMGB1还能通过调控Hippo-Yes相关蛋白(YAP)通路调控糖酵解。Hippo通路是一种首次在果蝇体内发现的进化保守的细胞信号通路，在维持组织器官大小及肿瘤发生发展过程中起着重要作用。YAP是Hippo通路主要的下游效应蛋白，YAP过度表达以及活性增强可以促进细胞恶性转化，引起肿瘤发生。实验证明，HMGB1通过参与调控Hippo通路影响肝癌的发生发展：HMGB1与糖化白蛋白结合蛋白的结合促进了Hippo通路中YAP的表达，YAP表达的增加可以诱导HIF-1α依赖的有氧糖酵解，产生能量，促进肿瘤细胞的增殖。HIF-1α介导的Warburg效应不仅能够支持肿瘤细胞的生长，还能限制抗肿瘤T细胞的应答。在肿瘤细胞中敲除HMGB1能够下调Hippo通路中YAP和糖酵解相关基因的表达，延迟二乙基亚硝胺诱导的小鼠肝癌发生[22]。肿瘤中过表达的HMGB1可促进过氧化物酶体增殖物受体γ辅助激活因子1α(PGC-1α)、核呼吸因子-1和线粒体转录因子A的表达，促进线粒体生物合成，维持细胞内正常线粒体数目并增强线粒体呼吸链氧化磷酸化功能，平衡肿瘤细胞的能量供应，为其快速增殖提供足够的能量需求。在低氧肝癌细胞系中，沉默HMGB1可导致磷酸化的PGC-1α表达降低、线粒体生物合成下调、代谢紊乱以及线粒体活性氧(ROS)生成增多、ATP生成减少、细胞增殖显著变慢、细胞侵袭迁移能力降低、细胞凋亡增加等一系列生物学反应[23]。体外实验证明，低氧条件下，癌细胞中HMGB1转位至胞质，与TLR9受体结合，导致p38通路激活，p38 MAPK信号通路使PGC-1α磷酸化，增强PGC-1α的活性，上调线粒体生物合成，并促进肿瘤细胞存活[23,24]。线粒体生物合成的上调增强肿瘤细胞的线粒体氧化磷酸化，满足肿瘤细胞快速增殖的代谢需求，并且线粒体生物合成对肿瘤细胞的生长和迁移起重要作用。

除此之外，HMGB1的受体RAGE有两种不同的机制介导肿瘤细胞的ATP生成：线粒体RAGE依赖途径以及RAGE诱导的自噬依赖途径。实验证明，外源性重组HMGB1和坏死肿瘤细胞裂解液中的内源性HMGB1以时间和剂量依赖的方式促进人和鼠胰腺癌细胞系中ATP生成和细胞增殖。此外，HMGB1在结直肠癌、白血病、肺癌中也能促进ATP生成和肿瘤细胞增殖。这种HMGB1诱导的ATP生成不依赖于结合DNA、白细胞介素1β或干扰素α，而是通过HMGB1受体RAGE来促进肿瘤细胞ATP生成。将外源性HMGB1添加到野生型panc02肿瘤细胞引起了氧化率以及细胞外酸化率的增加，表明HMGB1能够使肿瘤细胞中氧化磷酸化水平和糖酵解水平增加。

研究发现，坏死肿瘤细胞裂解液中HMGB1增加了胰腺癌细胞中RAGE的表达，NF-κB的活性以及细胞迁移。HMGB1通过与细胞膜RAGE结合或者以小窝蛋白依赖的内吞途径进入细胞内，促进细胞外信号调节激酶1/2的磷酸化，进而引起RAGE丝氨酸残基Ser377位点的磷酸化，并诱导RAGE定位于线粒体，随后促进线粒体呼吸链中复合体Ⅰ的磷酸化，导致复合体Ⅰ活性增强，从而促进ATP生成。总之，HMGB1/RAGE途径以细胞外信号调控激酶1/2依赖的方式促进ATP的生成以维持肿瘤细胞的代谢需求及促进肿瘤生长。干扰HMGB1/RAGE途径能诱导细胞凋亡，减少炎症、细胞自噬、ATP的生成以及降低复合体Ⅰ的活性[25]。

在胰腺癌中，HMGB1受体RAGE介导的自噬促进白细胞介素6诱导的信号转导子和转录激活因子磷酸化及其线粒体定位，使STAT3在线粒体中通过增强复合体Ⅰ的活性来调节细胞呼吸，促进ATP生成，从而促进细胞增殖[26]。

3.2 HMGB1与肿瘤的氨基酸代谢 血浆中氨基酸的变化能够反映新陈代谢的变化。血浆中的游离氨基酸由膳食蛋白和蛋白质水解提供。蛋白质水解是由泛素-蛋白酶体降解和自噬-溶酶体降解共同驱动的。自噬是指真核细胞质内的大分子物质及细胞器被运送至溶酶体隔离并降解的过程，是在正常细胞和病理状态细胞中普遍存在的生理机制，尤其是在细胞内和(或)细胞外应激的情况下，如缺氧、营养匮乏、蛋白质错误折叠、病原菌感染时，一方面细胞通过自噬获得可供循环利用的核苷、氨基酸等大分子物质及能量，维持细胞代谢平衡;另一方面还可选择性清除某些细胞成分，尤其是受损或多余的过氧化物酶体、内质网、线粒体及DNA，减少异常蛋白和细胞器的堆积，维持细胞内环境的稳定。自噬主要受哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)调控。mTOR是自噬的负调控因子。应激、饥饿、p53或腺苷酸活化蛋白激酶对mTOR复合物的灭活作用诱导自噬相关因子激活，其中包括Beclin-1、微管相关蛋白轻链3。实验证明，在1，2-二甲肼腹腔注射的C57BL/6雄性小鼠结肠癌模型发展的过程中，HMGB1通过RAGE相关的p38磷酸化上调Beclin-1和LC3Ⅱ，引起mTOR去磷酸化，诱导自噬相关蛋白水解，提供自由氨基酸。氨基酸从肌肉中释放，导致血浆中游离氨基酸图谱的改变，这种改变包括谷氨酰胺的增加；并且癌细胞消耗从肌肉释放到血浆中的谷氨酰胺产生能量。此外，HMGB1可使肌肉中丙酮酸激酶(PK)的活性降低，PK对于氨基酸的稳定性有重要作用，所以PK活性的降低对谷氨酰胺的升高也有一定的影响。

3.3 HMGB1与肿瘤的氧化应激 研究证明，缺氧癌细胞中抑制HMGB1的表达能够下调PGC-1α的表达，减少线粒体生物合成。线粒体生物合成的削弱能够导致肿瘤细胞积累大量的ROS。一方面，异常增高的ROS非特异性攻击蛋白质、脂质、DNA，导致肿瘤细胞的损伤和死亡。另一方面，肿瘤细胞增殖快，部分细胞处于缺氧和营养不足的微环境中，异常增高的ROS可激活HIF-1α，HIF-1α是细胞能量代谢的重要调节因子之一，可通过上调血管内皮生长因子以及葡萄糖转运蛋白1等相关蛋白促进血管生成、糖酵解增强，还能激活乳酸脱氢酶A和丙酮酸脱氢酶激酶1的表达，使肿瘤代谢从有氧氧化转向糖酵解。

4 小结与展望

HMGB1可以通过调控肿瘤代谢中关键因子、线粒体生物合成、自噬等参与肿瘤代谢重编程，影响肿瘤的发生发展。虽然有研究表明，HMGB1能参与肿瘤细胞能量代谢，但目前对HMGB1调节肿瘤代谢重编程的认识仍处于初级阶段，其影响肿瘤细胞的增殖、存活、发生发展的具体分子机制仍不是很清楚，深入研究HMGB1调节肿瘤代谢重编程的具体分子机制或许有助于为肿瘤代谢的研究或肿瘤治疗策略的开发提供新的理论依据。