PKM2在肿瘤代谢及进展中的作用

李玉环　综述，孙国平，李　俊　审校

丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)是葡萄糖代谢的关键酶之一，其催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，同时产生腺嘌呤核苷三磷酸。在哺乳动物细胞中，PK由PKLR和PKM两种基因编码，共产生四种亚型，分别是PKL、PKR、M1型丙酮酸激酶 (pyruvate kinase M1，PKM1)和PKM2[1]。PKL和PKR来源于基因PKLR，PKLR基因在组织特异性启动子的作用下表达于不同的组织细胞内，其中PKR表达于红细胞，PKL表达于肝脏;PKM1和PKM2来自于同一基因PKM，PKM基因转录生成的mRNA在剪切因子的作用下可以形成含外显子9的PKM1或含外显子10的PKM2。PKM1主要表达在骨骼肌和脑组织中，PKM2主要表在于代谢旺盛的胚胎组织以及肿瘤组织，在胚胎逐渐发育成熟的过程中，PKM2的逐渐消失。细胞发生恶变时，无论其恶变前为何种组织来源，PKM2的表达重新升高甚至取代原先的PK形式，因此PKM2也被称作为肿瘤特异性PK[2]。

1　PKM2的二聚体及四聚体状态

PKM2有二聚体和四聚体两种主要状态，其中PKM2的二聚体状态具有较低的PK活性，肿瘤细胞中该酶的主要以二聚体状态存在，这种状态的PKM2一方面与核酸和氨基酸等营养物质的合成密切相关，另一方面二聚体的PKM2可以进入细胞核作为转录因子激活肿瘤生长相关基因。当PKM2处于四聚体状态时,与其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有较高的亲和力，因此拥有较高的PK活性，催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸进而产生能量。二聚体状态的PKM2与四聚体状态的PKM2的比值决定了细胞内的丙酮酸是参于核酸、蛋白的合成还是参与能量代谢过程，当二聚体与四聚体比值升高时说明此时细胞主要以物质合成为主，反之以产能为主[3]。

2　PKM2的调节

2.1代谢中间产物1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diphosphate, FBP)是葡萄糖代谢的中间产物之一，从上世纪六十年代开始，FBP就被认为是PKM2的激活剂。研究[4]显示FBP可与PKM2可逆性结合并稳定PKM2的四聚体状态因此促进其PK活性，当细胞内的葡萄糖浓度增高时，FBP的浓度随之升高，PKM2大部分处于高活性的四聚体状态。

2.2磷酸化PKM2是一种磷酸化酶，其酪氨酸残基Y105磷酸化现象已经在人类的多种实体肿瘤中被发现。PKM2的酪氨酸残基Y83、Y105、Y148、Y175、Y370、Y390可被成纤维细胞生长因子受体1直接磷酸化，磷酸化的PKM2与FBP结合减少进而抑制了PKM2四聚体形式的存在，降低其PK活性。有报道[5]显示TRIM35(tripartite motif containing 35)可与PKM2直接结合抑制PKM2 Y105磷酸化，进而升高酶活性。Jun氨基末端激酶1磷酸化PKM2 苏氨酸残基Thr365抑制酶活性[6]。

2.3乙酰化乙酰化是PKM2另外一种翻译前修饰方式，其能降低PKM2的酶活性，增加糖酵解中间产物，支持生物合成。P300乙酰转移酶催化PKM2的K433乙酰化，乙酰化的PKM2与FBP亲和力降低，PKM2四聚体形式减少，活性降低[7]。

2.4蛋白质间相互作用PKM2的活性也受许多与之接触的蛋白质调节，结合位点与作用机制各有不同。黏液素1、死亡相关蛋白与PKM2结合可提高酶活性促进糖酵解；杂交双酵母技术研究[8]显示PIAS3(protein inhibitor of activated STATA3)通过羧基端与PKM2相结合来调节酶活性；组蛋白去甲基化酶JMJD5、L-半胱氨酸与PKM2结合可降低酶活性[9-10];5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸通过直接接触变构调节激活PKM2[11]。丝氨酸作为PKM2的天然配体可有效激活PKM2[12]。

2.5转录调节和选择性剪接PKM基因的剪接因子包括PTB、hnRNPAI、hnRNPA2三种异质性核糖蛋白，其通过结合外显子9，释放外显子10来促进PKM2的表达同时抑制PKM1的表达，NIMA相关蛋白激酶2可以通过与hnRNPAI/A2结合来促进外显子10的释放，进一步增加PKM2的表达[13]。

2.6miRNA越来越多的研究[14]显示PKM2的表达与非编码RNA家族中的miRNA相关，其中miRNA是一类短链的非编码RNA，其靶向作用于mRNA来影响蛋白质的合成因此在基因的调控中起重要作用。研究[15]显示，miRNA-326与PKM2的3’UTR端有两个结合位点，在胶质瘤细胞中转染miRNA-326后PKM2的表达水平降低,因此证明miRNA-326抑制PKM2的表达。在肠癌细胞中miRNA-let-7a通过下调PKM2的表达来抑制肠癌的增殖、侵袭、迁移[16]。类似的有：miRNA-133a、miRNA-133b、miRNA-122、miRNA-338-3P也可降低PKM2的表达水平。miRNA-124、miRNA-137、miRNA-340靶向作用于剪接因子PTB、hnRNPAI、hnRNPA2促使PKM mRNA的表达由PKM2转向PKM1，PKM2的表达量减少。

3　PKM2与肿瘤的关系

糖代谢异常是肿瘤细胞的一大重要特征。绝大多数正常细胞在氧供应正常时都是通过线粒体有氧氧化将葡萄糖彻底氧化成二氧化碳和水，只有在氧气缺乏时才会进行糖酵解产生乳酸，而肿瘤细胞无论氧气存在与否都主要通过糖酵解进行能量代谢，这就是著名的Warburg效应。PKM2作为糖酵解途径的关键酶之一，已经在多种肿瘤细胞中被发现高表达，例如直肠癌、乳癌、肺癌、肝癌、胃癌、肾癌等。其表达与肿瘤细胞糖摄取增多、乳酸生成增多以及耗氧量减少密切相关。

一方面PKM2可以在细胞质中发挥PK活性促进糖酵解中间产物积累利于肿瘤细胞合成需要，另一方面其也可以通过其C-端的核定位信号在白介素-3、生长激素抑制剂类似物TT-232、过氧化物、紫外线辐射等因素下由细胞质转移到细胞核内以二聚体的形式发挥蛋白激酶活性作用于细胞核内的多种转录因子进而影响多种信号通路促进肿瘤的发展。微阵列实验已经证明，PKM2是一种具有多效性的蛋白激酶，其可以使人体大约一百种以上的蛋白质发生磷酸化。近年来有研究[17]显示肿瘤表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)也能够诱导PKM2进入细胞核，入核的PKM2对EGF诱导的β-连环素(β-catenin)信号通路对细胞生长产生非常重要的作用。表皮生长因子受体被EGF激活后促使下游细胞因子非受体酪氨酸激酶C-SRC进入细胞核磷酸化β-catenin的第333位酪氨酸，由于PKM2可以与磷酸化的酪氨酸结合，因此可以和β-catenin形成复合体与CCND1启动子区域结合磷酸化组蛋白H3，磷酸化后的组蛋白H3与组蛋白脱乙酰化酶3分离，使得组蛋白H3的第九位酪氨酸乙酰化，进而促进细胞增殖重要的细胞因子周期素D(CycinD1)的表达。PKM2也可通过影响β-catenin调控靶基因C-MYC，C-MYC又可发过来促进PKM2的基因转录及hnRNA的剪切[18]。除了可以通过调节CycinD1的表达影响G1-S转化外，PKM2还可调节有丝的方式,其能够调节有丝分裂蛋白Bub3的207位酪氨酸，促进Bub3-Bub1复合物的形成，Bub3-Bub1复合物进一步作用于外着丝粒蛋白Blinkin,促使其与配体Bub结合因而精确调节染色体分离以及细胞增殖[19]。Gao et al[20]通过研究证实细胞核内的PKM2能够使信号传导因子及转录活化因子3第705位酪氨酸磷酸化，进一步促进:磷酸化丝裂原活化蛋白激酶激酶5 (mitogen activated protein kinase kinase 5，MEK5)的转录，MEK5对肿瘤细胞的生长起促进作用。Li et al[21]的研究证实PKM2通过磷酸化转录活化因子3导致肠癌患者对吉西他滨耐药。也有文献[22]报道显示PKM2可以使蛋白激酶B底物1的第202/203位丝氨酸促进其与14-3-3 结合激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白敏感型复合体1(mechanistic target of rapamycin complex 1,mTORC1)信号通路促进肿瘤生长。PKM2可以直接磷酸化细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)，促进肿瘤生长[23]。研究[24]显示PKM2能直接结合低氧诱导因子1-α的活性结构域促进下游血管内皮生长因子的表达激活。去乙酰化酶6可以使细胞核内PKM2第433位赖氨酸脱乙酰化促使其转出细胞核进而抑制肝癌[25]。综上所述，一方面PKM2在细胞浆内作为PK促进肿瘤细胞无氧糖酵解的来满足肿瘤生长所必需的物质需求;另一方面细胞核内的PKM2又作为一种重要的转录因子促进β-catenin、C-MYC、CycinD1、MEK5、mTORC1的表达以及ERK1/2的磷酸化，而这些基因的表达又会从另一方面对肿瘤的生长起促进作用。

4　诊断治疗

PKM2在肿瘤细胞的代谢以及进展过程中发挥着非常重要作用，是肿瘤诊断治疗极具希望的靶点之一。有研究[26]显示在应用铂类药物化疗的非小细胞肺癌患者体内PKM2的含量越高，其肿瘤无进展生存期、总生存期、疾病控制率越低，PKM2可以作为非小细胞肺癌患者铂类药物化疗敏感性的指标。由于PKM2在多种肿瘤中表达增多，所以有理由相信降低PKM2的活性的药物能够靶向治疗肿瘤。事实上，已经有PKM2抑制剂被设计出来并有证据证明其对癌症生长和存活有抑制作用。研究[27]表明紫草醌可能通过抑制PKM2活性引起细胞死亡来起到抗癌活性，关于PKM2抑制剂的临床试验已经在进行之中。尽管如此，近来也有研究[28]显示激活PKM2基因也能够抑制肿瘤发展。但无论怎样，进一步研究PKM2在癌细胞中的作用，深入挖掘其具体作用机制是该领域最具有挑战性的任务。

5　展望

细胞代谢的重新编程为肿瘤细胞在低氧、物质需求量急剧增大的环境下提供了特殊的生长优势。PKM2，糖酵解途径的最后一个限速酶，在肿瘤细胞代谢重新编程中发挥了不可忽视的作用。虽然近十几年来已经对PKM2在肿瘤细胞中的调节和功能有了多层次的了解，但关于其通过具体何种机制进入细胞核以及在细胞核内作为转录共刺激因子参与各种信号通路的机制仍需进一步研究。在充分整合好PKM2的代谢功能和非代谢功能，清晰地掌握其在体内的作用和机制的前提下，努力研发针对PKM2相关的靶向药物，必将推动肿瘤治疗走向新台阶。