PKM2与消化系统肿瘤关系的研究进展

曾庆煜，汪丽燕

(桂林医学院附属医院消化内科，广西 桂林 541000)

消化系统的恶性肿瘤(如食管癌、胃癌、肝癌、结肠癌)是临床上常见的恶性肿瘤，在我国整体的发病率及病死率位居前列，但其发病机制目前仍未完全明确。目前的研究认为，在肿瘤细胞中存在着一种独特的代谢方式——有氧糖酵解，即在氧气充足的条件下肿瘤细胞仍能以糖酵解的方式获取生长增殖所必需的能量，并能产生大量的丙酮酸；由于有氧糖酵解导致细胞微环境变化及肿瘤细胞自身的部分基因表达突变，肿瘤细胞通过有氧糖酵解能更好地吸收和利用增殖所需的营养物质[1]。肿瘤的这种特殊生物学特征被称为“Warburg效应”，被认为是继肿瘤的6种生物学特性(维持细胞增殖信号、逃避生长抑制、抵抗细胞死亡、持续的细胞复制、诱导血管生成以及激活细胞侵袭和转移)以外的第7个特征[2]。研究表明，M2型丙酮酸激酶(M2 pyruvate kinase，PKM2)通过参与有氧糖酵解，使糖酵解中间产物在细胞内积累，并被快速增殖的肿瘤细胞所利用，最终促使肿瘤的增殖、侵袭和转移，通过寻找PKM2对肿瘤细胞作用的靶点，有望为肿瘤的临床诊疗提供新的思路，具有重要的研究价值[3]。现就PKM2与消化系统肿瘤关系的研究进展予以综述。

1 丙酮酸激酶

恶性肿瘤组织中，即使在氧气充足的情况下，葡萄糖仍能通过“Warburg效应”以糖酵解形式获取能量，并产生大量的乳酸[4]。在糖酵解过程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是关键的限速酶之一，能催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸，并产生腺苷三磷酸(adenine nucleoside triphosphate，ATP)[5]。PK存在4种亚型 (L、R、M1和M2)，目前认为PKL和PKR主要存在于正常组织中，PKL亚型主要表达于肝脏、肾脏及肠道组织中，而PKR主要表达于红细胞[6]；PKM1和PKM2是由PKM基因编码的两种不同亚型的同工酶，两者的主要区别为：在相互排斥的选择性剪切子的作用下，外显子9和外显子10被选择性剪接，实现单个外显子表达，生成了包含外显子9的PKM1和包含外显子10的PKM2[7]。多数情况下，PKM1分布于心肌、骨骼肌和脑组织等分化成熟的组织中，而PKM2多存在于胚胎细胞、成人干细胞和肿瘤细胞等快速增殖细胞中[8]。PKM2存在可相互转换的二聚体和四聚体形式，在肿瘤细胞中多数以低活性的二聚体形式存在，而低活性的二聚体形式在葡萄糖代谢过程中可作为能量代谢和物质合成的调节开关，为肿瘤细胞的增殖提供必要的能量和物质支持[9]。一方面，通过比氧化磷酸化更高效的产生ATP，为肿瘤细胞的增殖提供能量支持；另一方面，二聚体形式的PKM2能促进糖酵解的中间产物进入糖酵解的旁路途径，大量合成底物，为肿瘤细胞的生长提供必要的底物支持[1]。此外，PKM2还可在细胞核内发挥调节基因表达的作用，通过磷酸化、乙酰化和其他蛋白质修饰的方式，调节蛋白质活性和细胞内定位，如低活性的PKM2可以作为缺氧诱导因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)、β联蛋白的转录激活因子，促进细胞增殖[7-8]。大量的研究证明，PKM2对肿瘤的代谢、增殖和转移有显著的影响，如肺癌[10]、卵巢癌[11]、前列腺癌[12]、宫颈癌[13]、乳腺癌[14]等。因此，研究PKM2对各系统肿瘤代谢、增殖、侵袭的影响及其相关机制具有重要的临床意义。

2 PKM2与食管癌的关系

食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)是我国常见的消化系统肿瘤，近年来PKM2与ESCC的关系不断被认知。Li等[15]发现，PKM2与ESCC不良临床预后相关，在食管癌的进展中，PKM2可促进糖酵解和肿瘤增殖。Liu等[16]则发现，抑制PKM2的表达能抑制ESCC细胞增殖，增加细胞凋亡。

PKM2是ESCC有氧糖酵解的关键调节酶之一，Xiaoyu等[17]研究认为，PKM2受哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途径调节，ESCC中异常激活的mTOR信号通路能调节PKM2诱导有氧糖酵解，从而导致ESCC发生。Tang等[18]在研究二甲双胍对ESCC的影响时发现，二甲双胍通过抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/mTOR信号通路，诱导细胞停留在G0/G1期，并诱导其凋亡，从而抑制ESCC增殖。此外，Ma等[19]研究发现，PKM2的过表达可促进肿瘤细胞淋巴结转移，并与上皮钙黏素表达呈负相关；进一步研究发现，PKM2调节信号转导及转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)，通过转化生长因子-β1诱导上皮-间充质转化，促进ESCC的进展。因此，mTOR和PKM2抑制剂可作为ESCC治疗的潜在药物，二甲双胍有望成为食管癌的辅助治疗药物。

临床实践中，抗肿瘤药物的耐药性是预后不良的重要因素之一。有研究表明，增加细胞内活性氧类(reactive oxygen species，ROS)的水平能诱导细胞凋亡，控制细胞内ROS水平对细胞存活至关重要[20-21]。Fukuda等[22]发现，ESCC患者中化疗不敏感与PKM2的过表达有关，抑制PKM2能降低顺铂的耐药性，促进细胞凋亡；该试验发现，顺铂治疗可增加细胞内ROS水平，降低食管癌细胞PK活性，增加乳酸，促进葡萄糖进入磷酸戊糖途径，但磷酸戊糖途径能负反馈干扰细胞内ROS的过多积累，肿瘤细胞可以通过此负反馈通路增加对化疗药物的耐药性，当抑制PKM2时能干扰顺铂治疗后食管癌细胞内ROS过量积累引发的负反馈，进而抑制磷酸戊糖途径的激活，降低对化疗药物耐药性。因此，PKM2的表达与抗肿瘤治疗耐药性的相关性值得进一步探索。

3 PKM2与胃癌的关系

PKM2与胃癌发病机制及预后密切相关。Li等[23]认为，PKM2与胃癌细胞的增殖、凋亡及葡萄糖代谢显著相关。Shiroki等[24]认为，PKM2通过调节胃癌特定的代谢途径调控胃癌的发展，幽门螺杆菌的重要致病因子细胞毒素相关基因A通过胞外信号调节激酶信号通路诱导PKM2表达，从而促进胃癌细胞有氧糖酵解，为胃癌细胞的增殖提供能量。另一项研究发现，PI3K/Akt/mTOR通路在胃癌中经常活化，并且与胃癌的进展直接相关[25]。Wang等[26]研究发现，PKM2过表达使Akt1S1的S202/203残基磷酸化，从而抑制肿瘤细胞自噬mTORC1；敲低PKM2表达，Akt的磷酸化水平受到明显抑制，使用PI3K抑制剂(3-MA)后，PKM2短发夹RNA细胞中Akt的磷酸化水平进一步降低，同时细胞间质的标志物、神经钙黏素和波形蛋白表达明显受到抑制；因此，敲低PKM2可减弱PI3K/Akt/mTOR信号通路，激活肿瘤细胞自噬，并降低胃癌细胞的迁移能力。Tang等[27]发现，使用微RNA(microRNA，miRNA)-let-7a 能抑制胃癌细胞中PKM2的表达，从而抑制胃癌细胞增殖、侵袭和转移。Kitayama等[28]发现，耐缺氧胃癌细胞系中，抑制PKM2的表达能显著抑制耐缺氧胃癌细胞的增殖。胃癌中PKM2的高表达会促进胃癌淋巴结转移，增加临床不良预后概率[29]。因此，PKM2可作为胃癌治疗的潜在靶点，有望成为评估临床预后的指标。然而，Wang等[30]提出了一个全新的假设，认为PKM2在不同分化类型的胃癌中扮演着不同角色，根据上皮钙黏素浓度的变化，PKM2通过调节表皮生长因子/表皮生长因子受体信号通路下游蛋白的表达，对胃癌的发展发挥不同的影响；当上皮钙黏素存在时，PKM2能减弱胃癌细胞的运动和侵袭；当上皮钙黏素缺乏或低表达时，能诱导PKM2发挥促进肿瘤细胞侵袭的作用，但其科学性及具体机制仍需进一步证实。

4 PKM2与原发性肝细胞癌

原发性肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)的发病与肝细胞能量代谢异常密切相关，研究肝癌细胞中PKM2介导的能量代谢通路，对全面认识HCC的发病机制十分必要。有研究发现，在HCC中，高水平的GATA结合蛋白6(GATA binding protein 6，GATA6)起到抑制肿瘤的作用，而低表达的GATA6能促进肿瘤细胞进行糖酵解代谢，从而促进肿瘤形成、增殖和转移；其机制可能是GATA6启动子结合位点的甲基化使其表达下调，低水平的GATA6激活PKM2转录并触发糖酵解，因此去甲基化治疗可能为肝癌治疗提供新途径[31]。中间代谢产物或蛋白质的磷酸化也有可能是致癌因素之一。Xu等[32]首次证明热激蛋白90是PKM2的新型结合伴侣，能减弱蛋白酶体对PKM2的降解作用；通过热激蛋白90/糖原合酶激酶3β复合物介导的PKM2 Thr-328磷酸化，可增强PKM2蛋白质的稳定性以及在细胞中的含量，促进HCC细胞糖酵解和增殖。此外，Zhang等[33]首次发现HCC细胞中的低氧应激可促进Yes相关蛋白(Yes-associated protein，YAP)与细胞核中HIF-1α结合，维持HIF-1α蛋白的稳定性，进而与PKM2基因结合，激活PKM2转录以加速糖酵解。因此，HIF-1α-YAP调节轴可能是调控HCC的新型信号调节通路，YAP可能是一种潜在的治疗HCC的靶点。另有研究观察到，HCC组织中层粘连蛋白γ1和PKM2高表达，该研究认为层粘连蛋白γ1可能通过人第10号染色缺失的磷酸酶与张力蛋白同源基因/Akt途径调节PKM2的表达，从而参与HCC的进展，阻断层粘连蛋白γ1的表达能抑制HCC发展[34]。此外，PKM2也能通过调节脂肪的代谢参与HCC的形成，通过刺激依赖甾醇调节元件结合蛋白-1a介导的脂质合成调节肝癌细胞增殖[35]。因此，全面研究肝癌异常的能量代谢机制将为肝癌发病分子机制的研究提供更全面、开阔的视野。

目前认为，miRNA通过抑制翻译或诱导其靶信使RNA的降解来负调节靶基因的表达[36]。miRNA与许多生理和病理现象相关，包括组织分化[37]和癌变[38]。miRNA既能单个独立调节基因的表达，也能多个联合共同调节不同的生命现象。Taniguchi等[39]认为，miRNA具有器官特异性分布，组织中miRNA表达的失调可以改变PKM亚型表达比率，导致癌症发展，如肝特异性miR-122可通过与PKM的3′非翻译区结合而改变正常肝组织中PKM1/PKM2，促进肿瘤的发展。Zheng等[40]则发现，MEG3(maternally expressed gene 3)通过促进miR-122的表达和成熟，靶向降低PKM2的表达。另一项研究发现，miR-199a的过表达能降低HCC细胞中己糖激酶2和PKM2表达，导致糖酵解的抑制；相反，沉默miR-199a的表达会反过来消除蝙蝠葛碱对己糖激酶2和PKM2表达的抑制作用[41]。miR-372可介导Y盒结合蛋白1磷酸化，抑制β联蛋白降解，通过β联蛋白-淋巴样增强因子/细胞转录因子4途径增强PKM2的表达活性，从而促进肝癌细胞的增殖[42]。miR-4417可诱导PKM2的Y105磷酸化，从而促进肝癌发生[43]。miR-675联合PKM2上调SUV39h2，促进肝癌干细胞恶性生长[44]。另外，HCC肿瘤细胞中上调miR-491-5p能降低PKM2的表达，从而抑制糖酵解，阻止HCC细胞的增殖、转移[45]。体外实验中，三氧化二砷能促进长链非编码RNA MEG3和PKM2负向调节，抑制肝癌细胞中的上皮-间充质转化，进而抑制肝癌进展[46]。由此可见，PKM2导致肝癌的发病机制可能是肝癌发病的重要原因之一，全面、系统地阐明肝癌的发病机制仍需要深入研究。

5 PKM2与结肠癌

研究发现，结肠癌细胞系LS-147T和SW620中PKM2高表达，沉默PKM2基因能阻断结肠癌细胞的增殖和周期，促进细胞凋亡，抑制结肠癌进展，但相关机制尚未阐明[47]。Bian等[48]发现，Fez家族锌指蛋白1-反义RNA 1(Fez family zinc finger protein 1/antisense RNA 1，FEZF1-AS1)是结肠癌中高表达的长链非编码RNA，并指出结肠癌中存在FEZF1-AS1/PKM2信号转导通路；FEZF1-AS1与PKM2结合，增加PKM2蛋白的稳定性，增加细胞质和细胞核内PKM2含量，进而激活STAT3信号，通过调节PKM2/STAT3信号转导，增强PK活性，并促进有氧糖酵解，从而促进直结肠癌细胞增殖和转移。Huang等[49]首次观察到长链非编码RNA HOXB-AS3(HOXB cluster antisenseRNA 3)编码的保守的小分子肽53-aa，提出了HOXB-AS3肽能阻断hnRNP A1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1)介导的PKM剪接，阻止miR-18a加工和有氧糖酵解，进而抑制结肠癌细胞增殖，因此，提出了HOXB-AS3是调节PKM剪切的肿瘤抑制因子的观点。Kuranaga等[50]通过RNA免疫沉淀实验和免疫沉淀实验，发现SRSF3(serine and arginine rich splicing factor 3)通过与PTBP1(polypyrimidine tract binding protein 1)和hnRNPA1共同作用，剪切调节PKM信使RNA，降低PKM1/ PKM2，增加细胞内PKM2的含量，维持了结肠癌中以糖酵解为主导的代谢模式，从而促进结肠癌细胞增殖。Liang等[51]则首次研究癌症相关基因TSC22D2(transforming growth factor β-stimulated clone 22 domain family，member 2)联合PKM2对结肠癌的影响，结果发现，TSC22D2在结肠癌中显著下调，并且TSC22D2过表达抑制细胞生长，并提出了TSC22D2对结肠癌细胞的生长抑制功能可能依赖于TSC22D2-PKM2-细胞周期蛋白D1调节轴的新设想。Xu等[52]在研究促肝细胞再生磷酸酶-3(phosphatase of regenerating liver-3，PRL-3)与结肠癌细胞的转移关联时发现，PRL-3既能通过自身增加肿瘤细胞的糖酵解，促进肿瘤转移，也能通过提高结直肠癌细胞中白细胞介素-8的分泌，经由白细胞介素-8积极参与、调控糖酵解代谢过程；需要指出的是，PRL-3能增加PKM2的表达，但PRL-3是否能通过PKM2影响肿瘤的转移，以及具体的信号调节通路，目前尚不清楚。

另一方面，结肠癌对化疗药物的耐药性是严重影响结肠癌疗效的因素。Lu等[53]发现，结肠癌细胞系中PKM2和肾型谷氨酰胺酶的表达可以提高通透性糖蛋白的表达，抑制细胞凋亡，以增加奥沙利铂的耐药性；相反，在耐药结肠癌细胞中，抑制PKM2/肾型谷氨酰胺酶表达可增加细胞凋亡，恢复奥沙利铂对结肠癌的敏感性。Cao等[54]则发现，抑制PKM2表达能抑制糖酵解，导致细胞内ATP水平降低而增加细胞内5-氟尿嘧啶积累，从而增强5-氟尿嘧啶的功效。类似的，Cheng等[55]发现，对长春新碱和奥沙利铂耐药的结肠癌中PTBP1、PKM2和己糖激酶2的表达均显著升高，而剔除PTBP1后，PKM2表达下降，而己糖激酶2表达未见明显变化，因此，PTBP1低表达能下调PKM2的表达，抑制糖酵解，增强耐药的结肠癌对长春新碱和奥沙利铂的敏感性。此外，Yang等[56]的研究结果表明，单宁酸选择性与PKM2上的433号赖氨酸残基结合并抑制其活性，从而阻止结肠癌细胞增殖。因此，PKM2能影响结肠癌细胞的增殖、转移和耐药，值得深入研究。

6 小 结

肿瘤细胞特殊的葡萄糖代谢方式有氧糖酵解与肿瘤细胞的增殖、侵袭和转移密切相关，从能量异常代谢的角度探索肿瘤形成、发展和转移的分子机制被越来越多的学者认可。PKM2作为参与、调控葡萄糖有氧糖酵解的重要因子，其参与肿瘤调节的方式复杂，且PKM2分子调控机制多变，仍需不断研究探索。PKM2极有可能在组织癌变过程中扮演重要角色，特别是在消化系统肿瘤中。随着对PKM2研究的不断深入，PKM2有望成为治疗肿瘤的潜在靶点，为临床科研提供一种新的尝试和途径。