PKM2在肿瘤发展和治疗中的作用

陈 峻，谢 璐，谢富华，刘志平，3

（1.赣南医学院2019级硕士研究生；2.赣南医学院基础医学院；3.赣南医学院炎症与免疫中心，江西 赣州 341000）

肿瘤细胞的能量代谢方式与正常细胞不同，正常细胞以有氧呼吸为主要代谢方式，通过氧化磷酸化生成大量的ATP 来为细胞生命活动提供能量；而肿瘤细胞的生命活动要比正常细胞更频繁，ATP 生成要比正常细胞更快速，因此肿瘤细胞以糖酵解为主要代谢方式，从而导致肿瘤细胞在能量代谢时，它消耗的葡萄糖要多于正常细胞，且葡萄糖最终会被肿瘤细胞转化为乳酸［1］。丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）是糖酵解途径的关键酶和限速酶，而在肿瘤细胞中，丙酮酸激酶M2 亚型（pyruvate kinase M2，PKM2）高表达，其是肿瘤糖酵解途径的关键酶和限速酶。越来越多的研究表明PKM2在肿瘤的发生发展中起重要作用，PKM2 也逐渐成为研究热点，特别是近些年来，人们对PKM2 在疾病中的作用和各种分子对PKM2 调控这方面的认识越来越深入。本文对PKM2近年来的研究进展作一综述。

1 PKM2的表达和活性

丙酮酸激酶（PK）是糖酵解途径的关键酶和限速酶，有R、L、M 三种亚型。其中PKM 基因因剪接方式不同，可以分为丙酮酸激酶M1 亚型（pyruvate kinase M1，PKM1）和PKM2（pyruvate kinase M2，PKM2）两种异构体。PKM1与PKM2的不同表现为：PKM1拥有外显子9没有外显子10，而PKM2有外显子10 没有外显子9；且正常组织中以PKM1 为主，PKM2 主要在增殖旺盛的组织中。当正常组织癌变后，PKM2 表达升高，PKM1 表达下降，PKM2 便会取代PKM1在能量代谢中占据主导地位［2］。

PKM2 在细胞有两种存在方式：二聚体和四聚体。PKM2 四聚体主要存在于细胞质中，与底物磷酸烯醇式丙酮酸有较高的亲和性，具有丙酮酸激酶活性，能够催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，从而调节糖酵解。PKM2 二聚体主要存在细胞核中，具有较低的丙酮酸激酶活性，可阻止磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸，从而使得上游葡萄糖代谢物和大量前体物质的积累。在非葡萄糖代谢的条件下，PKM2 的四聚体会转化为二聚体，在各种不同的细胞内都有定位，其可以进入细胞核调节基因的表达，也能附着在线粒体外膜来维持线粒体功能，以及定位于内质网抑制内质网应激［3］。此外，PKM2四聚体具有抗凋亡作用［4］。

2 PKM2对肿瘤发生发展的促进作用

大量的研究表明PKM2在肿瘤细胞中起着重要作用，特别是在肿瘤的发生发展过程中。同时也发现PKM2 的过表达能够诱导肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移来促进肿瘤的发生发展；且它的低表达不仅能够抑制肿瘤细胞的代谢，降低细胞增殖能力，还能诱导肿瘤细胞的凋亡，从而抑制肿瘤的发生发展。

在肿瘤细胞中，PKM2 主要通过以下几个途径来促进肿瘤的发生发展。首先，通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路促进肿瘤的发展和迁移：胃癌细胞中，PKM2 会通过抑制PI3K/AKT 信号通路促进细胞的迁移和抑制自噬，从而使得胃癌恶性发展［5］；也有研究发现细胞外基质PKM2可以与表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）的内表面结合而激活EGFR，从而使得蛋白激酶C 磷酸化，激活AKT/mTOR 信号通路，上调Claudin-1 的表达并将其内化到细胞质和细胞核中，增强低转移性的良性结肠癌细胞迁移［2］。其次，通过低氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）依赖方式促进肿瘤转移和生长：原发性前列腺癌中，其会分泌出含有PKM2的外泌体，进入基质细胞，从而增加基质细胞的PKM2 水平，然后以低氧诱导因子1α 依赖的方式上调骨髓基质细胞CXCL12 的生成，促进前列腺癌骨转移和生长［6］。然后，通过增强其他蛋白的磷酸化、稳定性和表达来促进肿瘤的侵袭和迁移：转化生 长 因子-β1（transforming growth factor β1，TGF-β1）诱导的上皮细胞向间充质细胞转化（epithelial to mesenchymal transition，EMT）的条件下，PKM2 会增加在Tyr705 出磷酸化STAT3 的表达，从而促进食管鳞状细胞癌细胞的迁移和侵袭［7］；同时PKM2 通过ETS-1 依赖方式诱导口腔鳞状细胞癌细胞中基质金属蛋白酶9 的表达，从而增加细胞的侵袭能力［8］。而在胰腺导管腺癌中，PKM2使得HSP90募集，在S192/197 处磷酸化P21 激活激酶（p21-activated kinase 2，PAK2），从而稳定PAK2，促进细胞侵袭和肿瘤转移［9］。最后，PKM2 通过诱导EMT 的发生来促进肿瘤的发生发展：口腔鳞状细胞癌中，细胞质中的PKM2 会被转移至细胞核中，与TGF-β 诱导同源因子2（TGF-β-induced factor homeobox 2，TGIF2）结合，使其泛素化降解，诱导EMT的发生，从而促进口腔鳞状细胞癌的进展［10］。

PKM2的过表达可以通过激活PI3K/AKT/mTOR信号通路和致癌基因表达来促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移，进而促进肿瘤的发生发展。在肝内胆管癌中，过表达的PKM2 激活PI3K/AKT/mTOR 信号通路，促进肝内胆管癌细胞增殖、侵袭和迁移，从而导致预后不良［11］。而在卵巢癌中，PKM2 的过表达增加了致癌基因CCND1 的表达，使得细胞的G1 期减少和S期显著增加，其寿命得于延长，促进卵巢癌细胞的增殖和生长［12］。

PKM2 的低表达不仅能够抑制肿瘤细胞的代谢，降低细胞增殖能力，还能诱导肿瘤细胞的凋亡，从而抑制肿瘤的发生发展。有研究表明PKM2的沉默会降低内皮细胞连接附近的ATP 生成，从而阻碍E-cadherin 网格蛋白介导的内化和伪足的形成，并最终导致内皮细胞间连接不稳定、迁移和血管生成受损［1］。PKM2 的敲除会抑制Wnt/β-catenin 信号通路，降低c-myc 和CyclinD1 的表达，抑制EMT，从而抑制宫颈癌的进展［13］。而PKM2 的下调抑制AKT/mTOR 信号通路，不仅能下调乳酸脱氢酶A 和葡糖糖转运蛋白1 的表达，导致前列腺癌细胞代谢受到抑制并诱导自噬；还能降低甾醇调节元件结合蛋白1c 的表达，进而直接抑制脂肪酸合酶的表达，从而导致细胞增殖和肿瘤生长受到抑制［14-15］。在宫颈癌中，PKM2 的下调可以将细胞阻滞在细胞周期G2/M期，诱导细胞凋亡，从而提高宫颈癌细胞对电离辐射的敏感性［16］。而在胃癌细胞中，PKM2 的下调能够下调Bcl-2 和上调Bax，促进活性氧的生成和线粒体依赖性凋亡，从而诱导胃癌细胞凋亡［17］。

总之，PKM2 不仅能为肿瘤细胞的生命活动提供能量，还可以通过各种信号通路促进肿瘤的增殖、迁移和侵袭。PKM2 的过表达能够促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移，提高肿瘤治疗的难度；但是PKM2 的低表达也能抑制肿瘤细胞的代谢，使得肿瘤细胞的增殖、迁移和侵袭能力下降。因此对PKM2 表达的调控可以影响肿瘤的增殖、迁移和侵袭。而一些MicroRNA 和生物分子可以调控PKM2的表达。

3 PKM2表达的抑制有利于肿瘤治疗

微小RNA（microRNA，miRNA）和长链非编码RNA（long noncoding RNA，LncRNA）以及许多生化分子和抗肿瘤药物等可通过调控PKM2表达影响肿瘤的生命活动和发生发展，进而影响肿瘤的治疗。它们主要是通过以下几个方面调控PKM2的表达：

3.1 在转录水平上影响PKM2 的表达其中许多miRNA 都能够抑制PKM2 的表达，而其机制主要是通过与PKM2 的3'UTR 结合，或降低PKM 基因剪切因子的表达。其中miR-122、miR-338、miR-491-5p、miR-139-5p、miR-148a、miR-326、miR-152、miR-625-5p和miR-324-5p 都是通过与PKM2 mRNA 的3'UTR 相结合，从而降低PKM2 的表达，进而会抑制细胞自噬，抑制胶质瘤、黑色素瘤细胞、肝癌细胞、胆囊癌细胞、甲状腺癌细胞、乳腺癌细胞的增殖生长与转移，同时也会提高乳腺癌对紫杉醇的敏感性［5，18-24］。而miR-374b、miR-let-7a-5p、miR137、miR-124和miR206则是通过降低PKM 基因剪切因子的表达来抑制PKM2 的表达，miRNA 主要是通过降低PKM 基因剪切因子异质核核糖核酸蛋白A1（heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1，hnRNP-A1）和聚嘧啶束结合蛋白1 的表达，来抑制PKM2 的表达：miR-374b和miR-let-7a-5p 抑制剪切因子hnRNP-A1 的表达，从而减少PKM2 的生成，提高肝癌细胞对索拉非尼的敏感性和抑制乳腺癌细胞的增殖［25-26］；而miR137、miR-124 和miR206 则是与剪切因子聚嘧啶束结合蛋白1的3'UTR 结合，抑制其表达，从而降低PKM2 的表达，有助于脑和肌肉的组织特征，抑制内皮细胞的糖酵解［27-28］。

研究表明一些长链非编码RNA、生化分子和抗癌药物能够通过上调miRNA 来抑制PKM2 的表达。LncRNA-MEG3 通过上调miR-122 的表达来抑制PKM2 的表达，进而抑制肝癌细胞增殖［29］。而人参皂苷则是通过下调LncRNA-H19 的表达，使得miR-324-5p 表达上升，从而抑制PKM2 的表达，进而抑制乳腺癌细胞的糖酵解和肿瘤发生［24］。蝙蝠葛碱通过上调miR-199a 来降低PKM2 的表达，从而抑制糖酵解，提高肝细胞癌细胞对化疗药物的敏感性［30］；而哈士蟆油蛋白水解物则是通过上调miR-491-5p 来降低PKM2 的表达，抑制肝癌细胞细胞增殖和转移［19］；砷可以上调miR-122的表达，从而抑制PKM2，抑制细胞自噬［5］。

也有研究表明一些长链非编码RNA、生化分子和抗癌药物能够通过下调miRNA 来促进PKM2 的表达。LncRNA LINC00689 直接与miR-338-3p 的3'UTR结合，降低其表达，从而促进PKM2的表达，促进胶质瘤的生长、转移和糖酵解［31］。LncRNA-H19直接靶向miR-324-5p，降低其表达，从而促进PKM2表达，促进卵巢癌细胞的增殖和生长［24］；瘦素是通过下调miR-122 来上调PKM2 表达，增强胆管癌细胞的EMT和血管生成［32］。

3.2 对PKM2 蛋白的修饰LncRNA-Linc01554、NO、Atg7、丁酸盐和醋酸羟酪醇酯可以通过对PKM2 蛋白修饰来抑制肿瘤的发生发展。其中LncRNA-Linc01554 促进PKM2 的泛素化降解，从而降低PKM2 的表达，进而抑制肝癌的生长［33］；NO 通过诱导PKM2的S-硝基化来抑制PKM2，从而引起内皮细胞的抗氧化作用，维持内皮氧化还原稳态和延迟动脉粥样硬化的形成［34］。Atg7 和丁酸盐可以抑制PKM2 在Tyr105 处的磷酸化，抑制“Warburg”效应和细胞增殖，从而抑制肿瘤细胞的EMT［35-36］。醋酸羟酪醇酯通过抑制TNFRSF1A 来上调SIRT6 的表达，从而增加PKM2的去乙酰化，抑制其核定位和致癌能力，调节血管内皮炎症反应［37］。

而LncRNA-FEZF1-AS1 和空泡H+-ATP 酶亚基V0C 则能通过修饰PKM2 蛋白，增强其表达来促进肿瘤的增殖和代谢反应，其中LncRNA-FEZF1-AS1则是与PKM2 蛋白相结合，增强其稳定性和抑制其泛素化降解，从而增强PKM2表达，进而促进结直肠癌的 增 殖和 转 移［38］。空泡H+-ATP 酶 亚 基V0C 与PKM2 的N 端结合，增加PKM2 在Tyr105 处的磷酸化，从而增强PKM2 的核易位和糖酵解相关基因的表达，调节食管癌细胞的糖酵解［39］。

3.3 对PKM2核易位的调控抗癌药物β-elemene、斑蝥素、原花青素B2 和白黎芦醇可以抑制PKM2 的核易位，来抑制肿瘤的增殖和迁移，其中抗癌药物β-elemene 和斑蝥素是通过抑制EGFR 和GLUT1 的表达，从而减少importinα5 的生成，抑制PKM2 的核易位，进而抑制乳腺癌细胞的迁移和侵袭［40-41］。原花青素B2 可以抑制PKM2 的核易位，抑制肝癌细胞的增殖，诱导细胞周期的停滞和肝癌细胞的凋亡［42］。白黎芦醇通过抑制ERK1/2 的磷酸化来抑制PKM2的核易位，抑制内皮细胞的血管生成［43］。

而黄苓苷和2，3'4，4'，5-五氯联苯可以促进PKM2核易位，其中黄苓苷则是通过激活MEK/ERK/PIN1 通路，促进PKM2 与importinα5 结合，从而增加PKM2 的核易位，抑制宫颈癌细胞的糖酵解和生长［44］。2，3'4，4'，5-五氯联苯通过AhR 依赖或AhR激活NADPH 氧化酶，增加ROS 的生成的方式，促进PKM2 的核易位，从而导致PKM2 表达水平升高，促进肝癌细胞增殖［45］。

3.4 通过信号通路调节PKM2 的表达层粘连蛋白γ1、磷脂酰肌醇3 激酶抑制剂LY294002、姜黄素和芹菜素通过抑制相关的信号通路来抑制PKM2的表达，从而抑制肿瘤的增殖，其中层粘连蛋白γ1 通过抑制PI3K/AKT 信号通路来抑制PKM2 的表达，减少肝癌细胞的葡萄糖消耗和乳酸生成，从而抑制肝癌细胞的增殖和促进其死亡［46］。磷脂酰肌醇3激酶抑制剂LY294002可以通过抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路来抑制PKM2 的表达，从而抑制胃癌细胞增殖［47］。姜黄素通过抑制mTOR-HIF-1α 信号通路，来抑制PKM2 的表达，从而下调癌细胞的“Warburg”效应［48］。芹菜素靶向抑制Wnt/β-catenin 通路，减少剪切因子聚嘧啶束结合蛋白1的生成，从而导致PKM2表达下降，抑制结肠癌细胞的增殖［49］。

4 总 结

综上所述，PKM2 在多种肿瘤中高表达，它会通过各种途径来调节肿瘤的发生发展，在肿瘤的发生发展中起重要作用，且PKM2 的高表达也会使得患者对药物治疗的敏感性和耐受性发生改变，增加治疗的难度。PKM2 的沉默会使肿瘤细胞的生命活动受到抑制，从而抑制肿瘤的生长、侵袭和迁移，这使得越来越多的人将肿瘤治疗的靶点放在PKM2 上；但具体的分子机制和治疗方法仍有待于研究。PKM2 的表达可以被MicroRNA 和一些生物分子调控，但其具体的调控机制和不良反应仍然不是很清晰；且现在越来越多的人们认为PKM2 可以成为肿瘤治疗的新途径。因此需要更多的实验来探讨PKM2 的功能和分子机制，以及MicroRNA 和生物分子调控其表达的分子机制与不良反应。