V-ATPase对肿瘤细胞糖酵解的影响

闫 娜 王金花

内蒙古医科大学附属人民医院病理科，内蒙古呼和浩特 010010

运输ATPase存在于真核生物和部分微生物体内，能够水解ATP，释放能量用于跨膜运输蛋白质等，参与人体生命活动。他包含四种类型，即P型、V型、F型及ABC运输蛋白。其中，V型ATPase，即液泡质子转运ATP酶（vacuolar protontranslocating ATPase，V-ATPase），是细胞膜以及各种膜结构细胞器上的一种质子泵，负责向细胞外或者细胞器内输送氢离子。V-ATPase参与多种物质的膜转运和细胞内转运过程，在细胞糖酵解中也起到很重要的作用。而肿瘤细胞，是利用糖酵解作为能量代谢的主要来源，获得更高的糖分解能力，使得葡萄糖转变为乳酸并产生ATP，这被称为Warburg效应[1]。另外，在不同的肿瘤中发现了V-ATPase基因的差异表达模式[2]，侵袭性强的肿瘤细胞中也发现了V-ATPase的高表达[3]。

1 V-ATPase的结构和功能

V-ATPase由两个结构域组成，即膜周边结构域V1和膜整体结构域V0。当细胞外葡萄糖浓度下降时，V1、V0分解，V-ATPase失活，进而能够防止能量消耗。这一能力使细胞能够对能量状态的变化作出快速反应。在细胞内V-ATPase的功能主要包括蛋白质的加工和分泌，内吞作用和囊泡运输，而其最固有的功能是酸化细胞内区室的能力[4]。V-ATPase依赖性酸化在细胞中起重要的信号转导作用，内体中V-ATPase的功能是提供所需的酸性环境以解离内化的配体-受体复合物。各种细胞类型的质膜上都存在V-ATPase，如肾间质细胞膜中的V-ATPase在肾酸化中起作用，巨噬细胞和中性粒细胞的质膜上的V-ATPase有助于在面对酸负荷时保持中性的细胞质pH[5]。在癌细胞膜上的V-ATPase可以为各种酶及其他物质的活性提供必要的酸性细胞外环境，亦可通过各种方式协助肿瘤发生及转移。

2 V-ATPase对糖酵解途径的影响

糖酵解是在缺氧条件下，将葡萄糖或糖原最终分解为乳酸，并产生少量ATP的过程，而V-ATPase又可通过多种途径影响糖酵解。

2.1 通过HIF-1α信号传导影响糖酵解

在细胞中，V-ATPase活性的变化可通过缺氧诱导型因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）影响下游糖酵解。V-ATPase活性丧失或抑制，破坏了溶酶体内PH稳定，损害了转铁蛋白受体介导的内吞作用，从而导致全细胞铁缺乏，因此HIF-1α不能被羟基化，其降解被阻止，进而增加了HIF-1α蛋白的表达及其稳定性[6]。另外，V-ATPase的抑制会导致胞质酸中毒，通过诱导Von Hippel-Lindau（VHL）的核酸螯合来增加HIF-1α的表达[7]，从而使HIF-1α逃避降解。而HIF-1α的激活，一方面，正调控糖酵解的限速酶葡萄糖转运蛋白1（Glucose Transporter-1，GLUT 1）的表达，这导致细胞摄取葡萄糖增加[8]；另一方面，还使糖酵解酶和乳酸脱氢酶的表达增加，并降低了柠檬酸代谢和氧化磷酸化[9]。但是，乳酸脱氢酶-A介导的乳酸发酵会产生其中所需的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，从而促进糖酵解的发生，因此推动了Warburg效应。

2.2 通过蛋白质复合物影响糖酵解

2.2.1 AMPK复合物 在葡萄糖缺乏时，醛缩酶检测到1，6-二磷酸果糖缺乏，进而改变与V-ATPase之间的相互作用[10]。而溶酶体内形成AMP依赖的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）复合物，包含V-ATPase、Ragulator、轴蛋白抑制蛋白（Axis Inhibition Protein，AXIN）、肝 激 酶B1（liver kinase B1，LKB1），以充当内体对接位点[11]，从而激活AMPK。而后，通过组蛋白去乙酰化酶4（Histone Deacetylase，HDAC4）/肌细胞增强因子2（Myocyte Enhancer Factor，MEF2）轴和MEF2-GEF的相互作用调节GLUT4的表达，导致其启动子上的组蛋白高度乙酰化，并增加GLUT4转录，促进葡萄糖进入细胞，以及通过己糖激酶和磷酸果糖激酶2[12]的上调进行糖酵解[13]。同时AMPK的激活抑制下游丝氨酸/苏氨酸激酶（serine-threonine protein kinase，AKT）、雷 帕 霉 素 靶 蛋 白（mammalian Target of Rapamycin，mTOR）以及HIF-1α表达，从而抑制糖酵解[14]。在肿瘤细胞和健康细胞中，V-ATPase抑制均在AMPK下游诱导了独特的代谢级联反应，从而影响ATP水平和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）水平，以及影响葡萄糖摄取和活性氧的产生[15]。2.2.2 mTORC1复合物 在葡萄糖存在下，Rag GTPases（或称Ragulator）以及溶酶体V-ATPase 将mTORC1吸引至溶酶体的表面，并与其相互作用形成V-ATPase-Ragulator-mTORC1复合物，进而激活mTORC1的活性[16]。而mTORC1抑制葡萄糖-6-磷酸脱氢酶，所以增多的葡萄糖通过磷酸戊糖途径来引导进入糖酵解中，进而刺激细胞生长，并整合多种营养和能量信号以维持细胞稳态[17]。葡萄糖不足时，AXIN/LKB1可通过V-ATPase-Ragulator复合物激活AMPK，同时AXIN抑制Ragulator对鸟嘌呤核苷酸交换因子的活性，从而导致mTORC1与内体的解离和失活[18]。另外，mTOR的上调激活了HIF-1α，使代谢程序切换到有氧糖酵解。因此，在致癌信号转导中，mTOR直接磷酸化下游效应因子，进而翻译HIF-1α以促进糖酵解，最终导致肿瘤细胞的存活[19]。

综上，V-ATPase活性的丧失或抑制会诱导糖酵解，以在低氧环境中存活，但无活性的V-ATPase无法处理糖酵解增加所致细胞酸中毒的后果，进而又会触发细胞死亡。

3 V-ATPase参与肿瘤细胞发生发展及侵袭

Warburg效应是癌症的标志，由于营养缺乏。氧化应激，缺氧，高水平无氧糖酵解和乳酸水平升高等多种因素影响，致使肿瘤组织中产生较高的酸负荷[20]。上调V-ATPase的表达，或者通过表达特定的V-ATPase亚基，并将泵定位到质膜上，有助于跨质膜的pH梯度的转变。相反，当V-ATPase被抑制时，质子在细胞质中积累，从而导致酸中毒和细胞死亡。

肿瘤细胞对于V-ATPase抑制更为敏感。V-ATPase活性丧失或受到抑制时，一些糖酵解相关的致癌基因如HIF-1升高，导致细胞缺氧严重；另一方面，又会直接或通过激活AMPK间接抑制mTORC1信号，诱导细胞自噬并引起自噬体的积累，使肿瘤细胞生长停滞甚至凋亡[21]。而在肿瘤细胞侵袭过程中，V-ATPase可能是通过分泌活化组蛋白酶，直接降解基底膜和细胞外基质的成分[22]，或者与肌动蛋白相互作用并改变其肌动蛋白动力学，增强促迁移因子的运输，改变离子通道电导以促进迁移。上述均表明特异性地靶向过度表达质膜V-ATPase的癌细胞，可以抑制癌细胞的侵袭[23]。

4 V-ATPase作为靶向治疗药物进展

有研究表明，巴非霉素A1能够抑制多形性胶质母细胞瘤质膜上的V-ATPase，增加细胞外pH值并导致胞浆pH值降低，从而抑制肿瘤细胞生长[24]；ECDD-S27是一种天然芳基萘内酯型木脂素类糖苷，用其处理各种癌细胞后，V-ATPase活性被有效抑制，导致溶酶体酸化的丧失，从而抑制自噬途径并抑制癌细胞的存活[25]；小分子天然产物Verucopeptin靶向V-ATPase的V1G亚基，有效的抑制V-ATPase的活力和mTORC1信号通路从而导致多重耐药肿瘤细胞死亡，并揭示V-ATPase可以作为一个潜在的多重耐药肿瘤治疗靶点[26]。另外，抑制V-ATPase表达亦可抑制磷脂酰肌醇-3激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/AKT/mTOR/HIF-1α信号通路，促进多药耐药细胞对抗肿瘤药物的化学敏感性[27]。

肿瘤细胞能量的产生大部分依赖糖酵解功能，V-ATPase可以通过多种途径调节HIF-1α、AMPK以及mTORC1的活性影响糖酵解，进而影响肿瘤的发生发展。侵袭及耐药，甚至是凋亡。由此可知，了解V-ATPase的信息如何流向肿瘤细胞，并理清两者之间的相互作用很重要。在癌症治疗中尤其如此。V-ATPase有可能意味着一种用于开发抗癌疗法的特别有力的药物靶标。而证据表明，V-ATPase抑制剂能够靶向抑制肿瘤细胞中的V-ATPase，从而有效的抑制某些肿瘤的生长及侵袭。因此，V-ATPase可能是肿瘤新的关键靶向治疗点，并有待进一步探索。