肿瘤糖代谢机制的研究进展

彭 瑞，赵 丽，赵 琦，相绿竹，王 晔 综述，牟晓峰△ 审校

1.青岛大学医学部，山东青岛 266003；2.山东省青岛市中心医院检验科，山东青岛 266042

代谢重编程是癌症的重要标志之一，为了满足细胞快速、持续增殖对于物质及能量的需求，肿瘤细胞中多种代谢途径将发生变化，主要包括有氧糖酵解、脂质生物合成和谷氨酰胺代谢，其中最经典的是有氧糖酵解。细胞通过糖酵解最终将葡萄糖代谢为乳酸，该过程能够产生能量，但是该途径产生的能量远低于三羧酸循环每次产生的能量。肿瘤细胞需要高效率的糖酵解，为了实现这一需求，肿瘤细胞通过增加葡萄糖转运蛋白(GLUT)或者是各种关键酶来提高效率，以达到促进营养物质高效进入细胞并参与代谢的目的。因此通过靶向转运蛋白及各种关键酶有望成为肿瘤治疗的药物靶点，通过靶向干预能够抑制肿瘤细胞的代谢途径，进而导致肿瘤细胞因无足够的能量供应而死亡。

1 糖代谢

1.1正常糖代谢 葡萄糖主要的生理功能是作为碳源及能源物质为机体生命活动供能、合成生物大分子原料及分解相关物质以满足细胞生长与增殖的需要，葡萄糖的能量转换主要有以下3种途径：糖的有氧氧化、无氧氧化(糖酵解)及磷酸戊糖途径。葡萄糖或糖原在缺氧条件下，分解为乳酸同时产生少量腺苷三磷酸(ATP)的过程称为糖酵解。糖酵解是所有生物进行葡萄糖氧化分解代谢所必须经过的阶段。

葡萄糖通过GLUT进入细胞，首先通过糖酵解过程，在己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)、丙酮酸激酶(PK)这3种限速酶及其他非限速酶的作用下产生丙酮酸。正常氧浓度下，丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰辅酶A，之后通过一系列限速酶及非限速酶的作用彻底氧化分解产生能量。葡萄糖通过糖酵解——三羧酸循环氧化磷酸化途径消耗O2，从而彻底分解葡萄糖，1 mol葡萄糖最终代谢可产生36 mol ATP，是细胞代谢的最重要的途径。无氧条件下，正常细胞通过糖酵解途径产生的丙酮酸不再进入三羧酸循环，而是在细胞质中通过乳酸脱氢酶(LDH)生成乳酸，该方式产生ATP较少，1 mol葡萄糖仅产生2mol ATP，是细胞在无氧或缺氧情况下一种代偿的代谢模式。

1.2瓦博格效应 在20世纪20年代，德国生理学家瓦博格发表了一项开创性的观察结果，即与正常细胞比较，肿瘤细胞消耗更多的葡萄糖。瓦博格通过比较肝癌组织与肝癌旁组织，发现与肝癌旁组织比较，肝癌组织耗氧量明显减少，然而葡萄糖代谢率及乳酸产生率升高[1]。瓦博格认为即使在有氧状态下，肿瘤细胞仍会优先选择糖酵解，而不是选择能够高效产能的氧化磷酸化以提供肿瘤细胞所需能量，这种现象称之为“瓦博格效应”，即有氧糖酵解[2]。

“瓦博格效应”主要是肿瘤为了适应外界环境所进行的代偿活动。一方面，高效率有氧糖酵解为肿瘤细胞增殖提供便利，首先它允许肿瘤细胞利用细胞外营养物质产生丰富的ATP，尽管有氧糖酵解过程中每分子葡萄糖产生的能量不及氧化磷酸化产生的能量，但是在葡萄糖量充足的情况下，有氧糖酵解产生ATP的速率可以超过氧化磷酸化产生ATP的速率。另一方面，有氧糖酵解为细胞提供生物合成途径所需的中间产物，包括核苷酸合成所需的核糖，脂质合成所需的甘油、枸橼酸盐和非必需氨基酸等，葡萄糖还可以通过磷酸戊糖途径产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。因此，“瓦博格效应”利于肿瘤细胞生物能量学及生物合成。

2 影响有氧糖酵解的因素

与正常细胞比较，肿瘤细胞表现出高效的有氧糖酵解速率，肿瘤细胞需要增加葡萄糖通量，提高肿瘤细胞摄取葡萄糖的效率。因此，GLUT及糖酵解限速酶如HK、PFK、PK等酶的活性与蛋白质表达水平在肿瘤细胞中均明显上调。

2.1葡萄糖的转运 葡萄糖是亲水性的，它不能穿透疏水性细胞膜，因此需要特殊类型的跨膜转运蛋白进行转运。葡萄糖是肿瘤细胞的主要能源物质，大量消耗葡萄糖不可避免地增加了葡萄糖的摄入，因此大多数肿瘤细胞的GLUT表达明显上调，如肺癌[3]、肝癌[4]、乳腺癌[5]、宫颈癌[6]等。目前GLUT已鉴定出14种亚型，其中GLUT1、GLUT2(SLC2A2)、GLUT3(SLC2A3)及GLUT4(SLC2A4)这4种亚型研究最多，而不同的亚型介导不同的过程，在葡萄糖摄取、代谢等方面均发挥着重要的作用。GLUT1是最早发现的，恶性肿瘤中的GLUT1常常过表达。癌基因与抑癌基因可以调节GLUT1，如c-myc可以使细胞内GLUT1过表达，引起葡萄糖摄取增加。P53等抑癌基因可以抑制细胞中GLUT1的表达，使葡萄糖摄取减少进而抑制肿瘤的发生发展。GLUT3在大多数癌细胞中表达，但是在正常细胞中往往是不表达的。通过靶向GLUT可以抑制有氧糖酵解程度，进而影响肿瘤的发生发展。

2.2有氧糖酵解相关酶 糖酵解是一个复杂的过程，以葡萄糖为起点，经过多种非限速酶及限速酶的催化，最终形成乳酸。经典的糖酵解主要涉及3种限速酶，分别是HK、PFK、PK。3种酶介导不同的过程，在糖代谢中发挥着重要的作用。

第1个限速酶是HK，其催化葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸的过程，由于葡萄糖-6-磷酸是糖酵解、磷酸戊糖途径、糖原合成等过程的共同中间产物，因此这个过程称为糖代谢过程中最为关键的一步，而HK也成了最重要的限速酶。HK有4种亚型HK1、HK2、HK3、HK4，其中HK2在正常细胞中几乎不表达，其表达在恶性肿瘤中有重要意义。研究发现，HectH9可以通过激活HK2和甘油醛-3-磷酸脱氢酶的转录，增加肿瘤细胞对葡萄糖的摄取，提高有氧糖酵解速率，加快乳酸分泌，从而刺激小鼠和人类肺癌细胞的有氧糖酵解依赖性转移[7]。人乳头瘤病毒E6/E7致癌基因可以通过直接上调HK2的表达，导致人乳头瘤病毒阳性细胞的代谢重编程[8]。

第2个限速酶是PFK，其催化6-磷酸果糖为1，6-二磷酸果糖，这是糖酵解途径中的关键调控步骤。 哺乳动物中PFK主要存在3种形式，分别为肌型PFK、血小板型PFK及肝脏型PFK，在肿瘤中肝脏型和血小板型则更加丰富。PFK主要有2种构象：基本没有活性的二聚体和活性非常高的四聚体。2，6-二磷酸果糖是PFK1的变构激活剂，来源于6-磷酸果糖-2-激酶果糖-2，6-二磷酸酶4(PFKFB4)，这是一种兼具激酶活性和磷酸酶活性的酶，且2，6-二磷酸果糖的水平取决于激酶和磷酸酶的相对活性。研究发现，PFKFB4可以使类固醇受体共激活因子3的丝氨酸857位点磷酸化，增强其转录活性进而促进乳腺癌的侵袭及转移[9]。PFKFB4高表达的乳腺癌患者表现出不良的总体生存期及预后，已证明PFKFB4是乳腺癌的独立预后因素[10]。

第3个限速酶是PK，PK可以把磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸,同时生成ATP。PK具有4个同工型：L、R、M1和M2。PKL、PKR、PKM1多在正常组织中表达，而PKM2在高度增殖的细胞中特别表达，是葡萄糖代谢过程中的重要限速酶。PKM2可以通过翻译后修饰发挥其作用，包括磷酸化[11]、O-乙酰氨基葡萄糖(O-GlcNAc)修饰[12]、乙酰化[13]，琥珀酰化[14]和甲基化[15]。例如，体外结合和激酶测定表明PKM2在Ser20，Ser141和Ser192/197处直接磷酸化PAK2并使其表达下降进而降低胰腺导管腺癌细胞的转移能力[16]。PKM2通过O-GlcNAc修饰抑制其催化活性，从而促进有氧糖酵解和肿瘤生长[17]。在正常的葡萄糖条件下，去乙酰化的不均一核糖核蛋白(hnRNP)A1减少了原发性肝癌细胞中的PKM2，增加了PKM1的选择性剪接，导致PK的代谢活性降低[18]。

除以上3种限速酶外，LDH通过电子受体NAD的再生在有氧糖酵解中发挥关键作用。在肿瘤细胞中，LDHA催化丙酮酸变为乳酸，促进乳酸堆积、降低pH值，为肿瘤微环境提供必要条件[19]。EWS-FLI1是尤因肉瘤的致癌驱动因子，其可以通过调节LDHA的表达进而影响肿瘤糖代谢过程，后续研究发现运用LDHA特异性抑制剂处理后可以阻断有氧糖酵解过程，影响肿瘤的发展[20]。

3 肿瘤有氧糖酵解信号通路

肿瘤有氧糖酵解能量代谢调控机制主要包括致癌性代谢调控和抑癌性代谢调控。致癌性代谢调控主要包括myc、Ras等促癌基因及PI3K-Akt-mTOR等代谢通路。抑癌性代谢调控主要涉及P53、PTEN等抑癌基因。通过这些基因或者通路的调控对肿瘤的发生、发展、恶性表型起到关键性的作用。

3.1致癌性调控 myc基因家族有多种基因型，包括c-myc、L-myc、s-myc、N-myc。这些基因在肿瘤中可以通过扩增，编码转录因子发挥作用，其中研究最为广泛的是c-myc。c-myc可以调控多种糖酵解基因的转录过程。c-myc可以与HK2的调节区域结合，进而在肿瘤有氧糖酵解中发挥重要作用[21]。PK催化糖酵解的最后一步，PKM2仅存在于可以自我更新的组织，如干细胞、肿瘤等。c-myc可以直接在PKM2启动子区域富集，上调PKM2的表达，从而促进肿瘤有氧糖酵解[22]。另外c-myc可以通过间接调节hnRNP蛋白进而诱导PKM2剪接，从而促进有氧糖酵解[23]。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶是糖代谢途径的关键酶，研究证明，c-myc可以与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶的启动子区域结合促进其表达，从而促进磷酸戊糖途径[24]。总之，c-myc可以通过上调各种葡萄糖代谢基因，重新编程葡萄糖代谢途径并促进有氧糖酵解。

Ras介导的代谢重编程在肿瘤的发生、发展中发挥着重要的作用。研究证明，Ras可以促进有氧糖酵解，为肿瘤细胞提供代谢能量。Ras信号通路激活后可以通过多种酶促进有氧糖酵解产生乳酸、α-酮戊二酸等。Ras可以通过增加细胞膜表面GLUT1的表达来促进有氧肿瘤细胞摄取葡萄糖，进而增加有氧糖酵解效率[19]。另外，PI3K-Akt-mTOR信号也是葡萄糖摄取的主要调节剂，可促进GLUT1中mRNA的表达及GLUT1蛋白从内膜向细胞膜表面的转运，进而促进糖酵解。PI3K-Akt-mTOR信号转导通路在多种肿瘤发展中发挥着重要的作用，是目前肿瘤预防和靶向治疗的热点。

3.2抑癌性调控 P53是最关键的抑癌性基因，在恶性肿瘤中，50%以上会出现该基因的突变。P53通过编码转录因子影响细胞周期。P53可以通过多种途径调节有氧糖酵解过程。一方面，P53通过调节GLUT1、GLUT4的表达调节葡萄糖摄取效率，进而影响有氧糖酵解[25]。另一方面，P53可以通过调节TP53介导的糖酵解和凋亡诱导因子的表达来抑制有氧糖酵解[26]。除此之外，P53还可以通过调节线粒体呼吸功能、磷酸戊糖途径、糖酵解相关酶等抑制肿瘤有氧糖酵解功能[27]。

PTEN是一种抑癌基因，是人体肿瘤中最常发生突变的基因之一，在肺癌、肠癌、子宫内膜癌、前列腺癌等恶性肿瘤中均有突变。PTEN 蛋白主要通过PI3K/Akt、局部黏着斑激酶和丝裂原活化蛋白激酶这3条信号通路发挥抑制肿瘤的作用。其中，PI3K/Akt通路是最经典的通路。PTEN通过抑制PI3K/Akt通路的失活来抑制肿瘤的发生[28]。有研究发现，磷酸甘油酸激酶1(PGK1)可以作为糖酵解酶发挥作用，或者发生磷酸化作为蛋白激酶发挥其作用。PTEN直接与PGK1相互作用控制肿瘤的有氧糖酵解过程。PTEN编码的蛋白质具有磷酸酶活性，可以抑制磷酸化的PGK1，从而抑制有氧糖酵解和肿瘤细胞增殖[29]。

4 非编码RNA与肿瘤有氧糖酵解之间的关系

很多非编码RNA，如微小RNA(miRNA)、长链非编码RNA(lncRNA)等，在介导肿瘤糖代谢过程中发挥重要作用。

4.1miRNA与有氧糖酵解之间的关系 miRNA是由内源性基因编码的长度约20～24个核苷酸的非编码单链RNA分子，参与转录后基因的表达调控。miRNA在肿瘤的发生发展中发挥着重要的作用。miRNA-135可以通过靶向PFK1抑制胰腺导管腺癌有氧糖酵解过程，增加其葡萄糖的利用以支持三羧酸循环，促进胰腺导管腺癌的发生发展[30]。miRNA-338可以直接抑制肝脏型PFK的表达而对肝癌发挥抑制作用[31]。miRNA-885-5p可以通过HK的3′UTR来调控HK2在肿瘤中的表达[32]。研究证明，miR-142-3p可以靶向作用于LDHA，作为肝细胞癌的肿瘤抑制因子进而抑制肿瘤的生长、迁移、侵袭等[33]。

4.2lncRNA与肿瘤有氧糖酵解之间的关系 lncRNA是一类长度大于200个氨基酸的非编码单链RNA分子，其在转录、沉默、激活、染色体修饰、核内运输等均具有重要的功能。lncRNA PVT1通过竞争性结合胆囊癌细胞中的内源性miR-143来调节HK2表达，进而影响肿瘤有氧糖酵解过程与肿瘤的发生发展[34]。lncRNA UCA1通过下调miR-182的表达抑制miR-182与果糖2,6-双磷酸酶结合，进而调节胶质母细胞瘤的有氧糖酵解及侵袭过程[35]。

4.3环状RNA(circRNA) circRNA是一类特殊的非编码RNA，与线性RNA不同，circRNA分子为封闭环状结构，不受RNA外切酶影响，表达更稳定，不易降解，在基因表达调控层面发挥着重要的作用。研究证明circRNA在肿瘤糖代谢中发挥着重要的作用，主要通过以下2种机制发挥作用：一方面，circRNA可以充当miRNA分子海绵，通过海绵作用结合miRNA，间接调控其下游靶基因的表达从而调控基因转录。研究发现，烯醇化酶1(ENO1)是一种糖酵解酶，在葡萄糖代谢中起关键作用，在肿瘤的进展中发挥着重要的作用。肺腺癌中，circ-ENO1可以充当海绵与miRNA-22-3p相互作用并上调ENO1的表达，进而促进肺腺癌中的有氧糖酵解与肿瘤进展[36]。另一方面，circRNA通过与RNA结合蛋白的结合来调控蛋白功能。研究发现转录因子CUX1和circ-CUX1促进神经母细胞瘤中的有氧糖酵解和肿瘤进程，circ-CUX1可以与EWS RNA结合蛋白1结合，促进其与myc相关的锌指蛋白(MAZ)的相互作用，从而导致MAZ的反式激活及CUX1的表达，进而改变肿瘤相关基因的转录，促进肿瘤的进展[37]。

5 肿瘤糖代谢的研究前景

细胞代谢异常是肿瘤发生发展的关键特征，糖代谢异常是其中最基本的特征。通过靶向肿瘤细胞糖代谢过程，修正细胞代谢异常成为预防肿瘤发生发展和治疗肿瘤的新思路。目前，越来越多的研究人员聚焦于靶向肿瘤糖代谢的研究，一批靶向肿瘤糖代谢的药物正在临床试验阶段。但是肿瘤细胞糖代谢过程复杂，与其他学科存在交叉，运用靶向药物在降低肿瘤异常糖代谢的同时会引起其他反应代偿性激活，从而降低糖代谢抑制效能。未来将继续深入肿瘤糖代谢研究，注意与其他代谢途径及影响因素结合，多学科共同合作，基础联合临床，为肿瘤治疗创造新机遇。