靶向糖酵解途径影响结直肠癌发生发展的机制研究

陆雅， 张君莹， 张圆， 马蓉， 吴建中， 冯继锋

自2010年以来，癌症已然成为严重威胁我国人民健康的重大公共卫生问题，其中结直肠癌一直占据着“紧要”位置[1]。我国结直肠癌发病率位居第三，死亡率位居第五[2]，多数确诊患者首次发现已至疾病中晚期。目前，晚期结直肠癌的治疗以化疗和靶向治疗为主，虽然已取得突破性进展，但其复发率和耐药率仍然较高，5年生存率较低，因此，积极寻找新的结直肠癌治疗突破至关重要。

自20世纪20年代“Warburg效应”的提出[3]，肿瘤细胞葡萄糖代谢过度活跃的特征已被广泛认可。同时越来越多的研究表明，结直肠癌细胞的有氧糖酵解过程与其增殖、凋亡、侵袭、迁移、耐药等生物学行为息息相关[4]。不同于体内正常细胞主要通过氧化磷酸化途径进行能量转化，肿瘤细胞即使在氧气充沛的情况下依然更倾向于通过糖酵解途径获取能量，从而营造出更利于自身生长的酸性环境和中间物质需要[5]。尽管肿瘤细胞这种独特的能量转化方式的具体机理尚未被完全阐明，但是近年来，关于糖酵解途径在肿瘤进程中的分子机制已被不同程度地挖掘。本文通过回顾近年来有关糖酵解途径中的关键分子在结直肠癌发生发展中发挥生物学功能的研究文献，总结了其中潜在的分子调控机制，以期为结直肠癌的临床诊疗提供更多的思路和可能。

1 糖酵解途径中的关键分子与结直肠癌

肿瘤细胞为了达到为自身创造更为合适的生长环境和条件的目的，往往会加速消耗葡萄糖，以获得更多的乳酸堆积和中间大分子产物[6-7]。研究表明，体内糖酵解活性的异常升高通常预示着结直肠癌的高患病风险和不良预后[8-9]，而其中相关的代谢参数[10]和关键酶[11]则可以作为结直肠癌患病风险和疗效评估的指标。

在糖酵解途径中，葡萄糖大分子由葡萄糖转运体蛋白(glucose transporter，GLUT)转运进入细胞，经由己糖激酶(hexokinase，HK)、磷酸果糖激酶(phosphofructokinase，PFK)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)、丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase，PDK)和乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)等关键酶的催化，最终生成乳酸。而这些在糖酵解途径中承担重要作用的关键分子被报道在人体结直肠癌组织中异常表达，且与结直肠癌的临床分期、疗效、预后等密切相关。例如，GLUTs作为肿瘤细胞汲取葡萄糖能量的第一关键蛋白，在结直肠癌中特异性高表达，被认为是评估结直肠癌预后的独立因素[12-13]，而HKs[14-15]、PFKs[16]、PKs[17-19]、PDKs[20-21]以及LDHs[22]等则被提出可以充当促癌因子，在结直肠癌细胞的增殖、转移和耐药过程中扮演重要角色。

2 靶向糖酵解途径中的关键分子影响结直肠癌进程

结直肠癌细胞的命运和转归与细胞的糖酵解代谢密切相关，越来越多的研究着眼于糖酵解途径中的关键分子以探究结直肠癌发生发展的分子机制。

2.1 葡萄糖转运体蛋白(GLUT) GLUTs因作为肿瘤细胞利用葡萄糖的第一关键载体而备受关注，针对GLUTs的研究也在不断深入。据报道，过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)的拮抗剂Wy14,643能够有效增加PPARα末端与GLUT1启动子区域的结合效率，通过抑制GLUT1的转录活性降低GLUT1蛋白表达，从而减少葡萄糖内流，并抑制mTOR信号通路，达到抑制结直肠癌生长和化疗耐药的目的[23]。另外，组蛋白去甲基化酶KDM4B被发现可与泛素连接酶TRAF6相互作用，以激活AKT在结直肠癌细胞中的膜定位和磷酸化，使得其靶基因GLUT1表达增加，从而提高葡萄糖的摄取和ATP的产生，最终促进结直肠癌细胞的生长发育[24]。

众所周知，PI3K/Akt/mTOR是影响肿瘤细胞生长发育的重要信号通路，不难发现，这一信号通路也在结直肠癌细胞糖代谢过程中发挥重要作用。例如，人组织激肽释放酶10(KLK10)[25]、S100钙结合蛋白A2(S100A2)[26]、死亡结构域沉默子(SODD)[27]以及细胞型朊蛋白(PrPC)[28]等均被发现可以通过PI3K/Akt/mTOR信号通路靶向GLUT1，从而影响糖酵解途径介导的结直肠癌细胞的发生发展。除此之外，环状RNA和miRNA也被发现参与其中。研究表明，环状RNA circDENND4C可以通过海绵吸附miR-760来激活其下游靶点GLUT1，以加速葡萄糖摄取和乳酸堆积，促进结直肠癌细胞的增殖和转移[29]。而在化疗耐药的结直肠癌细胞中，特异性高表达的toll样受体(TLR)则通过激活AKT1/3下调miR-125b-5p的表达，继而调控miR-125b-5p的下游靶基因GLUT5，以致加速糖酵解代谢并促进结直肠癌细胞的EMT转化和转移活性[30]。

2.2 己糖激酶(HK) HKs是糖酵解途径中生成6-磷酸葡萄糖的关键限速酶，有HK1、HK2、HK3和HK4这四个亚型。最近，Li等[31]发现HK1与长链非编码RNA lncARSR在结直肠癌组织中呈特异性正相关高表达，均预示着结直肠癌不良预后。LncARSR主要通过海绵化miR-34a-5p，靶向HK1介导的有氧糖酵解来推动结直肠癌的进展。同时Li等还提出lncARSR/miR-34a-5p/HK1复合体可能是潜在的评估结直肠癌预后的生物标志物。

HK2是HKs中被研究最多的亚型。MiR-513a-3p[32]、免疫调节蛋白B7-H3[33]、叉头框蛋白E1(FOXE1)[34]等均被报道可以直接靶向HK2并调控其表达，从而影响结直肠癌细胞的增殖和耐药。另外，Ou等[35]发现HK2作为STAT3的下游靶基因，可以被miR-106b/Polo样激酶3(PLK3)复合物抑制，使得miR-106b实现了阻碍结直肠癌细胞有氧糖酵解和生物学进程的作用。

对于结直肠癌糖酵解途径中的HK2限速酶的研究并不局限于细胞生物学水平，在临床方面的探索也在不断深入。目前，多种HK2相关的药物和抑制剂被不同程度的开发和研究。例如，薯蓣皂苷是一种提取自几种植物的天然类固醇皂苷，能够通过缩短S期激酶相关蛋白2(SKP2)的半衰期，减弱SKP2在S72位上的磷酸化，促进其与T-钙黏蛋白1(CDH1)的互作关系，增强SKP2的K48位多聚泛素化和降解，进而诱导HK2的表达降低，从而减缓结直肠癌细胞的生长[36]。而苄丝肼作为一种多巴脱羧酶抑制剂，同时也是一种选择性HK2抑制剂，可以通过特异性结合HK2抑制其激酶活性，从而诱导结直肠癌细胞的凋亡[37]。另外，黄腐酚[38]、姜黄素[39]、五氟利多[40]等也都被发现可以通过完全或部分结合或靶向HK2抑制结直肠癌细胞的生长发育，为临床结直肠癌的新药应用提供了理论依据。

2.3 丙酮酸激酶(PK) PKs是催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸的关键限速酶，其中丙酮酸激酶M2型(PKM2)是最常见高表达于肿瘤细胞的同工酶亚型[41]。研究表明，多种RNA结合蛋白参与了PKM2在结直肠癌细胞中生物学功能的发挥。例如，在结直肠癌细胞中异位表达的RNA结合蛋白Sam68通过加速PKM2 mRNA的核质转运，增加PKM2的蛋白表达和活性状态[42]。而另一种RNA结合蛋白，核不均一核糖核蛋白A1(hnRNPA1)的Ser6位点当受到核糖体蛋白S6激酶2(S6K2)的磷酸化激活后，能够与PKM剪接位点结合，随后引起PKM后续一系列的转录活性和蛋白功能的改变，直接影响结直肠癌细胞的葡萄糖代谢重编和细胞生长[43]。

此外，miR-124、miR-137、miR-340、lncRNA-FEZF1-AS1、lncRNA-SNHG6以及ciRS-122等也都可以通过靶向PKM1/2作用于结直肠癌的糖酵解途径[44-47]。此外，有一种持久性有机污染物二氯二苯三氯乙烷(DDT)被发现可通过细胞内活性氧(ROS)介导ERK/PKM2轴诱导结直肠癌发生发展[48]，引起了研究者们的关注，为“有机污染物致癌”话题提供又一分子生物学佐证。

2.4 丙酮酸脱氢酶激酶(PDK) PDKs是葡萄糖代谢途径中促进丙酮酸和乳酸进行逆向糖异生的催化酶。PDKs作为丙酮酸脱氢酶的调控酶，在糖酵解途径中也同样不可或缺。研究发现，PDK1是miR-138的直接靶点，miR-138能够抑制其激酶活性和蛋白表达，有效增加结直肠癌细胞对奥沙利铂的化疗敏感性[49]，但其中具体作用机制尚不清楚。同时，PDK1还可以与线粒体膜蛋白ANKRD22相互作用，推动ANKRD22协同脂质转运蛋白和突触结合蛋白1(E-Syt1)，促进结直肠癌细胞的糖酵解过程，导致ATP/ADP的下降和AMP/ATP的升高[50]。另外，Liang等[51]最近发现，一种应用于治疗代谢性疾病的代谢调节剂二氯乙酸(DCA)，能够在结直肠癌细胞中通过靶向p53/miR-149-3p/PDK2轴介导糖酵解途径，增加结直肠癌细胞对5-氟尿嘧啶的化疗敏感性。

2.5 乳酸脱氢酶(LDH) LDHs是糖酵解途径中催化丙酮酸转变为乳酸的关键限速酶，是细胞糖酵解途径中举足轻重的分子。LDHs的不同同工酶的作用不尽相同。其中，LDHA的表达水平被认为与结直肠癌的肿瘤分化、淋巴结和远处转移、血管密度和血管内皮生长因子(VEGF)、缺氧诱导因子(HIF) 1和2等密切相关[22]。LDHA的C端区域能够与在结直肠癌中高表达的腺苷酸激酶hCINAP结合，使得自身磷酸化增强，从而诱导结直肠癌细胞糖酵解代谢活跃度增加，为结直肠癌干细胞的不断自我更新助力[52]。除此之外，LncRNA GLCC1可以通过HSP90/c-Myc/LDHA轴完成对结直肠癌细胞的代谢重编[53]。而肿瘤抑制因子drs[54]和Krüppel样因子14(KLF14)[55]则是通过靶向LDHB影响结直肠癌的有氧糖酵解途径。

2.6 多个关键酶 肿瘤细胞的糖代谢是一个多中心多环节的过程，其中涉及的多个步骤都具有成为潜在肿瘤治疗靶点的可能。近来，Shen等[56]发现m6A甲基转移酶METTL3可以通过依赖m6A解读器IGF2BP2/3的方式，直接与HK2的5’/3’UTR区以及GLUT1的3’区结合并相互作用，通过维持HK2和GLUT1的稳定性，激活糖酵解通路，促进结直肠癌细胞的发生发展。另一方面，在结直肠占位从腺瘤到癌的过程中逐渐减少的CD36则可以通过磷脂酰肌醇蛋白聚糖4(GPC4)泛素化抑制β-catenin/c-myc通路，集体下调靶基因GLUT1、HK2、PKM2、LDHA，以此介导结直肠癌糖酵解途径[57]。而HK2和LDHA也是circ_0136666/miR-383/CREB1轴的下游效应基因[58]。除此之外，研究还发现，lncRNA MAFG-AS1能够通过海绵吸附miR-147b，激活Ⅰ型辅酶脱氢酶1α亚复合物4(NDUFA4)，促进靶基因PDK1、PFK1、PKM2介导的糖酵解过程，以致造成结直肠癌的不良预后[59]。

3 总结与展望

高度活跃的有氧糖酵解代谢是结直肠癌细胞的特征之一，相关分子机制的探索也在不断深入。糖酵解途径中涉及的诸如GLUT1s、HKs、PKs、PDKs以及LDHs等多种关键分子，或是转运蛋白或是限速酶，都被发现在结直肠癌中不同程度的异常高表达，这些关键分子的过量表达推动着糖酵解代谢过程的不断加速。葡萄糖的快速摄取、能量的加倍转化、酸性环境的充分积累以及大分子代谢产物的持续供给，给予了肿瘤细胞长足的生长动力。因此，针对结直肠癌糖酵解途径中的关键分子，探究其中潜在的分子机制，将为临床上寻找行之有效的靶向药物奠定理论基础。目前，虽然针对这些关键分子的研究正在逐步进行，但很多还处于“浅尝辄止”的阶段，深入全面的机理研究仍须进行。在糖酵解途径介导的结直肠癌进程中，研究除了以糖酵解途径中的关键分子为靶向，还涉及到诸如线粒体损伤、微环境改变、癌基因或者抑癌基因突变等多方面的复杂过程，本文不能一一详述，其中的具体机制也有待进一步挖掘和探索。针对结直肠癌糖酵解途径，无论是老药新用还是新药合成，都在被不断地发现和开发中，势必将会为寻求结直肠癌新的临床诊疗突破提供帮助。