磷酸戊糖途径与肿瘤代谢的研究进展

代鹏钰，裴亚萍，马昕芸，杨 蕊，章婷婷，刘会玲

(1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000)

肿瘤是一种代谢性疾病，2010年Warburg教授重新定义了肿瘤细胞代谢的十大特征，其中就包括了异常代谢[1]。随着对肿瘤研究的深入，肿瘤细胞的代谢在肿瘤发生、发展的过程中发挥越来越重要的作用，肿瘤细胞的代谢具有明显的异质性，这可能与肿瘤细胞独特的生存环境有关。

作为肿瘤代谢的另一重要通路，磷酸戊糖途径(PPP)，又称磷酸戊糖分流，是糖代谢的重要组成部分，它有两个分支。氧化支将葡萄糖-6-磷酸(G6P)转化为核酮糖-5-磷酸(Ru5P)和NADPH。在非氧化支中，主要为一些可逆反应，通过转碳基生成果糖-6-磷酸(F6P)和甘油醛-3-磷酸(G3P)，继而进入糖酵解途径。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD)是PPP氧化支的关键酶，调节核糖-5-磷酸(R5P)、NADPH的生成，在核苷酸和脂质的合成及维持氧化还原平衡中都起重要作用[2]。本文主要阐述PPP氧化支和非氧化支中的关键酶及其作用机制，为肿瘤的抗代谢治疗提供新的思路和方向。

1 磷酸戊糖途径与肿瘤

磷酸戊糖途径的氧化分支主要生成NADPH和R5P，NADPH不仅可维持氧化还原状态，也是脂质、核苷酸合成的主要分子。而氧化支的关键酶G6PD在肿瘤中高表达，其高表达可促进更多NADPH的生成，高水平的NADPH降低了活性氧簇(ROS)的产生，ROS是一种肿瘤激活因子，即G6PD升高可抑制ROS的生成，从而调节氧化还原平衡[3]。

肿瘤细胞由于其快速的分裂增殖，需要大量的核苷酸、脂质等物质，且其所需的戊糖大多由PPP提供[4]。因此，维持一定的PPP流量，对肿瘤的生长至关重要。有研究表明，在氧化应激的状态下，肿瘤细胞也会降低糖酵解流量，提升PPP流量，产生更多的NADPH，用于抗氧化防御[5]。因此在肿瘤细胞中，高水平的PPP可以抵抗ROS诱导的细胞凋亡。

2 肿瘤细胞中PPP关键酶调节PPP以促进肿瘤细胞增殖和存活

2.1G6PD在肿瘤中的调节：G6PD在细胞中有两种形式，分别为非活性形式(单体)、活性形式(二聚体)[6]。G6PD的活性与其翻译后修饰有关。G6PD糖基化，主要通过改变酶结构来影响酶功能，糖基化越高，肿瘤细胞生长越快，癌组织中糖基化的水平也明显高于癌旁组织[7]。糖基化可以增强G6PD的活性和PPP的代谢流速，为脂质和核苷酸的合成提供前体物质。低氧会诱导G6PD糖基化，这是因为低氧条件下会增加O-连接的β-N-乙酰氨基转移酶(OGT)及细胞内的葡萄糖浓度，从而诱导G6PD糖基化，而经过糖基化修饰的G6PD会增加与NADP+结合的亲和力，NADPH/NADP+的比值会影响G6PD的活性，所以G6PD的活性增强。而肿瘤细胞就存在于低氧微环境中，故诱导G6PD糖基化从而促进PPP[8]。

G6PD还可与周期调控蛋白polo样激酶1(PLK1)结合获得磷酸化修饰，形成二聚体结构，提高PPP促进肿瘤增殖。此外，PLK1会调控整个细胞周期，PPP中的关键酶及整个通路流量随细胞周期的进程而增加[9]。

睾丸特异性蛋白酶 50(TSP50)是多种肿瘤不良预后的关键分子，它促进癌细胞增殖和上皮-间充质转化(EMT)标记物的表达。研究表明，TSP50在肝癌细胞中显著上调，TSP50过度表达，可以显著降低NADP+/NADPH的比例，由此TSP50可能与PPP有关[10]。Zhang等研究[11]发现，TSP50 可以促进G6PD的表达，而且通过介导G6PD乙酰化来影响其活性。过表达TSP50可以显著抑制G6PD的酰基化，对糖基化、磷酸化作用不明显。TSP50通过调控G6PD K171乙酰化增强G6PD的活性。由此可知，TSP50乙酰化G6PD显著促进肿瘤的增殖。TSP50介导的G6PD活性是一种新的治疗肝癌的方式。

信号转导也与G6PD的活性相关。信号转导和转录激活因子(STAT)是参与免疫和细胞增殖、凋亡、分化的转录因子，也与G6PD活性有关。G6PD通过促进ROS的生成，导致p-STAT3 和细胞周期蛋白表达增加，p-STAT3还可以通过与G6PD启动子结合从而激活G6PD转录，这表明p-STAT3与G6PD过表达形成了一个正反馈调控环[12]。因此G6PD在STAT3介导的肿瘤细胞增殖、分化、凋亡中起重要作用。在黑色素瘤中，STAT3和STAT5高度激活，G6PD敲低可导致磷酸化STAT5降低，过表达G6PD又可以增强STAT5磷酸化，这些结果表明，G6PD在STAT介导的肿瘤中发挥重要作用[13]。

此外，癌基因与G6PD也密切相关。由于肿瘤细胞快速增长，肿瘤细胞普遍处于缺氧状态，此时会诱导缺氧因子(HIF-1α)来激活应答机制，以利于肿瘤细胞代谢重编程[14]。HIF-1α可以与致癌转录因子c-MYC结合，从而抑制线粒体的功能，抑制线粒体中氧化磷酸化的进程，进而抑制肿瘤的发生发展。c-MYC不仅可与G6PD启动子区域结合，并促进其表达，增加PPP流量，还可增加G6PD的分泌，加速PPP[15]。

还有一些信号通路，也与G6PD的调控有关。如PI3K/AKT信号通路，是一种人类肿瘤中最常见的通路，它可以增加葡萄糖转运蛋白的表达、膜转位、糖酵解相关酶活性促进Warburg效应[16]。PTEN是一种抑癌因子，它通过其磷脂酸酶活性拮抗PI3K/AKT通路，PTEN缺失或者PI3K/AKT激活通过稳定限速酶G6PD促进糖酵解中间产物向PPP转变，PTEN缺失会延长G6PD的半衰期。PI3K激活通过抑制泛素介导的G6PD降解来促进PPP分支通路[17]。PI3K/AKT信号通路还会激活mTORC1，mTORC1间接诱导G6PD的表达，进而促进PPP的氧化阶段，增加PPP的流量[18]。PI3K/AKT通路活化，还可促进核转录相关因子Nrf2的核积累。有学者发现抑制 Nrf2 可以降低 G6PD 的表达水平，其通过缺氧诱导因子 HIF-1α上 调 Notch1 的 表 达，从 而 影 响 Hes 家族 BHLH 转录因子 1(HES1)和上皮细胞 - 间充质转化(EMT)，增强了结肠癌细胞的增殖及迁移能力[19]。

G6PD与恶性肿瘤密切相关，上调或下调G6PD的表达会引起细胞的抗氧防御和信号转导受损，随着人们的关注，快速增长的恶性肿瘤中，G6PD的活性明显上调，参与多种信号通路的调节，促进肿瘤细胞对葡萄糖的摄取，提供核苷酸、NADPH等，这为癌症的靶向治疗及对化疗药物耐药等提供了新的思路。因此通过抑制信号通路，来抑制G6PD的活性，对阻止肿瘤细胞快速增长、转移等具有重要意义。

2.26PGDH的调节：PPP中氧化阶段的第二个关键酶6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶(6PGDH)，6-磷酸葡萄糖酸在6PGDH的作用下可以生成核酮糖-5-磷酸，脱下来的H+，被NADP+接受生成NADPH。有研究表明，6PGDH的同源二聚体具有酶活性，与肿瘤增殖及其恶性程度密切相关，它在乳腺癌、肺癌等多种肿瘤中高表达[20-21]。在多种肿瘤中6PGDH大多数通过乙酰化共价修饰被激活，乙酰化的6PGDH能够促进NADP+与其结合形成有活性的二聚体[22]。有研究表明，在肿瘤细胞中表达6PGDH乙酰化缺陷的突变体能显著抑制细胞的增殖和生长[23]。在肺癌细胞中，6PGDH缺失导致P53积累和随后的细胞衰老，6PGDH也可以在肺癌细胞中乙酰化，激活6PGDH产生NADPH和核酮糖-5-磷酸，从而促进脂质和RNA的合成，减弱ROS的生成。6PGDH异常表达可促进肿瘤细胞增殖，并诱导对化疗的抵抗[24]。由此可知，抑制6PGDH可以是肿瘤治疗的潜在策略，6PGDH如何调剂肿瘤细胞增殖仍需进一步研究。

2.3转铜醇酶：转铜醇酶(TKT)是PPP非氧化阶段的主要酶，由于催化可逆反应，故需根据反应物和底物的水平调整反应方向。在肿瘤中，转铜醇酶以二聚体的形式来发挥作用。研究表明，转铜醇酶-1(TKTL1)在宫颈癌、胃癌中表达上调，通过增强肿瘤细胞糖酵解、谷氨酰胺代谢进而维持高增殖状态[25-26]。TKTL-1的激活使肿瘤细胞大量摄取葡萄糖，通过有氧糖酵解产生大量乳酸，使得肿瘤细胞能抑制自身凋亡，削弱机体的免疫杀伤作用，从而增强增殖、侵袭和转移能力。在白血病和结直肠癌中诱导的HIF-1a通过促进TKTL-1活性来增强PPP的非氧化支，导致对化疗的抵抗[27]。TKTL-1不直接催化NADPH的形成，但最近的研究表明，它通过平衡糖酵解和PPP之间的通量来调节细胞内NADPH和R5P的水平[28]。因此，TKTL1被认为是一种新的肿瘤标志物和癌症治疗的潜在靶点。

3 总结和展望

由于肿瘤代谢异质性的原因，肿瘤细胞高PPP流量异常于正常细胞，正是其高PPP产生更多的R5P和NADPH，满足其快速增值对核苷酸、脂类等物质的需要；同时NADPH用于维持细胞内氧化还原平衡。G6PD作为PPP的关键酶，为临床通过G6PD实施的肿瘤抗代谢治疗提供了实验基础和理论依据。但到目前为止，没有确凿的证据表明G6PD对肿瘤细胞是必不可少的，以及G6PD影响肿瘤进展的机制也尚未阐明。此外，正如前文所述PPP中的其他酶也与肿瘤发生相关，而这些酶所参与的细胞调节及其上游调控这些酶活性的信号通路仍需进一步研究。