乳腺癌细胞能量代谢特点

于蕾，王亚奇，梁俊青，崔宏伟

（1 内蒙古自治区中医医院药剂科 呼和浩特010020；2 北京大学肿瘤医院内蒙古医院（内蒙古医科大学附属肿瘤医院）科研部 呼和浩特010020；3 北京大学肿瘤医院内蒙古医院（内蒙古医科大学附属肿瘤医院）乳腺中心 呼和浩特 010020）

乳腺癌（breast cancer）是女性中发病人数最高的恶性肿瘤，2020 年占中国所有女性癌症新发病例的19.9%，它的发病常与遗传有关，40‐60 岁之间，绝经期前后的妇女发病率较高。它是一种通常发生在乳房腺上皮组织，严重影响妇女身心健康甚至危及生命的最常见的恶性肿瘤之一。目前的治疗方法，包括手术、化疗、放疗、内分泌和靶向治疗，都取得了显著进展。然而，诸如耐药性和骨髓抑制等缺点限制了现有疗法的有效性。此外，这些治疗方法对三阴性乳腺癌（triple‐negative breast cancer，TNBC）的疗效甚微，目前，乳腺癌死亡率占中国女性常见癌症死亡率的第4 位，仅排在肺癌、结直肠癌、胃癌之后[1]。进一步了解乳腺癌的发病机制有助于乳腺癌患者的治疗。近年来，对癌细胞代谢异常的研究成为探寻癌症治疗方法的热点领域。大多数正常组织在有氧时通过糖的有氧分解获取能量，只有在缺氧时才进行无氧糖酵解。肿瘤组织则即使在氧供应充分的条件下也主要是以无氧糖酵解获取能量。这可能是由于癌细胞线粒体的功能障碍所致，或者与瘤细胞的酶谱变化，特别是与3 个糖酵解关键酶（己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶）活性增加和同工酶谱的改变，以及糖异生关键酶活性降低有关。糖酵解的许多中间产物被癌细胞利用合成蛋白质、核酸及脂类，从而为癌细胞本身的生长和增生提供了必需的物质基础[2]。癌细胞能量代谢异常与乳腺癌的进展及相关治疗策略有着重要的关系，本文就近年来乳腺癌细胞代谢异常的研究进展作一综述。

1 乳腺癌及其亚型

近年来，越来越多的乳腺癌研究关注起了乳腺癌亚型之间的代谢变化。不同的亚型雌激素受体（estrogen receptor，ER）表达及乳腺癌的分子和代谢特征也不同。ER表达阳性乳腺癌分为腔内A（luminal A）和腔内B（luminal B）两种亚型。ER 表达阴性乳腺癌又分为原癌基因人类表皮生长因子受体（human epidermal growth factor receptor‐2, HER2）阳性亚型和三阴性乳腺癌亚型[3‐5]。

1.1 雌激素受体表达阳性乳腺癌

ER 阳性乳腺癌是最常见的乳腺癌类型。该亚型又分为腔内A 型和腔内B 型两种亚型。在DNA 水平上，腔内A 型肿瘤在整个肿瘤发展过程中几乎没有突变。染色体拷贝数变化少，Ki‐67 表达低，p53 突变少。腔内A 型肿瘤多数预后良好，复发率较低。与腔内A 肿瘤相比，腔内B 肿瘤的全基因组突变数更高，染色体拷贝数变化更多，在DNA 水平p53 突变更多[6]。在乳腺癌亚型中，腔内B 肿瘤甲基化频率最高，临床分级高，复发率较高[7]。

1.2 雌激素受体表达阴性乳腺癌

HER2 富集亚型在乳腺癌中占近15%，显示HER2的过表达，HER2是乳腺癌中促进细胞增殖、抑制细胞凋亡的重要致癌驱动因子。在DNA 水平上，HER2 亚型在整个基因组中显示出最高的突变率，包括PIK3CA 和p53 突变。HER2 亚型倾向于分级高、预后差。越来越多的文献表明，扩增的HER2 在调控乳腺癌干细胞（breast cancer stem cells, BCSCs）耐药和复发的相关过程中发挥着重要作用[8‐10]。HER2对BCSCs 的调控可能也存在于其他乳腺癌亚型中。BLBC（basal‐like breast cancer，BLBC）至少占乳腺癌的10%，属于三阴性乳腺癌，具有独特的基因组特征和内在多样性。在DNA 水平上，BLBC 的突变频率仅次于Her2 亚型。BLBC 有大量PIK3CA 和p53 突变。BLBC 可能与乳腺癌易感基因‐1（breast cancer susceptibility gene‐1, BRCA‐1）突变有关，该突变可能导致遗传性乳腺癌。在乳腺癌亚型中，BLBC预后最差[11]。

2 乳腺癌细胞能量代谢异常

癌细胞代谢的改变是癌症的一个重要标志。乳腺癌细胞增强有氧糖酵解（Warburg 效应）提供能量，并产生乳酸维持肿瘤微环境；乳腺癌细胞利用大量谷氨酰胺从而保护细胞免受活性氧升高和凋亡；脂肪酸氧化在葡萄糖缺乏的癌细胞触发的代谢应激过程中有重要作用，肿瘤细胞通常从周围的微环境中摄取脂肪酸。因此，代谢异常可能成为乳腺癌治疗的潜在有效靶点。糖代谢是机体一种主要的能量来源，在包括乳腺癌细胞在内的癌细胞中被上调[12]。总的来说，糖代谢包括有氧糖酵解、戊糖磷酸途径PPP（pentose phosphate pathway, PPP）、三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle，TCA）、糖异生等途径。本文主要介绍乳腺癌中的前四种葡萄糖代谢途径。

2.1 Warburg 效应

即使在氧气充足的条件下，癌细胞仍然主要通过糖酵解代谢。这种现象被称为有氧糖酵解或War‐burg 效应，Warburg 有助于癌细胞增殖和转移，葡萄糖最终转化为乳酸。超过10 个编码葡萄糖转运体（glucose transporter，GLUTs）和糖酵解酶的基因在 Warburg 效应中起重要作用。第一步，葡萄糖的高效转运导致癌细胞大量消耗葡萄糖，这种现象是GLUTs 过表达造成的。在乳腺癌中，GLUT1 高水平表达与肿瘤亚型、高分级、预后差相关[13]。然而，GLUT 家族表达上调不能完全解释乳腺癌中有效葡萄糖转运的增加，这表明还有另一种GLUT 的参与。钠‐葡萄糖共转运蛋白1（sodium ‐ glucose cotransporter 1, SGLT1）可以利用钠梯度维持细胞内葡萄糖水平，而不依赖细胞外葡萄糖浓度。SGLT1在多种癌症类型中表达上调，并通过调节表皮生长因子受体活性促进TNBC 中的细胞生长[14]。第二步，细胞内葡萄糖在9 种糖酵解酶的催化下转化为丙酮酸。其中，己糖激酶（hexokinase, HK）、磷酸果糖激酶（phosphofructokinase, PFK）、丙酮酸激酶（pyruvate kinase, PK）3 种关键酶作为限速酶，这几种关键酶的高表达，促进乳腺癌细胞的恶性发展[15‐17]。例如，HK 的表达水平决定了体外和体内模型乳腺癌的恶性程度和表型。在第三步中，即使在有氧的情况下，乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase, LDH）仍然可以将癌细胞中的丙酮酸转化为乳酸。LDH 家族包括LDHA、LDHB、LDHC 和LDHD。与LDHB相比，LDHA 对丙酮酸具有较高的亲和力，在乳腺癌有氧糖酵解中发挥重要作用。在乳腺癌细胞中，高水平的LDHA 有助于促进癌细胞增殖、侵袭，甚至上皮间质转化[18]。总之，Warburg 效应对乳腺癌细胞的恶性发展至关重要。

2.2 戊糖磷酸途径

PPP是一个糖酵解分支，产生NADPH和5‐磷酸核糖。PPP 在支持核酸和脂肪酸（fatty acid, FA）合成和保护细胞免受应激诱导的死亡中起关键作用。PPP在细胞质中遵循两个生化过程，即氧化过程和非氧化过程。癌细胞可以通过多种途径改善PPP，从而促进细胞增殖和生存。葡萄糖6‐磷酸脱氢酶（glucose 6‐phosphate dehydrogenase, G6PD）通过催化不可逆步骤来调节PPP 的速率。G6PD 在不同乳腺癌亚型中的表达水平存在差异，与患者预后不良呈正相关。G6PD 的低表达水平除了在PPP 中发挥作用外，还可能启动AMP 活化蛋白激酶（protein kinase, AMPK）信号通路，抑制乳腺癌细胞增殖和存活[19]。

2.3 三羧酸循环

三羧酸循环是通过丙酮酸氧化生成二氧化碳和水而产生能量和中间代谢产物的一系列化学反应。在能量代谢、大分子合成、氧化还原平衡等多种生化途径中，TCA 循环都是非常重要的。然而，最近的研究表明，在TCA 循环中，包括乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶1 、琥珀酸脱氢酶等酶编码基因的大量突变会增加某些癌症的风险。导致TCA 循环功能障碍的线粒体DNA 基因突变，如编码ATP 酶和NADH 脱氢酶亚基的基因，是乳腺癌中最常见的突变基因[20]。

2.4 糖异生

糖异生作用能将非碳水化合物的碳底物转化为葡萄糖或糖原以获取能量。糖异生可以通过葡萄糖的生成速率间接影响糖酵解、TCA、PPP 和其他途径。三种关键酶控制糖异生通量，包括磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）、果 糖‐1,6‐ 二 磷 酸 酶（fructose‐1, 6‐di‐phosphatase，FBPase）和葡萄糖‐6‐磷酸酶（glu‐cose‐6‐phosphatase，G6P）。除了增加葡萄糖和谷氨酰胺的合成，PEPCK 还可以加快非碳水化合物转化为核糖的速率。此外，FBPase 的高水平与乳腺癌转移呈正相关，提示糖异生可能是乳腺癌患者代谢治疗的另一个潜在靶点[21]。

3 葡萄糖代谢的相关转录因子

3.1 缺氧诱导因子

缺氧被认为是乳腺癌发生的重要调节因子。缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）特别是HIF1 在细胞缺氧适应中起着至关重要的作用。HIF1在TNBC 中表达显著上调。HIF1 高水平是人类乳腺癌临床预后不良的标志。从理论上讲，HIF1 在乳腺癌的增殖、转移、病理损伤、不良预后等多个恶性方面都有重要作用[22‐24]。如HIF1 通过上调肿瘤的表达促进原发肿瘤生长和肺转移。在恶性肿瘤生长过程中，有氧糖酵解的代谢变化被认为是癌细胞对缺氧的适应。在各种癌症类型中，HIF1 与糖代谢异常显著相关。GLUT1 负责基础葡萄糖摄取，以维持Warburg 效应，增加癌细胞的葡萄糖消耗。HIF1 正向调控GLUT1 的表达水平[25]。此外，HIF1 可调控9 种糖酵解酶中绝大部分，在癌细胞中，丙酮酸通过LDHA 糖酵解进一步代谢为乳酸，而不是乙酰辅酶A。LDHA 的高表达水平与HIF1 相关[26]。此外，HIF1 可以通过启动丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1）表达来降低线粒体氧化磷酸化，这在一定程度上解释了Warburg 效应在乳腺癌中的作用。

3.2 原癌基因

癌基因编码的c‐Myc 在30%～50%的晚期乳腺癌中过表达。c‐Myc 作为调控细胞生长和代谢的转录因子，在肿瘤发生和耐药中起着重要作用。

LDHA 是第一个被发现直接受c‐Myc 调控的糖代谢基因[27]。此外，Zhang 等人发现抑制LDHA 表达可反向升高c‐Myc mRNA 水平，表明LDHA 对c‐Myc 表达具有负反馈作用[28]。许多其他参与糖代谢的基因，如GLUT1、HK2、GPI、GAPDH、PFK、ENO1、PGK 和PDK1，能被c‐Myc 启动。

在糖代谢方面，c‐Myc 与HIF1 之间存在复杂的相互作用。缺氧时，HIF1 可以通过刺激MYC 降解，阻断MYC‐max 复合物来抑制c‐Myc 的活性。然而，肿瘤细胞的间歇性缺氧一直在发生，因此，在没有HIF1 抑制c‐Myc 的情况下，升高的c‐Myc 水平仍然在肿瘤细胞中发挥作用。总的来说，HIF1 在低氧条件下调节许多糖代谢基因，而c‐Myc 在正常条件下升高一些基因。例如，抑制缺氧线粒体中丙酮酸氧化的PDK1 被HIF1 和c‐Myc 升高[29‐30]。然而，c‐Myc反启动糖酵解基因和一些与TCA相关的关键基因。因此，c‐Myc 在糖代谢中的整体作用仍有待研究。

此外，谷氨酰胺的利用率随着Warburg 效应而增加。c‐Myc在癌症中的一个关键功能是调节相关基因的表达谷氨酰胺的吸收和代谢，如GLS。在乳腺癌中，c‐Myc 通过调节谷氨酰胺转运体丙氨酸丝氨酸半胱氨酸转运体2 和兴奋性氨基酸转运体2 来增加谷氨酰胺和葡萄糖的摄取，促进细胞生长。在管腔B 乳腺癌亚型中，c‐Myc 通过调节谷氨酰胺‐脯氨酸调节轴来保护细胞免受氧化损伤并维持生存。最近的一项研究发现，HER2 的启动也会刺激乳腺癌细胞中GLS1 的表达。在管腔B 乳腺癌亚型中，c‐Myc通过调节谷氨酰胺‐脯氨酸调节轴来保护细胞免受氧化损伤并维持生存。最近的一项研究发现，HER2的启动也会刺激乳腺癌细胞中GLS1 的表达[31‐33]。

3.3 SIX1

SIX1 是研究最多的SIX 家族成员，在肿瘤的发生发展中发挥作用，包括乳腺癌。SIX1 通过启动cyclin A 和cyclin D 在持续的增殖信号通路中发挥作用。SIX1 过表达与肿瘤的恶性生物学特性呈正相关，包括侵袭转移、逃避生长抑制因子、非致瘤细胞的恶性转化、细胞抵抗死亡等[34,35]。

SIX1 通过调节有氧糖酵解，在体内外促进乳腺癌生长。有研究表明，miR‐548a‐3p/SIX1 轴在War‐burg 效应中发挥重要调控通路作用。SIX1 可以通过上 调GLUT1、HK2、PFKL、ALDOA、GAPDH、PGK1、ENO1、Pyruvate kinase M2 (PKM2)和LDHA等几乎所有糖酵解基因的表达来促进有氧糖酵解。SIX1 增加通过组蛋白乙酰转移酶HBO1 和AIB1 表达糖酵解基因。miR‐548a‐3p 可以降低SIX1 的表达，从而影响肿瘤的代谢和生长[36]。

3.4 p53

在近30%的乳腺癌中发现P53 突变，与各种乳腺癌亚型高度相关[37]。p53 突变的女性在60 岁时患乳腺癌的风险为85%。p53 除了作为肿瘤抑制因子的传统作用外，还抑制糖酵解，加速糖代谢中的氧化磷酸化。在有氧糖酵解过程中，p53 通过下调GLUT 家族基因限制葡萄糖的摄取。p53 通过在转录上下调HK2 和PDK2 来破坏糖酵解。此外，p53 通过下调单羧酸转运蛋白1（Monocarxylate transporter 1, MCT1），加速细胞内乳酸的积累，导致糖酵解转变为氧化磷酸化[38]。p53 通过结合抑制G6PD 活性二聚体的形成，从而抑制PPP，减少葡萄糖消耗和NADPH 的产生及生物合成。然而，有研究报导p53下游基因之一的p53诱导糖酵解和凋亡调节因子(TIGAR)在乳腺癌细胞中过表达，通过降低Warburg效应、促进PPP 促进细胞氧化抵抗。此外，TIGAR可能有助于增强癌细胞的线粒体功能[39]。TIGAR 在糖代谢中的作用与p53 存在矛盾，p53 在乳腺癌中被认为是一个抑癌基因。然而，TIGAR 表达的升高与肿瘤有关。

4 靶向乳腺癌细胞能量代谢治疗策略

近年来，关于乳腺癌代谢异常机制的研究越来越全面。同时，各种各样的代谢靶向药物已被开发出来。例如，与非肥胖女性相比，肥胖女性乳腺癌的发病率和死亡率率更高。IGF1 的过度激活在肥胖女性的致癌过程中起着重要作用。MEDI‐573 是一种阻断IGF1 和IGF1 受体结合的单克隆抗体。在乳腺癌患者1 期临床试验中显示出良好的抗癌活性耐受性[40]。AMPK 是维持代谢稳态的关键蛋白激酶，在葡萄糖耗尽的情况下被激活并维持细胞存活，然而，过度活化的AMPK 反而促进细胞凋亡。一些临床药物，如二甲双胍、去甲氧姜黄素和氟西汀，可以激活AMPK 通路来抑制乳腺癌细胞[41]。除了这些药物，一些针对正常代谢在抗癌药物也在研发中，但这些药物的有效性和不良副作用值得进一步探索评价。

5 小结与展望

癌细胞能量代谢发生改变的现象非常普遍，并与癌细胞的其他特征相互影响，是癌细胞最普遍的特征之一。在代谢方面，乳腺癌细胞具有较高的能量代谢水平。乳腺癌细胞通过增强Warburg效应产生能量和乳酸维持增殖和肿瘤微环境。乳腺癌细胞还利用脂质代谢和其他葡萄糖代谢，如TCA 和PPP，以获得维持机体的重要化合物。在乳腺癌细胞中，谷氨酰胺也会升高并保护细胞免受ROS 升高和凋亡的影响。异常的能量代谢导致的独特肿瘤微环境，抑制了抗肿瘤免疫并促进肿瘤细胞的生长及转移。这些研究均使我们深入的了解了乳腺癌细胞的生物学特性，为以能量代谢的关键酶或载体为靶点进行分子靶向治疗提供了理论基础。