肿瘤中乳酸脱氢酶B作用机制的研究进展

白 雁，郭心瑶，秦启亮，严 方*

（1中国药科大学药物分析系，南京 210009；2青海省黄南藏族自治州食品药品检验检测中心，同仁 811399）

20世纪20年代，Otto Warburg发现即使在充足的氧气为线粒体呼吸提供燃料的情况下，肿瘤细胞也会优先使用糖酵解而不是线粒体氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OXPHOS）来产生三磷酸腺苷（adenosine-triphosphate，ATP），这种现象被称为“Warburg效应”或有氧糖酵解［1］。有氧糖酵解被认为是肿瘤发生和进展的标志［2-3］，其为癌细胞提供大分子和细胞器生物合成所需的糖酵解中间体，以支持肿瘤快速增殖的需要［4］。乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）作为有氧糖酵解的关键酶，催化丙酮酸和乳酸之间的相互转化，在糖酵解过程中发挥着重要作用。LDH 是一种四聚体酶，由 两 种 亚 基LDHA 和LDHB 组 成［5］。其 中，LDHA 在许多恶性肿瘤中异常过表达，并与肿瘤的生长、维持和侵袭有关。上调的LDHA通过增加乳酸的产生、加速糖酵解、调节活性氧的产生以及大量肿瘤相关蛋白表达，从而促进肿瘤的恶性进展。同时，采用LDHA作为诊断和治疗靶点的临床试验也取得了令人鼓舞的结果［6］。然而LDHB 在肿瘤中作用机制的相关研究相对较少，但日益增多的文献报道均显示，LDHB 作为一种糖酵解酶也与多种肿瘤发生发展密切相关，如肺癌［7］、胰腺癌［8］、前列腺癌［9］等。并且，与LDHA 在多种肿瘤中发挥促进肿瘤发展的作用不同的是，LDHB 在不同肿瘤中的作用不同，不仅可以作为致癌因子发挥促癌作用，而且可以作为抑癌因子发挥抑癌作用［10］，因此本文对LDHB 在肿瘤发生发展中的功能进行了综述。

1 有氧糖酵解和LDHB

大量研究表明，肿瘤细胞中糖酵解明显升高的主要原因之一是代谢途径相关酶和转运体基因的转录增强，从而使相应蛋白表达增加，如LDH、磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase-1，PFK-1）、己糖激酶（hexokinase，HK）、葡萄糖转运蛋白1（glucose transporter 1，GLUT1）等［11］。其中LDH 是有氧糖酵解中催化丙酮酸和乳酸转化可逆反应的关键酶，包含五种同工酶分别是LDH1（H4）、LDH2（MH3）、LDH3（M2H2）、LDH4（M3H）、LDH5（M4），均为LDHA（M 亚基）和LDHB（H 亚基）两种亚基组成的四聚体酶［5］。LDHA 由位于染色体11p15.1上的ldha基因编码，主要在骨骼肌中表达；LDHB 由位于染色体12p12.1上的ldhb基因编码，主要在心肌中表达。LDHA 与LDHB 有着相似的分子结构，但蛋白活性位点周围的带电残基存在差异，从而带有不同的正负电荷，表现出不同的动力学特征。LDHA 蛋白分子上带1 个正电荷，而LDHB 蛋白分子上带6 个负电荷，所以LDHA 优先与丙酮酸结合，催化丙酮酸转化为乳酸的正向反应；LDHB 优先与乳酸结合，催化乳酸转化为丙酮酸的逆向反应［10，12-13］。

2 肿瘤细胞中调控LDHB表达及酶活的机制

在不同的肿瘤细胞中，多种途径可调控LDHB的表达及酶活。其中DNA 甲基化修饰、转录因子调控、转录后调控和其他调控机制都调控了LDHB的表达，只有蛋白质翻译后修饰调控了LDHB 的酶活。

2.1 DNA甲基化修饰调控LDHB表达

DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的碱基在DNA 甲基化转移酶的催化作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，通过共价键结合的方式获得一个甲基基团的化学修饰过程，可以发生在胞嘧啶、腺嘌呤以及鸟嘌呤等位点，其中胞嘧啶上第5位碳原子的甲基化是哺乳动物DNA 甲基化的唯一形式。启动子的异常甲基化会使基因转录受到抑制，从而调节基因表达［14］。Cui 等［15］研究发现胰腺癌细胞中LDHB 的启动子高度甲基化，导致LDHB表达下调。而Liu 等［9］的研究则表明，前列腺癌细胞中的成纤维细胞生长因子受体1（fibroblast growth factor receptor 1，FGFR1）促进了LDHB 启动子甲基化，抑制了其转录，下调了其蛋白表达。

2.2 转录因子调控LDHB表达

2.2.1 转录因子HIF-1 调控LDHB 表达 缺氧诱导因子1（hypoxia-inducible factor-1，HIF-1）是一种含有α 和β 亚基的异二聚体。当缺氧时，稳定的HIF-1α 进入细胞核结合HIF-1β，然后这种复合物与缺氧响应元件（hypoxia-responsive elements，HRE）结合，激活靶基因转录［6］。临床病例研究中，Zhang 等［16］检测79 例结直肠癌患者的蛋白表达情况发现，HIF-1α 和LDHB 的表达呈显著正相关。而在细胞水平上的研究则发现，在神经母细胞瘤细胞中，过表达HIF-1α 后LDHB 表达上调，敲低HIF-1α 后LDHB 表达下调［17］。然而，在乳腺癌细胞中，过表达HIF-1α 后LDHB 的表达则下调，显示HIF-1α 和LDHB 的表达呈负相关［18］。这些研究结果表明，HIF-1α对LDHB具有双向调控作用。

2.2.2 转录因子STAT3调控LDHB表达 信号转导和转录激活因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）是一种细胞质转录因子，可将细胞外信号传导至细胞核。STAT3 在细胞质中以无活性的形式存在，当其酪氨酸残基磷酸化后被激活。活化的STAT3 形成二聚体结构，并通过核转运蛋白进入细胞核，与基因启动子结合，进而激活靶基因转录［19］。Zha 等［20］发现人前列腺癌细胞PC3，肝癌细胞Bel-7402、HepG2，非小细胞肺癌细胞A549，胰腺癌细胞PANC-1 和乳腺癌细胞MDA-MB-468 等细胞中的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）可以激活STAT3，活化的STAT3 进一步激活LDHB 转录，上调LDHB 表达，增强糖酵解，从而促进mTOR 介导的肿瘤发生。

2.2.3 转录因子KLF14 调控LDHB 表达Krüppel-like 转录因子14（Krüppel-like transcription factor 14，KLF14）是 Krüppel-like 转 录 因 子（Krüppel-like transcription factor，KLF）家族成员中唯一不含内含子的基因，其N 端含有一个转录调节域，C 端含有一个高度保守的DNA 结合域，且C端结合区含有3 个连续的C2H2 锌指模体，能特异性识别和结合靶基因启动子区域的GC 盒、CACCC盒等核心元件，进而调节靶基因的转录［21］。Wu等［22］的研究显示，结直肠癌细胞中的KLF14 可降低LDHB 启动子活性，并显著下调LDHB 表达，降低糖酵解通量，进而抑制结直肠癌的进展。

2.3 转录后调控LDHB表达

转录后调控是指基因转录后在mRNA 加工、翻译等过程中的调节。转录后调控包括RNA 的可变剪接、mRNA 的5′加帽和3′加尾、microRNA（miRNA）调控等。miRNA 是一类由19～22 个核苷酸组成的非编码小RNA 分子，参与多种生物学过程，包括发育、分化、凋亡和细胞增殖。它们通过翻译抑制和mRNA 切割调节基因表达［23］。在默克尔细胞癌［24］和甲状腺乳头状癌［25］等肿瘤的细胞中都发现miR-375 和LDHB 表达水平呈负相关，并通过降解LDHB mRNA，降低LDHB mRNA 的丰度，从而下调LDHB 蛋白表达。这些研究成果表明，miR-375 可以靶向LDHB 的mRNA，从而负调控LDHB蛋白表达。

2.4 其他机制调控LDHB表达

长 链 非 编 码RNA（long non-coding RNAs，lncRNAs）是长度超过200 个核苷酸的非蛋白编码RNA 分子，可与DNA、RNA 和蛋白质结合，在各个水平上进行基因调控［26］。La Montagna 等［27］在非小细胞肺癌细胞中发现LncRNA KIMAT1 可与LDHB 蛋白结合，增强LDHB 蛋白稳定性，从而上调LDHB表达水平。

此外，启动子区的碱基突变会改变启动子活性，导致基因转录活性发生变化，从而调节基因表达。Liu 等［28］对90 例三阴性乳腺癌患者和110 例非三阴性乳腺癌患者以及169 例健康汉族患者的LDHB 启动子区进行了测序和分析，发现三阴性乳腺癌患者LDHB启动子区发生了rs11046147 G ＞ A的突变，这种突变显著增强了LDHB 启动子活性，提高了LDHB 的表达。该突变体在三阴性乳腺癌患者中普遍存在，对三阴性乳腺肿瘤发生可能起到关键作用。

2.5 蛋白质翻译后修饰调控LDHB酶活

翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）是蛋白质功能调控的重要方式，它通过改变蛋白质的带电性、亲/疏水性和空间结构等性状来影响蛋白质的结构和功能。蛋白质的PTMs 方式极其多样，以乙酰化、磷酸化、糖基化、泛素化等较为常见［29］。近年来研究发现，肿瘤的发生常伴随PTMs异常，其在肿瘤进展中起重要作用。

Shi 等［30］研究发现LDHB 是一个乙酰化蛋白，去乙酰化酶5（sirtuin 5，SIRT5）可使LDHB 329 位赖氨酸（K329）去乙酰化。去乙酰化LDHB 的酶活性显著增加，并且其有利于结直肠癌细胞中溶酶体酸化和自噬溶酶体成熟，进而增加癌细胞自噬。同时，LDHB K329 去乙酰化还可以通过促进癌细胞的呼吸作用和ATP 生成，从而加速结直肠癌细胞的增殖和肿瘤生长。此外，Cheng 等［31］的研究发现，Aurora-A 可以直接与LDHB 相互作用并磷酸化其162 位丝氨酸。磷酸化LDHB 解除了丙酮酸的底物抑制作用，导致其丙酮酸还原为乳酸活性显著提高，进一步促进了癌细胞中糖酵解通量、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）的再生、乳酸的产生和糖酵解中间体的生物合成，从而促进了肿瘤细胞增殖。

3 LDHB和肿瘤发生发展的关系

3.1 LDHB促进和抑制肿瘤作用

LDHB 在不同肿瘤中有不同作用，既可促进又可抑制肿瘤发生发展。

3.1.1 LDHB 的促癌作用 LDHB 在多种肿瘤中高表达并且发挥着促进肿瘤生长的作用，如乳腺癌、骨肉瘤、甲状腺乳头状癌等。

临床病例研究中，Wang 等［8］采用免疫组化检测了50 对胰腺癌组织和匹配的邻近正常组织中LDHB 蛋白的表达，发现与邻近正常组织相比，胰腺癌组织表达更高水平的LDHB。类似情况，Wang 等［32］比较56 例骨肉瘤组织和相邻正常组织也发现，与相邻正常组织相比，骨肉瘤组织中LDHB表达水平显著升高。另外，Luo 等［33］在对胰腺导管腺癌标本、瘤周组织标本、良性胰腺标本和正常胰腺标本研究中发现，106 例胰腺导管腺癌标本中，57例（53.8%）检测到LDHB阳性表达；35例瘤周组织标本中，11 例（31.4%）检测到LDHB 阳性表达；55例良性胰腺标本中，13例（23.6%）检测到LDHB阳性表达；13例正常胰腺组织中均未检测到LDHB的表达。这些数据表明，胰腺导管腺癌中LDHB蛋白阳性表达率显著高于瘤周组织、良性胰腺和正常胰腺组织。LDHB 阳性表达的瘤周组织和胰腺良性病变还显示出不典型增生或上皮内瘤变，提示LDHB是一种致癌因子，参与胰腺导管腺癌的癌变过程。此外，LDHB 的表达还与乳腺肿瘤状态有关，Yustisia Ika 等［34］在对32 例乳腺纤维腺瘤和31例浸润性乳腺癌临床样本的研究中发现，32 例纤维腺瘤中29 例（91%）表达LDHB，然而31 例浸润性乳腺癌中只有20 例（64.5%）表达LDHB，表明LDHB在不同肿瘤状态之间的表达存在显著差异。

在细胞水平上的相关研究发现，沉默LDHB会降低甲状腺乳头状癌［25］、非小细胞肺癌［35］和胰腺癌［8］细胞中的有氧糖酵解，抑制癌细胞生长。同时LDHB 表达上调促进了骨肉瘤细胞增殖、迁移和侵袭活性，抑制了细胞凋亡［32，36］。此外，McCleland等［7，37］研究发现LDHB在三阴性乳腺癌和含有癌基因kras 扩增型与突变型的肺腺癌细胞中过度表达；并且体外实验结果显示LDHB敲除可抑制癌细胞增殖，体内异种移植肿瘤实验证实了LDHB敲除可显著抑制小鼠体内异种移植瘤的生长。这些结果显示了LDHB对于三阴性乳腺癌和kras扩增型与突变型肺腺癌的生长是必需的。除此之外，Brisson等［38］在对多种癌细胞的研究中还发现，LDHB 通过控制溶酶体活性与酸化、自噬囊泡成熟和细胞内蛋白质水解，增强癌细胞自噬，进而促进癌细胞增殖；而沉默LDHB 可抑制癌细胞自噬和增殖，并诱导凋亡细胞死亡。

3.1.2 LDHB的抑癌作用 有趣的是，LDHB虽在多种肿瘤中表现出促进肿瘤发展的作用，但其在膀胱尿路上皮癌和肝癌等肿瘤中又发挥了抑制肿瘤生长的作用，抑制LDHB表达反而会增强癌细胞增殖、侵袭能力。

Sheng 等［39］运用比较蛋白质组学研究了20 例临床膀胱尿路上皮癌肿瘤样本发现，LDHB 表达水平随着组织学分级升高而降低，在高级别膀胱癌组织中的表达明显低于非高级别膀胱尿路上皮癌组织。Chen 等［40］在对75 例肝癌患者正常及癌变组织的LDHB 表达水平进行研究时也发现，LDHB在肝癌组织中的表达明显低于非癌组织，且与肝癌病理分级、血管浸润、淋巴结转移相关。细胞水平上研究则表明，下调LDHB表达可增强前列腺癌细胞的致瘤性［9］。

3.2 LDHB促进和抑制肿瘤的分子机制

3.2.1 LDHB 的促癌作用分子机制 Rosso 等［41］分析了21 例乳腺癌患者的肿瘤组织发现，乳腺癌组织中的LDHB 表达水平与上皮钙黏蛋白（epithelial cadherin，E-cadherin）变体水平呈正相关。在细胞水平上，下调LDHB 表达可导致稳定转染E-cadherin 变体乳腺癌细胞活力显著降低，增殖减少。同样在乳腺癌细胞中，Fu 等［42］研究发现高迁移率族框蛋白2（high-mobility group box 2，HMGB2）也与LDHB 表达水平呈正相关，HMGB2 通过上调LDHB 表达，增强糖酵解、加速癌细胞增殖，从而促进乳腺癌进展。此外，Li 等［43］研究发现在非小细胞肺癌细胞中，LDHB 和发育多潜能相关蛋白4（developmental pluripotency-associated 4，Dppa4）的表达水平呈正相关。敲低LDHB 可逆转Dppa4 对癌细胞糖酵解和增殖的促进作用，Dppa4-LDHB 轴在非小细胞肺癌细胞的糖酵解过程中起重要作用，参与调控非小细胞肺癌的发生发展。LDHB还可以通过降低AMP活化蛋白激酶α（AMP-activated protein kinase α，AMPKα）磷酸化水平阻碍其激活，进而促进癌基因kras介导的肺肿瘤发生［27］。

在更详细的代谢途径研究中，突变异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenases，IDHs）产生的代谢物R-2-羟基戊二酸（R-2-hydroxyglutarate，R-2HG），被报道具有抗肿瘤活性。Qing 等［44］研究发现，在白血病细胞中，R-2HG 通过脂肪和肥胖相关蛋白（fat mass and obesity-associated protein，FTO）/血小板型磷酸果糖激酶（phosphofructokinase platelet，PFKP）/LDHB 轴抑制LDHB 的表达，从而抑制有氧糖酵解，发挥抗肿瘤活性。而抗癌药物4-氨基-2-三氟甲基苯基维甲酸酯（4-amino-2-t-rifluoromethylphenyl retinate，ATPR）则是通过视黄酸受体α（retinoic acid receptor α，RARα）/LDHB/细胞外调节蛋白 激 酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）糖酵解信号通路下调LDHB 表达，抑制糖酵解，抑制白血病细胞增殖，从而产生了抗白血病的作用［45］。同时，在胰腺癌细胞中L型氨基酸转运蛋白2（L-type amino acid transporter 2，LAT2）可以通过LAT2-mTOR-LDHB 通路，靶向激活mTOR 并上调LDHB 表达；过表达LDHB 可激活糖酵解通路，并促进胰腺癌细胞对吉西他滨的化疗耐药性［46］。

3.2.2 LDHB 的抑癌作用分子机制 Hong 等［47］通过研究肝癌细胞发现，LDHB 沉默可诱导糖酵解增强，并通过乳酸介导丙酮酸脱氢酶激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）激活，增加丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）的抑制性磷酸化，减弱PDH 活性，从而降低氧化磷酸化通量。这一结果显示了，LDHB 沉默是增强糖酵解的关键机制，并在肝癌进展中参与线粒体功能障碍的维持，抑制氧化磷酸化通路。此外，Kim等［48］还报道了LDHB 抑制不仅可以启动和维持代谢向有氧糖酵解的转变，而且通过诱导紧密连接蛋白-1（claudin-1，Cln-1）蛋白表达促进了肝癌细胞的侵袭。

3.3 LDHB与临床患者预后

LDHB 不仅发挥促进与抑制肿瘤作用，而且其表达水平还与患者预后相关。Luo 等［33］研究发现LDHB 表达水平与胰腺导管腺癌患者生存率呈负相关，LDHB 阳性表达的患者存活时间明显短于LDHB 阴性表达的患者，LDHB 蛋白的阳性表达与胰腺导管腺癌患者的进展和不良预后有关。此外，LDHB 高表达对三阴性乳腺癌［37］、胰腺癌［46，8］、骨肉瘤［36］和肺腺癌［7］患者生存率有着显著影响，LDHB过表达的患者预后较差。Sun等［49］的研究则显示了LDHB 的过表达会导致口腔鳞状细胞癌细胞对紫杉醇、顺铂和5 氟尿嘧啶（TPF）新辅助化疗方式中紫杉醇的耐药性，高LDHB 表达与TPF化疗效果差以及口腔鳞状细胞癌患者较短的总生存期和无病生存期相关。

相反，Koh 等［50］研究发现LDHB 阳性肺鳞状细胞癌患者的无复发生存率高于LDHB 阴性患者。高LDHB 表达和血清LDH 水平与肺鳞状细胞癌患者更好的临床治疗结果显著相关。此外，有研究报道低LDHB/LDHA 比值与肝癌、前列腺癌患者不良预后显著相关。LDHB 的低表达和LDHA 的过表达与前列腺癌患者的生化复发和生存时间短相关，LDHB 表达越低的前列腺癌患者的无复发生存率越差［9，12，47］。

4 LDHB作为肿瘤诊断的生物标志物

LDHB 可作为一种临床生物标志物，用于对肿瘤患者的诊断，对肿瘤治疗具有重要意义。研究表明LDHB 是肺鳞状细胞癌［50］、骨肉瘤［36］复发的独立预测标志物以及头颈部鳞状细胞癌［51］的潜在预后标志物。除此之外，de Haas 等［52］还发现，ldhb、ccnb1和myc3 种基因的表达水平能够预测成神经管细胞瘤患者的生存情况；肿瘤组织中同时表达LDHB 和周期蛋白B1（cyclin B1，CCNB1）蛋白的患者预后很差，而低表达MYC 蛋白的患者预后良好；多因素分析则显示LDHB/CCNB1 和MYC 均是独立的成神经管细胞瘤的预后标志物。

5 总结与展望

肿瘤是一种生物能量代谢失调的疾病。代谢重编程是肿瘤的主要特征，为癌细胞提供了独特的生存环境以及大量生物合成途径所需的中间体，满足了快速增殖癌细胞的营养需求。肿瘤代谢重编程包括谷氨酰胺分解增加以及脂质代谢、有氧糖酵解增加等。有氧糖酵解在肿瘤增殖、迁移和侵袭中起着关键作用，与肿瘤生长和进展密切相关。

LDHB 是有氧糖酵解的关键酶，不仅参与了多种肿瘤的发生发展，而且可以作为生物标志物用于对肿瘤患者的诊断和预后判断。虽然LDHB 和LDHA 都与肿瘤进展有关，但是与LDHA 相比，LDHB 与肿瘤的关系要复杂得多。LDHA 在所有肿瘤细胞中均表现出相似高的表达水平，然而从目前有关LDHB 的研究来看，LDHB 在不同肿瘤中的表达水平不同，并参与了多种不同的信号转导通路，发挥了不同的生物学作用。在乳腺癌、肺癌、甲状腺乳头状癌等肿瘤中LDHB作为一种致癌因子，发挥着增强糖酵解的作用，促进肿瘤增殖、侵袭和迁移；但有趣的是LDHB又在前列腺癌、肝癌、膀胱尿路上皮癌等肿瘤中作为糖酵解的抑制因子发挥抑癌作用，高LDHB表达反而会降低癌细胞增殖和侵袭活力。本课题组研究发现LDHB 是一个糖基化蛋白，同时在肝癌细胞上的研究显示，糖基化LDHB会降低肝癌细胞糖酵解通量，抑制肝癌细胞增殖。本研究结果和已有文献报道结果一致，表明了LDHB在肝癌中作为糖酵解抑制因子，抑制肝癌进展。此外，后续实验还将聚焦于糖酵解通路相关蛋白与代谢物的研究，深入了解LDHB在糖酵解通路中的具体作用机制。

综上所述，LDHB 与各种肿瘤的关系相当复杂，因此还需要更多的研究来阐明LDHB在不同肿瘤中的作用以及影响肿瘤进展详细的分子机制，为其今后用于肿瘤诊断和治疗奠定理论基础。