以M2型丙酮酸激酶为靶点的抗肿瘤药物研究进展

李 月 郝经伟 朱文斌 岳丽玲 刘云龙 高秀丽

齐齐哈尔医学院，黑龙江齐齐哈尔 161006

糖代谢异常是恶性肿瘤的共同特征之一。在一般正常组织中，大多数葡萄糖经由线粒体中的三羧酸循环而被氧化，只有在缺氧的条件下才会选择糖酵解途径。不同的是，肿瘤细胞即使在氧气充足的情况下也会通过有氧糖酵解的方式利用大量葡萄糖产生乳酸并获取能量，也就是沃伯格效应[1]。因此，靶向有氧糖酵解及其催化酶已成为治疗癌症靶点筛选的重要途径之一。

丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）是糖酵解终末步骤限速酶，可催化其底物磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenol pyruvate，PEP）与二磷酸腺苷（adenosine diphosphate， ADP）反应生成丙酮酸和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate， ATP）[2]，在有氧糖酵解中起着重要作用。丙酮酸激酶的不同亚型在不同组织中表达，有四种异构的组织特异性形式，包括R 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase R，PKR）、L 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase L， PKL）、M1 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M1， PKM1）和M2 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M2， PKM2）[3]。PKR 亚型主要存在于红细胞中，但生物活性尚不得知，PKL 亚型主要存在于肝脏和肾脏中。PKM1和PKM2 亚型由PKM 基因pre-mRNA 的两种不同的剪接方式产生，两者分别包含外显子9 和外显子10 编码的序列[4]，其中PKM1 主要分布于心肌、骨骼肌、脑组织中，PKM2 则在所有增殖细胞中均表达，尤其是在肿瘤和胚胎组织[5]。由此可见，四种亚型中PKM2 同肿瘤发生发展的关系最为密切。目前，针对PKM2 与肿瘤相关性的研究，主要集中在PKM2 的异常表达及其异常的激酶活性。本文将从上述两方面就近年来PKM2 在肿瘤发生发展中的作用及其相应抗肿瘤化合物研究进展做相应介绍。

1 PKM2在肿瘤中的异常表达与其抑制剂

PKM2 在肿瘤中的异常表达首次由Lewis C.Cantley 团队发现，该团队发现了乳腺癌模型小鼠肿瘤组织中PKM2 的高表达，同时发现人肺癌细胞系（A549、H1299）、宫颈癌细胞系（Hela）以及人结肠癌组织中PKM2 的特异性表达。除此之外，研究在敲除内源性PKM 基因mRNA 并重新表达外源PKM2 表达载体后发现PKM2 具有促进肿瘤生长的功能[4]。自此，便掀起了针对肿瘤细胞中PKM2高表达的热潮。研究表明，PKM2 在神经胶质瘤细胞中受SP1 调控并呈高表达[6]；与此同时，神经胶质瘤中高表达的PKM2 可通过let-7a，c-Myc 和hnRNPA1 调控葡萄糖代谢，促进细胞增殖[7]；Zhou等研究表明，PKM2 在黑色素瘤中高表达，且抑制PKM2 可抑制黑色素瘤进程[8]；Xu 等[9]发现在肝癌细胞中PKM2 呈高表达，PKM2 是肝癌细胞中Gli1 基因表达的调节因子，并可能通过Gli1 促进肿瘤发生。综上，PKM2 在多种肿瘤中呈高表达，且对肿瘤细胞的增殖、迁移、凋亡、代谢等方面具有重要调控作用。因此，抑制PKM2 表达一度成为肿瘤研究的主要策略之一，也衍生出了许多有效的抑制剂。

1.1 萘醌类

以紫草素为首的萘醌类化合物是PKM2 抑制剂的主要来源。紫草素是从紫草中分离得到的具有多种生物活性并发挥抗癌作用的天然产物。作为一种广谱抗肿瘤化合物，紫草素可通过抑制细胞增殖和迁移，诱导细胞凋亡、自噬和坏死，如在非小细胞癌、慢性粒细胞白血病、淋巴瘤、乳腺癌、结肠癌等肿瘤发挥抗癌作用。研究表明，PKM2 已成为紫草素的有效靶点，紫草素可通过增加活性氧浓度对胶质瘤细胞中PKM2 的表达产生抑制作用[10]，进而降低细胞内ATP 含量来抑制肿瘤细胞的增殖。紫草素在人食管癌细胞中通过抑制缺氧诱导因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）/PKM2 通路来抑制细胞增殖[11]。另外，紫草素还可通过调控PKM2 的表达来抑制肝癌细胞LM3 和SMMC-7721糖酵解过程，抑制细胞增殖并诱导细胞发生凋亡，这使其成为治疗肝癌的潜在有效化合物[12]。除紫草素以外，维生素K 也属于萘醌类化合物且具有抑制PKM2 表达的功能。Chen 等[13]研究表明维生素K3（VK3）和维生素K5（VK5）可以抑制PKM2的表达，并抑制宫颈癌Hela 细胞糖酵解代谢，诱导肿瘤细胞的死亡，并且可以区分PKM2 与PKM1，是相对特异性的PKM2 抑制剂。但VK3 和VK5 对PKM1 和PKM2 具有不同的抑制效果，VK5 的抑制效果强于VK3，可能是侧链基团不同干扰其与丙酮酸结合位点的相互作用[14]。近年来一种新型萘醌衍生物——化合物3k 也被报道可选择性抑制PKM2，并在一系列具有高表达PKM2 的肿瘤细胞系（包括HCT116、Hela 和H1299）显示出明显的抗肿瘤活性，并表现出比紫草素更好的抑制作用[15]。

1.2 多酚类

除萘醌类化合物以外，多酚类化合物也是PKM2潜在的抑制剂。白藜芦醇是一种存在于葡萄、虎杖等多种植物中的非黄酮类多酚化合物[16]。研究表明，白藜芦醇可通过mTOR 信号通路下调PKM2 表达，抑制宫颈癌Hela 细胞、乳腺癌MCF-7 细胞、肝癌细胞HepG2 细胞的葡萄糖摄取、乳酸产生，进而抑制合成代谢并达到抗肿瘤的作用[17]。熊璟等[18]研究表明，白藜芦醇还可通过下调PKM2 的表达抑制口腔鳞状细胞癌细胞糖酵解作用。除此之外，白藜芦醇还可通过下调Erk/PKM2/BCL-2 轴诱导黑色素瘤细胞凋亡，达到抑制肿瘤的作用[19]。除白藜芦醇以外，山柰酚也是多酚家族中的一员，属于黄酮类多酚，其也可通过抑制PKM2 显示出抗肿瘤活性[20]。研究表明，山柰酚可通过上调microRNA-399-5p 的表达，并抑制靶向下游hnRNPA1 和PTBP1 结合，进而抑制PKM2 的表达和糖酵解，最终抑制结肠癌细胞的增殖[21]。除山柰酚以外，另外两种黄酮类多酚芹菜素和异牡荆素也具有抑制PKM2 表达的功能，并针对结肠癌[22]、非小细胞肺癌[23]显示出潜在治疗效果。

1.3 其他

除上述植物提取化合物以外，其他类型的化合物和药物也可通过抑制PKM2 发挥抗肿瘤作用。环孢素A（cyclosporine A，CsA）是土壤中一种真菌的代谢产物，现生产中主要以多孔木霉菌为生产菌株发酵而来。自1970 年首次发现以来，CsA 一直作为非细胞毒性免疫抑制剂，主要用于器官和骨髓移植后的免疫抑制。自2002 年，我国著名免疫学家李大金教授发现CsA 可促进滋养层细胞增殖后，CsA 逐渐在临床上用于免疫相关复发性流产。2012 年，Jiang 等[24]发现CsA 通过下调乳腺癌细胞内PKM2 的表达并使其活性降低，使肿瘤细胞内ATP 合成减少，抑制细胞的体外生长和细胞周期进程。这为其在癌症治疗中的机制提供新的见解。奥利司他作为一种口服抗肥胖药物，也具有通过PKM2 发挥抗肿瘤能力。据文献报道，卵巢癌细胞中PKM2 呈高表达，在使用奥利司他处理后，细胞中PKM2 的蛋白表达明显下调，并发生凋亡[25]。除上述两种药物以外，苄丝肼作为抗帕金森治疗的口服药物，也是潜在的PKM2 抑制剂，可抑制黑色素肿瘤组织中过表达的PKM2，并抑制黑色素瘤细胞的生长和转移，对黑色素瘤具有潜在的治疗意义[8]。

2 PKM2在肿瘤中的异常激酶活性与其激活剂

除表达水平变化以外，PKM2 的异常激酶活性改变也成为肿瘤研究的主要靶点之一。PKM2 在细胞中有两种存在形式，即高活性（丙酮酸激酶活性）四聚体形式和低活性的二聚体形式。PKM2 以其四聚体形式表现出较高的丙酮酸激酶催化活性，催化磷酸烯醇式丙酮酸和ADP 反应生成丙酮酸和ATP，生成的丙酮酸更倾向于进入三羧酸循环途径；而二聚体形式则主要参与致癌事件，相对于四聚体而言，二聚体的丙酮酸激酶活性较低，其催化生成的丙酮酸更倾向于生成乳酸，使肿瘤细胞选择有氧糖酵解途径；另外，低活性的二聚体往往会因催化速率慢而阻滞糖酵解途径，使糖酵解中间代谢产物进入糖酵解旁路途径（如磷酸戊糖途径），合成肿瘤细胞增殖所需营养物质[4，26]。除丙酮酸激酶活性以外，二聚体PKM2 还具有蛋白激酶活性，进入细胞核调控靶蛋白磷酸化及后续乙酰化修饰，促进原癌基因转录及肿瘤的发生发展。研究表明，PKM2 入核后会上调Cyclin D1 和癌基因转录因子c-Myc 的表达，促进肿瘤细胞增殖[27]。因此，选择PKM2 的激活剂稳定PKM2 四聚体结构，抑制PKM2 二聚体形式，可作为抗肿瘤药物研发的有效策略。

2.1 化学合成类激活剂

PKM2 的小分子激活剂噻吩并[3，2-b]吡咯[3，2-d]哒嗪酮类（TEPP-46）和N，N’-二芳基磺酰胺（DASA-58），通过稳定PKM2 亚基相互作用来诱导PKM2 四聚体的形成，并抑制二聚体形式的PKM2 的形成和入核，增加PKM2 丙酮酸激酶活性，使肿瘤细胞发生代谢重编程[28]。上述两种激活剂在体外均不激活重组的PKM1，对PKM2 具有较强的选择性。在肾小管间质纤维化细胞中，TEPP46可稳定PKM2 四聚体形式，抑制PKM2 二聚体形式及其介导的HIF-1α 积累，抑制细胞异常糖酵解和上皮间充质转化，进而抑制肾纤维化[29]。在胸主动脉瘤和夹层动脉瘤中PKM2 水平升高，TEPP-46 作为PKM2 激活剂，可通过抑制NLRP3 炎症小体介导的IL-1 分泌，并减缓模型鼠在胸主动脉瘤和夹层动脉瘤的发展[30]。另外，TEPP-46 和DASA-58还可通过激活PKM2 四聚体发挥非小细胞肺癌的治疗潜能[31]，也可以保护肝脏细胞免受纤维化[32]。

2.2 中药提取物类激活剂

除化学合成的TEPP-46 和DASA-58 以外，还有研究人员研究中草药成分对PKM2 活性的影响。研究表明，黄酮类提取物可以使PKM2 酶活性升高，可以作为PKM2 激活剂起到抗肿瘤作用[33]。黄酮原花青素B2 是一种二聚黄酮类化合物，可在肝癌细胞中抑制PKM2 的表达，促进了PKM2/HSP90 在细胞质中的共定位，同时抑制了PKM2/HIF-1α 在细胞核中的共定位，从而破坏了PKM2/HSP90/HIF-1α之间的相互作用在体内和体外均抑制肝癌细胞增殖，诱导细胞周期停滞并诱发肿瘤细胞凋亡[34]。

除黄酮类化合物以外，萜类化合物也具有激活PKM2 的功能。木香内酯（micheliolide，MCL）是一种稳定的愈创木倍半萜内酯，是发现于木香属植物中的一种新的天然产物衍生的、共价的、选择性的PKM2 激活剂。南开大学陈悦课题组发现MCL 可与PKM2 第424 位半胱氨酸发生加成反应，共价不可逆地诱导PKM2 四聚体的产生，同时抑制细胞核内二聚体的形成，进而抑制白血病细胞的迁移和生长[35]。

3 讨论

综上所述，PKM2 在肿瘤细胞中的异常表达及异常激酶活性均可作为抗肿瘤药物研发的靶点，且现已涌现出许多潜在的先导化合物。但是最近越来越多的证据表明，仅仅抑制或激活PKM2 不足以抑制肿瘤的生长，且随着肿瘤细胞的变异，耐药性也是值得我们思考的问题。从本质上讲，如何能使肿瘤细胞中PKM2 的激酶活性调节至与正常细胞相似的水平才是最终的目的。因此，组合治疗的抗癌策略值得我们思考。目前，针对PKM2 为靶点的抗肿瘤药物还处于基础研究阶段，以PKM2 为靶点是使用激活剂还是抑制剂的观点争论不休，二者联合使用是否可以产生协同抗肿瘤作用还需进一步研究。随着研究的不断深入，以上问题终将逐一解决，靶向PKM2 的抗肿瘤药物也将在未来的基础研究和临床研究中得到进一步的开发。