Warburg效应及其关键酶在口腔鳞状细胞癌治疗中作用的研究进展

侯佳丽,王钧正,张鹏,刘静

(1 青岛大学附属青岛市海慈医院口腔科,山东 青岛 266033; 2 青岛大学附属青岛市市立医院口腔科)

口腔鳞状细胞癌(OSCC)是口腔颌面部最常见的恶性肿瘤之一,占口腔癌的90%以上[1]。OSCC好发于舌、牙龈、颊及上颌窦等部位,容易侵袭病变附近的腺体、肌肉及骨骼,早期淋巴结转移亦常见。目前临床上治疗OSCC的主要手段有手术、放疗、化疗以及靶向治疗等,但OSCC病人的5年生存率仍不足50%,病人预后不理想[2]。1920年,德国科学家OTTO WARBURG发现,即使在氧供应充足可以将葡萄糖彻底氧化磷酸化的条件下,肿瘤细胞也主要通过糖酵解方式获取能量,即Warburg效应[3]。虽然Warburg效应曾受争议,但是基于肿瘤细胞糖代谢异常诞生的PET-CT在临床肿瘤诊断上的成功应用及相关理论的创新性进展,使Warburg效应在肿瘤发生发展及治疗中的深入研究再次受到重视[4-5]。本文对诱导Warburg效应的分子机制以及Warburg效应中关键酶的作用机制研究进展进行综述,以期为OSCC的精准靶向治疗提供思路。

1 Warburg效应与肿瘤细胞能量代谢特点

与正常细胞相比,肿瘤细胞能量代谢发生重编程从而导致糖酵解增强。肿瘤一直被认为是脱离正常生长状态的细胞疯狂增长性疾病,需要摄取更多的能量满足自我分化、高度活跃的生物行为,细胞能量失调是肿瘤十大特征之一[6]。恶性肿瘤细胞首选产能率低的糖酵解供能,主要因为糖酵解可提供肿瘤快速生长合成物质所需的大分子,糖酵解中间产物烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、乙酰辅酶A、核糖和一些非必需氨基酸可被肿瘤细胞用作合成核苷酸、脂质和蛋白质的原料[7]。

1.1 诱发Warburg效应的分子调控机制

肿瘤细胞糖酵解代谢活跃的机制较为复杂,目前尚不明确。认为与低氧微环境、原癌基因激活和抑癌基因失活、糖酵解酶异常表达和线粒体氧化磷酸化功能损害等有关。

1.1.1低氧诱导因子(HIF)激活促进肿瘤细胞糖酵解 低氧是肿瘤细胞普遍存在的状态,低氧会刺激HIF的基因表达。HIF是糖酵解的基本调节因子,可上调90%糖酵解酶的活性,也可抑制线粒体对丙酮酸的利用[8]。HIF-1是肿瘤微环境中主要的能量代谢调节因子,HIF-1可结合到原癌基因c-myc的启动子区刺激c-myc的表达,c-myc又能促进糖酵解第一限速步骤中葡萄糖转运蛋白(GLUT)的表达从而促进Warburg效应[9]。c-myc基因过表达后可以导致乳酸脱氢酶A(LDH-A)的合成增多,LDH-A催化丙酮酸生成乳酸,使肿瘤微环境呈酸性[10]。酸性微环境激活组织蛋白酶和基质金属蛋白酶(MMPs),它们可通过促进细胞外基质(ECM)的降解而促进肿瘤细胞的侵袭和迁移,MMP2和MMP9可通过特异性降解肿瘤细胞外基质成分及调节细胞黏附,参与新生血管形成而促进肿瘤的侵袭迁移[11]。

1.1.2癌基因活化和抑癌基因失活 癌基因活化及抑癌基因失活是驱动肿瘤细胞能量代谢模式转变发生Warburg效应的内在因素。许多癌基因、抑癌基因的异常表达都可引起葡萄糖摄取和糖酵解水平的改变,其中包括myc、Akt、P53、PTEN等[12]。癌基因myc的编码产物是一种广泛存在的转录因子,可诱导糖酵解过程中己糖激酶2(HK2)、LDH-A等大部分酶的表达,还可刺激HIF-1的表达从而促进Warburg效应[13]。肿瘤抑制蛋白P53在调节线粒体有氧氧化和糖酵解方式之间的平衡中发挥重要作用。P53失活可促进Warburg效应,其原因是多方面的。正常情况下,P53可通过下调葡萄糖转运蛋白基因GLUT1、GLUT3、GLUT4的表达减少葡萄糖的摄取[14],P53还可通过诱导糖酵解抑制基因TP53诱导的糖酵解和凋亡调控子(TIGAR)的表达,上调线粒体呼吸链复合体Ⅳ亚单位细胞色素C氧化合成酶2(SCO2)的表达,从而抑制Warburg效应,促进线粒体氧化磷酸化[15]。TIGAR通过去磷酸化降低果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)的含量抑制糖酵解,6-磷酸果糖激酶1(PFK-1)催化6-磷酸果糖(F6P)形成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-BP)是糖酵解的主要限速步骤,而F-2,6-BP是PFK-1的激活剂,可调节糖酵解[16]。

1.1.3其他因素 线粒体DNA变异、电子传递链功能障碍引起线粒体氧化磷酸化功能损伤导致活性氧(ROS)积聚,从而损害线粒体功能,促进Warburg效应的发生。但也有研究认为,肿瘤细胞糖酵解是由于糖酵解抑制了线粒体氧化磷酸化而非线粒体不可逆损伤所致,抑制肿瘤细胞糖酵解则可恢复线粒体的氧化磷酸化[17]。PI3K/Akt信号通路广泛存在于细胞中,通过调节蛋白质合成、细胞周期、能量代谢等多种途径发挥广泛的生物学功能。从黑种草籽中提取的化合物百里香醌通过调控PI3K/Akt/HK2信号通路抑制Warburg效应,进而抑制结直肠癌细胞HCT116和SW480的增殖和侵袭[18]。

1.2 Warburg效应中的关键酶

调控Warburg效应的关键酶主要有己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶(PK),其中研究较多且比较深入的为己糖激酶2(HK2)、M2型丙酮酸激酶(PKM2)。

1.2.1HK 作为糖酵解第一步的关键酶,HK不可逆地催化葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸(G-6-P),G-6-P是磷酸戊糖途径的起始物质,可生成NADPH维持谷胱甘肽的还原状态,而还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂。HK有4种同工酶(HK1、HK2、HK3和HK4),其中HK2在正常人体中分布极少,仅在脂肪和骨骼肌中少量表达,但高表达于OSCC等诸多肿瘤中[19]。在外界刺激或应激作用下,HK2从细胞质定位到线粒体而发挥作用,但HK1对这些刺激的敏感性却较低[20]。HK2的N端和C端均有催化活性,因此HK2使葡萄糖的磷酸化速率翻倍,而HK1、HK3只有C端才具备催化活性。HK2可通过N端与线粒体外膜表面的电压依赖性阴离子通道蛋白(VDAC)结合形成HK-VDAC复合体,此复合体不仅可以降低细胞色素C的释放抑制线粒体途径诱导的细胞凋亡,而且可通过削弱G-6-P的负反馈抑制作用促进糖酵解过程[21]。

1.2.2PK PK是催化糖酵解最后一步的关键酶,有4种同工酶(PKM1、PKM2、PKL、PKR),在恶性肿瘤的发生过程中PKM2表达上调取代了原有组织特异性的PKM1、PKL、PKR,因此一些科学家将PKM2称为肿瘤特异性PK[22]。PKM2有二聚体和四聚体两种形式,PKM2二聚体含量高但活性低,进入细胞核可作为转录因子激活HIF-1α等促进糖酵解和细胞生长,但PKM1不能调节HIF-1α活性[23]。当PKM2为四聚体状态时与其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有较强的亲和力,因此具有较高的丙酮酸激酶活性,催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸进而产生能量[24]。F-1,6-BP是葡萄糖代谢的中间产物,可以与PKM2可逆性结合并稳定PKM2四聚体状态,被认为是PKM2的激活剂[25]。

2 Warburg效应在OSCC中的作用

OSCC是一类异质性疾病,肿瘤细胞在进化过程中因环境压力及生长状态而发生重编程以适应生长环境的变化。PI3K/Akt/mTOR信号通路、HIF、P53等信号通路或因子以及糖酵解关键酶参与肿瘤细胞Warburg效应的调控。

2.1 Warburg效应信号通路在OSCC治疗中的作用

B7H3(CD276)是B族免疫共刺激和共抑制家族成员。有研究表明,B7H3可通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路上调HIF-α的表达,HIF-1α可以通过促进其下游靶蛋白GLUT1、磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3(PFKFB3)的表达而促进糖酵解,从而促进OSCC细胞的增殖、侵袭和转移[26]。核心生物钟基因中的周期基因1(PER1)在多种肿瘤的形成中发挥重要作用,GONG等[27]研究发现,PER1在OSCC组织中呈低表达,PER1可与活化蛋白激酶C受体1(RACK1)及PI3K结合形成复合体,调控PI3K/Akt信号通路抑制糖酵解,进而抑制OSCC细胞的增殖和侵袭。二甲双胍可通过激活AMPK、抑制mTOR及HIF-1α,抑制多种肿瘤的生长。HARADA等[28]通过体内及体外实验发现,二甲双胍联合5-氟尿嘧啶抑制OSCC组织HIF-1α、mTOR、Akt1表达效果较单用二甲双胍或5-氟尿嘧啶更显著,进而抑制Warburg效应使OSCC细胞的生长受阻。MAO等[29]研究表明,蛋白二硫化物异构酶A6(PDIA6)在人OSCC组织中高表达,PDIA6可以促进人OSCC组织SCC9细胞以及Cal27细胞葡萄糖的摄取、乳酸生成及ATP产量升高,通过Warburg效应促进OSCC细胞的生长侵袭。

2.2 Warburg效应关键酶在OSCC治疗中的作用

2.2.1HK2 相关研究表明,在4种HK同工酶中,HK2与恶性肿瘤的关系最为密切,其在人体多种肿瘤组织、肿瘤模型中高表达[30]。LI等[31]通过体内和体外实验证明,丹参酮ⅡA可抑制Akt磷酸化,并能促进c-myc和E3泛素连接酶FBW7的相互作用,抑制HK2的活性进而抑制OSCC细胞系CAL27、SCC15、SCC9细胞的增殖生长;同时,HK2与线粒体结合是维持细胞生存的必要条件,丹参酮ⅡA作用于OSCC细胞后可激活Akt/c-myc/HK2信号轴,抑制HK2活性进而促进OSCC细胞的凋亡。还有研究表明,去泛素化酶泛素特异性肽酶13(USP13)可上调PTEN蛋白表达、抑制Akt磷酸化,通过PTEN/PI3K/Akt信号轴下调GLUT1和HK2的表达,进而抑制Warburg效应,最终抑制人舌鳞癌细胞CAL27、人口腔鳞癌细胞HSC4、人舌鳞癌细胞SCC15的生长;此外,USP13还可抑制无胸腺裸鼠OSCC移植瘤的生长[32]。miRNA是一类非编码RNA,可以通过调节基因表达并在多种肿瘤的生物进程中发挥重要作用。SUN等[33]研究表明,miRNA-143可以与HK2非编码区一个保守的结合位点结合抑制HK2的活性,进而抑制Warburg效应,最终抑制OSCC细胞的生长侵袭和葡萄糖摄取。上皮-间充质细胞转化(EMT)与恶性肿瘤细胞的浸润、转移和耐药性息息相关,有研究通过体内和体外实验表明,核糖体结合蛋白2(RPN2)通过诱发喉鳞状细胞癌TU212细胞ROS的产生上调HK2的表达,激活PI3K/Akt信号通路,促进EMT进而促进喉鳞状细胞癌的侵袭转移。

2.2.2PKM2 PK为进化保守的代谢酶,在肿瘤发生过程中组织特异性PKL、PKR及PKM1被PKM2取代,PKM2在OSCC等诸多恶性肿瘤组织中异常表达,通过促进Warburg效应进而促进恶性肿瘤的增殖和侵袭。PKM2是癌变组织中主要形式的PK,被认为是肿瘤治疗的潜在靶点。WANG等[34]通过注射二羟甲基丁酸(DMBA)方法建立仓鼠OSCC模型研究显示,PKM2在正常黏膜上皮低表达,而在异型增生及肿瘤样组织中高表达;该研究对111例OSCC病人病变组织进行病理学分析发现,PKM2与病人整体生存率呈负相关。PARK等[35]通过对两种永生性口腔角质细胞IHOK-P和IHOK-S转染HPV16E6/E7基因模拟OSCC成癌过程,同时对OSCC细胞YD10B细胞系和人OSCC组织标本进行研究发现,PKM2核转位后可以促进转录调节因子-1(ETS-1)的表达,进而促进MMP9的表达,最终增强OSCC细胞的侵袭性,并且与OSCC病人的不良预后呈正相关。LUO等[36]对125例口腔舌鳞状细胞癌病人的肿瘤组织及邻近组织免疫组化分析显示,PKM2在OSCC组织中高表达且与肿瘤TNM分期密切相关,PKM2是OSCC预后评估的独立危险因素。一项对正常口腔黏膜组织及头颈鳞癌标本研究结果显示,头颈鳞癌组织中PKM2和CD276的表达水平较正常口腔黏膜组织高,PKM2可以通过提高免疫检查点CD276的表达参与肿瘤免疫调控使头颈鳞癌细胞产生免疫抑制,PKM2和CD276的表达水平与头颈鳞癌TNM分期相关,而与病人性别、年龄和病理分级无相关性。

3 小结与展望

OSCC等恶性肿瘤细胞的能量供应方式不同于正常细胞,肿瘤细胞增殖及侵袭过程需要大量能量和大分子物质,而Warburg效应为此提供了物质和能量支持。肿瘤细胞摄取能量的方式在很大程度上依赖高水平表达的糖酵解酶,糖酵解关键酶HK2、PKM2等在OSCC等恶性肿瘤中表达增高且与不良预后呈正相关。这些高表达的酶可作为肿瘤治疗的靶点。由于肿瘤的异质性和微环境的差别,单一糖酵解酶靶向治疗可能不及多个糖酵解酶靶向联合治疗效果好。随着细胞和分子生物学技术及新的糖酵解酶抑制剂的发现和深入研究,OSCC等恶性肿瘤基于能量代谢的靶向治疗将会迈上新台阶。