葡萄糖转运蛋白1在肿瘤细胞代谢重编程中的作用

白紫元, 张 巧, 杨 哲*

(1)昆明医科大学第一附属医院病理科, 昆明 650032;2)昆明医科大学基础医学院生物化学与分子生物学系, 昆明 650500)

早于20世纪30年代,德国学者Warburg就发现了肿瘤细胞与正常分化的细胞不同,其更依赖供能效率更低的有氧糖酵解获得能量,此发现也被命名为Warburg Effect[1]。葡萄糖以及其他的单糖是如何被转运至细胞内也备受关注[2]。从此,人们开始了对肿瘤代谢重编程的研究[3]。经过近百年的研究,人们逐渐认识到肿瘤代谢重编程是肿瘤的重要标志,在肿瘤的发生发展中发挥着重要、复杂的作用。随着研究的不断深入,肿瘤代谢重编程的具体分子机制也在不断的被揭示,这也有利于针对肿瘤开发早期诊断和精准治疗的新技术和新药物。其中,最早被发现的与糖代谢重编程相关的分子之一就是GLUT-1,并表明其在糖代谢重编程中发挥了重要的作用,这也有望针对GLUT-1开发出新的精准治疗的药物。故本文针对GLUT-1在肿瘤细胞代谢重编程中的作用的研究进展进行综述,旨在为抗肿瘤机制研究以及恶性肿瘤靶向治疗研究提供参考。

1 葡萄糖转运蛋白-1在正常组织细胞中的功能、结构和相关糖代谢

GLUT-1属于主要促进因子超家族(the major facilitator superfamily, MFS)的糖转运体亚家族,是其中最大且最普遍的二级转运体超家族之一[4, 5]。GLUT-1是由SLC2A1编码的糖转运体,介导许多组织细胞对葡萄糖的摄取,它通过促进扩散作用使红细胞不断吸收葡萄糖,使得血液中葡萄糖浓度保持在大约5 mmol的浓度[6]。GLUT-1的主要生理底物是葡萄糖,但它也能够运输甘露糖、半乳糖、葡糖胺和还原型抗坏血酸[2]。

1977年,Kasahara和Hinkle[7]首次从人红细胞中分离、提纯并证实了GLUTs的存在。2014年,Deng等[6]人详细地描述了GLUT-1的三维结构。研究显示,GLUT-1的三维晶体结构为MFS家族经典的折叠方式,即12个跨膜螺旋组成N-端和C-端2个结构域,并且2个结构域共同形成了1个向细胞内腔孔结构。GLUT-1在胞内可溶区还具有1个由4个α-螺旋组成的结构域,这也是MFS家族蛋白质经典的结构之一。

葡萄糖作为癌细胞的主要能量底物,癌细胞中葡萄糖代谢的第1个限速步骤就是葡萄糖在质膜上的转运[8]。GLUT-1是GLUTs的14种异构体之一,对葡萄糖有较强的亲和力,在不同癌细胞的质膜上有不同程度的过度表达[9],包括前列腺癌[10]、甲状腺癌[11]、结直肠癌[12]、黑色素瘤[13]、肝癌[14]、胆管癌[15]、胃癌[16]、乳腺癌[17, 18]和卵巢癌[19]。研究表明,GLUT-1的表达量与肿瘤细胞增殖指数呈正相关,与肿瘤细胞活性的调控及摄取、利用葡萄糖有着重要影响[8]。随着研究的逐步深入,证实了GLUT-1的过量表达还与肿瘤的转移、复发及耐药有关[20]。所以,深入研究GLUT-1在肿瘤细胞中的作用可以为抗肿瘤机制研究以及恶性肿瘤靶向治疗研究开辟新的思路。

2 葡萄糖转运蛋白-1与肿瘤细胞代谢重编程的关系

恶性肿瘤主要展现的生物学特点包括持续的细胞增殖、局部的侵袭和远处转移等,这些主要与其持续的增殖信号通路被激活、新血管形成、激活细胞侵袭和转移,能量代谢重组等有关。代谢重编程就是肿瘤细胞的重要特征之一[1],同时也对肿瘤的发生和进展发挥重要的作用[21]。

葡萄糖相关代谢重编程在肿瘤细胞中研究的最为广泛和深入,GLUT-1作为葡萄糖转运体,在糖代谢重编程中发挥着重要的作用。

2.1 肿瘤细胞通过GLUT-1增加葡萄糖的摄取并增强糖酵解

与正常细胞相比,癌细胞上调GLUT-1的表达,通常表现出大幅增加的葡萄糖摄取量和糖酵解率[22]。增加的葡萄糖消耗产生了更多的中间糖酵解代谢物被分流到多种生物合成途径,并从糖酵解中产生大量的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)。在肿瘤细胞中,有一部分氧气的消耗是参与了谷氨酰胺等物质的氧化[23, 24],可能实际情况中葡萄糖的氧化率会更低。然而,糖酵解可能有利于肿瘤细胞使用更多的次级产物来合成核苷酸等增殖所需的原料[25]。GLUT-1还在空间上与多种代谢过程相关,例如会与NAD、NADH代谢过程相关[26]。

同时,GLUT-1的亚细胞定位,尤其是质膜定位是决定细胞内高表达的GLUT-1能否发挥转运功能的关键。其中,有研究报道,GLUT-1的第207位半胱氨酸的棕榈酸化可以促进其向质膜转运而发挥转运功能[27]。

2.2 GLUT-1与甘露糖

甘露糖和葡萄糖一样都是一种己糖,在生理条件下,甘露糖不会直接参与细胞的能量代谢,而是通过一系列的次级产物参与蛋白质的糖基化过程[28-30]。Gonzalez等人[31]研究发现,在肿瘤细胞中,甘露糖与葡萄糖都是通过GLUT-1转运至细胞内,但是甘露糖对葡萄糖无竞争性抑制,反而会增加肿瘤细胞内葡萄糖的含量,然而,甘露糖却能明显抑制肿瘤细胞的生长,与甘露糖能以甘露糖-6-磷酸的形式在肿瘤细胞中累计,从而抑制葡萄糖代谢的相关酶的活性有关。最新的研究表明,肿瘤细胞中,只有少量的甘露糖参与了能量代谢并产生乳酸。甘露糖还会通过抑制糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径和聚糖的合成等代谢途径抑制肿瘤细胞[28]。

2.3 GLUT-1与脱氢抗坏血酸

脱氢抗坏血酸(dehydroascorbic acid, DHA)是抗坏血酸(ascorbic acid, AA)的氧化形式,和葡萄糖的结构类似,也是通过GLUT-1转运至细胞内的,而AA则是通过钠离子依赖的维生素C转运蛋白(sodium-dependent vitamin C transporter, SVCT)转运至细胞内[32]。Padayatty等人[33]的研究显示,多数乳腺癌细胞的细胞膜表面缺乏SVCT,其主要表达是在线粒体膜上,进而不能通过SVCT从环境中摄取AA,所以肿瘤细胞会通过GLUT-1摄取DHA,并且进一步显示,DHA在细胞中会迅速转化为AA。

2.4 GLUT-1与肿瘤微环境

肿瘤细胞通过过表达GLUT-1增强葡萄糖的摄取,可以诱发一种独特的低葡萄糖和高乳酸代谢环境。研究表明,肿瘤微环境中的葡萄糖剥夺和乳酸盐积累会对有浸润和摧毁肿瘤能力的免疫细胞产生不利影响[34, 35]。由于免疫细胞从静止状态转为激活状态也与糖酵解的增强有关,癌细胞的竞争可能会显著减少免疫细胞对葡萄糖的摄取,从而阻碍其抗肿瘤的免疫功能[36, 37]。恶性肿瘤的免疫治疗或化放疗引起的肿瘤细胞和免疫细胞的代谢重编程是一个动态过程,这也会导致肿瘤细胞对免疫治疗的反应不一[38, 39]。

肿瘤微环境中的免疫细胞状态是免疫检查点抑制剂(immune checkpoints inhibtior, ICI)抗肿瘤疗效的1个预测性生物标志物。由于活化的免疫细胞会抑制癌细胞的代谢活动,因此,肿瘤细胞和免疫细胞的相对代谢活动可以反映抗肿瘤免疫功能。通过评估GLUTs在癌症和免疫细胞中的不同表达,证实了GLUTs表达水平可以作为生物标志物来揭示接受免疫治疗的患者的肿瘤细胞和相关免疫细胞功能[40, 36]。在肺癌、乳腺癌和黑色素瘤中,GLUT-1和GLUT-3分别在肿瘤细胞和免疫细胞中富集,但经ICI治疗无效后的免疫细胞则会表达更多的GLUT-1[26]。

新的研究还表明,GLUT-1会在CD8+的肿瘤浸润淋巴细胞(tumor infiltrating lymphocytes, TIL)中表达,而引流淋巴结细胞(draining lymph node, dLNs)和脾的CD8+T细胞只会表达很少量的GLUT-1,并且只有过表达GLUT-1的CD8+TILs才会表达有抗肿瘤作用的2型干扰素(interferon-υ, IFN-υ)。在二甲双胍联合抗程序性死亡受体-1(programmed cell death protein-1, PD-1)抗体的肿瘤免疫疗法相关研究中发现,线粒体的活性氧簇(mitochondria reactive oxygen species, mtROS)对CD8+TILs过表达GLUT-1,p62可能对GLUT-1向细胞表面的囊泡运输至关重要,二甲双胍依赖性的GLUT-1升高可能因抗PD-1抗体依赖性的PI3K/Akt激活而进一步增强[41]。与此相一致的是,CD8+TILs中的GLUT-1水平在联合治疗后是最高的。由于联合治疗诱发了糖酵解的增强,导致了核因子红系2相关因子2(nuclear factor- erythroid 2-related factor 2,Nrf2)更强的激活。与单独使用二甲双胍或抗PD-1抗体治疗相比,p62、p-S6、Ki67、LC3B和HO-1的提升更多,即在癌细胞中,Nrf2通过GLUT-1等将葡萄糖和谷氨酰胺重新定向到合成代谢途径,从而导致细胞转向恶性增殖[42-45]。

2.5 GLUT-1的调节

2.5.1 GLUT-1与PTEN PTEN是一种肿瘤抑制因子,同时也是细胞生长和代谢的负向调节器,经常在许多晚期癌症患者体内发生突变[46]。组蛋白去乙酰化是表观遗传沉默过程中影响PTEN表达的一个因素,研究表明,抑制组蛋白去乙酰化酶,可以恢复PTEN的表达,并抑制蛋白激酶B(protein kinaseB, AKT)途径、GLUT-1的表达和葡萄糖的摄取[47]。分拣微管连接蛋白家族成员27(sorting nexin family member 27, SNX27)是逆转录酶复合物的一个组成部分,可将跨膜受体(例如GLUT-1)从内体循环到质膜,PTEN通过附着在SNX27上,阻止其进入液泡分选蛋白26(vacuolar sorting proteins26, VPS26)网状复合物,因此阻断了GLUT-1在质膜上的再循环,这一过程阻碍了细胞对葡萄糖摄取[48, 49]。PI3KC1-AKT通路和AKT下游效应物AS160(一种Rab-GTP酶活化蛋白质)参与了诱导甲状腺癌细胞膜表面暴露GLUT-1[50, 48]。PTEN的脂质磷酸酶活性是PTEN对AKT途径的抑制作用的决定性因素。它可以拮抗AKT途径的激活,这一部分可以减少三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol(3,4,5)bisphosphate, PIP3)的供应。而PIP3又是AKT磷酸化的磷酸盐供体,这会阻止GLUT-1在质膜上的表达,并最终实现抑癌功能[8]。PTEN的蛋白质磷酸酶活性是否对PI3K活性和质膜上GLUT-1的调控也有影响还未见报道。但有报道证实,PTEN也可以通过蛋白质磷酸酶活性调控AKT途径,失去脂质磷酸酶活性而保持蛋白质磷酸酶活性的PTEN突变体可以抑制AKT通路[8, 47]。

2.5.2 GLUT-1与p53 大约50%的人类肿瘤是由p53基因的突变引起,p53可以激活细胞衰老或凋亡、调节细胞周期,阻止细胞增殖和调节糖代谢[51, 52]。在调节糖代谢方面,p53可以调节线粒体功能和耗氧量,减少糖酵解。p53还可以抑制葡萄糖转运体(GLUT-1)的表达,Schwartzenberg-Bar-Yoseph等人[53]研究显示,GLUT-1和GLUT-4启动子受p53的直接调控,但由于GLUT-1是一种广泛存在的葡萄糖转运体,p53对GLUT-4启动子抑制作用明显大于其对GLUT-1启动子的抑制作用。PTEN和p53在驱动GLUT-1的质膜定位方面发挥主要作用,它们都是葡萄糖代谢和自噬的关键调控因子[54, 55]。在转移性肾癌的病理解剖和免疫组化检查中发现,GLUT-1在癌细胞膜上强表达,在细胞质中染色呈中度,p53在细胞中存在弥漫性核积累[56]。

2.5.3 GLUT-1与HIF 肿瘤微环境的特点之一是缺氧。HIF是对氧敏感的转录因子,通过上调涉及能量代谢、血管生成、生存和增殖等途径,使其适应缺氧环境[57]。HIF具有3种类型,分别是HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α。在常氧条件下,α亚基不断降解,而在缺氧的肿瘤微环境中,α亚基稳定,进而启动例如GLUT-1和VEGF的目标基因的表达[58, 59]。HIF-1α导致缺氧途径中几个基因的下游转录,包括GLUT-1和血管内皮细胞生长因子。在生理条件下,HIF-1α会被VHL(von Hippel-Lindau)蛋白质通过泛素化途径有效灭活,除了缺氧的环境刺激外,包括PTEN、p53或VonHippel-Lindau缺陷的基因突变,都是与HIF活性增加相关的关键基因改变[60]。在分子水平,HIF复合体的β亚单位在启动子区域与GLUT-1和GLUT-3基因的TATA元件结合并启动转录[61]。HIF-1α信号传导不仅受到氧分压降低的刺激,而且还受到通过异常生长因子或肿瘤抑制因子丧失的致癌刺激[57]。HIF-1α蛋白水平和报告基因活性的上调与GLUT-1表达水平的增加是等同的。在带有PTEN突变的FTC-133细胞中,HIF-1α的表达增加,PI3K/AKT和HIF-1α之间存在重要的相关性,这可能与甲状腺癌的疾病进展有特殊联系[62]。在所有的肿瘤中,缺氧对肾细胞癌的生物学特性非常突出。在肾的恶性肿瘤中,特别是肾透明细胞癌细胞(clear cell renal carcinoma cancer, ccRCC)中VHL基因发生突变,产生一种无功能的蛋白质,导致HIF-1α活性的持续存在。糖原在细胞质累积是许多RCCs的突出特征,这些观察结果共同表明GLUT-1与RCC的相关性[60]。有趣的是,最新的研究中发现,在HIF/GLUT-1信号通路中,GLUT-1代表的不仅仅是复杂的糖酵解调节途径中的一个酶,可能是形成了1个由乳酸介导的GLUT-1与HIF相互调节的循环。在结直肠癌细胞中,通过敲除多个细胞系的GLUT-1,乳酸的产量减少了,这可能导致代谢的重新编程,将有氧糖酵解重新转变为为氧化磷酸化[8, 63, 64]。

2.5.4 GLUT-1与c-Myc 葡萄糖代谢基因被证明是由c-Myc直接调节,其中最主要的是GLUT-1、己糖激酶2(hexokinase 2, HK2)、磷酸果糖激酶(phosphofructokinase, PFKM)和烯醇酶1[65-67]。最近,以c-Myc为靶点的葡萄糖代谢抑制剂的相关研究显示,其能够抑制GLUT-1、乳酸脱氢酶-A(lactate dehydrogenase-A, LDH-A)在癌细胞中的表达。同时,降低c-Myc的活性,抑制细胞增殖和肿瘤生长[68]。c-Myc能够刺激增加葡萄糖运输的基因,后续将葡萄糖分解为3-磷酸甘油醛再转化为丙酮酸,并最终转化为乳酸。由于糖酵解基因也对HIF-1有直接反应,在许多含有基因改变的肿瘤中,记录了c-Myc和HIF之间的合作。在常态下,c-Myc可以刺激葡萄糖的氧化和乳酸的产生;在缺氧状态下,c-Myc与HIF-1相互作用,诱导PDK-1(3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1)产生,抑制丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase, PDH)催化丙酮酸转变为乙酰CoA,进而抑制线粒体呼吸,最后倾向于无氧糖酵解。在c-Myc和糖酵解之间发现的第1个联系,是c-Myc正向调节LDH,将糖酵解产生的丙酮酸转化为乳酸[68, 8, 69]。Zhang等人[70]还在肾癌模型中对HIF与c-Myc的相互作用关系进行了研究,HIF-1和c-Myc都促进葡萄糖转运和糖酵解,但HIF-1抵消了c-Myc对肾癌细胞线粒体功能的抑制,进而使肾癌细胞更能适应缺氧的环境,但未能证明在HIF-1是通过蛋白质互相作用还是翻译后修饰的方法对c-Myc进行调控。

Fig.1 The regulation of GLUT-1 in cancer cell HIF-1 regulates the PI3K/AKT pathway through transcriptional regulation to increase the expression of GLUT-1. In physiological condition, tumor suppressor genes, p53 and PTEN, can downregulate the expression of GLUT-1. However, the absence of p53 and PTEN genes in tumor cells can lead to the overexpression of GLUT-1

3 针对葡萄糖转运蛋白-1治疗肿瘤的新方法

设计抗癌药物时可以将抗癌剂与葡萄糖或其他糖的结合,以提高药物通过过表达的GLUT-1被肿瘤细胞摄取率,从而提高疗效并减少副作用。其中,一种方法是开发可以通过GLUT -1到肿瘤细胞而不抑制GLUT -1本身的糖结合剂。另一种方法是通过与抗GLUT-1抗体结合来促进药物与GLUT-1的相互作用。目前,对GLUT-1靶向药物的研发多是针对乳腺癌,已经有过相关研究的药物有阿霉素[71, 72]、紫杉醇[73]和铂类化合物[74]。由于GLUT-1在肿瘤细胞中的过表达,GLUT-1的小分子抑制剂已经成为了治疗肿瘤的潜在靶点。小分子抑制剂包括有机化合物家族的天然和合成小分子抑制。其中,一些分子可以直接从饮食中获得,包括根皮素和细胞松弛素 B、黄酮和类黄酮,以及酪氨酸激酶抑制剂[75]。这些化合物显示出不同的抑制方式,包括竞争性、非竞争性和混合抑制。虽然可以明确这些小分子是能抑制GLUT-1,但对他们的结构和功能细节知之甚少。即使在竞争性抑制的情况下,尚不清楚这些小分子抑制剂是与葡萄糖结合位点结合,还是使葡萄糖或抑制剂结合相互排斥第2个位点结合,或二者兼有[76, 77]。

Zambrano等人[77]研究显示,白藜芦醇作为GLUT-1的抑制剂可能成为乳腺癌治疗的药物,并分析了白藜芦醇抑制GLUT-1的作用机制可能包含有:

(1)对GLUT-1直接的抑制作用,并阻断了GLUT-1的运输功能;

(2)抑制GLUT-1的mRNA表达;

(3)调节相关转录因子(例如HIF-1和c-Myc),这些转录因子又可以反过来调节GLUT-1的表达;

(4)通过多种信号转导通路调节GLUT-1的表达,例如AMP依赖的蛋白激酶(adenosine 5‘-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)通路、Wnt通路、Jnk激酶通路和组蛋白去乙酰化酶等;

(5)调控GLUT-1的miRNA表达。

但是,由于生理条件下GLUTs也要发挥着重要的功能,且GLUTs广泛存在于多种组织和细胞中,所以针对GLUTs的药物的研发仍然面临着诸多挑战。

4 问题与展望

肿瘤细胞为了维持增殖、抵抗生长因子抑制、抵抗细胞死亡等生物学特征的过成中会改变自身的代谢模式,创造更有利其自身的肿瘤微环境。在本课题组的相关研究中也得出相关的结论,例如在肾透明细胞癌中,GLUT-1的表达量增加,葡萄糖摄取量增加,糖酵解活性显著增强,三羧酸循环代谢中间物及调控酶类明显降低[78-81]。

随着研究的不断入,已经证实了肿瘤细胞中GLUT-1的表达增加还会影响其他糖类摄取的变化,且与肿瘤的发生发展、治疗及患者的预后情况相关。例如,通过构建甘露糖与铂类化疗药物的复合体,可以通过肿瘤细胞高表达的GLUT-1转运至肿瘤细胞中,增强铂类药物的治疗效果,减轻铂类药物的不良反应[82]。肿瘤细胞的代谢重编程受到许多方面的影响。GLIUT-1为揭开肿瘤代谢重编程的神秘面纱提供了新的思路和方法,也为了肿瘤的早期诊断和治疗提供了新的角度。恶性肿瘤中复杂的代谢改变对未来的研究带来挑战,但相信通过GLUT-1,能够找到适合的治疗靶点、药物以及可与之结合的靶向治疗方案,将为恶性肿瘤的诊断和治疗带来巨大的突破。