过去十年中肿瘤与糖代谢的研究进展

过去十年中肿瘤与糖代谢的研究进展

摘要：几十年前,奥托·沃伯格发现,癌细胞主要由糖酵解产生能量;现在这种现象称为“Warburg效应”。Warburg把癌细胞线粒体呼吸缺陷与有氧糖酵解联系起来;但他的这一理论因为缺乏确凿的证据证明癌细胞线粒体缺陷的存在逐渐失去了它的重要性地位。科学家开始认为这种能源生产机制在癌细胞的改变更多的是结果而不是原因。在过去的十年里，这一领域里相当大的进展革新了我们对Warburg效应的理解。然而,它仍然不清楚Warburg效应在癌症中起着因的作用还是肿瘤发生的附带现象。在这篇文章中，我们的目标是讨论与Warburg效应相关联的分子机制与强调该领域的最新进展，其中包括表观遗传变异的作用,microRNA和翻译后修饰的蛋白质。

关键词：Warburg 效应（有氧糖酵解） 肿瘤微环境 低氧诱导因子（HIF1） 表观遗传 核小RNA 翻译后修饰

The tumor and glycolysis progression: Insights from the past decade

Tang Haoneng

（Life Sciences School of Sun Yat-sen University, Guangzhou, Guangdong 510240）

Abstract：Several decades ago, Otto Warburg discovered that cancer cells produce energy predominantly by

glycolysis;a phenomenon now termed “Warburg effect”. Warburg linked mitochondrial respiratory defects in

cancercells to aerobic glycolysis; this theory of his gradually lost its importance with the lack of conclusive

evidence confirming the presence of mitochondrial defects in cancer cells. Scientists began to believe that this

altered mechanism of energy production in cancer cells was more of an effect than the cause. In the last ten years

considerable progress in the field has advanced our understanding of the Warburg effect. However, it still remains

unclear if the Warburg effect plays a causal role in cancers or it is an epiphenomenon in tumorigenesis. In this

review we aim to discuss the molecular mechanisms associated with the Warburg effect with emphasis on recent

advances in the field including the role of epigenetic changes, miRNAs and post-translational modification of

proteins.

Keywords: Warburg effect (aerobic glycolysis) Tumor microenvironment Hypoxia inducible factor 1 (HIF1)

EpigeneticsmiRNA Post-translational modifications

引言

Warburg效应，作为肿瘤能量代谢领域的重要基础理论，已经在近十年来取得了很多的进展。这些进展，包括“how”和“why”癌细胞表现出warburg效应的，已经得到许多的研究。2013年，Perumal Vivekanandan等人对导致癌细胞表现出warburg效应的内在机理做了全面的总结，并提出了利用warburg效应的癌症疗法。本文对原文献中肿瘤细胞如何表现warburg效应的有关论述做了翻译与整理。

肿瘤微环境与HIF稳定性

肿瘤细胞增殖的速度超过血液供应的速度，并导致缺氧。众所周知,缺氧的区域是酸性的。这是因为随着肿瘤细胞激活有氧糖酵解,葡萄糖代谢产生乳酸。然后合成的乳酸通过一

元羧酸转运蛋白从胞质中分泌到细胞外，导致酸中毒。肿瘤细胞对低pH是耐受的，此外,低pH值也保护肿瘤细胞免受免疫系统的攻击。酸性环境也能对一些糖酵解酶产生影响，导致高速率的糖酵解。

缺氧被发现与肿瘤进展,转移和抵抗治疗相关。肿瘤细胞通过低氧诱导因子1(HIF-1)适应低氧条件。HIF-1是二聚体转录因子。HIF-1αand HIF-2α是氧气应答亚基而HIF-1β是持续表达亚基。HIF-1的调节主要依赖HIF-1α亚基。HIF-1α亚基在常氧条件下半衰期较短，被白酶体降解。当HIF-1α亚基上被HIF脯氨酰羟化酶羟化的保守脯氨酰被vonHippel-Lindau(VHL)识别时，HIF-1α被降解。VHL充当了泛素连接酶来修饰HIF-1α并导致它的降解。HIF-1α的存在受VHL很大的影响，已经被证明，在VHL缺乏的细胞中，即使在常氧条件下，也能有高水平的HIF-1α表达。

结果表明,PKM2是HIF1的一个转录辅因子,直接与HIF1α相互作用和促进HIF1结合到转录位点。此外,PKM2 又是HIF1转录产生的基因。它所加入的正反馈循环,促进HIF1活性和癌症细胞代谢的改变,从而促进Warburg效应。

缺氧通过剥夺线粒体中的氧气，抑制氧化磷酸化从而激活糖酵解。缺氧导致丙酮酸的分解代谢被抑制和氧气被大量消耗。已知HIF-1诱导激活丙酮酸脱氢酶激酶1(PDK-1)，PDK-1能使丙酮酸脱氢酶(PDH)的E1亚基磷酸化从而灭活PDH，阻止丙酮酸进入线粒体。这将导致细胞溶质中丙酮酸的积累。通过乳酸脱氢酶，积累的丙酮酸转化为乳酸并释放到胞外，并再生出NAD+来继续进行糖酵解。HIF-1转录因子也能调节各种糖酵解中的酶。它通过增加葡萄糖转运蛋白的表达和其他几个与有氧糖酵解有关的基因来增加肿瘤细胞中糖酵解通路的效率。GLUT1普遍存在于正常细胞,但发现在肿瘤细胞与GLUT3一起过度表达。细胞内的葡萄糖运输激活另一个糖酵解酶——己糖激酶II,导致葡萄糖-6-磷酸的形成。

在缺氧条件下,当细胞ATP:ADP率下降,哺乳动物细胞激活AMP活化蛋白激酶(AMPK)的级联反应,这是一个细胞内能量的传感器。在较低的细胞ATP:ADP比率下,腺苷酸激酶增加AMP:ATP比率。AMP激活AMPK的原因是在上游的LKB-1 /丝氨酸苏氨酸激酶的帮助下使AMPK的γ亚基磷酸化。激活的AMPK磷酸化下游的PFK-2，导致果糖-2,6-二磷酸的增加。因此HIF-1和AMPK的活化对在低氧浓度下维持体内能量平衡和糖类代谢起着重要的作用。

癌基因和抑癌基因的作用

众所周知，即使在有氧条件下，肿瘤细胞也能表现出糖酵解的增强。研究表明,缺氧不是负责增强癌细胞糖酵解的唯一因素。Sakamoto et al。(2011)观察到膜I型基质金属蛋白酶在常氧条件下介导的HIF-1水平调节导致有氧糖酵解。

肿瘤抑制基因p53被发现是一个重要的肿瘤新陈代谢转录调节因子。p53被称为“监护人细胞的”，负责修复细胞DNA损伤和凋亡。TIGAR(TP53诱导的糖酵解和凋亡调节器)是最近被描述的p53依赖基因。TIGAR是PFK-2的同工酶，与其共享同样的双磷酸酶结构域,但缺乏激酶结构域。TIGAR通过去磷酸化果糖-2,6-二磷酸和促进戊糖磷酸途径来影响糖酵解。戊糖磷酸分流导致NADPH的合成,同时增加谷胱甘肽(GSH)含量,从而促进活性氧的清除,以维持细胞的氧化还原平衡。p53通过诱导谷氨酰胺酶2的表达(GLS2)和减少磷酸甘油酸变位酶(PGM)的表达来调节线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)和糖酵解途径之间的平衡。转录因子p53作用于 p21,而p21通过稳定转录因子NRF2来维持肿瘤细胞的氧化还原平衡。

线粒体功能障碍的作用

奥托·沃伯格提出,癌细胞在主要从糖酵解获得能量的同时抑制线粒体的能量代谢活动。关于线粒体损伤和肿瘤糖酵解速率的增加的内在机理多年来难以捉摸,直到最近的研究才阐

明了线粒体和Warburg现象之间的联系。

值得注意的是,最近的一项研究认为，在白血病细胞,线粒体解偶联导致能量耗散没有ATP合成可能是线粒体损伤导致Warburg现象的一个潜在机制。解偶联蛋白(UCPs) 在乳腺癌细胞中的过度表达支持了这一理论。线粒体解偶联改变了线粒体代谢，使其从丙酮酸氧化变成了通过非耦合氧化谷氨酰胺或脂肪酸来满足癌细胞的能源需求。这是一个解偶联线粒体无法产生ATP的结果。

另外一个值得注意的发现是,p53已被证明在调节糖酵解和线粒体氧化磷酸化之间的平衡发挥重要作用。细胞色素c氧化酶对线粒体呼吸和是至关重要的。它的一个亚基,细胞色素c氧化酶2(SCO2)的合成是p53诱导的。p53的突变损伤了SCO2激活,从而下调了线粒体生产ATP的速率和赋予了癌症细胞生长优势。当在p53缺陷细胞中表达SCO2则能使得耗氧量得到恢复。线粒体是活性氧的主要来源。活性氧诱导线粒体DNA突变,导致线粒体功能受损和降低ATP合成,从而促进癌症细胞增殖。

最近NOX(NADPH氧化酶)基因在有氧糖酵解和线粒体功能障碍中得到研究。NOX催化NAD(P)H氧化产生NAD +,而糖酵解许多反应都需要NAD +。研究也显示，在肿瘤细胞抑制NOX基因可以减少肿瘤细胞增殖。p53的缺失或致癌基因Ras的表达导致NOX的表达量上调，从而使肿瘤细胞线粒体功能被减弱。在癌细胞, NOX基因的上调与线粒体呼吸缺陷密切相关。抑制NOX基因会导致NAD +减少,降低在肿瘤细胞的有氧糖酵解，这将导致细胞增殖减少。因此, NOX代表一个潜在的抗癌治疗靶点。

线粒体蛋白质的突变影响有氧呼吸途径,包括柠檬酸循环和氧化磷酸化。线粒体DNA编码小部分的线粒体蛋白质;大部分的线粒体蛋白质是由核基因编码。因此，核基因突变编码的线粒体蛋白导致非功能性蛋白质或不够理想的功能蛋白质。这将导致线粒体功能受损,使能源途径转变为有氧糖酵解。 图1 NAD(P)H氧化酶的作用。(NOX)基因在调节肿瘤细胞的有氧糖酵解和线粒体功能缺陷起作用。p53损失或Ras基因的激活上调NOX基因的表达，然后NAD(P)H转换成NAD +导致有氧糖酵解增加。