M2型丙酮酸激酶在腫瘤代謝和發(fā)展中的作用

朱 珠，陳 敏，張曉琦，楊 燕，鄒曉平

(南京醫(yī)科大學(xué) 鼓樓醫(yī)院 消化內(nèi)科，江蘇 南京 210008)

正常細(xì)胞在氧氣充足的條件下會(huì)通過葡萄糖的有氧氧化來獲得能量，但1920 年，德國生化專家Warburg首次報(bào)道肝癌細(xì)胞糖酵解活性較正常肝細(xì)胞明顯增強(qiáng)，進(jìn)一步研究表明即使在氧充足條件下惡性腫瘤細(xì)胞糖酵解代謝同樣明顯活躍，腫瘤細(xì)胞這種活躍的有氧糖酵解代謝特性被稱為“Warburg 效應(yīng)”[1]。最初，人們認(rèn)為有氧糖酵解是由于腫瘤的呼吸鏈的損傷(線粒體的損傷)。然而，之后的研究表明，腫瘤細(xì)胞中線粒體損傷比較罕見[2- 3]。在某些情況下，腫瘤細(xì)胞可以轉(zhuǎn)換成線粒體呼吸供能[4]。

丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解通路中最后一個(gè)限速酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)去磷酸化，產(chǎn)生丙酮酸和ATP。PK在哺乳動(dòng)物中存在4種亞型：PKL，在肝臟和腎臟中表達(dá)；PKR，在紅細(xì)胞中表達(dá)； PKM1，主要表達(dá)在骨骼肌和腦組織中；PKM2，主要表達(dá)于胚胎組織以及高增殖細(xì)胞，尤其是腫瘤細(xì)胞中[5]。近年來，隨著腫瘤代謝機(jī)制的深入研究，關(guān)于PKM2的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)，其范圍從胞質(zhì)的糖酵解酶擴(kuò)展至作為蛋白激酶參與基因表達(dá)的調(diào)控，大量研究證實(shí)PKM2 與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，使得PKM2成為腫瘤治療的一個(gè)潛在靶點(diǎn)[6]。

1 PKM2的生物學(xué)特性

1.1 PKM2 的結(jié)構(gòu)特征

PKM2和其他3種同工酶之間最顯著的區(qū)別是，PKM2在體內(nèi)可以3種形式存在，單體、二聚體和四聚體。在正常細(xì)胞中，PKM2主要為高活性的四聚體形式，但在腫瘤細(xì)胞中主要為低活性的二聚體形式。腫瘤細(xì)胞中PKM2可以單體形式移位至細(xì)胞核，調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)展及Warburg效應(yīng)[7]。

1.2 PKM2表達(dá)的調(diào)節(jié)

PKM2表達(dá)是在不同水平共同調(diào)節(jié)的。低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factor 1α，HIF1α) 主要調(diào)節(jié)機(jī)體在低氧狀態(tài)下的適應(yīng)性反應(yīng)，其在很多腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)，是一種重要的轉(zhuǎn)錄因子，可以通過PKM2第一內(nèi)含子中的低氧反應(yīng)元件(hypoxic response element, HRE)上調(diào)PKM2的表達(dá)。PKM2可作為共激活劑，在細(xì)胞核內(nèi)與脯氨酰羥化酶3(prolyl hydroxylase 3, PHD3)結(jié)合，使其自身的P303/408位點(diǎn)發(fā)生羥基化，與HIF- 1a結(jié)合，促進(jìn)HIF- 1a的轉(zhuǎn)錄激活，從而形成一個(gè)正反饋調(diào)節(jié)[8]。

在常氧條件下，表皮生長因子可促進(jìn)PKM2轉(zhuǎn)錄激活。PKM2的表達(dá)與人腦膠質(zhì)瘤標(biāo)本中的EGFR和IKKβ活性及腦膠質(zhì)瘤惡性程度密切相關(guān)[9]。

轉(zhuǎn)錄后，PKM選擇性剪切是PKM2表達(dá)的另一調(diào)控機(jī)制。PKM1與PKM2僅相差23個(gè)氨基酸，同是PKM基因前體mRNA選擇性剪切的產(chǎn)物。PKM1包含外顯子9，PKM2包含外顯子10。PKM的選擇性剪切主要由核內(nèi)不均一核糖核蛋白(hnRNP)家族的hnRNPA1、hnRNPA1和PTB(也稱為hnRNPI)3個(gè)成員介導(dǎo)。這3種蛋白都是PKM基因選擇性剪切的抑制因子，可結(jié)合到PKM前體mRNA外顯子9的側(cè)翼序列抑制其剪切，從而釋放出外顯子10，形成成熟PKM2 mRNA 的表達(dá)。他們?cè)谡＝M織中低表達(dá)，在快速增殖細(xì)胞，如胚胎及腫瘤細(xì)胞中高表達(dá)。c-Myc可上調(diào)這3種基因的轉(zhuǎn)錄，具有高活性c-Myc的細(xì)胞均呈現(xiàn)PKM2/PKM1增高[10]。c-Myc在β-catenin的激活的下游，可增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter 1, GLUT1)、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase A, LDHA)、PTB和PTB依賴的PKM2的表達(dá)，從而促進(jìn)Warburg效應(yīng)[11]。

此外，microRNAs(miRNAs)可調(diào)節(jié)PKM2基因的表達(dá)。在舌鱗狀細(xì)胞癌中，PKM2的高表達(dá)與miR-133a和miR-133b下調(diào)有關(guān)[12]。

1.3 PKM2酶活性的調(diào)節(jié)

1.3.1 代謝中間產(chǎn)物對(duì)PKM2 活性的影響：1,6-二磷酸果糖(1,6-bisphosphate, FBP)，糖酵解的一種中間產(chǎn)物，作為PKM2的一種變構(gòu)激活劑已被人熟知?？蓜?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)體內(nèi)PKM2二聚體與四聚體比例，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖。近來，絲氨酸(serine, Ser)被證實(shí)為PKM2的另一個(gè)重要的變構(gòu)激活劑[13]。絲氨酸，是3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)氨基形成，可結(jié)合并激活PKM2，促進(jìn)細(xì)胞增殖。當(dāng)絲氨酸充足時(shí)，PKM2激活，促進(jìn)高效糖酵解利用葡萄糖。然而，當(dāng)絲氨酸缺乏時(shí)，PKM2活性減低，快速轉(zhuǎn)換成磷酸戊糖途徑促進(jìn)絲氨酸的生物合成。

此外，SAICAR(5-氨基咪唑-4-甲酰胺核苷酸)，嘌呤核苷酸從頭合成途徑的中間體，也被證實(shí)可以特異性的調(diào)節(jié)PKM2的活性[14]。

1.3.2 轉(zhuǎn)錄后修飾對(duì)PKM2活性的影響: PKM2的活性及功能還受到轉(zhuǎn)錄后修飾的廣泛調(diào)節(jié)，包括磷酸化、乙?；?、泛素化、甲基化、脂化及水解等。蛋白質(zhì)組學(xué)方法篩選PK的4個(gè)亞型中只有M2亞型是磷酸酪氨酸結(jié)合蛋白[15]。PKM2酪氨酸殘基105(Y105)位點(diǎn)可被成纖維細(xì)胞生長因子受體1(FGFR1)直接磷酸化[16]。在PKM2 Y105磷酸化干擾了PKM2與其變構(gòu)激活劑FBP的結(jié)合，抑制四聚體形成從而抑制PKM2的活性。腫瘤細(xì)胞中PKM2 Y105突變，細(xì)胞耗氧量增加且乳酸產(chǎn)生量減少，抑制細(xì)胞增殖及腫瘤發(fā)生。

蛋白乙?；橇硪环N常見的轉(zhuǎn)錄后修飾[17]。在高濃度葡萄糖環(huán)境中，PKM2在賴氨酸305位(K305)發(fā)生乙酰化[18]。乙?；腜KM2具有較低活性，促進(jìn)分子伴侶介導(dǎo)的自噬降解作用，造成糖酵解代謝中間產(chǎn)物和NADPH積累，從而促進(jìn)腫瘤生長。PKM2 K305Q突變株模擬過度乙酰化，可增加糖酵解中間體產(chǎn)量，促進(jìn)細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生。

2 PKM2對(duì)腫瘤代謝的調(diào)控作用

2.1 PKM2是腫瘤細(xì)胞增殖的調(diào)節(jié)器

細(xì)胞二分裂增殖前需要大量的核苷酸、氨基酸和脂質(zhì)用于各組分復(fù)制。除了供能，葡萄糖也必須提供大量的前體物質(zhì)用于生物合成[19]。例如，合成一分子的生物膜的組分棕櫚酸，需要7分子的ATP、8分子乙酰輔酶A和14分子的NADPH。1分子的葡萄糖徹底氧化磷酸化可以提供38分子ATP。還需要3分子的葡萄糖提供輔酶A和7分子的葡萄糖通過磷酸戊糖途徑提供NADPH[20]。同樣，在核苷酸及氨基酸的合成過程中，對(duì)碳骨架及NADPH的需求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)ATP的需求。PKM2活性可影響能量與前體物質(zhì)的比例從而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖速度。

2.2 PKM2在細(xì)胞核內(nèi)作用

PKM2作為糖酵解酶主要定位在細(xì)胞質(zhì)，然而，在某些情況下，可以單體形式遷移入細(xì)胞核中[7]。PKM2在核內(nèi)有作為一種蛋白激酶的功能，使用PEP作為磷酸供體。PKM2能夠在酪氨酸705位點(diǎn)磷酸化STAT3和促進(jìn)MEK5轉(zhuǎn)錄[21]。最近的一項(xiàng)研究表明，表皮生長因子受體激活后，PKM2可以直接與組蛋白H3結(jié)合，磷酸化11位點(diǎn)的蘇氨酸。組蛋白H3的磷酸化亦促進(jìn)從CCND1和MYC基因啟動(dòng)子解離HDAC3。這些過程有助于表皮生長因子誘導(dǎo)的細(xì)胞周期蛋白D1和c-Myc的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，加速細(xì)胞周期進(jìn)程及腫瘤進(jìn)展[22]。

3 PKM2的臨床應(yīng)用

3.1 PKM2的診斷作用

PKM2在腫瘤代謝和增殖中的重要作用，使其可以作為腫瘤診斷的重要工具。PKM2首次在肝癌中被發(fā)現(xiàn)[1]，其后在多種惡性腫瘤組織被發(fā)現(xiàn)高表達(dá)，如肺癌、胃癌、胰腺癌、乳腺癌、腎癌及前列腺癌等。在早期腫瘤中，PKM2 表達(dá)顯示異質(zhì)性，但在轉(zhuǎn)移的腫瘤組織染色均一而強(qiáng)烈。這也表明，PKM2可能在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起重要作用。腫瘤細(xì)胞大量表達(dá)PKM2，可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖及延長生存期，腫瘤惡性程度增加。此外，腫瘤細(xì)胞的壞死和更新可使PKM2被釋放到周圍組織，外周血，消化道惡性腫瘤患者糞便及胸部腫瘤患者的胸腔積液中，從而可以被檢測到。因此，腫瘤PKM2是一種非器官特異性蛋白，可作為檢測腫瘤代謝和增殖狀態(tài)的生物標(biāo)志物[4]。

3.2 PKM2是一個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)

在大多數(shù)腫瘤中高表達(dá)的PKM2，成為癌癥治療的一個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)。PKM2基因敲除可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡和腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物敏感性增加[23]。有研究鑒定出了3類PKM2 抑制劑類，其中最有效力的抑制劑可在生長因子信號(hào)喪失后導(dǎo)致糖酵解的減少和細(xì)胞死亡的增加[24]。PKM2能在低活性二聚體和高活性的四聚體之間動(dòng)態(tài)變換，阻斷變換可以改變腫瘤細(xì)胞的代謝。研究證實(shí)，當(dāng)確保PKM2以穩(wěn)定的低活性二聚體形式或高活性四聚體形式存在時(shí)，均可抑制腫瘤細(xì)胞增殖。PKM2核功能的發(fā)現(xiàn)，尤其是它的蛋白激酶活性，使得針對(duì)PKM2的靶向治療更加多樣化，為腫瘤治療提供了新的思路。

4 結(jié)論

PKM2，一種糖酵解的關(guān)鍵酶，已被證明在腫瘤代謝及腫瘤進(jìn)展過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。腫瘤細(xì)胞有多種方式調(diào)節(jié)PKM2，以利于腫瘤細(xì)胞生長和存活，包括PKM2的轉(zhuǎn)錄、選擇性剪切、翻譯后修飾、變構(gòu)調(diào)節(jié)等。此外，PKM2作為一種蛋白激酶，可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)，細(xì)胞周期進(jìn)程，以及細(xì)胞代謝。所有這些反應(yīng)了PKM2調(diào)控的復(fù)雜性和PKM2在癌細(xì)胞代謝和細(xì)胞周期進(jìn)程的核心作用。PKM2有望成為腫瘤治療的一個(gè)有力的靶點(diǎn)。

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