能量代謝重編程促進(jìn)衰老-腫瘤發(fā)生的病機(jī)探討?

靖林林，姚學(xué)清，王俊江，孫學(xué)剛△

(1. 南方醫(yī)科大學(xué)，廣州 510515； 2. 廣東省人民醫(yī)院胃腸外科，廣州 510080)

衰老促進(jìn)腫瘤發(fā)生，衰老過程中伴隨著代謝穩(wěn)態(tài)的失衡及其基因調(diào)控的紊亂，能量代謝障礙可能是衰老時(shí)腫瘤發(fā)生率增長的原因之一[1]?！端貑枴ど瞎盘煺嬲摗吩唬骸澳I臟衰，形體皆極”，提示腎氣的盛衰決定了人體的老壯。李時(shí)珍倡“脾乃元?dú)庵浮闭f：“土者萬物之母，母得其養(yǎng)，則水火既濟(jì)，木金交合，而諸邪自去”[2]，因此衰老緣于虛，虛在脾腎，已經(jīng)得到歷代學(xué)者的公認(rèn)和現(xiàn)代研究的證實(shí)[3-4]。那么脾腎虧虛引起的能量代謝重編程是如何促進(jìn)“衰老-腫瘤發(fā)生”程序而導(dǎo)致因虛生癌的呢？

1 線粒體功能障礙導(dǎo)致能量代謝重編程是促進(jìn)腫瘤發(fā)生的原因

細(xì)胞能量代謝通路的功能紊亂不但促進(jìn)腫瘤發(fā)生，而且是腫瘤的標(biāo)志之一[5]。腫瘤細(xì)胞氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OXpHOS)水平降低、有氧糖酵解增加，這種能量代謝的重編程即瓦博格效應(yīng)(Warburg effect)。主流的觀點(diǎn)認(rèn)為，瓦博格效應(yīng)是腫瘤細(xì)胞內(nèi)基因突變不斷累積、基因組不穩(wěn)定引起的。越來越多的證據(jù)顯示，衰老過程中細(xì)胞表觀遺傳學(xué)的變化，導(dǎo)致能量代謝障礙參與腫瘤的發(fā)生，一是哺乳動(dòng)物衰老過程中伴隨著多種組織如腦、肝、肌肉OXpHOS水平的降低和有氧糖酵解的增加；二是老齡動(dòng)物組織和血清乳酸水平增高，標(biāo)志著糖酵解增加和OXpHOS降低；三是2型糖尿病的基因表達(dá)標(biāo)簽與糖酵解代謝相似，均表現(xiàn)為低氧、缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor 1α, HIF-1α)累積以及OXpHOS的下降，類似瓦博格效應(yīng)。因此，除癌基因突變外，衰老過程中瓦博格效應(yīng)可能是驅(qū)使細(xì)胞癌變的“打擊(hits)”之一。二甲雙胍和卡路里限制通過維持能量代謝平衡而預(yù)防癌癥，為此提供了直接證據(jù)。

線粒體是共生α-蛋白菌的后代，有獨(dú)立的基因組編碼tRNA和電子傳遞鏈的13個(gè)亞基。由于經(jīng)常受到ROS的攻擊，線粒體DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)高度易于產(chǎn)生突變，且隨機(jī)突變貫穿終生。人類腫瘤中常見mtDNA的突變，如線粒體細(xì)胞色素氧化酶I點(diǎn)突變的胞質(zhì)雜交細(xì)胞系，腫瘤體積是對照野生型細(xì)胞的7倍，表明mtDNA突變參與腫瘤的發(fā)生與發(fā)展[1]。所以，腫瘤等老年性疾病的發(fā)生，與mtDNA的突變密切相關(guān)[6]。

脾虛證大鼠肝、心肌和骨骼肌均出現(xiàn)細(xì)胞色素C氧化酶水平降低，伴有mtDNA損壞和能量代謝水平障礙[7]。腎虛老年人外周血白細(xì)胞 mtDNA缺失率較無腎虛老年人明顯增高，線粒體呼吸鏈復(fù)合物I、IV活力則顯著降低。因此，mtDNA損傷可能是導(dǎo)致脾腎虧虛而致衰老的重要原因[8]。李東垣《脾胃論》曰：“元?dú)庵渥?，皆由脾胃之氣無所傷，而后能滋養(yǎng)元?dú)?。若胃氣之本弱，飲食自倍，則脾胃之氣既傷，而元?dú)庖嗖荒艹洌T病之所由生也。[9]”《景岳全書·積聚》云：“凡脾腎不足及虛弱失調(diào)之人，多有積聚之病。蓋脾虛則中焦不運(yùn)，腎虛則下焦不化，正氣不行則邪滯得以居之。若此輩者，無論其有形無形，但當(dāng)察其緩急，皆以正氣為主。[10]”基于此我們提出，線粒體損傷及其能量代謝障礙是正虛致癌發(fā)生機(jī)制之一，脾腎虧虛則是衰老生癌的主要臟腑病機(jī)[11-13]。

雖然mtDNA突變?yōu)樗ダ仙┨峁┝肆钊藵M意的解釋，然而由于線粒體的不斷融合、分裂和自噬，使功能異常的線粒體得以快速清除。因此，mtDNA突變必須達(dá)到相當(dāng)高的水平，才能引起能量代謝遷移。這些發(fā)現(xiàn)提示，線粒體突變是也僅僅是驅(qū)動(dòng)衰老過程中代謝遷移而致腫瘤發(fā)生的動(dòng)力之一[14]。

2 細(xì)胞核-線粒體通訊調(diào)控脾腎虧虛之能量代謝障礙

線粒體的能量代謝需要線粒體與細(xì)胞核的信息交流及兩套基因組的協(xié)同表達(dá)。哺乳動(dòng)物線粒體估計(jì)有1500種蛋白，mtDNA只編碼其中的13 種蛋白質(zhì)，其余的蛋白質(zhì)則由核基因組編碼，所以線粒體與細(xì)胞核之間的信號傳遞和基因之間的協(xié)同表達(dá)是線粒體功能調(diào)節(jié)的中心。

依照中醫(yī)學(xué)“取象比類”的思維模式，線粒體主導(dǎo)能量代謝的功能可以歸類到脾主運(yùn)化，而細(xì)胞核包含遺傳物質(zhì)為生命之本源，可與腎主藏精相類比。線粒體產(chǎn)生能量需賴細(xì)胞核基因組的轉(zhuǎn)錄，而其產(chǎn)生的ATP又是細(xì)胞核維持其功能的基礎(chǔ)。此即腎所藏先天之精及其化生的元?dú)?，需賴脾所運(yùn)化的水谷精氣不斷充養(yǎng)和培育；脾之運(yùn)化水谷精氣須經(jīng)腎之氣化。 如《景岳全書》所云：“是以水谷之海，本賴先天為之主，而精血之海又必賴后天為之資。[10]”

核基因與線粒體基因表達(dá)的協(xié)調(diào)依賴于轉(zhuǎn)錄因子，如核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1, NRF1)、NRF2、 線粒體轉(zhuǎn)錄因子 A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)、TFBM、 過氧化物體增殖活化受體 α、 雌激素相關(guān)受體α、 特異性蛋白質(zhì)1等。少量的核轉(zhuǎn)錄因子如何協(xié)調(diào)眾多胞核與線粒體呼吸蛋白的表達(dá)？輔活化因子如過氧化物酶體增殖物活化受體γ協(xié)同刺激因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1 α, PGC-1α)，通過廣泛地結(jié)合核受體和轉(zhuǎn)錄因子產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，調(diào)節(jié)與能量代謝有關(guān)的核基因與線粒體基因的轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成。PGC-1α在衰老人群及2型糖尿病病人的肌肉表達(dá)水平降低，其轉(zhuǎn)錄活化功能的失調(diào)是線粒體功能低下和衰老相關(guān)肌肉疾病的發(fā)病基礎(chǔ)[15]，提示細(xì)胞核-線粒體通訊功能障礙可能是脾腎虧虛能量代謝障礙的重要機(jī)制。

3 脾腎虧虛的假性缺氧狀態(tài)誘導(dǎo)能量代謝重編程

衰老過程中能量代謝重編程是腫瘤發(fā)生所必需的，然而其初始動(dòng)力是什么仍不清楚。稀有遺傳病為此提供了線索。von Hipple Lindau(VHL)病人主要在中樞神經(jīng)系統(tǒng)、視網(wǎng)膜、腎和胰腺產(chǎn)生腫瘤，該疾病由Vhl的突變引起。VHL能與特異啟動(dòng)子結(jié)合，屏蔽c-Myc與啟動(dòng)子隔離。VHL的缺失導(dǎo)致c-Myc依賴瓦博格樣OXpHOS-有氧糖酵解的遷移，在細(xì)胞生物能合成和腫瘤發(fā)生之間建立聯(lián)系，并誘發(fā)腫瘤干細(xì)胞的產(chǎn)生[16]。

Lkb1的突變引起Peutz-Jegher綜合征，Lkb1通過進(jìn)化過程保守的能量感應(yīng)因子腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine 5’-monophosphate-dependent kinase, AMPK)和雷帕霉素機(jī)制性靶標(biāo)(mechanistic target of rapamycin, mTOR)調(diào)節(jié)瓦博格效應(yīng)，導(dǎo)致胃腸道、胰腺、子宮、卵巢和乳腺腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)增加。AMPK激活劑二甲雙胍降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)，mTOR抑制劑能夠有效阻滯腫瘤。

在衰老的劇情中，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+)合成減少和消耗增多共同引起NAD+池降低。細(xì)胞核NAD+水平的下降減少VHL表達(dá)，VHL是能夠識別并泛素化HIF-1α的泛素連接酶，其水平下降使HIF-1α被蛋白酶體降解的水平降低，轉(zhuǎn)而穩(wěn)定化HIF-1α，誘導(dǎo)假性缺氧狀態(tài)，破壞胞核-線粒體通訊，產(chǎn)生衰老時(shí)線粒體功能障礙及瓦博格效應(yīng)[17]。

脾虛證HIF-1α表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)能量代謝向糖酵解遷移，有助于維持腫瘤干細(xì)胞的全能性和低分化狀態(tài)[7]。 腎虛模型可見HIF-1α上調(diào)，補(bǔ)腎溫陽化瘀方可有效降低HIF-1α，上調(diào)VHL表達(dá)[18]，提示脾腎虧虛可能與HIF-1α誘導(dǎo)的假性缺氧及繼發(fā)的以糖酵解為主的能量代謝重編程相關(guān)[7]。

4 Sirtuins家族成員是衰老-腫瘤進(jìn)程中的關(guān)鍵分子

衰老過程中，代謝衰退是因?yàn)殚L壽基因功能的丟失，難以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。長壽調(diào)節(jié)的核心因子是“sirtuins”，一個(gè)包含7個(gè)成員的NAD+依賴的賴氨酸去乙酰酶家族(Sirt1～7)。Sirtuins功能減退的原因之一是隨年齡日益降低NAD+水平，肥胖加速這一進(jìn)程，而CR和體育鍛煉則抑制NAD+水平的降低。

NAD+作為一個(gè)共底物被Sirtuins消耗，對蛋白進(jìn)行乙?；揎棧瑑?yōu)化線粒體功能和生物合成，如Sirt1消耗NAD+誘導(dǎo)pVHL，以保證HIF-1α能有效被降解，抑制HIF-1α誘導(dǎo)的瓦博格樣、假性缺氧狀態(tài)，而這是大多數(shù)衰老性疾病包括腫瘤、2型糖尿病和代謝綜合征等共同“分享”的代謝衰退表型。Sirt1-HIF-1α通過減少c-Myc調(diào)節(jié)的TFAM的轉(zhuǎn)錄，抑制線粒體OXpHOS基因功能。TFAM是線粒體DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和維持所需要的，低水平的TFAM會引起衰老相關(guān)NAD+下降，觸發(fā)OXpHOS功能障礙[19]。因此，NAD+-Sirt1-HIF-1α-OXpHOS通路通過損害線粒體穩(wěn)態(tài)，在癌前和腫瘤組織中促進(jìn)衰老-腫瘤生成進(jìn)程[19]。

位于線粒體的Sirt3敲除在體外引起染色體不穩(wěn)定并引起小鼠乳腺腫瘤發(fā)生，伴隨糖攝入增加ATP產(chǎn)生減少，一個(gè)類似于瓦博格效應(yīng)的代謝重編程。Sirt6敲除增加HIF-1α和c-Myc轉(zhuǎn)錄活性，并相應(yīng)上調(diào)糖酵解，增加基因組不穩(wěn)定，使正常小鼠的胚胎成纖維細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化，上述結(jié)果強(qiáng)化了這樣的概念：能量代謝的變化即使不足以誘導(dǎo)腫瘤，卻是誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生所必須[20]。

5 結(jié)語

細(xì)胞核和線粒體之間的通訊對于形成OXpHOS復(fù)合物是必需的。假性缺氧狀態(tài)打破非PGC1-α/β依賴的核-線粒體通訊，不但促進(jìn)衰老時(shí)線粒體功能衰退，還在正常細(xì)胞建立瓦博格樣重編程與腫瘤代謝物之間的聯(lián)系，導(dǎo)致脾腎虧虛。脾腎在能量代謝中榮則共榮，衰則共衰?！捌⑽钢セ?，尤賴腎中一點(diǎn)真陽蒸變，爐薪不熄，釜鼎方成也”[21]。 因此，先天(腎)和后天(脾)相互資生構(gòu)成了人體正氣的主要方面，脾腎虧虛是因虛生癌的主要臟腑病機(jī)。

NAD+作為一個(gè)氧化還原載體，有助于腫瘤細(xì)胞嚴(yán)重依賴的糖酵解，因此單純補(bǔ)充NAD+存在風(fēng)險(xiǎn)。我們近期的研究顯示，健脾中藥白術(shù)的成分白術(shù)內(nèi)酯1能夠通過激活Sirt1，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬減少APCmin/+小鼠腺瘤的發(fā)生。因此，補(bǔ)益脾腎能否通過激活衰老抑制因子如AMPK，拮抗mTOR衰老基因的活性，調(diào)控NAD+代謝和Sirt1活性，恢復(fù)衰老過程中細(xì)胞核-線粒體通訊，從而發(fā)揮抗衰老和抗腫瘤生成效應(yīng)，都值得進(jìn)一步的研究。