micro RNAs調(diào)控腫瘤有氧糖酵解的研究進展

王婷，潘雨佳，劉乃華，張覃宇，金家民

(桂林醫(yī)學院，廣西 桂林 541199)

0 引言

腫瘤作為致死率最高的疾病，與正常細胞不同，其特征表現(xiàn)為增殖快速，細胞能量代謝異常。1924年德國科學家Warburg發(fā)現(xiàn)即使在有氧條件下，癌細胞也傾向于通過糖酵解，而非氧化磷酸化(oxidativephosphorylation，OXPHOS)途徑，來產(chǎn)生更多能量，從而滿足自身旺盛的代謝需求，這種現(xiàn)象稱為有氧糖酵解或“Warburg效應(yīng)”。在糖酵解過程中，一些關(guān)鍵限速酶負責將葡萄糖轉(zhuǎn)化為乳酸，其中成員包括葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1(glucose transporters1，GLUT1)、己糖激酶2(hexokinase 2，HK2)、磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase，PFK)、乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase，LDHA)和丙酮酸脫氫酶(Pyruvatedehydrogenasekinase，PDK)等[1]。隨著細胞代謝過程中葡萄糖攝取和糖酵解速率的增加，這些關(guān)鍵酶在許多癌癥中表達水平升高。

miRNAs是一類長度在20-25個核苷酸、具有調(diào)控功能的保守的非編碼單鏈RNA。其常見作用方式一般為3種：①翻譯抑制：在哺乳動物中，通過堿基互補配對的方式，與靶基因的 mRNA 不完全互補結(jié)合，在蛋白質(zhì)翻譯水平抑制靶基因表達；②促進mRNA降解：與靶基因的 mRNA完全互補結(jié)合，切割靶基因mRNA，引起降解；③促進靶基因的 mRNA表達[2]。因此miRNAs具有在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控蛋白質(zhì)編碼基因表達的能力。報道顯示，miRNAs參與腫瘤細胞有氧糖酵解過程[3]。本文就miRNAs在腫瘤細胞有氧糖酵解過程中的調(diào)控方式作簡要論述。

1 miRNAs調(diào)控有氧糖酵解關(guān)鍵酶

癌細胞旺盛的生長和增殖，會導(dǎo)致線粒體功能受到抑制，環(huán)境中的氧氣減少，缺氧誘導(dǎo)因子HIF-1表達增多，引起糖代謝從氧化磷酸化向無氧糖酵解過渡，導(dǎo)致Warburg過程中代謝酶表達增加。首先，葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)負責將葡萄糖轉(zhuǎn)運入細胞內(nèi)；之后在己糖激酶(HK)、6-磷酸果糖-激酶-1(PFK-1)和丙酮酸激酶(PKM)三種限速酶作用下，葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸；乳酸脫氫酶A (LDHA)是Warburg的最后一步，催化丙酮酸生成乳酸；最后，單羧酸轉(zhuǎn)運體(MCT)將乳酸釋放到細胞外基質(zhì)中。此外，丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)通過抑制丙酮酸脫氫酶(PDH)，阻斷丙酮酸生成乙酰CoA[4]。

miRNAs參與調(diào)節(jié)Warburg效應(yīng)分為促進和抑制作用，其調(diào)節(jié)多種關(guān)鍵酶的表達，具體機制將分節(jié)介紹，總的歸納見圖1所示：

1.1 miRNAs靶向己糖激酶2(HK2)作用于糖酵解過程

己糖激酶(HKS)是葡萄糖代謝催化的第一個不可逆步驟。己糖激酶有4種亞型，目前研究報道最多的是HK2，其在多種類型腫瘤中高表達，參與腫瘤細胞的有氧糖酵解，是抑制腫瘤糖酵解的新靶點[5]。

在肝癌中，miR-199a靶向HK2 3’-UTR，抑制其表達，從而降低葡萄糖消耗和乳酸生成，抑制Warburg[6]；在結(jié)腸癌細胞中，過表達miR-4458靶向HK2，抑制癌細胞Warburg和乳酸產(chǎn)生[8]。miR-98靶向HK2，減少葡萄糖攝取、抑制乳酸產(chǎn)生和細胞增殖[9]；在乳腺癌細胞中，miR-155一方面上調(diào)轉(zhuǎn)錄激活因子STAT3，促進HK2的表達[10]。另一方面，miR-155靶向轉(zhuǎn)錄激活因子C/EBPβ，從而在轉(zhuǎn)錄后水平促進HK2的表達[11]；在前列腺癌和胃癌中，miR-181b通過靶向HK2，抑制細胞Warburg、增殖和遷移能力[12][13](見表1)。

1.2 miRNAs靶向磷酸果糖激酶(PFK)作用于糖酵解過程

研究表明，在乳腺癌中，miR-206靶向6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3(PFKFB3)mRNA的3’-UTR，降低PFKFB3的表達從而抑制糖酵解[14]。而且17β-雌二醇通過對ERα的調(diào)控，影響miR-206表達，從而抑制癌細胞的活力和遷移；已知PFK1的表達增加會促進糖酵解發(fā)生，胰腺癌中miR-135靶向PFK1，抑制細胞的有氧糖酵解能力[15]。miR-128直接靶向肺癌細胞中的PFK，miR-128的過表達降低了葡萄糖的攝取和乳酸的產(chǎn)生，以及細胞ATP含量的增加，即抑制了肺癌細胞糖酵解[16](見表2)。

表1 miRNAs靶向HK2調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

表2 miRNAs靶向PFK調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

1.3 miRNA通過丙酮酸激酶(PKM)作用于糖酵解過程

在哺乳動物中，PKM有四種亞型(PKL、PKR、PKM1和PKM2)，其中PKM2在Warburg效應(yīng)中起關(guān)鍵作用[17]the glycolytic pyruvate kinase isoenzyme M2 (PKM2，M2-PK。在肝癌中，miR-122靶向PKM2，抑制其轉(zhuǎn)錄，進一步抑制了癌細胞對葡萄糖的攝取，從而抑制糖酵解[18]。而過表達的miR-122-5p通過負調(diào)控PKM2促進腎癌細胞的細胞活力，增殖，遷移，糖酵解和自噬[19]。另外，在結(jié)腸癌中，miR-124、miR-137和miR-340通過調(diào)節(jié)PKM的表達，將磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸，從而抑制了有氧糖酵解，以及癌細胞的生長[20](見表3)。

1.4 miRNA通過乳酸脫氫酶A(LDHA)作用于有氧糖酵解過程

乳酸脫氫酶A(LDHA)可以將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，其在許多類型癌癥中高表達，參與調(diào)節(jié)腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移，作為癌癥的診斷標記物和靶點，具有重要的研究意義[21]。

在結(jié)腸癌細胞中，miR-34a、miR-34c、miR-369-3p、miR-374a和miR-4524a/b均可通過靶向LDHA，抑制有氧糖酵解[22]；在肝癌中，LDHA 3’-UTR也是miR-142-3p的靶點，過表達miR-142-3p可以抑制癌細胞的有氧糖酵解和細胞增殖；在卵巢癌[23]和肝細胞癌[24]中，過表達miR-383靶向LDHA，減少糖酵解從而抑制細胞增殖和侵襲；在胃癌組織中，高表達的miR-323A-3p可顯著降低LDHA的mRNA和蛋白表達水平，同時miR-323A-3p的過表達抑制了胃癌細胞乳酸的產(chǎn)生[25]；在乳腺癌細胞中，miR-30a-5p靶向LDHA 3‘-UTR，抑制其表達，降低細胞的葡萄糖攝取、乳酸生成、ATP生成和胞外酸化率(ECAR)，增加氧耗率(OCR)，從而抑制糖酵解，并誘導(dǎo)細胞將糖酵解方式轉(zhuǎn)換為線粒體呼吸[26]；在膀胱癌細胞中，miR-204-3p也可以與乳酸脫氫酶A(LDHA)的3‘-UTR結(jié)合，從而抑制LDHA的mRNA和蛋白表達，降低葡萄糖消耗和乳酸產(chǎn)生。對膀胱癌細胞的生長抑制和細胞凋亡起到促進作用[27](見表4)。

1.5 miRNAs通過其他因子或蛋白作用于糖酵解過程

除上述關(guān)鍵酶之外，丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)作為丙酮酸脫氫酶(PDH)的負性調(diào)節(jié)因子，減少線粒體中丙酮酸的氧化，在維持能量平衡方面起著關(guān)鍵作用[28]。miR-34a能夠抑制PDK1的表達，減少癌細胞糖酵解，增強線粒體氧化磷酸化[29]。

SLC2A3是一種廣泛表達的功能性葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白，可促進癌細胞的糖酵解。在前列腺癌細胞中，轉(zhuǎn)染miR-29c導(dǎo)致SLC2A3的表達下調(diào)，并降低前列腺癌細胞中的葡萄糖消耗和L-乳酸的產(chǎn)生[30]。

2 miRNAs調(diào)節(jié)與有氧糖酵解相關(guān)的信號通路

圖1 microRNAs調(diào)控Warburg效應(yīng)關(guān)鍵酶及相關(guān)信號通路

癌細胞的新陳代謝受到多種信號通路調(diào)節(jié)，例如，磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)/AKT、AMPK和缺氧途徑等參與了從氧化磷酸化(OXPHOS)到有氧糖酵解的轉(zhuǎn)變，直接或間接地影響參與葡萄糖代謝的酶活性。各信號通路之間形成了一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)癌細胞的糖代謝(見圖1)。

表3 miRNAs靶向PKM調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

表4 miRNAs靶向LDHA調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

2.1 miRNAs通過PI3K/Akt通路調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

AKT又稱蛋白激酶B(PKB)，是一種進化保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶。Akt激活后，細胞內(nèi)ATP含量增加。氧耗增加，而在Akt缺乏的細胞中則減少[31]。Akt介導(dǎo)的糖酵解有多種機制：(1)Akt增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白的表達和膜轉(zhuǎn)位[32]；(2)Akt影響HK的表達、活性和線粒體相互作用[32]；(3)Akt間接激活糖酵解過程中重要的限速酶：磷酸果糖激酶-1(PFK1)[33]。增強的PI3K/Akt信號增加了營養(yǎng)轉(zhuǎn)運蛋白的表達，使葡萄糖、氨基酸和其他營養(yǎng)物質(zhì)的攝取增加。

在膠質(zhì)瘤細胞中，miR-451靶向重組人鈣結(jié)合蛋白39(CAB39)，從而抑制PI3K/Akt信號通路，減少膠質(zhì)瘤細胞的葡萄糖攝取、乳酸產(chǎn)生和ATP水平，從而影響細胞的生長，增殖等生物學行為[34]；在膀胱癌細胞中，miR-21通過PI3K/AKT/mTOR通路調(diào)節(jié)GLUT1、GLUT3、LDHA等有氧糖酵解關(guān)鍵酶相關(guān)基因的表達，抑制糖酵解，進一步抑制癌細胞生長[35]；在胃癌中，miR-520a-3p通過調(diào)節(jié)AKT通路，抑制胃癌細胞的增殖和糖酵解[36]；在非小細胞肺癌細胞中，miR-124靶向AKT1/2-葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1/己糖激酶II，抑制癌細胞的增殖和糖酵解[37]。

2.2 miRNAs通過AMPK通路調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

AMPK調(diào)節(jié)細胞對葡萄糖的攝取，脂肪酸的β氧化，以及葡萄糖和線粒體的生物發(fā)生。激活A(yù)MPK會增加分解代謝ATP的生成過程，并抑制消耗ATP的生物合成過程。從代謝的角度來看，在轉(zhuǎn)化和未轉(zhuǎn)化的細胞中，AMPKα1的失活都有助于轉(zhuǎn)化為有氧糖酵解，并增加葡萄糖向脂質(zhì)的分布。而EBV-miR-BART1-5p通 過 靶 向AMPKα1，激 活A(yù)MPK/mTOR/HIF1通路，上調(diào)鼻咽癌細胞的糖酵解，誘導(dǎo)血管生成，最終促進鼻咽癌細胞的生長[38]；AMPK作為miR-101-3p的直接靶標，miR-101-3p通過靶向作用于AMPK抑制了三陰性乳腺癌細胞的葡萄糖代謝和增殖[39]。

2.3 miRNAs通過缺氧途徑調(diào)節(jié)癌細胞糖酵解

缺氧和Warburg效應(yīng)之間有密切的聯(lián)系。實體瘤遇到缺氧時，會激活HIF1轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體，低氧誘導(dǎo)因子-1α(HIF-1α)通過以下幾方面誘導(dǎo)Warburg效應(yīng)：(1)翻譯出有利于癌癥發(fā)生的蛋白，如通過升高GLUT1表達，提高葡萄糖的利用率和攝??；(2)糖酵解酶，加速從葡萄糖到丙酮酸的流動；(3)丙酮酸脫氫酶激酶1，抑制丙酮酸向乙酰輔酶A的轉(zhuǎn)化，減少丙酮酸氧化，抑制氧化磷酸化途徑產(chǎn)生的ATP；(4)過表達的HIF1會產(chǎn)生類似p53丟失的作用，導(dǎo)致糖酵解現(xiàn)象增強，促進血管生成，抑制癌細胞發(fā)生凋亡。

miRNAs則通過靶向HIF-1α調(diào)節(jié)有氧糖酵解，如在肝癌細胞中，miR-3662靶向HIF-1α，抑制癌細胞糖酵解和增殖[40]；在胃癌細胞中，過表達miR-186抑制HIF-1α表達，抑制葡萄糖攝取和乳酸生成[41]；在惡性黑色素瘤細胞中，miR-18b通過直接靶向HIF-1α，在體內(nèi)外抑制癌細胞的生長和糖酵解[42]。

3 結(jié)語

癌細胞為何偏向于使用低能效的有氧糖酵解供能，是一直以來困惑研究者的問題，根據(jù)目前研究進展，我們總結(jié)主要原因有4點：(1)雖然人為計算在氧化磷酸化途徑中，每單位葡萄糖可以產(chǎn)生36個ATP，而有氧糖酵解途徑只有2個ATP產(chǎn)生。但有氧糖酵解的葡萄糖代謝率較高，葡萄糖產(chǎn)生乳酸的速度比葡萄糖在線粒體中完全氧化快10-100倍。并且存在一種假設(shè)，即事實上，細胞內(nèi)酶動力學存在差異，導(dǎo)致葡萄糖無論被以任何一種形式代謝利用時，其在一定時間內(nèi)產(chǎn)生的ATP總量都是大致相似的；(2)為了確保ATP的持續(xù)供應(yīng)。由于腫瘤的生長速度過快，常規(guī)供氧途徑無法滿足其所需，而有氧糖酵解可以保障能量的持續(xù)供應(yīng)；(3)合成出癌細胞分裂所需的各種原料。有氧糖酵解各步驟中產(chǎn)生的各種脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核苷酸，中間代謝酶，被證明可以發(fā)揮各種生物學作用，如有氧糖酵解過程的果糖激酶PFKFB4能夠修飾蛋白質(zhì)。該酶可以作用于轉(zhuǎn)錄激活蛋白SRC-3，增加其轉(zhuǎn)錄活性，以及乳腺癌細胞增殖和轉(zhuǎn)移能力；(4)增強癌細胞侵襲性，葡萄糖消耗增加導(dǎo)致乳酸分泌增加，從而導(dǎo)致局部微環(huán)境酸化(即酸中毒)。由癌細胞分泌的H+離子表達水平升高，改變了細胞間質(zhì)環(huán)境，抑制免疫作用，增加了癌細胞侵襲性。

miRNAs在有氧糖酵解過程中發(fā)揮重要作用，其通過靶向有氧糖酵解途徑中關(guān)鍵酶基因的3’-UTR，降低其mRNA和蛋白表達水平，降低葡萄糖消耗，乳酸生成，ATP生成，同時增加氧耗率(OCR)，以此抑制糖酵解，促進有氧糖酵解轉(zhuǎn)為氧化磷酸化，從而抑制癌細胞有氧糖酵解，達到抗腫瘤策略。另外，miRNAs通過抑制葡萄糖消耗和乳酸產(chǎn)生，改善了細胞的酸化環(huán)境，增強免疫作用，抑制癌細胞遷移和侵襲能力。miRNA通過直接和間接調(diào)節(jié)與有氧糖酵解相關(guān)的基因來參與調(diào)節(jié)癌細胞的代謝。以上研究增強了我們對癌細胞糖代謝的理解，為臨床癌癥的治療提供新的思路和方向。