缺氧誘導因子（HIF—1α）、M2型丙酮酸激酶（PK—M2）在腫瘤細胞中的研究進展

張楠 偰光華 廉卿 樸鶴云

【中途分類號】R473.73 【文章標識碼】A 【文章編號】1004-7484（2014）02-0500-02

缺氧誘導因子-1α（HIF-1α）是一個缺氧條件下穩定，在正常氧分壓時通過泛素-蛋白體酶系統水解的蛋白質。國內目前尚缺乏HIF因子與PKM2在腫瘤細胞中的表達以及相互關系的研究報道。本文擬就HIF因子與PKM2之間存在的聯系以及可能存在的幾種分子通路的研究進展作一介紹。

1 缺氧引導因子（HIF）的結構、功能及調節

缺氧是腫瘤普遍存在的現象，由于腫瘤的快速生長以及血供相對不足導致其微環境處于相對乏氧狀態，此時腫瘤細胞可表現出向周圍組織浸潤生長、轉移等生物學特性。而缺氧誘導因子HIF在這些過程中起著中樞紐帶的作用，它通過反式激活作用于缺氧反應元件HRE，激活下游靶基因的表達，改變組織的血管生成和代謝變化來維持氧的穩態，對腫瘤組織還參與其發生、發展和轉移。生化研究表明，HIF-1是一個異源二聚體，由120-KDa HIF-1α亞基和91-94 KDa的HIF-1β/ARNT亞基組成，兩亞基均屬bHLH -PAS家族的成員。其中α亞基還包括HIF-2α和HIF-3α兩種成員，但在組成異源二聚體時只有一種α亞基與β亞基結合。α亞基及β亞基具有以下共同特點：1）具有基本的螺旋-環-螺旋（bHLH）結構域，介導二聚體形成；2）具有PAS區域，與bHLH共同構成一個蛋白/蛋白二聚體功能界面；3）C末端有兩個反式激活結構即N-TAD和C-TAD，對反式激活起調節作用。其中在N-TAD中含有一約200個氨基酸結構，是降解作用部位及降解必需結構，稱為氧依賴的降解結構域。氧分壓是調節HIF-1α的主要生理性因素，一般認為缺氧依賴的HIF-1α激活是一個多步驟和多因子參與的過程。缺氧時HIF-1α降解被抑制，在細胞內積聚，HIF-1α與HIF-1β（ARNT）形成一個復合體。該復合體通過HIF-1α與基因組的調控元件結合，促進靶基因表達。而在正常氧分壓時，抑癌基因von Hipple-Lindau（VHL）的蛋白產物pVHL則直接引導HIF-1α多聚泛素化，被28S蛋白酶體降解而滅活。

缺氧誘導因子HIF-1α作為一個缺氧誘導基因的關鍵轉錄調控因子，與腫瘤的生長密切相關，參與調控腫瘤血管生成、糖代謝等多種靶基因的轉錄。免疫組織化學研究表明許多惡性腫瘤組織均異常表達HIF-1α，且與血管生成促進因子（VEGF）、葡萄糖轉運因子（Glut）、己糖激酶Ⅱ等因子的表達呈正相關，包括胃癌、鼻咽癌、前列腺癌等。蔣奕等人在缺氧條件下，通過合成小干擾RNA（siRNA）轉染腺癌細胞系BxPC-3從而沉默HIF-1amRNA，發現HIF-1α因子及丙酮酸激酶1（PK-1）、乳酸脫氫酶A（LDH-A）的表達均顯著下降，并促進檸檬酸合成酶（CS）的表達，從而抑制腫瘤細胞的糖酵解代謝。亦有大量免疫組織化學的研究表明，膽管癌細胞中高度表達HIF-1α，而VEGF、Glut-1、乙酰肝素酶亦呈高表達，與HIF-1α因子的表達呈正相關。

2 PKM2的結構、功能及調節

丙酮酸激酶（PK）是糖酵解途徑中的一個關鍵酶。由兩種同源基因所編碼，并由于組織選擇性的特異性，LR型、R型、M1型、M2型四種同工型，通常均以四聚體的活性形式存在，胚胎和未分化或增生的組織主要表達M2型。研究表明，在惡性腫瘤組織中在ATP、1，6-二磷酸果糖，絲氨酸以及不同的癌蛋白之間的相互作用下，腫瘤細胞中M2-PK從四聚體向二聚體轉變，即使在血供極差以及供氧不足時仍能進行，有助于腫瘤細胞大量增生。因此在腫瘤細胞中，M2-PK通常以無活性的二聚體形式占據主要地位。美國學者孔（Kung）等研究發現PK-M2的活性提高后腫瘤生長受到抑制；而通過對AGX-257作用前后進行對比發現，活性低的PK-M2無法將糖酵解途徑中的中間體全部轉化為丙酮酸，導致這些中間體合成絲氨酸進入氨基酸代謝途徑，從而促進了腫瘤的生長。因此腫瘤型M2-PK正受到越來越多的重視。近年來，在消化道腫瘤中均發現M2-PK較正常組織差異顯著，并有學者認為M2-PK可作為消化道腫瘤的一種新的腫瘤標志物。M2-PK的兩種存在狀態強活性四聚體以及低活化二聚體，兩者之間的比例不是固定不變的，而是受到其底物、糖代謝中間產物、癌蛋白等的影響。癌基因蛋白pp60v-src就是第一種發現的可影響M2-PK的癌基因，pp60v-src激酶可使M2-PK的酪氨酸殘基磷酸化從而影響M2-PK的活化狀態。糖酵解中間產物1，6-2磷酸果糖和活化劑絲氨酸可催化二聚體M2-PK向四聚體M2-PK轉化，從而有利于能量的再生，而當1，6-2磷酸果糖下降到最小信號水平以下時，四聚體分解成無活性的二聚體。絲氨酸是有糖酵解的中間產物3-磷酸甘油和谷氨酰胺化的中間產物谷氨酸合成的，借糖酵解和谷氨酰胺化兩種途徑進行調控。

3 HIF-1α、M2-PK與膽管癌的關系

HIF-1α通過結合或者活化靶基因上低氧反應元件所包含的共同結合位點5-RCGTG-3，從而在腫瘤發展過程中發揮作用。低氧誘導的上百種靶基因以HIF-l依賴的方式編碼蛋白，這些蛋白在腫瘤生物學的各個方面發揮重要作用，包括血管生成、細胞存活、能量代謝、侵襲和轉移等。在缺氧狀態下，腫瘤中的一些功能缺失的基因通過參與氧傳遞機制上調HIF-1α的表達以及HIF-1信號通路的活化。如在VHL相關的腫瘤中，VHL的功能缺失能夠抑制HIF-1α的泛素化降解，從而使HIF-1α蛋白含量增高；p53或腫瘤抑制蛋白磷酸酶及張力蛋白同系物（PTEN）的功能缺失均能導致HIF-1的活性增強。此外，細胞內一些主要信號轉導通路的異常也能上調HIF-1α的表達。研究發現：腫瘤細胞中碎片基因-絲裂原活化蛋白激酶（Ras-MAPK），類固醇激酶共活化子（Src），磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶（蛋白激酶B）-雷帕霉素靶蛋白[PI3K-AKT（PKB）-mTOR]信號通路的活化能提高HIF-1α的表達，過表達胞外信號調節激酶1（ERK1）能顯著提高HIF-1的活性，pp60v-Src的活化能提高HIF-1α蛋白的合成。徐蓮等人在前列腺癌細胞中通過LY294002抑制Akt的磷酸化從而使氯化鈷模擬缺氧狀態下HIF-1α的表達下降，說明HIF-1α通過Akt通路影響腫瘤細胞的糖代謝。而何桂鈞等人在食管癌細胞株中通過Wortmannin阻斷PI3K/AKT途徑，然后檢測HIF因子及基因，糖酵解相關因子如己糖激酶（HK）-Ⅱ、葡萄糖載體蛋白（GLUT）-1、乳酸脫氫酶（LDH）-A及其基因后，發現常氧及缺氧條件下，Wortmannin能通過抑制食管癌細胞HIF-1a和糖酵解相關基因的表達導致乳酸水平降低，表明P13K/AKT—HIF-la途徑與食管癌細胞糖酵解通路密切相關。在缺氧狀態下，HIF-1可誘導ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01等相關糖酵解因子的表達。在低氧細胞中.HIF-1結合位點，和ALDA、LDHA、PGKl、PYM、PFKl、EN01這些酶的啟動子轉錄激活時被暴露，HIF-1通過激活這些位點來激活這些酶基因.從而誘導糖醇解酶的合成.促進糖酵解的進行。另外大部分糖酵解相關基因，如Gltu-1基因5端增強子存在27bp的缺氧相關元件（HRE）、PGK1基因5側翼的序列上有18bp的HRE，這些存在于糖酵解基因中片段極易與HIF-1結合，從而啟動轉錄。Daniel等人研究發現，PK-M2與HIF-1α關系密切，兩者共同促進腫瘤細胞能量的供應。

4 結語

綜上所述，HIF-1α在腫瘤糖酵解中扮演十分重要的作用，HIF-1α可通過多種分子通路，如Ras-MAPK、Src、PI3K-AKT（PKB）-mTOR等誘導多種糖酵解因子的轉錄及活化。而PK-M2作為近年來計較重要的糖酵解關鍵酶也逐漸引起人們的重視，但HIF-1α與PK-M2之間的關系有待進一步深入研究。亦有研究指出，通過阻斷HIF-1α與糖酵解相關因子的聯系可抑制腫瘤的生長，因此亦寄希望研究清楚HIF-1α與PK-M2是否存在一種或多種分子通路，找到兩者之間的特異性靶點，通過分子技術阻斷此靶點，從而抑制腫瘤的糖代謝，誘導腫瘤細胞的凋亡。