腫瘤細胞能量代謝特點及其研究進展

李其響，張 配，劉 浩

(蚌埠醫學院藥學院，安徽 蚌埠 233030)

腫瘤細胞能量代謝特點及其研究進展

李其響，張 配，劉 浩

(蚌埠醫學院藥學院，安徽 蚌埠 233030)

腫瘤細胞能量代謝依賴于糖酵解和氧化磷酸化，腫瘤細胞由于其生長迅速，常常出現葡萄糖等營養物質攝取增多、糖酵解增加等現象。近年來，針對腫瘤細胞能量代謝的研究受到了廣泛的關注。該文總結了腫瘤細胞能量代謝過程中所需要的營養物質、調控網絡以及治療靶點，為后續研究和臨床治療提供重要參考。

腫瘤細胞；能量代謝；營養物質；調控網絡；治療靶點；瓦博格效應

能量代謝是指有機體在物質代謝過程中能量的產生、釋放、轉換及利用的過程。細胞的能量主要來源于葡萄糖的轉化。正常細胞主要以葡萄糖的有氧氧化作為供能方式，而腫瘤細胞的能量代謝特點則明顯有別于正常細胞，即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細胞仍以糖酵解作為主要的產能方式，這就是瓦博格效應[1]。雖然糖酵解產能效率低，但它能為腫瘤細胞快速提供ATP，還能提供許多大分子物質，滿足快速增殖的腫瘤細胞對于能量和物質的需求。雖然腫瘤細胞偏好于利用糖酵解作為主要的產能方式，但是線粒體氧化磷酸化為一種高效的產能方式，在氧氣充足情況下，腫瘤細胞依然會以氧化磷酸化為能量供應的主要方式，只是不同腫瘤細胞糖酵解和氧化磷酸化產生的ATP比例不同[2]。本文著重對腫瘤細胞能量代謝所需要的營養物質、調控網絡以及治療靶點進行總結，為靶向能量代謝治療腫瘤的基礎研究和臨床治療提供參考。

1 腫瘤細胞能量代謝所需的營養物質

1.1葡萄糖葡萄糖是自然界分布最廣且最重要的一種單糖，其在生命活動中不可缺少，并在人體內能直接參與新陳代謝。血液中的葡萄糖含量豐富，是腫瘤細胞最主要的能量來源。葡萄糖進入細胞主要依賴葡萄糖轉運蛋白(glucose transporters, GLUTs)的參與，而在眾多的轉運蛋白中，以GLUT1發揮的作用最為重要[3]。葡萄糖進入細胞后，首先經己糖激酶(hexokinase, HK)催化生成6-磷酸葡萄糖，后經磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase-1, PFK-1)、丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)、乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)等催化，進行糖酵解和有氧氧化等過程來產生能量，供給腫瘤細胞的生長增殖過程。

1.2谷氨酰胺谷氨酰胺是細胞增殖過程中重要的營養物質之一，它的氨基氮是己糖胺和核酸生物合成的必需底物。同時，谷氨酰胺也能經過三羧酸循環來產生能量。Lai等[4]證實，在晚期癌癥病人血液中谷氨酰胺水平有所升高。在有氧條件下，腫瘤細胞可將糖酵解產生的丙酮酸作為三羧酸循環最重要的代償底物來產生能量。在缺氧細胞或者缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α)被激活的細胞中，谷氨酰胺能充當脂肪酸合成的底物[5]。另外，谷氨酰胺對于谷胱甘肽的合成是極其重要的，谷胱甘肽是腫瘤細胞中主要的抗氧化劑，維持腫瘤細胞的氧化還原平衡和氧化應激[6]。

1.3乳酸大多數腫瘤細胞在缺氧的環境下都能產生乳酸，而大量的乳酸使腫瘤細胞處于酸性環境中，這可能與病人體內腫瘤細胞的遠處器官轉移和較短的總體生存期具有相關性。腫瘤細胞通常利用乳酸作為生長增殖和線粒體代謝的物質，并可生成丙氨酸和谷氨酰胺[7]。缺氧的癌細胞產生的乳酸可通過單羧酸轉運蛋白(monocarboxylate transporters, MCTs)轉運到氧供充足的癌細胞內被利用。因此，阻斷乳酸的轉運或可成為腫瘤治療一種可能的方法。

1.4丙酮酸丙酮酸是糖酵解途徑的終產物，在缺氧條件下，可被LDH催化成乳酸。氧供應充足條件下，可被丙酮酸脫氫酶催化生成乙酰輔酶A，而后乙酰輔酶A與草酰乙酸縮合形成檸檬酸，進入三羧酸循環供能，檸檬酸也可通過細胞質中ATP檸檬酸裂解酶的作用，為脂肪從頭合成、乙?；磻?、酮體合成等的原料。丙酮酸能促進線粒體氧消耗并增強其儲備呼吸能力，線粒體代謝的增加與細胞體增殖和侵襲性相關[8]。因此，根據丙酮酸在ATP生成和生物合成反應中的重要作用，有望成為抗腫瘤治療的另一關鍵點。

1.5酮體酮體包括丙酮、β-羥基丁酸和乙酰乙酸，后兩者為腫瘤細胞的分解代謝底物。缺氧和營養物質應激可增加細胞對醋酸鹽和酮體的依賴，β-羥基丁酸酯和乙酰乙酸在自噬或自消化的細胞中產生，自噬和自消化主要發生于腫瘤細胞中[9]。在人體血漿中，β-羥基丁酸和乙酰乙酸的含量是醋酸鹽的數十倍，這些都為腫瘤的發生發展提供了重要的物質基礎。但腫瘤細胞以酮體為靶向的治療尚需進一步研究。

1.6脂肪酸脂肪酸是腫瘤細胞分解代謝途徑的底物，每摩爾脂肪酸氧化產生的ATP是每摩爾葡萄糖氧化磷酸化生成ATP的2.5倍。所以，即使在營養充足的情況下，腫瘤細胞也會選擇脂肪酸氧化作為細胞生長的主要能量來源方式。脂肪酸氧化在葡萄糖缺乏的癌細胞觸發的代謝應激過程中有重要作用，腫瘤細胞通常從周圍的微環境中攝取脂肪酸[10]。這說明脂肪酸可作為腫瘤細胞的能量供應物質。

2 腫瘤細胞能量代謝的調控網絡

2.1HIF-1αHIF-1是在缺氧時誘導產生的一類核轉錄因子，由α亞基和β亞基構成的異源二聚體。β亞基主要表達在細胞核內，不受氧濃度的影響；α亞基主要存在細胞質中，其活性隨氧濃度的變化而改變。HIF-1α作為活性亞基和功能亞基，通過轉錄調控低氧反應基因及其下游靶基因的表達，并可增強GLUTs的表達和多種糖酵解酶的活性，如HKⅡ、丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1, PDK1)、丙酮酸激酶2(pyruvate kinase 2, PKM2)等[11]。

2.2K-RasRas基因是首個被鑒定的人類原癌基因，主要調節細胞的分化增殖，并具有GTP酶活性。K-Ras、H-Ras和N-Ras是Ras家族中與人類腫瘤發生相關的3個成員。Ras蛋白與GTP結合并處于活性狀態Ras-GTP時，能調控細胞周期、促進細胞的增殖，同時還具有調控細胞分化、血管生成等作用。原癌基因Ras的突變是導致腫瘤發生的另一重要因素，大部分突變發生于K-Ras基因，Ras突變使 Ras-GTP 持續在較高水平，導致細胞過度增殖。K-Ras的突變能導致線粒體功能失調，促使腫瘤細胞從氧化磷酸化轉換到糖酵解；也可增加GLUT1的表達以及葡萄糖的攝取，并增強糖酵解和乳酸生成[12]。

2.3p53p53是目前研究最廣泛的抑癌基因之一，野生型的p53能參與修復損傷的DNA、細胞周期調控、細胞凋亡、抑制血管生成等過程。p53基因的突變使得這些功能喪失，從而促進腫瘤的形成。p53能通過調節GLUTs和糖酵解酶來抑制細胞糖酵解：直接抑制GLUT1和GLUT4的表達；并可間接下調GLUT3[13]。而且，p53可調控葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PD)的活性和PI3K-Akt-mTOR途徑來調節葡萄糖代謝。抑制 PI3K/Akt/GSK-3β通路可激活p53信號通路，促進結腸癌細胞的凋亡[14]。

2.4AMPK腺苷磷酸激活蛋白激酶(adenosine phosphate activates protein kinase, AMPK)是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由α-催化亞基、β-調節亞基和γ-調節亞基組成的異源三聚體復合物，能夠感受細胞的能量代謝變化，調節細胞的葡萄糖、脂肪酸代謝等過程。AMPK作為真核細胞的能量傳感器，可以檢測ATP產生和消耗之間的平衡[15]。一旦發生能量應激反應，AMPK將使代謝過程從消耗ATP的合成代謝狀態改變為產生ATP的分解代謝，同時AMPK能抑制mTOR依賴性mRNA翻譯來減弱蛋白質合成，包括HIF-1α和糖酵解過程需要的酶和轉運體的表達[16]。

2.5c-MycMyc基因家族是一種核蛋白類的原癌基因，它編碼的產物可與核內DNA特異性結合，對細胞核內信息的傳遞起著重要作用。c-Myc作為Myc基因家族的一員，能參與控制細胞的增殖、分化和凋亡。c-Myc可上調GLUT1和相關糖酵解酶的表達，增加葡萄糖攝取和糖酵解過程。

2.6PI3K-Akt-mTOR通路PI3K-Akt-mTOR是參與癌癥發生發展的主要信號通路，其在調節有氧糖酵解和腫瘤生長過程中具有關鍵的作用。許多酪氨酸激酶受體(tyrosine kinase receptors, RTKs)如表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)、血小板衍生生長因子受體(platelet-derived growth factor receptor, PDGFR)能激活細胞膜表面的PI3K，然后使信號級聯放大。PI3K被激活后，Akt將被募集到細胞膜并被激活。mTOR是PI3K-Akt下游的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在腫瘤發生發展和能量代謝方面發揮關鍵作用。

2.7Wnt信號通路Wnt信號通路與細胞的分化密切相關，在機體內調控參與細胞增殖、分化、遷移和凋亡的多種相關基因的表達，因其啟動蛋白為Wnt蛋白而得名。Wnt信號通路的開啟和關閉直接控制著大量與生長和代謝相關的基因表達水平，同時，這一信號通路通過與其它信號通路(如PI3K、RTK等)相互作用，間接影響這些信號通路下游的基因表達。因此，Wnt信號通路參與了多種生物學過程的調控，包括胚胎的生長和形態發育、組織的穩定以及能量代謝的平衡。Wnt信號能通過PDK1調節糖酵解和血管生成，干擾結腸癌細胞中的Wnt信號能減少糖酵解代謝和抑制腫瘤細胞生長[17]。

3 腫瘤細胞能量代謝的治療靶點

3.1GLUTsGLUTs能將葡萄糖轉運到腫瘤細胞內，經過糖酵解或者有氧氧化為細胞提供生長增殖所需的能量。葡萄糖轉運蛋白家族共有14個亞型，其中GLUT1發揮著較為重要的作用，也是目前研究的熱點。根皮素、STF-31和WZB117均能抑制GLUT1的活性[18]。抑制GLUT1能減弱糖酵解作用，并明顯降低腫瘤細胞存活率和ATP水平。因此，GLUT1有望成為抗腫瘤的治療靶點。

3.2己糖激酶Ⅱ(HKⅡ) HKs 是糖酵解過程的第1個限速酶，其4種亞型(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)在正常細胞中通常低表達，而在多種腫瘤細胞中呈現高表達，靶向作用HKⅡ能有效抑制腫瘤細胞生長[19]。一些小分子化合物，如2-脫氧葡萄糖(2-deoxyglucose, 2-DG)、3-溴丙酮酸(3-bromopyruvate, 3-BrPA)、氯尼達明、FV-429均能抑制HK Ⅱ的活性，且被研究證實具有較好的抗腫瘤作用[18]。

3.3丙酮酸激酶(PK) PK是糖酵解途徑最后一步反應的催化酶，能將磷酸烯醇式丙酮酸催化生成丙酮酸和ATP，也是瓦博格效應和腫瘤代謝的主要調控因素之一。PKM1和PKM2是其主要的2種亞型，是轉錄過程中由前體mRNA選擇性剪切的產物。研究表明[20]，PKM2在多種腫瘤細胞中表達是上調的，且能夠促進腫瘤的發生發展。因此，抑制PKM2的活性有利于腫瘤治療，但PKM2作為糖酵解中重要的代謝酶，低活性的PKM2會促進癌細胞增殖過程中必需中間產物的積累，有利于腫瘤細胞的生長增殖。盡管抑制 PKM2活性能夠抑制癌細胞增殖這一觀點得到了實驗證實 ，但在體內實驗中，用具有組成型活性的 PKM1 代替PKM2后，減少了糖酵解中間產物的積累，可以大大降低癌細胞的增殖[20]。因此，具體在何種情況下增強或者抑制PKM2的活性能抑制腫瘤的生長，仍需進一步研究。

3.4乳酸脫氫酶A(LDHA) LDH是糖酵解過程最后一步反應的催化酶，能夠將丙酮酸轉化為乳酸。LDH有5種同工酶，其中LDHA與腫瘤的發生最為密切，也與腫瘤的侵襲和預后相關。c-Myc 上調LDHA 基因的表達，使得腫瘤細胞進行高效有氧糖酵解，并可促進腫瘤的生長[21]。而LDHA 的高表達在人乳腺癌細胞對曲妥珠單抗和紫杉醇的耐藥中起重要作用，下調LDHA 的表達可增加耐藥細胞株對這兩個抗癌藥物的敏感性[22]。目前已發現的 LDH 抑制劑環聚乳酸鹽、草氨酸鹽、棉酚等均有一定的抗腫瘤效應。抑制LDHA活性或可成為抗腫瘤治療一大可行的策略。

3.5單羧酸轉運蛋白(MCTs) MCTs是廣泛分布在哺乳動物細胞膜上的一類跨膜轉運蛋白。MCTs家族共包含14位成員，均由SLC16A基因家族編碼，其主要通過調控乳酸、丙酮酸、脂肪酸等一元羧酸類物質的跨膜轉運來發揮其生物學功能。在惡性腫瘤的發生和發展過程中，MCTs主要通過參與調控腫瘤細胞能量代謝和腫瘤微環境酸堿度兩方面，來影響腫瘤細胞的生物學行為。MCTs 既能將細胞糖酵解代謝產生的乳酸排出胞外，又能將細胞外的乳酸攝入胞內以補充糖酵解底物；同時，MCTs通過介導乳酸等的跨膜轉運來保持腫瘤微環境處于弱酸化狀態[23]。因此，抑制MCTs會達到抑制乳酸代謝的效果，從而增強抗腫瘤的免疫反應，降低腫瘤細胞的遷移能力。綜上，靶向MCTs有望成為腫瘤靶向治療的可行措施。

3.6谷氨酰胺酶(glutaminase,GLS) GLS是谷氨酰胺分解的限速酶，與腫瘤的生長增殖、血管的形成有重要關系，增加谷氨酰胺可刺激腫瘤細胞的生長。谷氨酰胺進入細胞后，在GLS的作用下水解生成谷氨酸和氨，谷氨酸能轉變成α-酮戊二酸進入三羧酸循環，為細胞提供能量和代謝產物。GLS拮抗劑阿西維辛能有效抑制GLS的活性，抑制腫瘤細胞的生長，并用于治療急性淋巴白血病[24]。CB-839是一種新型強效選擇性GLS抑制劑，能有效抑制腫瘤細胞的生長和存活[25]。

4 問題與展望

研究腫瘤能量代謝的最終目標是為腫瘤的臨床治療提供思路和方法，盡管目前對于腫瘤細胞的能量來源和能量代謝的調控網絡仍存在許多未知，單一或同時抑制腫瘤細胞的能量來源或生物合成途徑可能并不能在體能達到足夠的抗腫瘤效果，但通過靶向腫瘤能量代謝來干預腫瘤的發生發展和臨床治療已取得一些不錯的成果，如靶向抑制GLUTs、HKⅡ、PK、LDHA、MCTs等能降低腫瘤細胞的糖酵解產能，抑制腫瘤的生長增殖。相信在不久的將來，靶向腫瘤細胞能量代謝的治療方案將會在腫瘤治療領域占據重要地位。

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Characteristicsandprogressofenergymetabolismoftumorcells

LI Qi-xiang, ZHANG Pei, LIU Hao

(SchoolofPharmacy,BengbuMedicalCollege,BengbuAnhui233030,China)

Tumor cell energy metabolism is dependent on glycolysis and oxidative phosphorylation. Tumor cells, because of its rapid growth, often show increased intake of glucose and other nutrients, increased glycolysis and so on. In recent years, the study on energy metabolism of tumor cells has

extensive attention. This paper summarizes the required nutrients, regulatory networks and therapeutic targets in the energy metabolism of tumor cells, and provides important reference for future research and clinical treatment.

tumor cells; energy metabolism; nutrients; regulatory networks; therapeutic targets; Warburg effect

A

1001-1978(2017)11-1499-04

R-05；R329.24；R333.6；R343；R730.25

時間：2017-10-10 10:05 網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20171010.1005.012.html

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.11.006

2017-06-03,

2017-07-05

國家自然科學基金資助項目(No 81372899,81603155)；安徽省教育廳重大項目(No KJ2016SD39)；安徽省國際合作交流項目(No 1503062024)；安徽省自然科學青年基金項目(No 1708085QH212)

李其響(1993-)，男，碩士生，研究方向：生化藥理學，E-mail:915082607@qq.com； 劉 浩(1979-)，男，博士，教授，碩士生導師，研究方向：生化藥理學，通訊作者，E-mail:liuhao6886@foxmail.com