PKM2在腫瘤代謝及進展中的作用

李玉環　綜述，孫國平，李　俊　審校

丙酮酸激酶(pyruvate kinase, PK)是葡萄糖代謝的關鍵酶之一，其催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，同時產生腺嘌呤核苷三磷酸。在哺乳動物細胞中，PK由PKLR和PKM兩種基因編碼，共產生四種亞型，分別是PKL、PKR、M1型丙酮酸激酶 (pyruvate kinase M1，PKM1)和PKM2[1]。PKL和PKR來源于基因PKLR，PKLR基因在組織特異性啟動子的作用下表達于不同的組織細胞內，其中PKR表達于紅細胞，PKL表達于肝臟;PKM1和PKM2來自于同一基因PKM，PKM基因轉錄生成的mRNA在剪切因子的作用下可以形成含外顯子9的PKM1或含外顯子10的PKM2。PKM1主要表達在骨骼肌和腦組織中，PKM2主要表在于代謝旺盛的胚胎組織以及腫瘤組織，在胚胎逐漸發育成熟的過程中，PKM2的逐漸消失。細胞發生惡變時，無論其惡變前為何種組織來源，PKM2的表達重新升高甚至取代原先的PK形式，因此PKM2也被稱作為腫瘤特異性PK[2]。

1　PKM2的二聚體及四聚體狀態

PKM2有二聚體和四聚體兩種主要狀態，其中PKM2的二聚體狀態具有較低的PK活性，腫瘤細胞中該酶的主要以二聚體狀態存在，這種狀態的PKM2一方面與核酸和氨基酸等營養物質的合成密切相關，另一方面二聚體的PKM2可以進入細胞核作為轉錄因子激活腫瘤生長相關基因。當PKM2處于四聚體狀態時,與其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有較高的親和力，因此擁有較高的PK活性，催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸進而產生能量。二聚體狀態的PKM2與四聚體狀態的PKM2的比值決定了細胞內的丙酮酸是參于核酸、蛋白的合成還是參與能量代謝過程，當二聚體與四聚體比值升高時說明此時細胞主要以物質合成為主，反之以產能為主[3]。

2　PKM2的調節

2.1代謝中間產物1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diphosphate, FBP)是葡萄糖代謝的中間產物之一，從上世紀六十年代開始，FBP就被認為是PKM2的激活劑。研究[4]顯示FBP可與PKM2可逆性結合并穩定PKM2的四聚體狀態因此促進其PK活性，當細胞內的葡萄糖濃度增高時，FBP的濃度隨之升高，PKM2大部分處于高活性的四聚體狀態。

2.2磷酸化PKM2是一種磷酸化酶，其酪氨酸殘基Y105磷酸化現象已經在人類的多種實體腫瘤中被發現。PKM2的酪氨酸殘基Y83、Y105、Y148、Y175、Y370、Y390可被成纖維細胞生長因子受體1直接磷酸化，磷酸化的PKM2與FBP結合減少進而抑制了PKM2四聚體形式的存在，降低其PK活性。有報道[5]顯示TRIM35(tripartite motif containing 35)可與PKM2直接結合抑制PKM2 Y105磷酸化，進而升高酶活性。Jun氨基末端激酶1磷酸化PKM2 蘇氨酸殘基Thr365抑制酶活性[6]。

2.3乙?；阴；荘KM2另外一種翻譯前修飾方式，其能降低PKM2的酶活性，增加糖酵解中間產物，支持生物合成。P300乙酰轉移酶催化PKM2的K433乙酰化，乙?；腜KM2與FBP親和力降低，PKM2四聚體形式減少，活性降低[7]。

2.4蛋白質間相互作用PKM2的活性也受許多與之接觸的蛋白質調節，結合位點與作用機制各有不同。黏液素1、死亡相關蛋白與PKM2結合可提高酶活性促進糖酵解；雜交雙酵母技術研究[8]顯示PIAS3(protein inhibitor of activated STATA3)通過羧基端與PKM2相結合來調節酶活性；組蛋白去甲基化酶JMJD5、L-半胱氨酸與PKM2結合可降低酶活性[9-10];5-氨基-4-琥珀酸甲酰胺咪唑核糖核苷酸通過直接接觸變構調節激活PKM2[11]。絲氨酸作為PKM2的天然配體可有效激活PKM2[12]。

2.5轉錄調節和選擇性剪接PKM基因的剪接因子包括PTB、hnRNPAI、hnRNPA2三種異質性核糖蛋白，其通過結合外顯子9，釋放外顯子10來促進PKM2的表達同時抑制PKM1的表達，NIMA相關蛋白激酶2可以通過與hnRNPAI/A2結合來促進外顯子10的釋放，進一步增加PKM2的表達[13]。

2.6miRNA越來越多的研究[14]顯示PKM2的表達與非編碼RNA家族中的miRNA相關，其中miRNA是一類短鏈的非編碼RNA，其靶向作用于mRNA來影響蛋白質的合成因此在基因的調控中起重要作用。研究[15]顯示，miRNA-326與PKM2的3’UTR端有兩個結合位點，在膠質瘤細胞中轉染miRNA-326后PKM2的表達水平降低,因此證明miRNA-326抑制PKM2的表達。在腸癌細胞中miRNA-let-7a通過下調PKM2的表達來抑制腸癌的增殖、侵襲、遷移[16]。類似的有：miRNA-133a、miRNA-133b、miRNA-122、miRNA-338-3P也可降低PKM2的表達水平。miRNA-124、miRNA-137、miRNA-340靶向作用于剪接因子PTB、hnRNPAI、hnRNPA2促使PKM mRNA的表達由PKM2轉向PKM1，PKM2的表達量減少。

3　PKM2與腫瘤的關系

糖代謝異常是腫瘤細胞的一大重要特征。絕大多數正常細胞在氧供應正常時都是通過線粒體有氧氧化將葡萄糖徹底氧化成二氧化碳和水，只有在氧氣缺乏時才會進行糖酵解產生乳酸，而腫瘤細胞無論氧氣存在與否都主要通過糖酵解進行能量代謝，這就是著名的Warburg效應。PKM2作為糖酵解途徑的關鍵酶之一，已經在多種腫瘤細胞中被發現高表達，例如直腸癌、乳癌、肺癌、肝癌、胃癌、腎癌等。其表達與腫瘤細胞糖攝取增多、乳酸生成增多以及耗氧量減少密切相關。

一方面PKM2可以在細胞質中發揮PK活性促進糖酵解中間產物積累利于腫瘤細胞合成需要，另一方面其也可以通過其C-端的核定位信號在白介素-3、生長激素抑制劑類似物TT-232、過氧化物、紫外線輻射等因素下由細胞質轉移到細胞核內以二聚體的形式發揮蛋白激酶活性作用于細胞核內的多種轉錄因子進而影響多種信號通路促進腫瘤的發展。微陣列實驗已經證明，PKM2是一種具有多效性的蛋白激酶，其可以使人體大約一百種以上的蛋白質發生磷酸化。近年來有研究[17]顯示腫瘤表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF)也能夠誘導PKM2進入細胞核，入核的PKM2對EGF誘導的β-連環素(β-catenin)信號通路對細胞生長產生非常重要的作用。表皮生長因子受體被EGF激活后促使下游細胞因子非受體酪氨酸激酶C-SRC進入細胞核磷酸化β-catenin的第333位酪氨酸，由于PKM2可以與磷酸化的酪氨酸結合，因此可以和β-catenin形成復合體與CCND1啟動子區域結合磷酸化組蛋白H3，磷酸化后的組蛋白H3與組蛋白脫乙?；?分離，使得組蛋白H3的第九位酪氨酸乙?；?，進而促進細胞增殖重要的細胞因子周期素D(CycinD1)的表達。PKM2也可通過影響β-catenin調控靶基因C-MYC，C-MYC又可發過來促進PKM2的基因轉錄及hnRNA的剪切[18]。除了可以通過調節CycinD1的表達影響G1-S轉化外，PKM2還可調節有絲的方式,其能夠調節有絲分裂蛋白Bub3的207位酪氨酸，促進Bub3-Bub1復合物的形成，Bub3-Bub1復合物進一步作用于外著絲粒蛋白Blinkin,促使其與配體Bub結合因而精確調節染色體分離以及細胞增殖[19]。Gao et al[20]通過研究證實細胞核內的PKM2能夠使信號傳導因子及轉錄活化因子3第705位酪氨酸磷酸化，進一步促進:磷酸化絲裂原活化蛋白激酶激酶5 (mitogen activated protein kinase kinase 5，MEK5)的轉錄，MEK5對腫瘤細胞的生長起促進作用。Li et al[21]的研究證實PKM2通過磷酸化轉錄活化因子3導致腸癌患者對吉西他濱耐藥。也有文獻[22]報道顯示PKM2可以使蛋白激酶B底物1的第202/203位絲氨酸促進其與14-3-3 結合激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白敏感型復合體1(mechanistic target of rapamycin complex 1,mTORC1)信號通路促進腫瘤生長。PKM2可以直接磷酸化細胞外信號調節激酶1/2(ERK1/2)，促進腫瘤生長[23]。研究[24]顯示PKM2能直接結合低氧誘導因子1-α的活性結構域促進下游血管內皮生長因子的表達激活。去乙?；?可以使細胞核內PKM2第433位賴氨酸脫乙酰化促使其轉出細胞核進而抑制肝癌[25]。綜上所述，一方面PKM2在細胞漿內作為PK促進腫瘤細胞無氧糖酵解的來滿足腫瘤生長所必需的物質需求;另一方面細胞核內的PKM2又作為一種重要的轉錄因子促進β-catenin、C-MYC、CycinD1、MEK5、mTORC1的表達以及ERK1/2的磷酸化，而這些基因的表達又會從另一方面對腫瘤的生長起促進作用。

4　診斷治療

PKM2在腫瘤細胞的代謝以及進展過程中發揮著非常重要作用，是腫瘤診斷治療極具希望的靶點之一。有研究[26]顯示在應用鉑類藥物化療的非小細胞肺癌患者體內PKM2的含量越高，其腫瘤無進展生存期、總生存期、疾病控制率越低，PKM2可以作為非小細胞肺癌患者鉑類藥物化療敏感性的指標。由于PKM2在多種腫瘤中表達增多，所以有理由相信降低PKM2的活性的藥物能夠靶向治療腫瘤。事實上，已經有PKM2抑制劑被設計出來并有證據證明其對癌癥生長和存活有抑制作用。研究[27]表明紫草醌可能通過抑制PKM2活性引起細胞死亡來起到抗癌活性，關于PKM2抑制劑的臨床試驗已經在進行之中。盡管如此，近來也有研究[28]顯示激活PKM2基因也能夠抑制腫瘤發展。但無論怎樣，進一步研究PKM2在癌細胞中的作用，深入挖掘其具體作用機制是該領域最具有挑戰性的任務。

5　展望

細胞代謝的重新編程為腫瘤細胞在低氧、物質需求量急劇增大的環境下提供了特殊的生長優勢。PKM2，糖酵解途徑的最后一個限速酶，在腫瘤細胞代謝重新編程中發揮了不可忽視的作用。雖然近十幾年來已經對PKM2在腫瘤細胞中的調節和功能有了多層次的了解，但關于其通過具體何種機制進入細胞核以及在細胞核內作為轉錄共刺激因子參與各種信號通路的機制仍需進一步研究。在充分整合好PKM2的代謝功能和非代謝功能，清晰地掌握其在體內的作用和機制的前提下，努力研發針對PKM2相關的靶向藥物，必將推動腫瘤治療走向新臺階。