V-ATPase對腫瘤細胞糖酵解的影響

閆 娜 王金花

內蒙古醫科大學附屬人民醫院病理科，內蒙古呼和浩特 010010

運輸ATPase存在于真核生物和部分微生物體內，能夠水解ATP，釋放能量用于跨膜運輸蛋白質等，參與人體生命活動。他包含四種類型，即P型、V型、F型及ABC運輸蛋白。其中，V型ATPase，即液泡質子轉運ATP酶（vacuolar protontranslocating ATPase，V-ATPase），是細胞膜以及各種膜結構細胞器上的一種質子泵，負責向細胞外或者細胞器內輸送氫離子。V-ATPase參與多種物質的膜轉運和細胞內轉運過程，在細胞糖酵解中也起到很重要的作用。而腫瘤細胞，是利用糖酵解作為能量代謝的主要來源，獲得更高的糖分解能力，使得葡萄糖轉變為乳酸并產生ATP，這被稱為Warburg效應[1]。另外，在不同的腫瘤中發現了V-ATPase基因的差異表達模式[2]，侵襲性強的腫瘤細胞中也發現了V-ATPase的高表達[3]。

1 V-ATPase的結構和功能

V-ATPase由兩個結構域組成，即膜周邊結構域V1和膜整體結構域V0。當細胞外葡萄糖濃度下降時，V1、V0分解，V-ATPase失活，進而能夠防止能量消耗。這一能力使細胞能夠對能量狀態的變化作出快速反應。在細胞內V-ATPase的功能主要包括蛋白質的加工和分泌，內吞作用和囊泡運輸，而其最固有的功能是酸化細胞內區室的能力[4]。V-ATPase依賴性酸化在細胞中起重要的信號轉導作用，內體中V-ATPase的功能是提供所需的酸性環境以解離內化的配體-受體復合物。各種細胞類型的質膜上都存在V-ATPase，如腎間質細胞膜中的V-ATPase在腎酸化中起作用，巨噬細胞和中性粒細胞的質膜上的V-ATPase有助于在面對酸負荷時保持中性的細胞質pH[5]。在癌細胞膜上的V-ATPase可以為各種酶及其他物質的活性提供必要的酸性細胞外環境，亦可通過各種方式協助腫瘤發生及轉移。

2 V-ATPase對糖酵解途徑的影響

糖酵解是在缺氧條件下，將葡萄糖或糖原最終分解為乳酸，并產生少量ATP的過程，而V-ATPase又可通過多種途徑影響糖酵解。

2.1 通過HIF-1α信號傳導影響糖酵解

在細胞中，V-ATPase活性的變化可通過缺氧誘導型因子1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）影響下游糖酵解。V-ATPase活性喪失或抑制，破壞了溶酶體內PH穩定，損害了轉鐵蛋白受體介導的內吞作用，從而導致全細胞鐵缺乏，因此HIF-1α不能被羥基化，其降解被阻止，進而增加了HIF-1α蛋白的表達及其穩定性[6]。另外，V-ATPase的抑制會導致胞質酸中毒，通過誘導Von Hippel-Lindau（VHL）的核酸螯合來增加HIF-1α的表達[7]，從而使HIF-1α逃避降解。而HIF-1α的激活，一方面，正調控糖酵解的限速酶葡萄糖轉運蛋白1（Glucose Transporter-1，GLUT 1）的表達，這導致細胞攝取葡萄糖增加[8]；另一方面，還使糖酵解酶和乳酸脫氫酶的表達增加，并降低了檸檬酸代謝和氧化磷酸化[9]。但是，乳酸脫氫酶-A介導的乳酸發酵會產生其中所需的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)，從而促進糖酵解的發生，因此推動了Warburg效應。

2.2 通過蛋白質復合物影響糖酵解

2.2.1 AMPK復合物 在葡萄糖缺乏時，醛縮酶檢測到1，6-二磷酸果糖缺乏，進而改變與V-ATPase之間的相互作用[10]。而溶酶體內形成AMP依賴的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）復合物，包含V-ATPase、Ragulator、軸蛋白抑制蛋白（Axis Inhibition Protein，AXIN）、肝 激 酶B1（liver kinase B1，LKB1），以充當內體對接位點[11]，從而激活AMPK。而后，通過組蛋白去乙?；?（Histone Deacetylase，HDAC4）/肌細胞增強因子2（Myocyte Enhancer Factor，MEF2）軸和MEF2-GEF的相互作用調節GLUT4的表達，導致其啟動子上的組蛋白高度乙?；⒃黾覩LUT4轉錄，促進葡萄糖進入細胞，以及通過己糖激酶和磷酸果糖激酶2[12]的上調進行糖酵解[13]。同時AMPK的激活抑制下游絲氨酸/蘇氨酸激酶（serine-threonine protein kinase，AKT）、雷 帕 霉 素 靶 蛋 白（mammalian Target of Rapamycin，mTOR）以及HIF-1α表達，從而抑制糖酵解[14]。在腫瘤細胞和健康細胞中，V-ATPase抑制均在AMPK下游誘導了獨特的代謝級聯反應，從而影響ATP水平和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH）水平，以及影響葡萄糖攝取和活性氧的產生[15]。2.2.2 mTORC1復合物 在葡萄糖存在下，Rag GTPases（或稱Ragulator）以及溶酶體V-ATPase 將mTORC1吸引至溶酶體的表面，并與其相互作用形成V-ATPase-Ragulator-mTORC1復合物，進而激活mTORC1的活性[16]。而mTORC1抑制葡萄糖-6-磷酸脫氫酶，所以增多的葡萄糖通過磷酸戊糖途徑來引導進入糖酵解中，進而刺激細胞生長，并整合多種營養和能量信號以維持細胞穩態[17]。葡萄糖不足時，AXIN/LKB1可通過V-ATPase-Ragulator復合物激活AMPK，同時AXIN抑制Ragulator對鳥嘌呤核苷酸交換因子的活性，從而導致mTORC1與內體的解離和失活[18]。另外，mTOR的上調激活了HIF-1α，使代謝程序切換到有氧糖酵解。因此，在致癌信號轉導中，mTOR直接磷酸化下游效應因子，進而翻譯HIF-1α以促進糖酵解，最終導致腫瘤細胞的存活[19]。

綜上，V-ATPase活性的喪失或抑制會誘導糖酵解，以在低氧環境中存活，但無活性的V-ATPase無法處理糖酵解增加所致細胞酸中毒的后果，進而又會觸發細胞死亡。

3 V-ATPase參與腫瘤細胞發生發展及侵襲

Warburg效應是癌癥的標志，由于營養缺乏。氧化應激，缺氧，高水平無氧糖酵解和乳酸水平升高等多種因素影響，致使腫瘤組織中產生較高的酸負荷[20]。上調V-ATPase的表達，或者通過表達特定的V-ATPase亞基，并將泵定位到質膜上，有助于跨質膜的pH梯度的轉變。相反，當V-ATPase被抑制時，質子在細胞質中積累，從而導致酸中毒和細胞死亡。

腫瘤細胞對于V-ATPase抑制更為敏感。V-ATPase活性喪失或受到抑制時，一些糖酵解相關的致癌基因如HIF-1升高，導致細胞缺氧嚴重；另一方面，又會直接或通過激活AMPK間接抑制mTORC1信號，誘導細胞自噬并引起自噬體的積累，使腫瘤細胞生長停滯甚至凋亡[21]。而在腫瘤細胞侵襲過程中，V-ATPase可能是通過分泌活化組蛋白酶，直接降解基底膜和細胞外基質的成分[22]，或者與肌動蛋白相互作用并改變其肌動蛋白動力學，增強促遷移因子的運輸，改變離子通道電導以促進遷移。上述均表明特異性地靶向過度表達質膜V-ATPase的癌細胞，可以抑制癌細胞的侵襲[23]。

4 V-ATPase作為靶向治療藥物進展

有研究表明，巴非霉素A1能夠抑制多形性膠質母細胞瘤質膜上的V-ATPase，增加細胞外pH值并導致胞漿pH值降低，從而抑制腫瘤細胞生長[24]；ECDD-S27是一種天然芳基萘內酯型木脂素類糖苷，用其處理各種癌細胞后，V-ATPase活性被有效抑制，導致溶酶體酸化的喪失，從而抑制自噬途徑并抑制癌細胞的存活[25]；小分子天然產物Verucopeptin靶向V-ATPase的V1G亞基，有效的抑制V-ATPase的活力和mTORC1信號通路從而導致多重耐藥腫瘤細胞死亡，并揭示V-ATPase可以作為一個潛在的多重耐藥腫瘤治療靶點[26]。另外，抑制V-ATPase表達亦可抑制磷脂酰肌醇-3激酶（Phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/AKT/mTOR/HIF-1α信號通路，促進多藥耐藥細胞對抗腫瘤藥物的化學敏感性[27]。

腫瘤細胞能量的產生大部分依賴糖酵解功能，V-ATPase可以通過多種途徑調節HIF-1α、AMPK以及mTORC1的活性影響糖酵解，進而影響腫瘤的發生發展。侵襲及耐藥，甚至是凋亡。由此可知，了解V-ATPase的信息如何流向腫瘤細胞，并理清兩者之間的相互作用很重要。在癌癥治療中尤其如此。V-ATPase有可能意味著一種用于開發抗癌療法的特別有力的藥物靶標。而證據表明，V-ATPase抑制劑能夠靶向抑制腫瘤細胞中的V-ATPase，從而有效的抑制某些腫瘤的生長及侵襲。因此，V-ATPase可能是腫瘤新的關鍵靶向治療點，并有待進一步探索。