與病毒感染相關的糖酵解研究進展

王一娜 鄒銀萍 鄭義 譚鴻熙 林列坤 楊菊紅

中國科學院大學深圳醫院醫學遺傳與分子診斷中心（廣東深圳518106）

腫瘤細胞與正常細胞在葡萄糖代謝方式上差異很大，20 世紀20年代德國生物學家OTTO WAR?BURG 發現，正常細胞主要是通過氧化磷酸化代謝葡萄糖，為機體提供能量，只有在缺氧的情況下才會啟用糖酵解途徑，而腫瘤細胞無論是否有氧氣存在都主要依賴糖酵解進行代謝，大量消耗葡萄糖的同時并伴有乳酸的產生，快速提供ATP 以支持腫瘤細胞增殖，這一現象被稱為糖酵解或瓦博格（Warburg）效應。近10 余年來研究發現，病毒感染與腫瘤代謝過程類似，也會誘導有氧糖酵解的發生。病毒入侵機體后自身無法合成供能物質，主要依靠宿主細胞為其復制、繁殖提供能量及生物大分子，同時病毒也改變著宿主的代謝狀態，特別是糖代謝，許多糖酵解途徑的中間產物會顯著增加，病毒誘導糖酵解的發生機制具有病毒種類特異性［1］。許多病毒，例如腫瘤病毒，在潛伏感染期間會誘導有氧糖酵解和乳酸的產生，表明病毒誘導的糖酵解過程對腫瘤的發生具有潛在影響。本文分析了相關DNA 病毒、RNA 病毒感染機體后誘導糖酵解的具體機制，以期從代謝角度尋求新的抗病毒治療途徑。

1 病毒與Warburg 效應

與癌細胞代謝途徑相似，病毒感染的細胞糖酵解過程也顯著增加，許多病毒已被證明能夠激活并重新編程細胞新陳代謝，病毒及病毒編碼蛋白通過改變葡萄糖轉運蛋白的表達、糖酵解酶的活性以及調節參與葡萄糖代謝的關鍵信號分子來影響宿主細胞的代謝，并以類似的方式重新編程細胞的新陳代謝過程［2］。癌細胞和病毒感染細胞通常都存在一種特殊的代謝過程，稱為Warburg效應，盡管有充足的氧氣，但細胞會表現出糖酵解增加和細胞呼吸同時減少（盡管不是完全減少）的現象。相反，未感染病毒的細胞則會優先利用細胞呼吸而不是將糖酵解作為生成ATP 的主要途徑，谷氨酰胺分解在未感染病毒細胞中也是減少的。然而有一些未感染病毒的細胞也會優先利用Warburg 效應，例如內皮細胞和激活的免疫細胞（效應T 細胞、激活的巨噬細胞和樹突狀細胞），會轉變為類似Warburg 效應的代謝過程［3］。相關致瘤DNA 病毒，例如人乳頭狀瘤病毒、乙型肝炎病毒、人巨細胞病毒、單純皰疹病毒、愛潑斯坦?巴爾病毒和卡波西肉瘤相關皰疹病毒都能增加宿主細胞的糖酵解活性。一些RNA 病毒，如丙型肝炎病毒和人類免疫缺陷病毒也能增加糖酵解。

2 致瘤DNA 病毒

2.1 人乳頭狀瘤病毒人乳頭狀瘤病毒（human papillomavirus，HPV）感染是宮頸癌發病的一個根本原因，其中能夠引起宮頸癌和高度宮頸上皮內瘤變的稱為高危型人乳頭瘤病毒（HR?HPV），越來越多的證據表明，HPV 參與了宮頸癌細胞的代謝重編程。HR?HPV E6 通過與E6 相關蛋白（E6AP）形成復合物誘導p53 降解，從而阻斷p53 依賴性凋亡［4］。據報道，p53 增強了TP53 誘導的糖酵解和凋亡調節因子（TIGAR）的表達，HR?HPV E6 與p53 的相互作用是其調節代謝途徑的機制之一［5］，其中p53 直接抑制葡萄糖轉運蛋白1（lucose trans?porter 1，GLUT1）和GLUT4 的 轉 錄，間 接 抑 制GLUT3 的轉錄，HPV E6 誘導的p53 降解可能導致GLUT1 的過度表達，從而促進糖酵解過程。HPV?16 E6 通過與轉錄因子c?MYC 相互作用，可促進糖酵解控制的基因表達，如己糖激酶2（hexokinase II，HK2）、丙酮酸激酶亞型2（pyruvate kinase iso?form 2，PKM2）和葡萄糖轉運蛋白等；E6 還能通過磷酸肌醇依賴性激酶?1 和mTORC 通路激活雷帕霉素復合物1（mammalian target of the rapamycin complex 1，mTORC1）通路的哺乳動物靶點，誘導增加蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，也稱為AKT）活性，而mTORC1 信號級聯作為一種代謝傳感器，促進了對營養物和生長因子的利用，并導致低氧誘導因子1（hypoxia?inducible factor 1，HIF?1）的累積，該轉錄因子參與細胞適應性缺氧和其他低氧反應調節蛋白的表達，如GLUT1［6］。HIF?1 有兩個亞基，其中HIF?1α受氧濃度調節，與HIF?1β二聚化形成轉錄因子HIF?1，HIF?1 的表達增強了葡萄糖相關代謝基因的轉錄，并通過激活HIF?1α增強糖酵解、抑制氧化磷酸化，以誘導產生Warburg 效應。E7 癌蛋白可以通過調節HIF?1 影響糖酵解途徑，HPV E6 和E7 都能通過上調HIF?1α增加肺癌中GLUT1 的表達；HPV?16 的E5 癌蛋白可通過表皮生長因子及其受體（epidermal growth factor and its receptor，EGF?EGFR）間接調節Warburg 效應，E5 刺激EGFR 信號通路，維持細胞外信號調節激酶?1，2和AKT的長期活性，以增強EGFR 途徑促進糖酵解代謝過程［7］。除此之外，HPV?16 E6 還能夠防止林島綜合征抑癌基因對HIF?1 的相互作用和降解，從而誘導Warburg 效應［8］。

2.2 乙型肝炎病毒人類病毒特異性CD8+T 細胞的全部效應器功能依賴于線粒體能量供應和糖酵解，CD8+T 細胞是乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）清除的重要介質之一。在慢性HBV 感染中，關鍵的抗病毒CD8+T 細胞幾乎是缺失的，耗盡的特異性T 細胞表現出利用線粒體能量供應的能力受損，導致對糖酵解依賴增加。盡管糖酵解的能量效率較低，但它能快速地提供能量和代謝物來支持增殖和效應器功能T 細胞的新陳代謝變化，以滿足抗病毒反應所增加的能量需求。HBV 的CD8+T 細胞在T 細胞受體（TCR）刺激下，T 細胞顯著增加GLUT1 的表達，促進對葡萄糖的攝取，誘導糖酵解的增加；PI3K?AKT?mTOR 通路也進一步增加了由TCR 激活的T 細胞葡萄糖攝取，誘導有氧糖酵解［9］。HBV 感染在肝癌的發生發展中起重要作用，在隱匿性HBV 感染的情況下，HBV 也能保持其促腫瘤特性，連環蛋白β1（Catenin beta?1，CTNNB1）和p53 基因突變可能與HBV 感染患者發生肝癌有關。研究發現，糖酵解途徑的關鍵酶如HK2、PKM2、人果糖二磷酸醛縮酶A（Human Fruc?tose?Bisphosphate Aldolase A，ALDOA）被顯著上調，表明肝癌對葡萄糖代謝需求的增強，CTNNB1 突變腫瘤中富集的蛋白質與藥物代謝、糖酵解/糖異生、氨基酸代謝等各種代謝過程有關，在CTNNB1突變腫瘤中ALDOA 和烯醇酶?1 在內的關鍵代謝酶的磷酸化增加，這表明它們的磷酸化可能有助于CTNNB1 突變腫瘤的代謝重編程，也就是說CTNNB1 突變相關的ALDOA 磷酸化能促進肝癌細胞糖酵解代謝和細胞增殖，但確切的機制仍不清楚［10］。

2.3 皰疹病毒

2.3.1 人巨細胞病毒人巨細胞病毒（human cyto?megalovirus，HCMV）感染可引起葡萄糖和谷氨酰胺代謝的劇烈變化，HCMV 感染細胞有更高的糖酵解率，這很大程度上是由于GLUT4顯著誘導增加對葡萄糖的攝取。糖反應元件結合蛋白（carbohy?drate responsive element binding protein，ChREBP）是HCMV 感染過程中誘導代謝改變的關鍵調節因子，機體感染HCMV 后強烈誘導ChREBP?α和ChREBP?β的表達，顯著增加了GLUT2 和GLUT4 的表達，減少了成纖維細胞中GLUT1 的表達，這種向非優勢的高容量葡萄糖轉運體的轉變似乎對病毒感染機體起著重要作用，因為GLUT4的藥理抑制作用會降低病毒誘導的葡萄糖攝取，并極大影響病毒的產生［11］。GLUT4 表達的增加似乎依賴于HCMV誘導的AMP 活化蛋白激酶（AMPK）的激活，AMPK是一種主要的能量調節激酶，但這種誘導機制尚不清楚。此外，HCMV 感染細胞的乳酸排泄率增加，細胞內糖酵解中間產物也增加，這表明HCMV感染增加了糖酵解代謝和生物合成酶的生成，包括磷酸果糖激酶（PFK?1）、AMP 蛋白激酶（AMPK）和鈣離子/鈣調素依賴的蛋白激酶（CaMKK）［12］。HCMV 立即早期UL38 蛋白也與糖酵解激活有關，UL38 的表達是促進糖酵解激活和誘導特定氨基酸分解代謝的必要條件和充分條件，UL38 誘導代謝重編程依賴于它與結節性硬化癥蛋白復合物2（tuberous sclerosis protein complex 2，TSC2）的相互作用，TSC2 是一種抑制mTORC1 信號的腫瘤抑制因子，UL38 通過抑制TSC2 誘導的代謝重編程，從而激活mTORC1，但UL38 介導的各種代謝通量的激活在很大程度上獨立于mTOR［12-13］。mTOR 通過控制合成代謝和分解代謝過程之間的平衡來協調細胞的生長、增殖和新陳代謝，為機體適應內環境提供營養物質或生長因子，因此UL38 既可以促進葡萄糖代謝和糖酵解，也可以誘導mTORC1 激活，但UL38 促進糖酵解代謝似乎不依賴于mTOR 激活，這說明UL38 誘導糖酵解是依賴于它對TSC2的抑制作用，TSC2 具有不依賴于mTOR 的重要功能。

2.3.2 單純皰疹病毒單純皰疹病毒1 型（herpes simplex virus type 1，HSV?1）可通過與其他皰疹病毒（如HCMV）不同的機制誘導糖酵解，HSV?1 誘導的糖酵解不依賴于CaMKK，但HSV?1 感染在轉錄和翻譯水平都增加了PFK?1 的表達，這與HCMV感染相似［14］。HSV?1 增強PFK?1 的活性依賴于感染復數的增加，同時誘導增強PFK?1 活性似乎與多因素相關，需要絲氨酸殘基的磷酸化和PFK?1轉錄/翻譯的增加，這是皰疹病毒介導PFK?1 活化的新機制。HSV?1 通過增加PFK?1 的磷酸化和表達誘導感染細胞的糖酵解過程，同時HSV?1 誘導PFK?1 表達似乎是異構體依賴的，因為只有L 亞型PFK?1 的mRNA 是顯著增加的，這種特殊的PFK?1異構體表達增加與腫瘤的惡性程度和細胞中的糖酵解率呈正相關，表現出Warburg 效應［15］，也就是說HSV?1 感染是通過一種原始機制刺激PFK?1 的L 亞型，促進糖酵解過程。

單純皰疹病毒性角膜炎（herpes simplex kerati?tis，HSK）是一種因HSV?1 反復感染而發展起來的角膜慢性炎癥性疾病，隨著疾病進展，角膜中會形成缺氧微環境，而低氧條件有利于糖酵解過程，以滿足代謝活躍細胞的能量需求。α亞型HIF 蛋白的穩定是細胞缺氧的標志之一，α亞型有HIF?1α和HIF?2α兩種主要形式，缺氧時HIF?α亞型趨于穩定，并與HIF?1β蛋白絡合形成異源二聚體，后者轉移到細胞核以誘導一系列基因的表達，這些基因調控著糖酵解過程［16］。雖然HIF?1α和HIF?2α蛋白有48%的氨基酸序列同源性，但它們調節不同靶基因的轉錄。HIF?1α可以直接刺激糖酵解酶、葡萄糖轉運蛋白和乳酸轉運蛋白基因的表達，這表明HIF?1α在糖酵解代謝過程中起著重要作用。雖然HIF?2α不直接調節糖酵解基因的表達，但它可能通過增強c?MYC 的活性或其他促進糖酵解的因子間接達到類似的效果［16］。因此，HIF?1α和HIF?2α蛋白在HSK 病變中都是穩定的，糖酵解基因表達的增強可能是由HIF?α轉錄因子調節的。

2.3.3 愛潑斯坦?巴爾病毒愛潑斯坦?巴爾病毒（epstein?barr virus，EBV）是第一個發現編碼miR?NAs 的人類腫瘤病毒，EBV?miR?BART1?5P 是一種EBV?BARTS 編碼的miRNA，它能促進鼻咽癌的糖酵解和誘導血管生成，miRNAs 可以調節細胞能量代謝，但其基本機制仍不清楚［17］。miRNA?BARTS對鼻咽癌細胞中的病毒基因和細胞基因均有調控作用，EBV?miR?BART1?5P 在體內外均能顯著促進鼻咽癌細胞糖酵解，從機制上講，miR?BART1?5P直接靶向腺苷酸活化蛋白激酶α1 催化亞單位（AMPKα1），從而調節AMPK/mTOR/HIF1 通路，減少AMPKα1 的表達，增加mTOR 和HIF?1α的表達，從而促進糖酵解［18］，因此AMPKα1 是鼻咽癌EBV?miR?BART1?5P 的直接細胞靶點。抑癌基因PTEN的過度表達并沒有完全減弱BART1?5P 對葡萄糖代謝的影響，表明PTEN 不是影響葡萄糖代謝的獨立因素，EBV?miR?BART1?5P 可以通過PTEN 非依賴的方式誘導糖酵解過程［18］。

EBV 編碼的潛伏膜蛋白1（LMP1）具有很強的細胞信號轉導和致瘤作用，核因子κB（NF?κB）的激活是介導LMP1 許多下游轉化特性的主要信號通路。研究表明，LMP1 可促進細胞內糖酵解過程，并伴有mTORC1/NF?B 信號的激活和GLUT1 的表達。NF?κB 參與了LMP1 誘導GLUT1 轉錄的增加和鼻咽癌細胞的生長，LMP1 通過其關鍵信號域即C 端活化區2 和AKT/ERK/IκB 激酶信號軸誘導mTORC1 的激活，LMP1 激活mTORC1 是NF?κB信號轉導所必需的［19］，即LMP1 激活NF?κB 依賴于mTORC1，阻斷mTORC1 可有效抑制LMP1 誘導的NF?κB 活化和GLUT1 轉錄，干擾NF?κB 信號對mTORC1 活性無影響，但可有效改變GLUT1 轉錄，這說明GLUT1 是NF?κB 信號的直接靶基因。在LMP1表達細胞中，GLUT1的啟動子活性受到mTORC1和NF?κB 信號的影響，通過激活mTORC1 和NF?κB信號途徑可直接上調GLUT1 的轉錄，促進細胞有氧糖酵解。

2.3.4 卡波西肉瘤相關皰疹病毒卡波西肉瘤相關皰疹病毒（kaposi′s sarcoma associated herpesvi?rus，KSHV）主要在卡波西肉瘤細胞中處于潛伏狀態。在卡波西氏肉瘤的發展過程中，由于大量免疫細胞浸潤、細胞因子分泌及低氧狀態等造成了有利于病毒打破潛伏感染狀態并進入裂解復制的腫瘤微環境。研究發現潛伏性感染的內皮細胞耗氧量降低，糖酵解的第一個限速步驟HK2的表達增加，GLUT3 的表達也增加，而KSHV 誘導的糖酵解過程在人包皮成纖維細胞中卻沒有發生，提示KSHV 誘導糖酵解有一定的細胞類型特異性［20-21］。KSHV 可誘導增強內皮細胞HIF?1和HIF?2 的轉錄活性來促進糖酵解過程；同時潛伏基因也能誘導糖酵解，KSHV 表達來自12 個位點的大量microRNAs，過表達含有10 個miRNA 位點的區域足以誘導內皮細胞的糖酵解，這說明KSHV 進化到編碼潛伏期基因表達也能激活糖酵解過程［21］。

有不同研究表明，KSHV 抑制了轉化細胞中的有氧糖酵解和氧化磷酸化，GLUT1 和GLUT3 在KSHV 感染細胞中顯著下調，KSHV 通過抑制營養脅迫下的有氧糖酵解和氧化磷酸化來促進細胞存活和細胞轉化，具體地說，miRNA 簇和病毒FLICE抑制蛋白（vFLIP）都介導了KSHV 對代謝途徑的重新編程，KSHV microRNAs 和vFLIP 通過誘導活化B 細胞核因子κ?輕鏈增強子（NF?κB）減少GLUT1和GLUT3 的表達，進一步增強AKT 和NF?κB 信號，從而抑制糖酵解過程，也就是說過表達轉運蛋白在挽救糖酵解活性的同時，也會誘導細胞凋亡［22］。機制上，GLUT1和GLUT3抑制AKT和NF?κB促生存通路的組成性激活，由葡萄糖轉運蛋白施加的AKT/NF?κB/miRNA 途徑的負反饋環被vFLIP 和κ簇破壞［22］。值得注意的是，GLUT1 和GLUT3 在KSHV感染細胞中的表達顯著減少，進而最大限度地激活AKT/NF?κB 存活途徑，從而增強細胞存活和細胞轉化，這揭示了致癌病毒調節關鍵代謝途徑以適應腫瘤微環境應激的新機制，微調代謝途徑對于維持癌細胞的增殖和存活具有重要作用，特別是在應激條件下。對于以上兩種不同研究結果，究竟是由于不同的細胞類型還是由于細胞轉化狀態造成的，目前尚未得出結論。

3 RNA 病毒

3.1 丙型肝炎病毒丙型肝炎病毒（hepatitis C vi?rus，HCV）感染后早期下調線粒體氧化磷酸化復合物核心亞單位的表達，線粒體丙酮酸脫氫酶（PDH）、檸檬酸循環和氧化磷酸化進一步減少了下游代謝物的消耗，但并未完全消除，仍然允許足夠的ATP 產生，通過有氧糖酵解過程，為癌細胞生長提供更多的合成代謝產物［23］。HCV 感染的細胞中，HIF?1α和原癌基因c?MYC 的表達水平均顯著增高，進而誘導糖酵解關鍵酶的表達，如葡萄糖激酶（GK）、磷酸果糖激酶?1（PFK?1）和丙酮酸激酶（PK），它們共同通過糖酵解過程控制代謝物的通量，HK2 則是通過與HCV 非結構蛋白NS5A相互作用而增強表達［23-24］。在有足夠氨基酸水平的情況下，生長激素誘導激活HCV 的PI3K?AKT?mTOR 通路的哺乳動物靶標，促進糖酵解過程；microRNAs（miRNAs）也有助于糖酵解酶的上調，HIF?1α mRNA 是microRNA?199a（miR? 199a）的直接靶標，miR?199a 本身與HCV RNA 基因組結合，由于miR?199a 在細胞中不是很豐富，在感染細胞中復制的數千個HCV 基因組隔離了miR?199a，從而將其從HIF?1α 3′UTR 中提取出來，導致HIF?1α的上調；而PKM2 mRNA 是miR?122 的直接靶點，該microRNA 結合到HCV 基因組中的5 ～6 個位點（取決于基因型），即使在肝細胞中存在數萬個miR?122 分子，但HCV 也在相當大的程度上隔離miR?122［25?26］。

3.2 人類免疫缺陷病毒CD4+T 細胞是適應性免疫系統的重要組成部分，也是人類免疫缺陷病毒1型（human immuno ?deficiency virus type 1，HIV?1）感染的主要目標，已知HIV?1 能感染活化的CD4+T細胞，但不易感染靜息型CD4+T 細胞。在TCR 刺激和共刺激的代謝轉換下，靜息到激活狀態的效應CD4+T 細胞需增加生物合成和能量供應來支持細胞的生長、增殖和效應分子的表達，促進AKT、PI3K、mTOR 和細胞外信號調節激酶之間進行信號傳導，從而導致營養轉運蛋白在細胞膜上的表達和靶向性增加，此外，MYC 增強的轉錄過程可確保在CD4+T 細胞活化時協調代謝酶和營養轉運蛋白的表達［27］。

由于GLUT1 誘導增加葡萄糖轉運，導致CD4+T細胞的激活與糖酵解代謝的上調表現出一致性，HIV?1 感染的T 細胞誘導了糖酵解，導致HK1 的表達增加，并很顯著地增加己糖激酶活性，而這與HK2 的表達增加無關，HK1 的增加依賴于病毒的復制，但與HIV?1 輔助基因Vpu、Vpr、Vif 和Nef 的表達無關［27］。有不同研究表明，HIV?1 感染的外周血單個核細胞中HK1 表達增加，恰好與己糖激酶活性降低和由HIV?1 Vpr 穩定轉導的U936 衍生巨噬細胞中HK1 上調的報道形成對比，但這些差異的原因目前尚不清楚，可能與HIV?1 對T 細胞和巨噬細胞兩種不同細胞類型的特異性代謝機制有關［28］。轉錄抑制因子Bcl?6 是免疫系統各種類型細胞發育所必需的，與糖酵解途徑中編碼分子的許多基因位點相關，包括由PKM 和HK2 編碼的限速酶，糖酵解過程受到Bcl?6 的嚴格控制，Bcl?6 可以抑制編碼T 細胞糖酵解過程中重要分子的基因，這是一種轉錄后調節葡萄糖代謝的細胞內信號通路，但目前還不清楚Bcl?6 是調節哪些額外的基因通路促進不同T 細胞群體的功能特征［29］。

4 討論

隨著研究病毒如何調節宿主細胞新陳代謝的機制不斷深入，可以看到許多病毒已經進化到能針對地作用于特定代謝酶及其調節機制，這些與代謝重編程之間的相互作用對病毒成功感染機體起著至關重要的作用，然而該領域正處于闡明病毒調節特定代謝活動的機制，并確定它們如何促進成功感染的最早階段及病毒蛋白是如何調節與細胞生長相關的宿主細胞信號通路。解決這些問題將進一步加深對宿主?病原體相互作用的理解，有助于理解病毒誘導的代謝重編程及其致癌的機制，并確定治療干預的新靶點。