糖酵解關鍵酶及其靶向藥物在癌癥中的作用研究進展

李吉平 岳麗玲 張 微

癌癥居高不下的發生率嚴重影響人們的正常生活。目前，對癌癥發生、發展中易感基因的研究使其早期篩查和治療開拓了新的思路，但癌癥的早期診斷及控制晚期轉移仍是迫切需要解決的關鍵問題。癌癥的發生、發展是腫瘤細胞內遺傳以及表觀遺傳信息改變的結果。目前，BRCA1、BRCA2、PTEN、TP53等易感基因的發現使乳腺癌、胰腺癌、肺癌、肝癌等癌癥的精準治療和預后優化取得了很大進展。但各類癌癥發生率仍然居高不下且難以痊愈，因此需要發現更多預判標準和治療靶點。糖酵解異常活躍是腫瘤細胞的重要特征，研究其作用關鍵酶及相關信號通路機制，揭示其在腫瘤發生、發展中的重要作用，為癌癥早期診治提供新的思路，開發新的有效的治療靶點也是一項具有挑戰性的任務。

一、有氧糖酵解途徑

腫瘤細胞與正常細胞在糖代謝方面存在很大的差異，正常細胞主要通過氧化磷酸化代謝葡萄糖，只有在缺氧或無氧條件下才會啟動糖酵解途徑，在整個糖代謝過程中僅產生少量能量。而腫瘤細胞即使在氧氣充足的條件下，仍進行高無氧糖酵解過程，這種獨特的糖代謝方式稱為有氧糖酵解，也稱“Warburg效應”。腫瘤細胞產生這種效應的目的是為維持其氧化還原狀態，滿足其快速增殖所需的能量和營養物質。

糖酵解途徑是葡萄糖在無氧或缺氧條件下，經酶催化降解的一系列過程。主要過程為葡萄糖在葡萄糖轉運蛋白(glucose transporters,GLUTs)的輔助下透過細胞膜進入細胞質基質，通過己糖激酶(HKs)磷酸化為不能透膜的葡萄糖-6-磷酸。葡萄糖-6-磷酸經過磷酸果糖激酶(PFKs)和丙酮酸激酶(PKs) 等一系列酶催化作用轉化為丙酮酸。此時的丙酮酸在有氧情況下，經過丙酮酸脫氫酶(PDHs)催化變成乙酰輔酶A(CoA)進入三羧酸循環，無氧條件下經過乳酸脫氫酶(LDHAs)作用轉化為乳酸。目前研究發現，用于滿足腫瘤細胞異常增殖所需的生物高分子可通過糖酵解中間代謝產物合成，從而減少線粒體活性氧(ROS)生成,抑制ROS 的細胞毒性以抵抗凋亡；而代謝最終產物乳酸形成的酸性微環境更有利于腫瘤細胞的生長、浸潤和轉移。

二、葡萄糖轉運蛋白

葡萄糖無法自主透過細胞膜脂質雙分子層結構，細胞對葡萄糖的攝取需依賴于葡萄糖轉運蛋白的跨膜轉運功能才能實現。根據GLUTs的氨基酸同源性，分為14種異構體，根據其序列分為3類(表1)。GLUTs家族具有相似的跨膜結構和高度保守的跨膜結構域，參與葡萄糖與其他己糖處理的關鍵步驟，包括攝取、分布、代謝和修復。GLUTs成員在底物選擇性、組織表達以及亞細胞定位方面存在差異，表現在對葡萄糖、果糖、半乳糖等糖類親和性的不同，一類GLUTs對葡萄糖有高度的選擇性，二類GLUTs對葡萄糖和果糖均具有一定親和力，而三類GLUTs 的選擇性尚不太明確。目前研究發現，GLUT1的表達失調與腫瘤發生和多種代謝性疾病有關。在結腸癌細胞中，lncRNA AWPPH和GLUT1表達水平明顯上調，通過抑制GLUT1表達可使lncRNA AWPPH表達下調，從而抑制結腸癌細胞增殖。對胃癌標本中GLUT1表達水平進行定量分析發現，其腫瘤直徑、浸潤程度以及Lauren分類均與GLUT1表達相關，且與胃癌的預后不良有關，預示著GLUT1可作為胃癌腸道類型的代謝標志物。對538例胰腺癌樣本研究發現，GLUT1與腫瘤直徑和淋巴結轉移存在密切聯系，其高表達預示胰腺癌患者的總生存期縮短。此外，研究證實，GLUT3在乳腺癌、肺癌、肝癌、膀胱癌等惡性腫瘤中出現異常表達的現象。由此可見，有必要進行GLUTs靶向治療，抑制腫瘤細胞增殖作用。

三、糖酵解關鍵酶

1.己糖激酶：葡萄糖進入細胞內，在己糖激酶(HKs)催化作用下，磷酸化為不能透膜的葡萄糖-6-磷酸，此過程是糖酵解途徑的第1個不可逆的限速步驟。目前已發現存在于哺乳動物中5種己糖激酶類型，分別為HK1、HK2、HK3、GCK、HKDC1。HK1主要分布于腦內，HK2主要分布于心臟、肌肉、脂肪和骨骼，HK3主要分布于骨髓、肺和脾臟，GCK參與調節胰腺胰島素分泌，調控肝臟糖原攝取、合成和分解，而HKDC1是與HK1基因首尾相連的人己糖激酶樣基因。其中，HK2在正常肝組織中很少表達，但在肝癌、前列腺癌、腎癌、乳腺癌、骨肉瘤、肺癌等中均有高表達。HK2在在腫瘤細胞中具有雙重作用，一方面，誘導糖酵解，且糖酵解水平與HK2的表達和活性呈正相關。另一方面，在線粒體的外膜中與電壓依賴性陰離子通道(VDAC)結合抑制細胞凋亡。因此，靶向抑制HK2對治療癌癥具有重要的臨床意義。

2.磷酸果糖激酶(PFKs)：葡萄糖-6-磷酸經過磷酸果糖激酶1(PFK1)催化作用生成果糖- 1,6 二磷酸，此反應為糖酵解過程第2個不可逆限速步驟。磷酸果糖激酶分為3個亞性，即血小板型(PFKP)、肌肉型(PFKM)和肝型(PFKL)。PFKs是糖酵解3個限速酶中催化效率最低的梅，也是最重要的限速酶。研究證實，抑制PKF1表達，上調NADPH表達可增強腫瘤細胞活性。

3.丙酮酸激酶(PKs)：丙酮酸激酶是糖酵解中第3個限速酶，催化醇式丙酮酸轉變為丙酮酸。已在哺乳動物中發現4種同工酶，包括PKL、PKR、PKM1、PKM2。有研究提示，PKM2可能是由于IGF-IR激活，介導NF-κB信號通路，參與腫瘤血管生成，促進細胞增殖、遷移和黏附。

4.乳酸脫氫酶(LDHs)：乳酸脫氫酶是乳酸生成的關鍵酶，包括LDHA、LDHB、LDHC 3 種亞基，常見的5種同工酶有LDH1、LDH2、LDH3、LDH4、LDH5。已發現LDHA在多種腫瘤細胞中表達，利用RNA干擾技術對其進行處理后，腫瘤細胞增殖速度明顯降低。預示著LDHA有可能成為癌癥治療的有效靶點之一。除此之外，丙酮酸脫氫酶激酶(PDK)、3-磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)、烯醇酶(Enolase)、磷酸甘油酸變位酶(PGAM)、磷酸甘油酸激酶1(PGK1)也是糖代謝和糖異生途徑中必不可少的代謝酶。

四、腫瘤中糖酵解相關通路

初步研究發現，PGAM1基因表達沉默后，降低了葡萄糖消耗量和乳酸產量，激活PTEN表達，而PTEN是Akt/mTOR信號通路的負調控蛋白，因此認為PGAM1可能通過激活Akt/mTOR信號通路誘導腫瘤細胞凋亡；HK1表達下調的細胞中，p-AMPK和p-p38 MAPK 蛋白水平升高，導致AMPK/p38 MAPK 通路的擴增；HK2高表達通過調控p53和SCO信號通路，增加糖酵解代謝。敲除三陰性乳腺癌中RUNX2基因，可抑制LDHA、HK2 和GLUT1 表達，促進乳腺癌發展，進一步研究發現，RUNX可抑制PIK/Akt/mTOR信號通路中SIRT6基因表達，影響pAkt、HK2 和PDHK1 糖酵解蛋白表達水平，介導腫瘤的發展。Snail作為E-鈣黏蛋白轉錄抑制因子，發現在乳腺癌中通過調節PFK1、PFKP、FBP1、PKM2和LDHA等糖酵解關鍵酶介導葡萄糖代謝過程，調控EMT信號通路(圖1)。

五、調控糖酵解關鍵酶的靶向藥物

通過以上內容分析，腫瘤細胞增殖可能依賴于某些GLUTs或糖酵解關鍵酶的特定亞型。以此作為作用靶點，使用特定藥物靶向治療，調節腫瘤細胞糖代謝，抑制癌細胞生長，可能將為癌癥的治療提供新的線索。目前研究證實，STF-3、Genistein、Fasentin、WZB117可通過競爭性抑制GLUT1，抑制腎癌、乳腺癌、前列腺癌、膀胱癌、前列腺癌細胞增殖。2-脫氧-D-葡萄糖、3-溴丙酮酸以及中藥成分黃連素、黃芩素、人參皂苷、白藜蘆醇、紫檀芪能夠作為HK2抑制劑，有效發揮抗腫瘤活性；2-脫氧-D-葡萄糖、3-溴丙酮酸、氯尼達明、PFK15、FX11、AZD-3965等靶向腫瘤糖酵解酶抑制劑已進入臨床試驗階段；齊墩果酸通過作用PKM1和PKM2抑制前列腺癌和乳腺癌細胞的糖酵解過程；雞血藤和雷公藤紅素可通過作用LDHA抑制乳腺癌細胞生長(表2)。

六、展 望

研究發現，癌癥的發生、發展受多種因素影響，葡萄糖轉運體GLUTs和糖酵解關鍵酶HKs、PFKs、PKs以及乳酸生成關鍵酶LDHs調控機體糖代謝過程，為人體細胞提供能量。糖酵解異常增強是腫瘤生長過程中重要特征之一，在此過程中GLUTs和糖酵解關鍵酶參與腫瘤細胞能量代謝，調控腫瘤細胞的生長、浸潤和侵襲。除此之外，癌細胞中特定基因遺傳和表觀遺傳信息改變，如甲基化、乙酰化、琥珀酰化，也是影響腫瘤細胞異常增殖、侵襲和遷移的主要因素。因此，將特定基因表觀遺傳學變化和細胞能量代謝之間存在的可能關系進行探討，可以為腫瘤的研究開辟新的思路。研究腫瘤細胞中特定基因表觀遺傳學變化對細胞代謝的可能影響，揭示其在腫瘤發生、發展中的作用及分子機制，不僅可以豐富腫瘤相關疾病的研究思路，也可以為癌癥的早期診治提供新的思路和治療靶標，同時還可以為發現新的腫瘤治療藥物提供新的思路。