Warburg效應及其關鍵酶在口腔鱗狀細胞癌治療中作用的研究進展

侯佳麗,王鈞正,張鵬,劉靜

(1 青島大學附屬青島市海慈醫院口腔科,山東 青島 266033; 2 青島大學附屬青島市市立醫院口腔科)

口腔鱗狀細胞癌(OSCC)是口腔頜面部最常見的惡性腫瘤之一,占口腔癌的90%以上[1]。OSCC好發于舌、牙齦、頰及上頜竇等部位,容易侵襲病變附近的腺體、肌肉及骨骼,早期淋巴結轉移亦常見。目前臨床上治療OSCC的主要手段有手術、放療、化療以及靶向治療等,但OSCC病人的5年生存率仍不足50%,病人預后不理想[2]。1920年,德國科學家OTTO WARBURG發現,即使在氧供應充足可以將葡萄糖徹底氧化磷酸化的條件下,腫瘤細胞也主要通過糖酵解方式獲取能量,即Warburg效應[3]。雖然Warburg效應曾受爭議,但是基于腫瘤細胞糖代謝異常誕生的PET-CT在臨床腫瘤診斷上的成功應用及相關理論的創新性進展,使Warburg效應在腫瘤發生發展及治療中的深入研究再次受到重視[4-5]。本文對誘導Warburg效應的分子機制以及Warburg效應中關鍵酶的作用機制研究進展進行綜述,以期為OSCC的精準靶向治療提供思路。

1 Warburg效應與腫瘤細胞能量代謝特點

與正常細胞相比,腫瘤細胞能量代謝發生重編程從而導致糖酵解增強。腫瘤一直被認為是脫離正常生長狀態的細胞瘋狂增長性疾病,需要攝取更多的能量滿足自我分化、高度活躍的生物行為,細胞能量失調是腫瘤十大特征之一[6]。惡性腫瘤細胞首選產能率低的糖酵解供能,主要因為糖酵解可提供腫瘤快速生長合成物質所需的大分子,糖酵解中間產物煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)、乙酰輔酶A、核糖和一些非必需氨基酸可被腫瘤細胞用作合成核苷酸、脂質和蛋白質的原料[7]。

1.1 誘發Warburg效應的分子調控機制

腫瘤細胞糖酵解代謝活躍的機制較為復雜,目前尚不明確。認為與低氧微環境、原癌基因激活和抑癌基因失活、糖酵解酶異常表達和線粒體氧化磷酸化功能損害等有關。

1.1.1低氧誘導因子(HIF)激活促進腫瘤細胞糖酵解 低氧是腫瘤細胞普遍存在的狀態,低氧會刺激HIF的基因表達。HIF是糖酵解的基本調節因子,可上調90%糖酵解酶的活性,也可抑制線粒體對丙酮酸的利用[8]。HIF-1是腫瘤微環境中主要的能量代謝調節因子,HIF-1可結合到原癌基因c-myc的啟動子區刺激c-myc的表達,c-myc又能促進糖酵解第一限速步驟中葡萄糖轉運蛋白(GLUT)的表達從而促進Warburg效應[9]。c-myc基因過表達后可以導致乳酸脫氫酶A(LDH-A)的合成增多,LDH-A催化丙酮酸生成乳酸,使腫瘤微環境呈酸性[10]。酸性微環境激活組織蛋白酶和基質金屬蛋白酶(MMPs),它們可通過促進細胞外基質(ECM)的降解而促進腫瘤細胞的侵襲和遷移,MMP2和MMP9可通過特異性降解腫瘤細胞外基質成分及調節細胞黏附,參與新生血管形成而促進腫瘤的侵襲遷移[11]。

1.1.2癌基因活化和抑癌基因失活 癌基因活化及抑癌基因失活是驅動腫瘤細胞能量代謝模式轉變發生Warburg效應的內在因素。許多癌基因、抑癌基因的異常表達都可引起葡萄糖攝取和糖酵解水平的改變,其中包括myc、Akt、P53、PTEN等[12]。癌基因myc的編碼產物是一種廣泛存在的轉錄因子,可誘導糖酵解過程中己糖激酶2(HK2)、LDH-A等大部分酶的表達,還可刺激HIF-1的表達從而促進Warburg效應[13]。腫瘤抑制蛋白P53在調節線粒體有氧氧化和糖酵解方式之間的平衡中發揮重要作用。P53失活可促進Warburg效應,其原因是多方面的。正常情況下,P53可通過下調葡萄糖轉運蛋白基因GLUT1、GLUT3、GLUT4的表達減少葡萄糖的攝取[14],P53還可通過誘導糖酵解抑制基因TP53誘導的糖酵解和凋亡調控子(TIGAR)的表達,上調線粒體呼吸鏈復合體Ⅳ亞單位細胞色素C氧化合成酶2(SCO2)的表達,從而抑制Warburg效應,促進線粒體氧化磷酸化[15]。TIGAR通過去磷酸化降低果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)的含量抑制糖酵解,6-磷酸果糖激酶1(PFK-1)催化6-磷酸果糖(F6P)形成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-BP)是糖酵解的主要限速步驟,而F-2,6-BP是PFK-1的激活劑,可調節糖酵解[16]。

1.1.3其他因素 線粒體DNA變異、電子傳遞鏈功能障礙引起線粒體氧化磷酸化功能損傷導致活性氧(ROS)積聚,從而損害線粒體功能,促進Warburg效應的發生。但也有研究認為,腫瘤細胞糖酵解是由于糖酵解抑制了線粒體氧化磷酸化而非線粒體不可逆損傷所致,抑制腫瘤細胞糖酵解則可恢復線粒體的氧化磷酸化[17]。PI3K/Akt信號通路廣泛存在于細胞中,通過調節蛋白質合成、細胞周期、能量代謝等多種途徑發揮廣泛的生物學功能。從黑種草籽中提取的化合物百里香醌通過調控PI3K/Akt/HK2信號通路抑制Warburg效應,進而抑制結直腸癌細胞HCT116和SW480的增殖和侵襲[18]。

1.2 Warburg效應中的關鍵酶

調控Warburg效應的關鍵酶主要有己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶(PK),其中研究較多且比較深入的為己糖激酶2(HK2)、M2型丙酮酸激酶(PKM2)。

1.2.1HK 作為糖酵解第一步的關鍵酶,HK不可逆地催化葡萄糖磷酸化為葡萄糖-6-磷酸(G-6-P),G-6-P是磷酸戊糖途徑的起始物質,可生成NADPH維持谷胱甘肽的還原狀態,而還原型谷胱甘肽是體內重要的抗氧化劑。HK有4種同工酶(HK1、HK2、HK3和HK4),其中HK2在正常人體中分布極少,僅在脂肪和骨骼肌中少量表達,但高表達于OSCC等諸多腫瘤中[19]。在外界刺激或應激作用下,HK2從細胞質定位到線粒體而發揮作用,但HK1對這些刺激的敏感性卻較低[20]。HK2的N端和C端均有催化活性,因此HK2使葡萄糖的磷酸化速率翻倍,而HK1、HK3只有C端才具備催化活性。HK2可通過N端與線粒體外膜表面的電壓依賴性陰離子通道蛋白(VDAC)結合形成HK-VDAC復合體,此復合體不僅可以降低細胞色素C的釋放抑制線粒體途徑誘導的細胞凋亡,而且可通過削弱G-6-P的負反饋抑制作用促進糖酵解過程[21]。

1.2.2PK PK是催化糖酵解最后一步的關鍵酶,有4種同工酶(PKM1、PKM2、PKL、PKR),在惡性腫瘤的發生過程中PKM2表達上調取代了原有組織特異性的PKM1、PKL、PKR,因此一些科學家將PKM2稱為腫瘤特異性PK[22]。PKM2有二聚體和四聚體兩種形式,PKM2二聚體含量高但活性低,進入細胞核可作為轉錄因子激活HIF-1α等促進糖酵解和細胞生長,但PKM1不能調節HIF-1α活性[23]。當PKM2為四聚體狀態時與其底物磷酸烯醇式丙酮酸具有較強的親和力,因此具有較高的丙酮酸激酶活性,催化更多的磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸進而產生能量[24]。F-1,6-BP是葡萄糖代謝的中間產物,可以與PKM2可逆性結合并穩定PKM2四聚體狀態,被認為是PKM2的激活劑[25]。

2 Warburg效應在OSCC中的作用

OSCC是一類異質性疾病,腫瘤細胞在進化過程中因環境壓力及生長狀態而發生重編程以適應生長環境的變化。PI3K/Akt/mTOR信號通路、HIF、P53等信號通路或因子以及糖酵解關鍵酶參與腫瘤細胞Warburg效應的調控。

2.1 Warburg效應信號通路在OSCC治療中的作用

B7H3(CD276)是B族免疫共刺激和共抑制家族成員。有研究表明,B7H3可通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路上調HIF-α的表達,HIF-1α可以通過促進其下游靶蛋白GLUT1、磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶3(PFKFB3)的表達而促進糖酵解,從而促進OSCC細胞的增殖、侵襲和轉移[26]。核心生物鐘基因中的周期基因1(PER1)在多種腫瘤的形成中發揮重要作用,GONG等[27]研究發現,PER1在OSCC組織中呈低表達,PER1可與活化蛋白激酶C受體1(RACK1)及PI3K結合形成復合體,調控PI3K/Akt信號通路抑制糖酵解,進而抑制OSCC細胞的增殖和侵襲。二甲雙胍可通過激活AMPK、抑制mTOR及HIF-1α,抑制多種腫瘤的生長。HARADA等[28]通過體內及體外實驗發現,二甲雙胍聯合5-氟尿嘧啶抑制OSCC組織HIF-1α、mTOR、Akt1表達效果較單用二甲雙胍或5-氟尿嘧啶更顯著,進而抑制Warburg效應使OSCC細胞的生長受阻。MAO等[29]研究表明,蛋白二硫化物異構酶A6(PDIA6)在人OSCC組織中高表達,PDIA6可以促進人OSCC組織SCC9細胞以及Cal27細胞葡萄糖的攝取、乳酸生成及ATP產量升高,通過Warburg效應促進OSCC細胞的生長侵襲。

2.2 Warburg效應關鍵酶在OSCC治療中的作用

2.2.1HK2 相關研究表明,在4種HK同工酶中,HK2與惡性腫瘤的關系最為密切,其在人體多種腫瘤組織、腫瘤模型中高表達[30]。LI等[31]通過體內和體外實驗證明,丹參酮ⅡA可抑制Akt磷酸化,并能促進c-myc和E3泛素連接酶FBW7的相互作用,抑制HK2的活性進而抑制OSCC細胞系CAL27、SCC15、SCC9細胞的增殖生長;同時,HK2與線粒體結合是維持細胞生存的必要條件,丹參酮ⅡA作用于OSCC細胞后可激活Akt/c-myc/HK2信號軸,抑制HK2活性進而促進OSCC細胞的凋亡。還有研究表明,去泛素化酶泛素特異性肽酶13(USP13)可上調PTEN蛋白表達、抑制Akt磷酸化,通過PTEN/PI3K/Akt信號軸下調GLUT1和HK2的表達,進而抑制Warburg效應,最終抑制人舌鱗癌細胞CAL27、人口腔鱗癌細胞HSC4、人舌鱗癌細胞SCC15的生長;此外,USP13還可抑制無胸腺裸鼠OSCC移植瘤的生長[32]。miRNA是一類非編碼RNA,可以通過調節基因表達并在多種腫瘤的生物進程中發揮重要作用。SUN等[33]研究表明,miRNA-143可以與HK2非編碼區一個保守的結合位點結合抑制HK2的活性,進而抑制Warburg效應,最終抑制OSCC細胞的生長侵襲和葡萄糖攝取。上皮-間充質細胞轉化(EMT)與惡性腫瘤細胞的浸潤、轉移和耐藥性息息相關,有研究通過體內和體外實驗表明,核糖體結合蛋白2(RPN2)通過誘發喉鱗狀細胞癌TU212細胞ROS的產生上調HK2的表達,激活PI3K/Akt信號通路,促進EMT進而促進喉鱗狀細胞癌的侵襲轉移。

2.2.2PKM2 PK為進化保守的代謝酶,在腫瘤發生過程中組織特異性PKL、PKR及PKM1被PKM2取代,PKM2在OSCC等諸多惡性腫瘤組織中異常表達,通過促進Warburg效應進而促進惡性腫瘤的增殖和侵襲。PKM2是癌變組織中主要形式的PK,被認為是腫瘤治療的潛在靶點。WANG等[34]通過注射二羥甲基丁酸(DMBA)方法建立倉鼠OSCC模型研究顯示,PKM2在正常黏膜上皮低表達,而在異型增生及腫瘤樣組織中高表達;該研究對111例OSCC病人病變組織進行病理學分析發現,PKM2與病人整體生存率呈負相關。PARK等[35]通過對兩種永生性口腔角質細胞IHOK-P和IHOK-S轉染HPV16E6/E7基因模擬OSCC成癌過程,同時對OSCC細胞YD10B細胞系和人OSCC組織標本進行研究發現,PKM2核轉位后可以促進轉錄調節因子-1(ETS-1)的表達,進而促進MMP9的表達,最終增強OSCC細胞的侵襲性,并且與OSCC病人的不良預后呈正相關。LUO等[36]對125例口腔舌鱗狀細胞癌病人的腫瘤組織及鄰近組織免疫組化分析顯示,PKM2在OSCC組織中高表達且與腫瘤TNM分期密切相關,PKM2是OSCC預后評估的獨立危險因素。一項對正常口腔黏膜組織及頭頸鱗癌標本研究結果顯示,頭頸鱗癌組織中PKM2和CD276的表達水平較正常口腔黏膜組織高,PKM2可以通過提高免疫檢查點CD276的表達參與腫瘤免疫調控使頭頸鱗癌細胞產生免疫抑制,PKM2和CD276的表達水平與頭頸鱗癌TNM分期相關,而與病人性別、年齡和病理分級無相關性。

3 小結與展望

OSCC等惡性腫瘤細胞的能量供應方式不同于正常細胞,腫瘤細胞增殖及侵襲過程需要大量能量和大分子物質,而Warburg效應為此提供了物質和能量支持。腫瘤細胞攝取能量的方式在很大程度上依賴高水平表達的糖酵解酶,糖酵解關鍵酶HK2、PKM2等在OSCC等惡性腫瘤中表達增高且與不良預后呈正相關。這些高表達的酶可作為腫瘤治療的靶點。由于腫瘤的異質性和微環境的差別,單一糖酵解酶靶向治療可能不及多個糖酵解酶靶向聯合治療效果好。隨著細胞和分子生物學技術及新的糖酵解酶抑制劑的發現和深入研究,OSCC等惡性腫瘤基于能量代謝的靶向治療將會邁上新臺階。