Akt與腫瘤細胞的糖代謝(五)：腫瘤的能量代謝特征

2017-12-07 來(lái)源：腫瘤代謝營(yíng)養治療標簽：掌上醫生喝茶減肥一天瘦一斤安全減肥 cps聯(lián)盟美容護膚

摘要：對代謝的調控也不只是癌基因，腫瘤抑制基因p53的缺失也可阻礙編碼合成線(xiàn)粒體細胞色素c氧化酶（SCO2）的基因表達，SCO2可干擾線(xiàn)粒體呼吸鏈的功能(26)。

　　要了解腫瘤和增殖細胞的代謝特征，首先我們來(lái)了解一下增殖細胞有什么樣的代謝需求。為了確保通過(guò)有效分裂產(chǎn)生兩個(gè)活的子代細胞，一個(gè)增殖細胞首先必須全部復制一套與自身一致的細胞成份。這就意味著(zhù)對生物材料（主要核苷酸，氨基酸和脂質(zhì)）的巨大需求。在細胞生長(cháng)過(guò)程中，葡萄糖被用于產(chǎn)生生物材料和ATP。盡管ATP水解可以提供細胞復制時(shí)合成生物材料相關(guān)生化反應所需要的自由能，而合成這些生物材料還有另外一些需求，比如合成軟脂酸，一種主要的細胞膜成分，需要7分子ATP，從8分子乙酰輔酶A中獲得16個(gè)碳，和14分子NADPH提供的28個(gè)電子。與此相似，合成氨基酸和核苷酸也需要消耗比ATP更多的碳單位和NADPH材料。一個(gè)葡萄糖分子可以?xún)舢a(chǎn)生最多36個(gè)ATP，或者30分子ATP和2分子NADPHs,或者6個(gè)碳單位供大分子合成所用。因此，要制造一個(gè)16碳單位的含酰基側鏈的脂肪酸鏈，一個(gè)葡萄糖可以提供五倍的ATP，但卻需要7個(gè)葡萄糖分子才能產(chǎn)生合成該側鏈脂肪酸所必須的NADPH。這種不對稱(chēng)的能量需求與電子需求（1：35），也只能部分的通過(guò)合成乙酰輔酶A消耗三個(gè)葡萄糖分子作為合成脂肪酰基側鏈所需要的碳單位來(lái)補償。因此，對于增殖細胞來(lái)說(shuō)，大部分的葡萄糖都不可能用來(lái)產(chǎn)生“能量ATP＋CO2＋H2O”的徹底氧化代謝過(guò)程。如果這樣，那么其結果將因為ATP/ADP比值的提升嚴重的阻礙糖酵解中間代謝產(chǎn)物的大量流出，并限制大分子合成所需的乙酰CoA和NADPH的產(chǎn)生(1-3,10)。

　　在體外培養的哺乳動(dòng)物細胞，僅有兩個(gè)營(yíng)養素可以被細胞適當的分解代謝掉，它們就是葡萄糖和谷氨酸。這就意味著(zhù)葡萄糖和谷氨酸將提供支撐細胞生長(cháng)和分裂必須的全部碳單位、氮、自由能和還原型的NADPH等。從這個(gè)角度來(lái)看，很顯然葡萄糖通過(guò)線(xiàn)粒體氧化磷酸化轉變?yōu)?6分子的ATP，CO2和H20的代謝過(guò)程與增值細胞的需求是完全背道而馳的。因此，大部分的葡萄糖的代謝必須轉變用于合成代謝需要的大部分前體物質(zhì)，如用于脂肪酸合成的乙酰輔酶A，非必須氨基酸合成的酵解中產(chǎn)物草酰乙酸（Oxaloacetate）和α酮戊二酸（α-ketoglutarate）,以及用于核苷酸合成的核糖-5-磷酸（R-5-P）。這就部分能解釋W(xué)arburg效應對增殖細胞提供的選擇性?xún)?yōu)勢(10)。事實(shí)上，這一假說(shuō)得到了最近的核素磁共振質(zhì)譜檢測的驗證。在體外培養的腦膠質(zhì)腫瘤細胞通過(guò)13C核素標記發(fā)現，細胞攝取的90%的葡萄糖和60%的谷氨酸都被轉變?yōu)槿樗岷捅彼幔m然大部分的乳酸和丙氨酸都被排除到細胞外，但其中一個(gè)“副產(chǎn)物”是產(chǎn)生大量NADPH。將葡萄糖和谷氨酸轉變?yōu)槿樗岜仨氁?a target="_blank" href="http://www.qwdk666.com/nrgbpd/" name="InnerLinkKeyWord">乳酸脫氫酶LDH的參與。而抑制LDH的活性也確實(shí)能阻礙細胞的增殖。可能與干擾細胞產(chǎn)生過(guò)多的碳單位的能力有關(guān)，消耗過(guò)多的碳單位對于增殖細胞對NADPH的需求是必須的。

　　在增殖細胞中活躍的代謝過(guò)程是直接受已知癌基因（如c-myc,PI3K/Akt等）與抑癌基因（如P53,LKB1/AMPK等）信號通路的調控的，在增殖細胞中，糖酵解，氧化磷酸化，PPP與谷氨酸代謝都是互相關(guān)聯(lián)的，而這一特征性代謝網(wǎng)絡(luò )將有利于NADPH的產(chǎn)生與乙酰CoA流入細胞漿作為脂質(zhì)合成代謝的碳源。mTORC1不僅調控蛋白的翻譯，并且通過(guò)對Gluts在質(zhì)膜上的表達水平和轉位而調節葡萄糖的攝取和轉運。同時(shí)mTORC1還調節細胞膜上的氨基酸轉運蛋白的表達，通過(guò)對RSK的活化和解除4E-BP1對elF4E的抑制，而促進(jìn)蛋白的翻譯起始。PI3K-Akt對mTORC1的活化也主要是通過(guò)對TSC1-TSC2復合體的抑制作用實(shí)現的。而細胞對生物能源匱乏信息的感知是通過(guò)LKB1-AMPK-P53信號通路實(shí)現的，LKB1-AMPK-P53同時(shí)也可以拮抗mTORC1對代謝調控的作用。

　　在動(dòng)態(tài)感受細胞能量狀態(tài)和調控細胞合成代謝與分解代謝平衡上，與Akt（PI3K/Akt/mTOR）信號通路主要促進(jìn)合成代謝、抑制分解代謝不同，AMPK作為能量的感受器主要是在細胞處于急性營(yíng)養缺失和低氧狀態(tài)下被激活。通過(guò)磷酸化一系列下游的靶蛋白，AMPK阻斷了能量的消耗，阻止與促進(jìn)細胞生長(cháng)相關(guān)的代謝通路，如蛋白質(zhì)和脂肪的合成，活化脂肪酸的分解，從而讓細胞根據能量的需求而獲得再平衡。并且AMPK也可以調節p53依賴(lài)的細胞周期的檢查點(diǎn)（checkpoint）的活化，從而可以限制在缺能狀態(tài)下（比如去除培養基中的葡萄糖）的細胞生長(cháng)和增殖。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是，細胞在有效的生長(cháng)因子信號刺激的情況下通過(guò)活化PI3K/Akt/mTORC1通路來(lái)調節并整合細胞代謝過(guò)程以適應細胞生長(cháng)和分裂的需要，而當細胞處于營(yíng)養匱乏、或去除生長(cháng)因子信號、或處于饑餓應激狀態(tài)時(shí)，則通過(guò)活化LKB1-AMPK-P53信號通路拮抗PI3K-Akt-mTORC1信號對代謝通路的調節，調整細胞代謝過(guò)程以適應細胞生存所必需的基本能量需求，同時(shí)終止細胞的生長(cháng)和增殖代謝過(guò)程。

　　Warburg效應與腫瘤細胞代謝程序重組

　　第一個(gè)腫瘤特異性的變化就是細胞代謝改變，這是諾貝爾獎獲得者Warburg在上世紀二十年代發(fā)現的。“Warburg效應”或“Warburg現象”指的是在高氧壓存在的條件下，細胞仍然維持糖酵解的增加并產(chǎn)生大量乳酸的堆積，即有氧糖酵解。此外，腫瘤細胞還增加大量葡萄糖的消耗作為合成代謝所需的碳單位的一個(gè)主要來(lái)源(1-3)。盡管Warburg現象并不適用于所有的腫瘤細胞，但絕大多數腫瘤細胞對葡萄糖攝取的增加還是顯著(zhù)的，因此，可以通過(guò)腫瘤細胞對葡萄糖攝取增加的特征，利用葡萄糖的類(lèi)似物2-（18F）-FLuoro-2-deoxy-D-glucose通過(guò)正電子發(fā)射斷層掃描影像學(xué)（PET）檢查來(lái)臨床發(fā)現和診斷腫瘤。如果將FDG-PET與CT合并來(lái)檢測上皮腫瘤和轉移灶，其敏感性可以超過(guò)90%，而特異性仍然可以維持在90%以上(11)。

　　那么，有氧酵解這種增加細胞的葡萄糖攝取和消耗、與低效率的能量ATP產(chǎn)生方式，對腫瘤細胞的生長(cháng)、增殖究竟有什么優(yōu)勢呢？

　　首先在有氧糖酵解的情況下，腫瘤細胞可以在氧壓波動(dòng)較大的環(huán)境下存活（因為遠端血管對腫瘤細胞的血供不是均一穩定的），否則，如果細胞仍然依賴(lài)氧化磷酸化方式產(chǎn)生ATP，則可能對細胞本身是致命性的（主要是大量自由基的產(chǎn)生和貯積導致的損傷）。

　　其次，腫瘤細胞通過(guò)有氧酵解產(chǎn)生碳酸氫鹽和乳酸，而乳酸是有氧糖酵解的主要終產(chǎn)物。這些酸性產(chǎn)物讓腫瘤的微環(huán)境酸化，有利于腫瘤的浸潤、新生毛細血管的生成、同時(shí)抑制腫瘤免疫效應細胞的活性和功能。腫瘤細胞產(chǎn)生的乳酸還可以被附近的間質(zhì)細胞所攝取（如單羧基轉運蛋白MCT1和MCT2），而生成丙酮酸。后者要么被輸出重新回到腫瘤細胞作為能源的底物，要么作為線(xiàn)粒體氧化磷酸化的底物。這樣的代謝調整的結果便產(chǎn)生了一個(gè)腫瘤的微生態(tài)（microecosystem），使腫瘤細胞和間質(zhì)細胞結合，形成一個(gè)互補的代謝環(huán)路，緩沖和再循環(huán)腫瘤糖酵解的副產(chǎn)物，以維持腫瘤細胞生存和生長(cháng)。

　　其三，腫瘤細胞還可以通過(guò)PPP來(lái)產(chǎn)生NADPH以保證細胞的抗氧化作用，以抵御來(lái)自環(huán)境中放、化療的損傷。此外，如前述，NADPH可以用于脂肪酸的合成。

　　其四，也是最重要的，腫瘤細胞可以利用糖酵解的中間產(chǎn)物作為其組成代謝所需要的原材料。如糖原合成和R-5-P合成所需要的葡萄糖-6-磷酸，三酸苷油合成需要的磷酸二氫丙酮，丙氨酸和蘋(píng)果酸合成需要的丙酮酸等。在增殖腫瘤細胞，丙酮酸可能被引導進(jìn)入一個(gè)截短的TCA循環(huán)，其結果是乙酰輔酶A被從線(xiàn)粒體基質(zhì)排除參與脂肪酸，膽固醇，和乙戊二烯類(lèi)的合成代謝。事實(shí)上，在很多腫瘤細胞中，脂肪酸合成酶（FASN）的活性是上調的或被活化的。FASN可以通過(guò)乙酰CoA，丙二酰-CoA和NADPH合成側鏈脂肪酸。同樣，膽堿激酶（可以形成磷酸膽堿phoshorylcholine），在腫瘤中通常也是過(guò)表達的。

　　丙酮酸激酶（PyruvateKinase,PK）：無(wú)論是其胚胎同源體PKM1，還是PKM2在腫瘤病人是常常高表達的，更有趣的是PKM2還在高活性的四聚體與低活性的二聚體之間搖擺不停。低活性的二聚體PKM2通過(guò)提供丙酮酸貯積上游中的產(chǎn)物并用于氨基酸，核酸及脂質(zhì)合成的前體物質(zhì)而具有代謝上的優(yōu)勢。PKM2是在腫瘤和正常增值細胞都表達的PK，PKM2是由PKM基因編碼的蛋白，通過(guò)選擇性表達單個(gè)外顯子的不同剪輯而產(chǎn)生PKM1或PKM2蛋白。許多非增殖細胞因需要依賴(lài)氧化代謝，所以主要表達PKM1。如果強迫腫瘤細胞表達酶活性更強的PKM1同工酶，則可以增加腫瘤細胞的氧化代謝。并且讓腫瘤細胞失去在小鼠成瘤的能力。這說(shuō)明PKM2對體內增殖細胞代謝起到關(guān)鍵的作用(3,12)。由此可見(jiàn)，在腫瘤細胞中，整個(gè)代謝過(guò)程，尤其是糖代謝和TCA循環(huán)，都被重組以利細胞生長(cháng)和增殖所必須增強的組成（合成）代謝的進(jìn)行。

　　那么是什么機制導致了腫瘤細胞代謝程序的重組的呢？線(xiàn)粒體氧化磷酸化被認為是導致Warburg效應的一個(gè)主要原因(1－2，13－14)。因為腫瘤細胞的線(xiàn)粒體相對較小、脊少又缺乏ATPase的B-F1亞基。另外，腫瘤進(jìn)展過(guò)程常常伴隨線(xiàn)粒體DNA（mtDNA）的突變。故mtDNA的突變既是改變腫瘤進(jìn)展的結果，也可能是促進(jìn)腫瘤進(jìn)展的原因。比如一種突變mtDNA編碼的DADH脫氫酶亞基2的表達就同時(shí)促進(jìn)有氧糖酵解，ROS（自由基）的產(chǎn)生和腫瘤的生長(cháng)。導致有氧糖酵解的發(fā)生的另一個(gè)關(guān)鍵因素是低氧或癌基因表達導致H1F-1的活化(15－16)。炎癥、氧化應激也可以活化H1F-1基因的表達。H1F-1蛋白是一個(gè)由穩定的b亞基和一個(gè)不穩定的a基因組成的異二聚體蛋白，在正氧壓狀態(tài)下，由于氧依賴(lài)的羥脯氨酸脫氧酶（PHDs）和VHL鏈接酶的表達，合成的HIF-1隨后被VHL泛素化降解。在低氧應激的狀態(tài)下，HIF-1通過(guò)上調Glut1、HK1、HK2、乳酸脫氫酶A(LDH-A)與MCT4（monocaboxylatetransporter4,單羧轉運蛋白4）的表達,而促進(jìn)葡萄糖轉化為丙酮酸和乳酸這一有氧酵解的進(jìn)行(16)。此外，H1F-1還通過(guò)轉錄活化PDK1（丙酮酸脫氫酶激酶）的表達，而抑制PDH（丙酮酸脫氫酶）將丙酮酸轉變?yōu)橐阴oA，而乙酰輔酶A是正常情況下進(jìn)入TCA循環(huán)的原料和呼吸鏈復合物1、2中電子傳遞的提供者。因此，通過(guò)抑制PDH，HIF-1使線(xiàn)粒體氧化磷酸化的進(jìn)行受到限制。另外，HIF-1還與c-Myc協(xié)同誘導HK2和PDK1的表達，從而進(jìn)一步促進(jìn)有氧糖酵解的進(jìn)行。之所以腫瘤細胞能夠在低氧下生長(cháng)，就源于HIF-1和c-Myc的對話(huà)—如果HIF-1與c-Myc獨立發(fā)揮作用，它們只能部分調控腫瘤細胞在低氧下的代謝適應；但是，如果HIF-1和c-Myc協(xié)同作用，則可能使腫瘤細胞蛋白合成、細胞周期進(jìn)程和代謝程序重組，從而精細地調控腫瘤細胞在低氧環(huán)境下的代謝適應性反應(16)。

　　除此之外，由于O2分壓的下降，誘導HIF-1的表達也可能與癌變相關(guān)，并且可能是參與TCA循環(huán)的兩個(gè)酶所誘導的。其一是在線(xiàn)粒體基質(zhì)表達的FH（FumarateHydratase，延胡索酸水化酶）和在線(xiàn)粒體內膜表達的SDH（Succinatedehydrogenate,琥珀酸脫氫酶），SDH也是氧化磷酸化呼吸鏈復合物2的組成成員，FH和SDH功能缺失性突變的結果，可以導致TCA循環(huán)中間產(chǎn)物延胡索酸或琥珀酸的累積，后二者可以競爭性地抑制一種a-酮戊二酸依賴(lài)性，降解HIF-1a的HIF-1a羥脯氨酸水解酶（prolylhydroxylase，PHD）(15)。除了HIF-1活化的中心作用外，癌基因與抑癌基因也可以在不同水平上調控腫瘤細胞的代謝程序重組(10，13－14)。

　　腫瘤代謝與基因突變

　　腫瘤可以看做是一種遺傳決定的代謝異常性疾病，而細胞代謝的改變既是細胞癌變的標志（Hallmark），也是導致細胞癌變的啟動(dòng)、癌細胞的生長(cháng)和癌性特征維持的基礎。腫瘤的突變，總的來(lái)說(shuō)是獲得性的體細胞突變，并且是與代謝效應相關(guān)聯(lián)，以在細胞水平上獲得增強的生存適應性和生長(cháng)優(yōu)勢的突變。在腫瘤，有兩類(lèi)突變可能導致腫瘤代謝程序重組。

　　首先，許多人類(lèi)的癌基因與抑癌基因均調控細胞的糖代謝過(guò)程。在這些基因中的促癌性突變總是傾向于整合增強的糖酵解和能量產(chǎn)生這一代謝表型。因此，可以促進(jìn)不依賴(lài)生長(cháng)因子的生長(cháng)方式與逃避生長(cháng)抑制信號的抑制。PI3K/AKT/mTOR通路就同時(shí)調控營(yíng)養的攝取和氮、碳單位在生物合成中的合理分配而成為調控腫瘤細胞代謝過(guò)程最根本的因素(17)。

　　其次，腫瘤也與代謝性基因突變聯(lián)系在一起，這些代謝相關(guān)基因可表現為癌基因或抑癌基因的遺傳學(xué)功能(17)。如參與TCA循環(huán)的酶SDH和FH在家族性腫瘤綜合征中的突變(17－20)。SDH基因突變已在一種家族性顯性遺傳性副神經(jīng)節瘤（Paraganglioma）被發(fā)現。而FH突變的家族也有患腎細胞瘤和平滑肌瘤（Leiomyomatosis）的易感性。在SDH-或FH-缺失突變的家族性腫瘤中，患癌的個(gè)體內常常從遺傳繼承了一個(gè)拷貝SDH或FH的基因缺失突變，同時(shí)他們的腫瘤細胞中往往同時(shí)存在另一個(gè)野生型拷貝的丟失。因此，SDH與FH都可以認為是腫瘤抑制基因。

　　此外，還有一些與代謝相關(guān)的酶譜的基因突變可能主要起癌基因的作用。比如在腦膠質(zhì)瘤發(fā)現的IDH1和IDH2（異檸檬酸脫氫酶）主要參與NADP+依賴(lài)異檸檬酸氧化為α-丙酮戊二酸，同時(shí)伴隨NADP+還原為NADPH產(chǎn)生的糖代謝過(guò)程。IDH1和IDH2的突變均為獲得性突變，僅累及單個(gè)拷貝的IDH1和IDH2等位基因，并且突變還局限于IDH酶活性區域，因此，與FH或SDH不同，IDH1/2基因很難被認為具有腫瘤抑制性特征(21-23)。事實(shí)上，IDH1/2酶活性區域的獲得性、體細胞性突變，可能賦予突變基因產(chǎn)物以癌基因的功能，同時(shí)參與腫瘤代謝中間產(chǎn)物α-HG(D-2-Hydroxyglutarate，2-羥戊二酸)的大量產(chǎn)生和貯積，大量2-HG的產(chǎn)生也可能是細胞發(fā)生癌變的一個(gè)關(guān)鍵因素。最近的研究表明，細胞中高濃度的2-HG貯積可能阻礙α-丙戊二酸依賴(lài)性的組蛋白去甲基化酶和5-甲基胞嘧啶脫氫酶的功能，從而廣泛的改變IDH1/2突變細胞的組蛋白與DNA甲基化頻譜(22)。另外，IDH1/2和5-甲基胞嘧啶脫氫酶TET2在急性髓性白血癥的發(fā)生頻率均很高，但二者突變發(fā)生卻是相互排斥的，即有IDH1/2突變的腫瘤，便檢測不到TET2突變。說(shuō)明這二者的突變在細胞代謝功能上重疊(23)。由于組蛋白和DNA普遍發(fā)生的甲基化可能廣泛性影響表觀(guān)調控的變化，因此，IDH1/2突變可能對細胞功能和細胞分化都具有巨大的影響。

　　由于，代謝酶類(lèi)IDH1和IDH2，SDH和FH與腫瘤的驚人聯(lián)系，因此促進(jìn)人們探求更多與代謝相關(guān)的基因突變事件與腫瘤發(fā)生的關(guān)聯(lián)。從而發(fā)現了參與將葡萄糖轉化為氨基酸（serine和glycine）的磷酸甘油酸脫氫酶（PHGDH）基因擴增和表達上調與腫瘤的關(guān)系(24)。盡管PHGDH是否為可靠的癌基因還有待進(jìn)一步驗證，但PHGDH的過(guò)表達已證實(shí)可促進(jìn)乳腺上皮細胞的錨定非依賴(lài)性生長(cháng)，改變細胞的極性，這些表型均與癌性轉變一致(25)。因此，PHGDH與IDH1/2，SDH和FH都可以被定義為與代謝相關(guān)的人類(lèi)腫瘤相關(guān)基因和潛在的可被開(kāi)發(fā)的腫瘤治療的新靶點(diǎn)。

　　然而，對代謝的調控也不只是癌基因，腫瘤抑制基因p53的缺失也可阻礙編碼合成線(xiàn)粒體細胞色素c氧化酶（SCO2）的基因表達，SCO2可干擾線(xiàn)粒體呼吸鏈的功能(26)。另一個(gè)p53效應分子是p53誘導的糖酵解與凋亡調節蛋白TIAGR（Tp53-inducedglycolysisandapoptosisregulator）(27,28)。有研究表明，p53對糖代謝的調控也依賴(lài)轉錄因子NFkB，然而，p53和NFkB又同時(shí)受AKT的調控(5-7)。此外，PTEN也可通過(guò)對PI3K/AKT的調控而參與腫瘤細胞與增殖細胞能量代謝的調控。