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有氧糖酵解在脑胶质瘤中作用研究进展

2021-12-07 151 上传者：管理员

摘要：胶质瘤细胞在常氧或低氧条件下,通过糖酵解方式提供能量,称为有氧糖酵解或瓦博格效应。己糖激酶、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶是有氧糖酵解过程的关键限速酶,在脑胶质瘤细胞生长过程中呈高表达,与胶质瘤细胞恶性程度呈正相关,对胶质瘤细胞迁移、侵袭、增殖等起促进作用,但具体机制尚不明确。本文就有氧糖酵解关键酶在胶质瘤细胞增殖、迁移、浸润中作用的研究进展作一综述。

关键词：
有氧糖酵解
细胞增殖
脑胶质瘤
迁移侵袭
颅脑肿瘤
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脑胶质瘤作为来源于神经上皮的肿瘤，是常见的原发性颅内恶性肿瘤，占颅脑肿瘤的36.7%～42.6%,发病率、复发率、致残率高[1]。肿瘤细胞在代谢过程中细胞线粒体上氧化过程需氧气参与，但有限的毛细血管支持易致肿瘤细胞内缺少氧气供应而采取无氧氧化即糖酵解的方式快速提供能量支持[2,3]。研究[4,5]发现，胶质瘤细胞能量代谢不同于正常组织，即使在氧气充足的情况下，仍以糖酵解为主的方式快速产生大量三磷酸腺苷(ATP)以满足肿瘤细胞生长所需的能量，这种代谢途径的重塑称为有氧糖酵解或瓦博格效应。己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶-1(PFK1)、丙酮酸激酶(pyruvatekinase,PK)是有氧糖酵解过程的关键限速酶，对胶质瘤细胞迁移、侵袭、增殖等起促进作用，但具体机制尚不明确。本文就有氧糖酵解关键酶在胶质瘤细胞增殖、迁移、浸润中作用的研究进展综述如下。

1、HK

1.1 HK

HK是有氧糖酵解途径中调节细胞糖酵解能力的关键限速酶，可在Mg2+的辅助下，催化葡萄糖进入细胞后发生不可逆磷酸化反应。哺乳动物体内已发现有4种HK同工酶，其中HK1主要分布在正常脑组织中[6],HK2与恶性肿瘤细胞关系密切，在胶质瘤、胃癌、结直肠癌等肿瘤中呈高表达[7]。HK2可通过N-端与线粒体外膜表面的电压依赖性阴离子通道(voltage-dependentanionchannel,VDAC)蛋白结合形成HK2-VDAC复合体，该复合体不仅可降低细胞色素C的释放，抑制线粒体途径诱导的细胞凋亡，还可通过削弱6-磷酸葡萄糖的负反馈抑制作用促进糖酵解过程。此外，HK2-VDAC复合体还可促进ATP的合成，使肿瘤细胞在有氧条件下进行糖酵解，并快速为肿瘤细胞提供能量和合成大分子所需的原料等。

1.2 HK在肿瘤细胞增殖中的作用

HK对脑胶质瘤的肿瘤细胞增殖具有促进作用。由于肿瘤细胞增殖迅速、能量代谢快，在有限的血管分布下形成局部低氧或缺氧的环境，使肿瘤细胞处于糖酵解过程，即使恢复氧气供应环境，细胞继续采用糖酵解的代谢方式供给能量，即有氧糖酵解。有氧糖酵解过程中细胞内的葡萄糖代谢可产生大量乳酸，形成弱酸环境促进肿瘤血管生长和肿瘤细胞增殖、浸润和迁移[8,9,10]。利用关键酶抑制糖酵解，促进氧化磷酸化和减少肿瘤细胞增殖可作为治疗胶质瘤的新方法。研究[11]发现，HK2表达具有HEDGEHOG基因依赖性上调，通过miR-218下调BMI基因途径可降低髓母细胞瘤细胞中HK2mRNA和蛋白相对表达量[11]。动物实验结果[11]显示，利用HK2siRNA的转染抑制HK2mRNA的表达可阻止音猬因子诱导的有氧糖酵解，破坏髓母细胞瘤小鼠小脑颗粒神经元祖细胞分化，减少髓母细胞瘤细胞的生长，延长小鼠动物模型生存期。此外，抑制乳酸脱氢酶A磷酸化，也可减弱细胞糖酵解，抑制胶质瘤细胞增殖，促进肿瘤细胞凋亡[12]。

有研究结果[13]显示，阻断神经胶质瘤细胞HK2基因后，HK2mRNA和蛋白相对表达量减少，ATP与乳酸水平降低，免疫组织化学检查显示肿瘤细胞增殖速度明显降低，提示阻断或敲除HK2基因可使肿瘤的有氧糖酵解途径受抑制，减少肿瘤的发生与发展。3-溴丙酮酸是靶向能量代谢的糖酵解抑制剂，也可抑制HK,其分子结构类似于丙酮酸、乳酸等糖类代谢物，通过与线粒体外膜HK2活性部位的-XH基团相结合，形成无酶活性的丙酮酸-HK复合体使HK2活性消失，可抑制肿瘤细胞内各种ATP依赖性的生理功能、降低肿瘤细胞活性，抑制肿瘤细胞生长、增殖，促使肿瘤细胞能量供给不足而凋亡[14]。2-脱氧-D-葡萄糖是目前广泛研究的HK抑制剂，可通过与葡萄糖竞争抑制HK,并在细胞内累积，抑制糖酵解通量、耗竭ATP使细胞周期停滞，最终导致细胞死亡。

1.3 HK上游调节

肿瘤调节因子的上游调节途径可影响糖酵解过程。HK2是肿瘤代谢、生长、侵袭和血管生成的驱动器。有研究[15]通过促进肿瘤细胞氧化磷酸化基因表达进行有氧氧化发现，肿瘤细胞代谢过程氧气消耗量增加，细胞外乳酸减少，表明通过识别与HK2相关的基因网络，下调HK2表达抑制有氧糖酵解的产能过程，可降低体内肿瘤细胞的生长及增殖速度，促进肿瘤细胞的放射敏感性和化学敏感性。

HK转录部分受缺氧诱导因子-a、葡萄糖、环磷酸腺苷、胰岛素、胰高血糖素和p53抑癌基因的严格调控。其在糖酵解中的作用依赖与线粒体外膜的结合，通过结合VDAC转运体定位于线粒体外膜，从而优先获得线粒体ATP,促进细胞糖酵解过程，进一步促进肿瘤细胞的增殖、浸润。HK2通过抑制胶质瘤的细胞线粒体介导的凋亡途径，促进胶质瘤细胞存活，对抗化疗或辐射损伤。HK2蛋白在多种肿瘤中呈高表达，并在肿瘤的发生、发展过程中起重要作用。P21活化激酶4、WW域结合蛋白与胶质瘤中HK2水平呈正相关，其主要介导哺乳动物雷帕霉素靶蛋白途径促进HK2mRNA高表达，参与胶质瘤细胞的增殖，促进肿瘤细胞的乳酸分泌，可作为评估胶质瘤患者肿瘤恶性程度及预后的HK2相关标志物[9,10,11]。

1.4 临床治疗

现有的2种HK抑制剂，3-BrPA及2-脱氧-D-葡萄糖通过碳14标记的大鼠脑组织放射自显影无明显信号，无法有效通过血脑屏障，对脑胶质瘤细胞无明显作用[16]。靶向治疗药物具有高反应性烷基化性质，大脑毒性、细胞毒性和长期神经系统不良反应较大，临床应用受限。有研究[17]发现，唑类化合物可影响脑胶质瘤代谢、HK2调控的致癌途径及脑神经胶质母细胞瘤生长和进展过程；酮康唑与泊沙康唑可穿过血脑屏障，降低HK2水平，诱导肿瘤细胞凋亡，但具体作用机制尚不清晰，其特异性、个体差异性及肿瘤治疗上和其他肿瘤基因调节途径是否具有协同或拮抗作用有待进一步研究验证。

2、PFK1

2.1 PFK1

PFK1的活性是调节糖酵解流量的重要因素，ATP作为细胞进行糖酵解的底物在线粒体活性中心内的催化部位与PFK1结合。此外，ATP作为别构抑制剂在糖酵解活性中心以外的别构部位与PFK1结合，但别构部位与ATP的亲和力较低，需较高浓度的ATP抑制酶活性[18]。在糖酵解途径中，PFK1通过将果糖6-磷酸和ATP转化为果糖1,6-双磷酸和二磷酸腺苷催化糖酵解[19]。PFK1具有3个亚型：血小板型PFK、肌肉PFK和肝脏PFK[20]。肝脏PFK在肝脏和肾脏中含量较高，肌肉PFK和血小板型PFK分别在成人肌肉和血小板中含量较高[21]。脑和其他组织中同时存在以上3种PFK的同工型[20]。PFK1被磷酸烯醇丙酮酸、柠檬酸和ATP的变构作用抑制，被高浓度的磷酸腺苷、二磷酸腺苷和果糖2,6-双磷酸酯激活。在人胶质母细胞瘤细胞中PFKmRNA和蛋白相对表达量高于正常细胞，其中血小板型PFK水平高于肝脏PFK和肌肉PFK[21]。

2.2 PFK1的上游调节

VDAC2是细胞代谢所需的线粒体膜蛋白，在胶质瘤细胞中呈高表达。VDAC家族成员是形成β桶状蛋白的跨膜通道蛋白，起线粒体生物能学调控作用，调节代谢产物的交叉，如二磷酸腺苷/ATP,NADH通量和离子通过线粒体外膜控制线粒体依赖性代谢和细胞存活[18]。受破坏的VDAC2可降低锚定于线粒体的血小板型PFK水平，增加细胞质中血小板型PFK水平，促进糖酵解的发展，并作用于下游细胞周期蛋白D1,改变细胞的增殖生长，提示沉默VDAC2可提高PFK的活性[18]。

2.3 临床治疗

目前暂无针对PFK1且通过血脑屏障的特异性药物抑制剂，该酶的上游调节物VDAC2与PFK1间的作用信号通路及相关性尚无定论。

3、PK

3.1 PK哺乳动物中存在4种PK同工型，分别来自PKLR和PK基因。

PKLR含有L和R2种同工酶，由PKLR基因编码并分别在红细胞和肝脏中表达。PK前mRNA相互排斥的交替剪接产生M1和M2同工型，其中M1型仅包含外显子9,主要促进氧化磷酸化过程；M2型仅包含外显子10,主要促进有氧糖酵解过程，不可逆催化磷酸烯醇式丙酮酸的功能磷酸基团转移给二磷酸腺苷生成ATP[22]。在剪接过程中，3种异质性核糖核蛋白，异质性核糖核蛋白A1、异质性核糖核蛋白A2及多嘧啶束结合蛋白与外显子9抑制结合，以促进外显子9的排斥和胶质瘤中PKM2的产生。M2亚型仅在胚胎时期表达，细胞分化成熟后即被M1型替代，但肿瘤细胞中M2型表达重启。

3.2 PK在肿瘤细胞增殖中的作用

在缺氧条件下，脯氨酰-羟基化的PKM2与缺氧诱导因子1-α相互作用，诱导糖酵解基因表达，增强癌细胞中的葡萄糖代谢[23]。PKM2可引起组蛋白磷酸化，增加细胞周期蛋白D1和MYC癌基因的表达，缩短细胞生长增殖周期，促进肿瘤细胞的发生[24]。细胞周期蛋白D1的主要功能是促进细胞增殖，可通过结合并激活G1期特有的周期蛋白依赖性激酶CDK4,引起G1期周期抑制蛋白磷酸化，磷酸化的周期抑制蛋白从其结合的E2F转录因子上解离，E2F转录因子启动基因转录活细胞周期的基因，引起细胞周期由G1期进入S期。周期蛋白D1是一种原癌基因，过度表达可改变细胞周期进程，引起细胞增殖失控，导致肿瘤发生。通过PKM2作用在下游基因细胞周期蛋白D1启动子区域，调控周期蛋白D1表达，加速细胞增殖和肿瘤生成[25]。研究结果[26]显示，敲低胶质瘤细胞中PKM2表达，可影响糖酵解过程，有效抑制胶质瘤细胞的增殖和糖代谢能力。

3.3 PK的上游调节

在神经胶质瘤中有c-Myc、异质性核糖核蛋白A1、PKM2调控途径。Christofk等[27]研究发现，将肿瘤细胞中PKM2替换为PKM1后可出现有氧糖酵解逆转，并发现在U87和U251细胞中，PKM2水平降低可抑制葡萄糖的消耗，导致葡萄糖水平升高和乳酸水平降低，引起细胞体外增殖能力降低，抑制神经胶质瘤细胞的增殖能力，糖酵解途径阻断在丙酮酸上。c-Myc、异质性核糖核蛋白A1和PKM2在胶质瘤细胞组织中呈高表达且呈正相关。人类C-MYC基因定位于8q24,其表达一般与细胞的生长状态有关。位于约700nt异质性核糖核蛋白A1启动子区域内的E框(CACGTG)是推定c-Myc结合位点。c-Myc驱动异质性核糖核蛋白A1的表达，进而促进PKM2介导的糖酵解活性。敲除剪辑因子异质性核糖核蛋白A1后对PK的mRNA表达进行检验发现，PKM1mRNA相对表达量升高，同时PKM2mRNA相对表达量降低，表明异质性核糖核蛋白A1对M1型同工酶具有抑制作用，而对M2型具有促进作用[28]。因此，探讨PKM2相关的上下游信号与胶质瘤发生、发展的关系具有重要意义。

3.4 临床治疗

目前，脑胶质瘤糖酵解过程中PK所产生的影响作用途径广泛，上游调节因子可同时调节PK、PFK1、HK2,其作用过程目前尚未明确，尚无相关靶向治疗药物。

4、结语

有氧糖酵解在肿瘤发生、发展过程中起重要作用，糖酵解的关键酶在肿瘤细胞中的表达升高[29,30]。HK2受缺氧诱导因子等上游调节因子的影响，通过HK2-VDAC复合物的形式促进有氧糖酵解，并对肿瘤细胞的增殖、迁移起促进作用。PFK1通过与VDAC的复合物，PK通过c-Myc、异质性核糖核蛋白A1、PKM2途径，对细胞周期蛋白D1产生作用，加速胶质瘤细胞的增殖。探讨有氧糖酵解对脑胶质瘤迁移、侵袭的影响具有重要临床意义。但因药物毒性作用及神经系统不良反应相关靶向药物尚未进入临床试验。

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文章来源：史轲,杜鹏,杨珊.有氧糖酵解在脑胶质瘤中作用研究进展[J].中华实用诊断与治疗杂志,2021,35(12):1242-1245.