彭 瑞，趙 麗，趙 琦，相綠竹，王 曄 綜述，牟曉峰△ 審校

1.青島大學(xué)醫(yī)學(xué)部，山東青島 266003；2.山東省青島市中心醫(yī)院檢驗科，山東青島 266042

代謝重編程是癌癥的重要標(biāo)志之一，為了滿足細(xì)胞快速、持續(xù)增殖對于物質(zhì)及能量的需求，腫瘤細(xì)胞中多種代謝途徑將發(fā)生變化，主要包括有氧糖酵解、脂質(zhì)生物合成和谷氨酰胺代謝，其中最經(jīng)典的是有氧糖酵解。細(xì)胞通過糖酵解最終將葡萄糖代謝為乳酸，該過程能夠產(chǎn)生能量，但是該途徑產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)低于三羧酸循環(huán)每次產(chǎn)生的能量。腫瘤細(xì)胞需要高效率的糖酵解，為了實現(xiàn)這一需求，腫瘤細(xì)胞通過增加葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)或者是各種關(guān)鍵酶來提高效率，以達(dá)到促進營養(yǎng)物質(zhì)高效進入細(xì)胞并參與代謝的目的。因此通過靶向轉(zhuǎn)運蛋白及各種關(guān)鍵酶有望成為腫瘤治療的藥物靶點，通過靶向干預(yù)能夠抑制腫瘤細(xì)胞的代謝途徑，進而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞因無足夠的能量供應(yīng)而死亡。

1 糖代謝

1.1正常糖代謝 葡萄糖主要的生理功能是作為碳源及能源物質(zhì)為機體生命活動供能、合成生物大分子原料及分解相關(guān)物質(zhì)以滿足細(xì)胞生長與增殖的需要，葡萄糖的能量轉(zhuǎn)換主要有以下3種途徑：糖的有氧氧化、無氧氧化(糖酵解)及磷酸戊糖途徑。葡萄糖或糖原在缺氧條件下，分解為乳酸同時產(chǎn)生少量腺苷三磷酸(ATP)的過程稱為糖酵解。糖酵解是所有生物進行葡萄糖氧化分解代謝所必須經(jīng)過的階段。

葡萄糖通過GLUT進入細(xì)胞，首先通過糖酵解過程，在己糖激酶(HK)、磷酸果糖激酶(PFK)、丙酮酸激酶(PK)這3種限速酶及其他非限速酶的作用下產(chǎn)生丙酮酸。正常氧濃度下，丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙酰輔酶A，之后通過一系列限速酶及非限速酶的作用徹底氧化分解產(chǎn)生能量。葡萄糖通過糖酵解——三羧酸循環(huán)氧化磷酸化途徑消耗O2，從而徹底分解葡萄糖，1 mol葡萄糖最終代謝可產(chǎn)生36 mol ATP，是細(xì)胞代謝的最重要的途徑。無氧條件下，正常細(xì)胞通過糖酵解途徑產(chǎn)生的丙酮酸不再進入三羧酸循環(huán)，而是在細(xì)胞質(zhì)中通過乳酸脫氫酶(LDH)生成乳酸，該方式產(chǎn)生ATP較少，1 mol葡萄糖僅產(chǎn)生2mol ATP，是細(xì)胞在無氧或缺氧情況下一種代償?shù)拇x模式。

1.2瓦博格效應(yīng) 在20世紀(jì)20年代，德國生理學(xué)家瓦博格發(fā)表了一項開創(chuàng)性的觀察結(jié)果，即與正常細(xì)胞比較，腫瘤細(xì)胞消耗更多的葡萄糖。瓦博格通過比較肝癌組織與肝癌旁組織，發(fā)現(xiàn)與肝癌旁組織比較，肝癌組織耗氧量明顯減少，然而葡萄糖代謝率及乳酸產(chǎn)生率升高[1]。瓦博格認(rèn)為即使在有氧狀態(tài)下，腫瘤細(xì)胞仍會優(yōu)先選擇糖酵解，而不是選擇能夠高效產(chǎn)能的氧化磷酸化以提供腫瘤細(xì)胞所需能量，這種現(xiàn)象稱之為“瓦博格效應(yīng)”，即有氧糖酵解[2]。

“瓦博格效應(yīng)”主要是腫瘤為了適應(yīng)外界環(huán)境所進行的代償活動。一方面，高效率有氧糖酵解為腫瘤細(xì)胞增殖提供便利，首先它允許腫瘤細(xì)胞利用細(xì)胞外營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生豐富的ATP，盡管有氧糖酵解過程中每分子葡萄糖產(chǎn)生的能量不及氧化磷酸化產(chǎn)生的能量，但是在葡萄糖量充足的情況下，有氧糖酵解產(chǎn)生ATP的速率可以超過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的速率。另一方面，有氧糖酵解為細(xì)胞提供生物合成途徑所需的中間產(chǎn)物，包括核苷酸合成所需的核糖，脂質(zhì)合成所需的甘油、枸櫞酸鹽和非必需氨基酸等，葡萄糖還可以通過磷酸戊糖途徑產(chǎn)生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。因此，“瓦博格效應(yīng)”利于腫瘤細(xì)胞生物能量學(xué)及生物合成。

2 影響有氧糖酵解的因素

與正常細(xì)胞比較，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出高效的有氧糖酵解速率，腫瘤細(xì)胞需要增加葡萄糖通量，提高腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖的效率。因此，GLUT及糖酵解限速酶如HK、PFK、PK等酶的活性與蛋白質(zhì)表達(dá)水平在腫瘤細(xì)胞中均明顯上調(diào)。

2.1葡萄糖的轉(zhuǎn)運 葡萄糖是親水性的，它不能穿透疏水性細(xì)胞膜，因此需要特殊類型的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白進行轉(zhuǎn)運。葡萄糖是腫瘤細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，大量消耗葡萄糖不可避免地增加了葡萄糖的攝入，因此大多數(shù)腫瘤細(xì)胞的GLUT表達(dá)明顯上調(diào)，如肺癌[3]、肝癌[4]、乳腺癌[5]、宮頸癌[6]等。目前GLUT已鑒定出14種亞型，其中GLUT1、GLUT2(SLC2A2)、GLUT3(SLC2A3)及GLUT4(SLC2A4)這4種亞型研究最多，而不同的亞型介導(dǎo)不同的過程，在葡萄糖攝取、代謝等方面均發(fā)揮著重要的作用。GLUT1是最早發(fā)現(xiàn)的，惡性腫瘤中的GLUT1常常過表達(dá)。癌基因與抑癌基因可以調(diào)節(jié)GLUT1，如c-myc可以使細(xì)胞內(nèi)GLUT1過表達(dá)，引起葡萄糖攝取增加。P53等抑癌基因可以抑制細(xì)胞中GLUT1的表達(dá)，使葡萄糖攝取減少進而抑制腫瘤的發(fā)生發(fā)展。GLUT3在大多數(shù)癌細(xì)胞中表達(dá)，但是在正常細(xì)胞中往往是不表達(dá)的。通過靶向GLUT可以抑制有氧糖酵解程度，進而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。

2.2有氧糖酵解相關(guān)酶 糖酵解是一個復(fù)雜的過程，以葡萄糖為起點，經(jīng)過多種非限速酶及限速酶的催化，最終形成乳酸。經(jīng)典的糖酵解主要涉及3種限速酶，分別是HK、PFK、PK。3種酶介導(dǎo)不同的過程，在糖代謝中發(fā)揮著重要的作用。

第1個限速酶是HK，其催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸的過程，由于葡萄糖-6-磷酸是糖酵解、磷酸戊糖途徑、糖原合成等過程的共同中間產(chǎn)物，因此這個過程稱為糖代謝過程中最為關(guān)鍵的一步，而HK也成了最重要的限速酶。HK有4種亞型HK1、HK2、HK3、HK4，其中HK2在正常細(xì)胞中幾乎不表達(dá)，其表達(dá)在惡性腫瘤中有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)，HectH9可以通過激活HK2和甘油醛-3-磷酸脫氫酶的轉(zhuǎn)錄，增加腫瘤細(xì)胞對葡萄糖的攝取，提高有氧糖酵解速率，加快乳酸分泌，從而刺激小鼠和人類肺癌細(xì)胞的有氧糖酵解依賴性轉(zhuǎn)移[7]。人乳頭瘤病毒E6/E7致癌基因可以通過直接上調(diào)HK2的表達(dá)，導(dǎo)致人乳頭瘤病毒陽性細(xì)胞的代謝重編程[8]。

第2個限速酶是PFK，其催化6-磷酸果糖為1，6-二磷酸果糖，這是糖酵解途徑中的關(guān)鍵調(diào)控步驟。 哺乳動物中PFK主要存在3種形式，分別為肌型PFK、血小板型PFK及肝臟型PFK，在腫瘤中肝臟型和血小板型則更加豐富。PFK主要有2種構(gòu)象：基本沒有活性的二聚體和活性非常高的四聚體。2，6-二磷酸果糖是PFK1的變構(gòu)激活劑，來源于6-磷酸果糖-2-激酶果糖-2，6-二磷酸酶4(PFKFB4)，這是一種兼具激酶活性和磷酸酶活性的酶，且2，6-二磷酸果糖的水平取決于激酶和磷酸酶的相對活性。研究發(fā)現(xiàn)，PFKFB4可以使類固醇受體共激活因子3的絲氨酸857位點磷酸化，增強其轉(zhuǎn)錄活性進而促進乳腺癌的侵襲及轉(zhuǎn)移[9]。PFKFB4高表達(dá)的乳腺癌患者表現(xiàn)出不良的總體生存期及預(yù)后，已證明PFKFB4是乳腺癌的獨立預(yù)后因素[10]。

第3個限速酶是PK，PK可以把磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸,同時生成ATP。PK具有4個同工型：L、R、M1和M2。PKL、PKR、PKM1多在正常組織中表達(dá)，而PKM2在高度增殖的細(xì)胞中特別表達(dá)，是葡萄糖代謝過程中的重要限速酶。PKM2可以通過翻譯后修飾發(fā)揮其作用，包括磷酸化[11]、O-乙酰氨基葡萄糖(O-GlcNAc)修飾[12]、乙?；痆13]，琥珀?；痆14]和甲基化[15]。例如，體外結(jié)合和激酶測定表明PKM2在Ser20，Ser141和Ser192/197處直接磷酸化PAK2并使其表達(dá)下降進而降低胰腺導(dǎo)管腺癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移能力[16]。PKM2通過O-GlcNAc修飾抑制其催化活性，從而促進有氧糖酵解和腫瘤生長[17]。在正常的葡萄糖條件下，去乙?；牟痪缓颂呛说鞍?hnRNP)A1減少了原發(fā)性肝癌細(xì)胞中的PKM2，增加了PKM1的選擇性剪接，導(dǎo)致PK的代謝活性降低[18]。

除以上3種限速酶外，LDH通過電子受體NAD的再生在有氧糖酵解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在腫瘤細(xì)胞中，LDHA催化丙酮酸變?yōu)槿樗?，促進乳酸堆積、降低pH值，為腫瘤微環(huán)境提供必要條件[19]。EWS-FLI1是尤因肉瘤的致癌驅(qū)動因子，其可以通過調(diào)節(jié)LDHA的表達(dá)進而影響腫瘤糖代謝過程，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)運用LDHA特異性抑制劑處理后可以阻斷有氧糖酵解過程，影響腫瘤的發(fā)展[20]。

3 腫瘤有氧糖酵解信號通路

腫瘤有氧糖酵解能量代謝調(diào)控機制主要包括致癌性代謝調(diào)控和抑癌性代謝調(diào)控。致癌性代謝調(diào)控主要包括myc、Ras等促癌基因及PI3K-Akt-mTOR等代謝通路。抑癌性代謝調(diào)控主要涉及P53、PTEN等抑癌基因。通過這些基因或者通路的調(diào)控對腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、惡性表型起到關(guān)鍵性的作用。

3.1致癌性調(diào)控 myc基因家族有多種基因型，包括c-myc、L-myc、s-myc、N-myc。這些基因在腫瘤中可以通過擴增，編碼轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮作用，其中研究最為廣泛的是c-myc。c-myc可以調(diào)控多種糖酵解基因的轉(zhuǎn)錄過程。c-myc可以與HK2的調(diào)節(jié)區(qū)域結(jié)合，進而在腫瘤有氧糖酵解中發(fā)揮重要作用[21]。PK催化糖酵解的最后一步，PKM2僅存在于可以自我更新的組織，如干細(xì)胞、腫瘤等。c-myc可以直接在PKM2啟動子區(qū)域富集，上調(diào)PKM2的表達(dá)，從而促進腫瘤有氧糖酵解[22]。另外c-myc可以通過間接調(diào)節(jié)hnRNP蛋白進而誘導(dǎo)PKM2剪接，從而促進有氧糖酵解[23]。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶是糖代謝途徑的關(guān)鍵酶，研究證明，c-myc可以與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的啟動子區(qū)域結(jié)合促進其表達(dá)，從而促進磷酸戊糖途徑[24]?？傊?，c-myc可以通過上調(diào)各種葡萄糖代謝基因，重新編程葡萄糖代謝途徑并促進有氧糖酵解。

Ras介導(dǎo)的代謝重編程在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。研究證明，Ras可以促進有氧糖酵解，為腫瘤細(xì)胞提供代謝能量。Ras信號通路激活后可以通過多種酶促進有氧糖酵解產(chǎn)生乳酸、α-酮戊二酸等。Ras可以通過增加細(xì)胞膜表面GLUT1的表達(dá)來促進有氧腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖，進而增加有氧糖酵解效率[19]。另外，PI3K-Akt-mTOR信號也是葡萄糖攝取的主要調(diào)節(jié)劑，可促進GLUT1中mRNA的表達(dá)及GLUT1蛋白從內(nèi)膜向細(xì)胞膜表面的轉(zhuǎn)運，進而促進糖酵解。PI3K-Akt-mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在多種腫瘤發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用，是目前腫瘤預(yù)防和靶向治療的熱點。

3.2抑癌性調(diào)控 P53是最關(guān)鍵的抑癌性基因，在惡性腫瘤中，50%以上會出現(xiàn)該基因的突變。P53通過編碼轉(zhuǎn)錄因子影響細(xì)胞周期。P53可以通過多種途徑調(diào)節(jié)有氧糖酵解過程。一方面，P53通過調(diào)節(jié)GLUT1、GLUT4的表達(dá)調(diào)節(jié)葡萄糖攝取效率，進而影響有氧糖酵解[25]。另一方面，P53可以通過調(diào)節(jié)TP53介導(dǎo)的糖酵解和凋亡誘導(dǎo)因子的表達(dá)來抑制有氧糖酵解[26]。除此之外，P53還可以通過調(diào)節(jié)線粒體呼吸功能、磷酸戊糖途徑、糖酵解相關(guān)酶等抑制腫瘤有氧糖酵解功能[27]。

PTEN是一種抑癌基因，是人體腫瘤中最常發(fā)生突變的基因之一，在肺癌、腸癌、子宮內(nèi)膜癌、前列腺癌等惡性腫瘤中均有突變。PTEN 蛋白主要通過PI3K/Akt、局部黏著斑激酶和絲裂原活化蛋白激酶這3條信號通路發(fā)揮抑制腫瘤的作用。其中，PI3K/Akt通路是最經(jīng)典的通路。PTEN通過抑制PI3K/Akt通路的失活來抑制腫瘤的發(fā)生[28]。有研究發(fā)現(xiàn)，磷酸甘油酸激酶1(PGK1)可以作為糖酵解酶發(fā)揮作用，或者發(fā)生磷酸化作為蛋白激酶發(fā)揮其作用。PTEN直接與PGK1相互作用控制腫瘤的有氧糖酵解過程。PTEN編碼的蛋白質(zhì)具有磷酸酶活性，可以抑制磷酸化的PGK1，從而抑制有氧糖酵解和腫瘤細(xì)胞增殖[29]。

4 非編碼RNA與腫瘤有氧糖酵解之間的關(guān)系

很多非編碼RNA，如微小RNA(miRNA)、長鏈非編碼RNA(lncRNA)等，在介導(dǎo)腫瘤糖代謝過程中發(fā)揮重要作用。

4.1miRNA與有氧糖酵解之間的關(guān)系 miRNA是由內(nèi)源性基因編碼的長度約20～24個核苷酸的非編碼單鏈RNA分子，參與轉(zhuǎn)錄后基因的表達(dá)調(diào)控。miRNA在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。miRNA-135可以通過靶向PFK1抑制胰腺導(dǎo)管腺癌有氧糖酵解過程，增加其葡萄糖的利用以支持三羧酸循環(huán)，促進胰腺導(dǎo)管腺癌的發(fā)生發(fā)展[30]。miRNA-338可以直接抑制肝臟型PFK的表達(dá)而對肝癌發(fā)揮抑制作用[31]。miRNA-885-5p可以通過HK的3′UTR來調(diào)控HK2在腫瘤中的表達(dá)[32]。研究證明，miR-142-3p可以靶向作用于LDHA，作為肝細(xì)胞癌的腫瘤抑制因子進而抑制腫瘤的生長、遷移、侵襲等[33]。

4.2lncRNA與腫瘤有氧糖酵解之間的關(guān)系 lncRNA是一類長度大于200個氨基酸的非編碼單鏈RNA分子，其在轉(zhuǎn)錄、沉默、激活、染色體修飾、核內(nèi)運輸?shù)染哂兄匾墓δ?。lncRNA PVT1通過競爭性結(jié)合膽囊癌細(xì)胞中的內(nèi)源性miR-143來調(diào)節(jié)HK2表達(dá)，進而影響腫瘤有氧糖酵解過程與腫瘤的發(fā)生發(fā)展[34]。lncRNA UCA1通過下調(diào)miR-182的表達(dá)抑制miR-182與果糖2,6-雙磷酸酶結(jié)合，進而調(diào)節(jié)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的有氧糖酵解及侵襲過程[35]。

4.3環(huán)狀RNA(circRNA) circRNA是一類特殊的非編碼RNA，與線性RNA不同，circRNA分子為封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，不受RNA外切酶影響，表達(dá)更穩(wěn)定，不易降解，在基因表達(dá)調(diào)控層面發(fā)揮著重要的作用。研究證明circRNA在腫瘤糖代謝中發(fā)揮著重要的作用，主要通過以下2種機制發(fā)揮作用：一方面，circRNA可以充當(dāng)miRNA分子海綿，通過海綿作用結(jié)合miRNA，間接調(diào)控其下游靶基因的表達(dá)從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。研究發(fā)現(xiàn)，烯醇化酶1(ENO1)是一種糖酵解酶，在葡萄糖代謝中起關(guān)鍵作用，在腫瘤的進展中發(fā)揮著重要的作用。肺腺癌中，circ-ENO1可以充當(dāng)海綿與miRNA-22-3p相互作用并上調(diào)ENO1的表達(dá)，進而促進肺腺癌中的有氧糖酵解與腫瘤進展[36]。另一方面，circRNA通過與RNA結(jié)合蛋白的結(jié)合來調(diào)控蛋白功能。研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子CUX1和circ-CUX1促進神經(jīng)母細(xì)胞瘤中的有氧糖酵解和腫瘤進程，circ-CUX1可以與EWS RNA結(jié)合蛋白1結(jié)合，促進其與myc相關(guān)的鋅指蛋白(MAZ)的相互作用，從而導(dǎo)致MAZ的反式激活及CUX1的表達(dá)，進而改變腫瘤相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，促進腫瘤的進展[37]。

5 腫瘤糖代謝的研究前景

細(xì)胞代謝異常是腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵特征，糖代謝異常是其中最基本的特征。通過靶向腫瘤細(xì)胞糖代謝過程，修正細(xì)胞代謝異常成為預(yù)防腫瘤發(fā)生發(fā)展和治療腫瘤的新思路。目前，越來越多的研究人員聚焦于靶向腫瘤糖代謝的研究，一批靶向腫瘤糖代謝的藥物正在臨床試驗階段。但是腫瘤細(xì)胞糖代謝過程復(fù)雜，與其他學(xué)科存在交叉，運用靶向藥物在降低腫瘤異常糖代謝的同時會引起其他反應(yīng)代償性激活，從而降低糖代謝抑制效能。未來將繼續(xù)深入腫瘤糖代謝研究，注意與其他代謝途徑及影響因素結(jié)合，多學(xué)科共同合作，基礎(chǔ)聯(lián)合臨床，為腫瘤治療創(chuàng)造新機遇。