高 洋，孫 昭，白春梅

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院腫瘤內(nèi)科，北京 100730

胃癌是起源于胃黏膜上皮細(xì)胞的惡性腫瘤，好發(fā)于東亞、南美、中美洲及東歐地區(qū)[1]。2018年全球范圍內(nèi)新增胃癌患者共計(jì)約103萬，導(dǎo)致超過78萬人死亡，使胃癌成為世界上第五大常見癌癥及第三大癌癥相關(guān)死亡原因[1]。

1927年Warburg等[2]和Burk等[3]首次觀察到，即使在氧供良好的環(huán)境中，腫瘤細(xì)胞也會消耗較多葡萄糖并產(chǎn)生大量乳酸，這一過程被稱為“有氧糖酵解”或“溫伯格效應(yīng)”。有氧糖酵解過程中的糖酵解中間體可用于合成核苷酸、氨基酸和脂類，同時(shí)產(chǎn)生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)，滿足腫瘤和增殖細(xì)胞對大分子合成及能量的需求[4]。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解過程中的關(guān)鍵限速酶，其亞型丙酮酸激酶M2(PKM2)在多種腫瘤組織及細(xì)胞系中呈高表達(dá)，研究證明PKM2與腫瘤的發(fā)生、增殖、遷移等密切相關(guān)[5]，但對其在胃癌中的作用及機(jī)制認(rèn)識尚不全面，本文就PKM2在胃癌中的作用及可能的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 丙酮酸激酶及其異構(gòu)體

哺乳動物的PK 存在4種亞型，即PKM1、PKM2、PKL和PKR。PKM1主要存在于能量需求較高的組織中，如骨骼肌、心臟、大腦；PKM2主要存在于高增殖細(xì)胞和大部分腫瘤細(xì)胞內(nèi)；PKL主要存在于肝臟、腸道內(nèi)；PKR主要存在于紅細(xì)胞內(nèi)[5]。PKM1、PKM2由PKM基因通過選擇性剪接產(chǎn)生，PKL、PKR由PKLR基因編碼產(chǎn)生[6]。PKM1、PKL、PKR以穩(wěn)定的四聚體形式存在；而PKM2則以二聚體和四聚體兩種形式存在，二者在腫瘤細(xì)胞中的比例不固定，取決于不同的致癌蛋白作用[7]。PKM2二聚體對磷酸烯醇丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)的Km值高于其四聚體，因此將PEP轉(zhuǎn)化為ATP和丙酮酸時(shí)活性較低，故PKM2二聚體更有利于有氧糖酵解，而四聚體則更有利于通過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生ATP，PKM2二聚體與四聚體之間的動態(tài)平衡為增殖細(xì)胞調(diào)節(jié)自身合成及分解代謝創(chuàng)造了條件[7]。

2 丙酮酸激酶M2的作用

2.1 調(diào)節(jié)糖酵解途徑

越來越多的證據(jù)表明，PKM2可通過調(diào)節(jié)有氧糖酵解途徑促進(jìn)腫瘤的發(fā)展，在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮關(guān)鍵作用[8-10]。作為糖酵解途徑的關(guān)鍵限速酶，PKM2在糖酵解過程中將高能磷酸基從PEP轉(zhuǎn)移至二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)，產(chǎn)生ATP和丙酮酸，丙酮酸隨后被細(xì)胞漿中的乳酸脫氫酶還原為乳酸，或通過呼吸鏈引導(dǎo)產(chǎn)生高產(chǎn)量的ATP[11]。利用shRNA敲降癌細(xì)胞株中的PKM2后，可檢測到細(xì)胞對葡萄糖的攝取及氧耗增加、乳酸生成減少，重新移入PKM2后這些變化可發(fā)生逆轉(zhuǎn)，提示了PKM2促進(jìn)了細(xì)胞增殖和異種移植瘤的形成[10]，該研究結(jié)果表明PKM2的表達(dá)對于有氧糖酵解途徑是必要的，并且這種代謝表型為腫瘤細(xì)胞提供了選擇性生長優(yōu)勢。在缺氧條件下，細(xì)胞在缺氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1 alpha，HIF-1α)和c-Myc的調(diào)控下進(jìn)行糖酵解，PKM2可與HIF-1α、c-Myc相互作用，共同調(diào)節(jié)糖酵解途徑，促進(jìn)腫瘤的發(fā)展[8-9]。

2.2 調(diào)節(jié)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

隨著對細(xì)胞漿內(nèi)蛋白成分研究的不斷深入，PKM2調(diào)節(jié)細(xì)胞漿內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用逐漸被認(rèn)識。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素靶蛋白[phosphatidylinositol-3-kinase(PI3K)/protein kinase B(Akt)/the mammalian target of Rapamycin(mTOR)，PI3K/Akt/mTOR]信號通路在細(xì)胞增殖、遷移及代謝過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用，PKM2是該信號通路的關(guān)鍵下游介質(zhì)，介導(dǎo)信號通路的轉(zhuǎn)導(dǎo)，共同調(diào)控多種腫瘤的發(fā)生發(fā)展[12-13]。瘦素通過上調(diào)PKM2可激活PI3K/Akt信號通路，介導(dǎo)乳腺癌上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化[14]。多數(shù)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)介質(zhì)通過與磷-酪氨酸殘基結(jié)合，組成特定的蛋白復(fù)合物以完成信號傳遞，PKM2作為磷-酪氨酸結(jié)合蛋白，可與成纖維細(xì)胞生長因子受體1、A-Raf、BCR-ABL等多種酪氨酸激酶相互作用，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[15]。同時(shí)，PKM2還可與mRNA結(jié)合，介導(dǎo)翻譯調(diào)控[16]。

2.3 調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄與細(xì)胞凋亡

PKM2除調(diào)節(jié)糖酵解途徑及細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)外，還參與細(xì)胞核內(nèi)的基因轉(zhuǎn)錄與細(xì)胞凋亡。Yang等[17]首次發(fā)現(xiàn)，表皮生長因子受體可誘導(dǎo)PKM2核轉(zhuǎn)位，細(xì)胞核內(nèi)的PKM2與Y333磷酸化的β-連環(huán)蛋白結(jié)合，使組蛋白H3磷酸化、周期蛋白D表達(dá)增加，揭示了PKM2在細(xì)胞核內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄中的調(diào)控作用。Gao等[18]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核內(nèi)的PKM2水平與細(xì)胞增殖能力呈正相關(guān)，并證實(shí)PKM2可通過磷酸化靶點(diǎn)STAT3 Y705激活MEK5轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)腫瘤的增殖等。PKM2可增加轉(zhuǎn)錄共激活因子p300的募集，促進(jìn)HIF-1α的反式激活，在缺氧環(huán)境中重新編程癌細(xì)胞代謝[19-20]。PKM2還可與八聚體結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子4(octamer-binding transcription factor 4，Oct4)的C-末端結(jié)合，增強(qiáng)Oct4介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)腫瘤干細(xì)胞的自我更新與分化[21]。此外，有研究指出PKM2與細(xì)胞凋亡相關(guān)，PKM2可磷酸化B細(xì)胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)T69，阻止后者與Cul3的E3連接酶結(jié)合，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡[22]。

3 丙酮酸激酶M2在胃癌中的表達(dá)

研究表明，PKM2在多種腫瘤組織中的表達(dá)高于正常組織，且其高表達(dá)與患者的不良預(yù)后相關(guān)[23-25]，故推測PKM2表達(dá)增強(qiáng)在胃癌發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

為明確PKM2在胃癌中的表達(dá)，Shiroki等[7]研究發(fā)現(xiàn)PKM2不僅存在于胃癌組織，在正常胃組織及健康志愿者的胃黏膜內(nèi)也有表達(dá)，且PKM2在胃癌患者及健康志愿者胃黏膜內(nèi)的表達(dá)均高于PKM1，但該研究未發(fā)現(xiàn)胃癌發(fā)生過程中PKM1與PKM2亞型之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的證據(jù)。Wang等[26]亦證實(shí)了PKM2在胃癌組織中的表達(dá)高于鄰近正常胃組織，并對PKM2表達(dá)水平與患者預(yù)后進(jìn)行了Kaplan-Meier分析，發(fā)現(xiàn)PKM2高表達(dá)者的總生存期(overall survival，OS)為23個(gè)月，低表達(dá)者的OS為43個(gè)月，前者3年及5年生存率均低于后者，存在顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了PKM2表達(dá)與臨床特點(diǎn)的相關(guān)性，并證實(shí)PKM2表達(dá)與胃癌淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、腫瘤浸潤及臨床分期呈正相關(guān)，而利用shRNA下調(diào)PKM2表達(dá)后，體外胃癌細(xì)胞的增殖和遷移能力明顯受到抑制。這些研究發(fā)現(xiàn)也得到了其他研究的進(jìn)一步證實(shí)[27-30]。因此，目前認(rèn)為 PKM2可提高胃癌細(xì)胞的增殖、轉(zhuǎn)移能力，其在胃癌組織中的高表達(dá)與患者的不良預(yù)后、臨床及病理分期呈正相關(guān)。

4 丙酮酸激酶M2在胃癌中的可能作用機(jī)制

4.1 通過調(diào)節(jié)糖酵解途徑促進(jìn)胃癌發(fā)展

目前普遍認(rèn)為，包括胃癌在內(nèi)的多種實(shí)體瘤存在低氧區(qū)。在缺氧環(huán)境中，正常細(xì)胞可能出現(xiàn)細(xì)胞適應(yīng)，或P53依賴的細(xì)胞凋亡，但腫瘤細(xì)胞可能由于獲得P53或其他基因突變，以及代謝重編程等變化，能夠在缺氧條件下生存、增殖[4,31]。為分析缺氧條件下葡萄糖代謝相關(guān)酶在胃癌增殖中的作用，Kitayama等[32]使用4株耐缺氧胃癌細(xì)胞株和4株親本細(xì)胞株，通過RT-PCR檢測PKM2在內(nèi)的代謝相關(guān)酶的mRNA表達(dá)水平，與親本細(xì)胞株相比，耐缺氧腫瘤細(xì)胞株中的PKM2 mRNA表達(dá)水平明顯增高；分別利用siRNA和紫草素下調(diào)PKM2表達(dá)水平后，所有細(xì)胞株內(nèi)耐缺氧細(xì)胞的生長均受到顯著抑制。該研究表明PKM2對于腫瘤細(xì)胞耐受缺氧可能發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，在缺氧條件下，PKM2還可調(diào)節(jié)HIF-1α和c-Myc的活性，促進(jìn)腫瘤的發(fā)展[8-9]。

HIF-1α是一種轉(zhuǎn)錄因子，可激活編碼蛋白質(zhì)的基因轉(zhuǎn)錄，參與一系列腫瘤生物學(xué)方面的關(guān)鍵步驟，包括血管生成、代謝及細(xì)胞存活、侵襲和轉(zhuǎn)移等[33-34]。PKM2可促進(jìn)HIF-1α的反式激活，二者共同組成激活正反饋環(huán)，參與腫瘤細(xì)胞中葡萄糖代謝的重編程[19-20]。Chen等[35]對早期胃癌、晚期胃癌及淺表性胃炎組織中HIF-1α和PKM2表達(dá)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)HIF-1α在早期及晚期胃癌組織中的表達(dá)均高于胃炎組織，但僅在晚期胃癌組織中的表達(dá)有顯著性差異；隨后將HIF-1α過表達(dá)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染胃癌細(xì)胞株BGC823，發(fā)現(xiàn)HIF-1α的過表達(dá)增強(qiáng)了BGC823細(xì)胞的生存、侵襲和遷移能力；二甲雙胍可抑制HIF-1α及PKM2的表達(dá)，降低胃癌細(xì)胞的能量供應(yīng)，從而降低其生存與侵襲能力。

c-Myc是Myc基因家族的重要成員，在腫瘤能量代謝、調(diào)節(jié)糖酵解過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。Gao等[36]利用慢病毒轉(zhuǎn)染胃癌細(xì)胞，分析PKM2、c-Myc下調(diào)對細(xì)胞增殖、凋亡、遷移及生長信號通路的影響，發(fā)現(xiàn)敲除胃癌細(xì)胞中的c-Myc可抑制其增殖能力和糖酵解水平，與單獨(dú)敲除PKM2或c-Myc相比，同時(shí)敲除PKM2和c-Myc對胃癌細(xì)胞的抑制作用更明顯，故推測二者可能存在相互作用，共同調(diào)節(jié)糖酵解途徑。

4.2 通過介導(dǎo)PI3K/Akt/mTOR信號通路活化促進(jìn)胃癌發(fā)展

PKM2作為PI3K/Akt/mTOR信號通路的下游介質(zhì)，通過介導(dǎo)該信號通路的活化，促進(jìn)胃癌的進(jìn)展[13,37]。Lu等[37]利用特異性PI3K抑制劑LY294002處理胃癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其可抑制胃癌細(xì)胞的增殖，降低細(xì)胞活性，并顯著增加早期凋亡率；分別用不同濃度的LY294002處理胃癌細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)p-Akt、p-mTOR、HIF-1α、PKM2的表達(dá)均下降，且下降程度呈劑量依賴性。因此，推測LY294002可能通過抑制PI3K/Akt/mTOR/PKM2信號通路進(jìn)而抑制胃癌細(xì)胞的增殖及有氧糖酵解途徑。Gao等[36]使用雷帕霉素抑制mTOR表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)STAT3、c-Myc、GLUT-1蛋白的表達(dá)水平明顯降低，由此推測mTOR/PKM2和STAT3/c-Myc信號通路可相互作用，共同參與調(diào)控胃癌細(xì)胞的增殖和糖酵解水平，但其具體機(jī)制尚待進(jìn)一步研究證實(shí)。

4.3 通過調(diào)節(jié)凋亡途徑促進(jìn)胃癌發(fā)展

細(xì)胞凋亡在機(jī)體發(fā)育、代謝調(diào)節(jié)、維持組織穩(wěn)態(tài)等過程中發(fā)揮重要作用，與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后及耐藥性密切相關(guān)[38-39]。在細(xì)胞內(nèi)水平，細(xì)胞凋亡是由抗凋亡蛋白的丟失或促凋亡蛋白的激活引起，Bcl-2蛋白家族在細(xì)胞凋亡中的作用尤為關(guān)鍵[38]。Bcl-2家族包括抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1等)，可促進(jìn)細(xì)胞的生存；還包括促凋亡蛋白(如Bid、Bim、Bad、Bax、Bak等)，可促使細(xì)胞死亡[38]。

Kwon等[40]利用GENT數(shù)據(jù)庫檢索了188例胃癌患者腫瘤組織PKM2表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)胃癌細(xì)胞中PKM2與Bcl-xL呈顯著正相關(guān)；利用siRNA敲降Bcl-xL后，觀察到胃癌細(xì)胞的生長受到顯著抑制。故推測PKM2可能為胃癌細(xì)胞中Bcl-xL的重要上游調(diào)控因子，通過調(diào)控Bcl-xL以減少細(xì)胞凋亡，從而促進(jìn)胃癌細(xì)胞增殖。

5 小結(jié)

PKM2是糖酵解過程中的關(guān)鍵限速酶，在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮至關(guān)重要作用。在胃癌細(xì)胞中，PKM2與HIF-1α、c-Myc相互影響，共同調(diào)節(jié)糖酵解途徑，通過介導(dǎo)PI3K/Akt/mTOR信號通路活化、調(diào)控細(xì)胞凋亡等促進(jìn)胃癌細(xì)胞的生長、轉(zhuǎn)移，抑制其細(xì)胞凋亡，最終促進(jìn)胃癌的發(fā)展。因此，阻斷PKM2這一關(guān)鍵限速酶，可能成為未來胃癌治療研究的新方向。

作者貢獻(xiàn)：高洋負(fù)責(zé)文獻(xiàn)查閱及文章撰寫；孫昭、白春梅負(fù)責(zé)文章修訂。

利益沖突：無