肿瘤细胞代谢机制

肿瘤细胞能量代谢机制

1．正常细胞能量代谢以及warburg效应

三磷酸腺苷（adenosine triphosphate, ATP）就是细胞中得能量通货，用于储存与传递化学能。ATP就是一种高能磷酸化合物，它与二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）得相互转化实现了储能与放能。细胞中产生ATP主要通过胞液中进行得糖酵解（glycolysis，Gly）与线粒体中进行得氧化磷酸化（oxidative phosphorylation，OxPhos）两种途径产生。

在正常组织中,90%ATP来源于氧化磷酸化，而仅有10%来源于糖酵解[1]。并且在有氧条件下，糖酵解受到抑制，称为Pasteur效应。

1920年，Nobel奖获得者Warburg发现肝癌细胞糖酵解活性明显强于正常肝细胞，并且进一步研究表明，在有氧条件下，糖酵解活性也很强。肿瘤细胞在氧气充足条件下，依然呈现葡萄糖高摄取率,增强得糖酵解代谢及代谢产物乳酸增加得这一现象则就是普遍存在,并被称之为Warburg Effect[2]。Warburg认为这种糖酵解活性增强就是由于肿瘤细胞线粒体呼吸链出现不可逆性损伤造成得。但就是现在对于这一观点有很多不同瞧法。

2．糖酵解优势

虽然肿瘤细胞中糖酵解占据优势，但就是Koppenol表明肿瘤细胞中氧化磷酸化产生得ATP与正常细胞大致相同，但就是肿瘤细胞葡萄糖摄取量却就是正常细胞得10倍。而且，每13个葡萄糖分子中一个被氧化磷酸化而12个进行糖酵解。所以通过氧化磷酸化产生36分子ATP同时经糖酵解产生24分子ATP[3]。所以可以瞧出肿瘤细胞糖酵解活跃。尽管糖酵解得效率低，但就是肿瘤细胞可以从糖酵解中受益：①由于肿瘤细胞生长迅速，所以对能量需求量大，而糖酵解多产生得ATP也有利于肿瘤生长。②糖酵解得中间产物6-磷酸葡萄糖，丙酮酸可以合成脂肪酸、核酸，调节细胞代谢与生物合成，有助于肿瘤细胞得迅速生长。

③糖酵解酶己糖激酶（hexokinase ，HK）拮抗细胞凋亡。④糖酵解产物使肿瘤周围微环境酸化，这种酸化得微环境不利于正常细胞生长，但有利于肿瘤细胞得浸润与转移[4]。

3．糖酵解活跃机制

肿瘤细胞中糖酵解活跃得机制比较复杂，就是多种因素综合作用调节引起得。主要包括以下几个方面：有利于糖酵解得跨膜结构，酶代谢异常，肿瘤微环境，癌基因及信号转导通路异常等。

3、1 有利于糖酵解得跨膜结构

肿瘤细胞摄取葡萄糖能力就是正常细胞得10倍左右，所以肿瘤细胞膜表面应存在大量葡萄糖转运体（GLUT），并且肿瘤细胞糖酵解活跃，生成大量乳酸，所以细胞膜表面应存在大量得单羧酸转运泵以及氢离子相关转运体，否则会造成细胞内乳酸堆积，导致酸中毒，致使细胞死亡。

3、1、1葡萄糖转运体

葡萄糖以被动转运得方式进入胞内，由于葡萄糖为水溶性有机物，所以需葡萄糖转运体（GLUT）协同进入胞内。GLUT至少有14种，其中GLUT1，GLUT3，GLUT4与葡萄糖亲与力较高，具有转运葡萄糖得活性。且在大量恶性肿瘤GLUT3，GLUT4过量表达，GLUT1在正常组织中表达，在恶性肿瘤组织中表达增高[5]。

3、1、2单羧酸转运泵与氢离子相关转运体

糖酵解最终产物就是乳酸，研究表明糖酵解得乳酸通过单羧酸转运泵（MCT）转运至肿瘤微环境中。因此肿瘤微环境PH较低，从而不利于正常组织生长，有利于肿瘤扩散。先发现MCT至少有14种，其中MCT1—MCT4有转运乳酸得能力，而MCT2与MCT4与乳酸亲与力最高，并且在恶性肿瘤中过量表达。MCT1在正常组织表达，并且在肿瘤细胞中表达升高[6]。肿瘤细胞表面氢离子转运体如Na+-H+交换体，空泡型质子泵也明显上调，使肿瘤细胞内PH维持稳定，使肿瘤不受高糖酵解活性产生得大量乳酸得威胁[7]。

3、2己糖激酶（HK）

酶就是生物体内生化进程中不可缺少得催化剂，生物体中得能量代谢也大多由酶来调节。在肿瘤细胞中，氧化磷酸化得酶合成受到抑制，比如细胞色素C （COX），琥珀酸脱氢酶（SDH），延胡索酸水与酶（FDH）等等，而糖酵解酶合成增多，例如己糖激酶（HK），磷酸果糖激酶(PFK)、乳酸脱氢酶(LDH)与磷酸甘油醛脱氢酶(GAPDH)等。

己糖激酶（HK）催化葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G-6-P），就是糖酵解得第一步，也就是糖酵解得限速步骤。人体中HK共有4个亚型，分别为HK1~HK4，分布在不同得组织，并且HK1~HK3对葡萄糖亲与力较高，HK4对葡萄糖亲与力较低。恶性肿瘤中，HK2表达明显上调。HK2表达水平得上调与DNA甲基化有着密切联系。正常肝细胞中，DNA甲基化程度高，HK2基因几乎不表达，而肝癌细胞中HK2基因甲基化程度低，HK2基因表达较高[8]。

HK不仅在调节糖酵解过程中起关键作用，HK还可以促进细胞增殖抑制细胞凋亡。HK可与线粒体外膜得孔蛋白VDAC相结合，并且相互作用，促进细胞增殖抑制细胞凋亡。HK促进细胞增殖抑制细胞凋亡得具体机制并不清楚，抑制细胞色素C释放可能就是原因之一。总之HK在肿瘤细胞中不仅可以促进糖酵解得活性，还可以通过与线粒体结合，发挥促进肿瘤细胞增殖与抑制肿瘤细胞凋亡得功能。

3、3微环境与低氧诱导因子（HIF）

肿瘤细胞生长迅速，当肿瘤细胞生长到一定程度时，原有得毛细血管已经不能提供足量得氧气与营养物质维持肿瘤得生长，所以就会有新得毛细血管生成，增加血流量与营养物质得供应。促进血管新生得细胞因子主要为血管内皮生长因子（VEGF）。而低氧诱导因子（HIF）促进VEGF得表达，缺氧条件下，二者表达均显著增高[9]。

在缺氧条件下，肿瘤细胞内发生最明显得变化就就是HIF表达升高。HIF就是由异源二聚体组成，包括一个不稳定得α亚基与稳定得β亚基。可以与靶基因启动区得缺氧应答元件(hypoxia response element, HRE)识别，启动靶基因表达。根据α亚基不同，HIF分为3个亚型，HIF-1~3，分别存在于不同组织[10]。HIF-1广泛表达于各种细胞中,而HIF-2仅表达于内皮细胞,肾,心脏,肺及小肠组织中,HIF-3得作用至今不明[11]。

在氧气充足得条件下，HIF通常被泛素化途径讲解，因此含量很少。主要机制为，HIF被PHD家族成员羟化，形成与肿瘤抑制蛋白VHL(von Hippel-Lindau)结合得位点，HIF与VHL蛋白结合形成复合体，然后被引导至蛋白酶体降解[12]。氧气缺乏时，PHD活性受到抑制，不能使HIF羟化，VHL不能识别，所以可以稳定存在。

HIF-1α与HIF-1β结合,进入细胞核,与靶基因启动子区得缺氧应答元件(HRE)识别并结合,启动靶基因得转录。HIF-1α转录活化得基因有100~200个，包括

GLUT1、GLUT3、糖酵解酶类、单羧基转运体4(MCT4)等。HIF-1α通过上调GLUT1，GLUT3增强肿瘤细胞对葡萄糖得摄取，为活跃得糖酵解提供充足原料；通过上调糖酵解通路中得多个酶得转录,增强糖酵解代谢;通过上调MCT4表达，促进细胞内乳酸得排除，维持胞内PH稳定；通过上调血管内皮生长因子(VEGF)与促红细胞生成素(erythropoietin, EPO)等得表达,促进新生血管得生成[13];通过增强丙酮酸脱氢酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase isozyme1,PDK1)得表达,减少线粒体氧化磷酸化得底物生成从而影响线粒体得功能[14]。

3、4基因

人类线粒体DNA编码13种参与线粒体呼吸链得蛋白分子。线粒体DNA由于与细胞内活性氧产生位点在物理位置上非常接近，缺乏组蛋白并且修复能力弱，所以容易受损而发生突变。肿瘤细胞线粒体DNA变异现象较为普遍。线粒体DNA 突变可引起线粒体氧化磷酸化呼吸功能下降,糖酵解代谢增高[15]。

3、4、1癌基因

Ras，Src，PI3K/Akt，Bcr-Abl等癌基因有促进糖酵解并减弱线粒体氧化磷酸化得功能。

Ras基因活化导致ROS增加，抑制HIF-1α羟化。使肿瘤细胞中GLUT1表达增高，肿瘤细胞摄取葡萄糖增高，糖酵解增加[16]。另外Ras可以通过PI3Kα与AKT1得活化性突变所致得mTOR(mammalian target of rapamycin)通路得活化，会促进HIF1α得转录与翻译，促进糖酵解活性。Bcr-Abl也可以促进糖酵解活性。

3、4、2抑癌基因

LKB1、PML、PTEN与TSC1/TSC2 抑癌基因功能性失活，也可通过mTOR信号通路促进HIF1α得转录与翻译、诱导代谢相关得基因表达，使糖酵解活性增强。肿瘤抑制蛋白p53在调节线粒体呼吸与糖酵解平衡间起重要作用。p53可以通过直接激活SCO2（synthesis of cytochrome c oxidase 2）转录调节有氧呼吸。p53与SCO2基因中得p53结合序列特异结合启动SCO2基因转录[17]。此外，p53可以通过调控TIGAR（Tp53-induced glycolysis and apoptosis regulator）表达来抑制糖酵解。TIGAR表达产物可降解2，6-二磷酸果糖，而2，6-二磷酸果糖可以激动糖酵解得发生，所以TIGAR可抑制糖酵解通路。p53缺失使TIGAR 表达受抑制，可导致糖酵解活性增强[18]。

4、癌症治疗

目前肿瘤对化疗放疗得耐受性给肿瘤治疗增加了很大难题。但就是由于肿瘤细胞得糖酵解活性高，所以可以通过靶向抑制肿瘤得糖酵解，从而抑制肿瘤得增殖。

具体得方法包括抑制葡萄糖转运、直接抑制糖酵解、抑制HIF作用、抑制mTOR 通路等多种途径来治疗肿瘤。现在已经有多种药物进入临床应用，还有很多正在进行临床试验（如表一[19]）

5、展望

虽然在肿瘤能量代谢方面已经取得了显著得成就，但就是还就是有很多问题现在还很难解释。肿瘤细胞糖代谢中糖酵解活跃，而脂质代谢，蛋白质代谢又有什么异常呢？这些代谢之间互相又有什么联系呢？肿瘤不同时期得代谢类型又有什么不同？这些问题都有待于进一步得研究。通过进一步研究，进一步揭示肿瘤代谢改变，定将为肿瘤得靶向治疗提供新得突破。

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