腫瘤細(xì)胞代謝機(jī)制

1、腫瘤細(xì)胞能量代謝機(jī)制1. 正常細(xì)胞能量代謝以及warburg效應(yīng)三磷酸腺昔(adenosine triphosphate, ATP)就是細(xì)胞中得能量通貨，用于儲(chǔ) 存與傳遞化學(xué)能。ATP就是一種高能磷酸化合物，它與二磷酸腺昔(adenosine diphosphate, ADP)得相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能與放能。細(xì)胞中產(chǎn)生ATP主要通過胞 液中進(jìn)行得糖酵解(glycolysis, Gly)與線粒體中進(jìn)行得氧化磷酸化(oxidative phosphorylation, OxPhos)兩種途徑產(chǎn)生。在正常組織中，90%ATP來源于氧化磷酸化，而僅有10%來源于糖酵解1。并且在 有氧條件下，糖酵解受到抑制

2、，稱為Pasteur效應(yīng)。1920年.Nobel獎(jiǎng)獲得者Warburg發(fā)現(xiàn)肝癌細(xì)胞糖酵解活性明顯強(qiáng)于正常肝細(xì)胞, 并且進(jìn)一步研究表明，在有氧條件下，糖酵解活性也很強(qiáng)。腫瘤細(xì)胞在氧氣充足 條件下，依然呈現(xiàn)葡萄糖高攝取率，增強(qiáng)得糖酵解代謝及代謝產(chǎn)物乳酸增加得這 一現(xiàn)象則就是普遍存在并被稱之為Warburg Effect2 Warburg認(rèn)為這種糖酵 解活性增強(qiáng)就是由于腫瘤細(xì)胞線粒體呼吸鏈出現(xiàn)不可逆性損傷造成得。但就是現(xiàn) 在對(duì)于這一觀點(diǎn)有很多不同瞧法。2. 糖酵解優(yōu)勢(shì)雖然腫瘤細(xì)胞中糖酵解占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但就是Koppenol表明腫瘤細(xì)胞中氧化磷酸化 產(chǎn)生得ATP與正常細(xì)胞大致相同，但就是腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取

3、量卻就是正常細(xì)胞 得10倍。而且，每13個(gè)葡萄糖分子中一個(gè)被氧化磷酸化而12個(gè)進(jìn)行糖酵解。 所以通過氧化磷酸化產(chǎn)生36分子ATP同時(shí)經(jīng)糖酵解產(chǎn)生24分子ATP3。所以 可以瞧出腫瘤細(xì)胞糖酵解活躍。盡管糖酵解得效率低，但就是腫瘤細(xì)胞可以從糖 酵解中受益：由于腫瘤細(xì)胞生長迅速，所以對(duì)能量需求量大，而糖酵解多產(chǎn)生 得ATP也有利于腫瘤生長。糖酵解得中間產(chǎn)物6-磷酸葡萄糖，丙酮酸可以合 成脂肪酸、核酸，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝與生物合成，有助于腫瘤細(xì)胞得迅速生長。糖 酵解酶己糖激酶(hexokinase , HK)拮抗細(xì)胞凋亡。糖酵解產(chǎn)物使腫瘤周圍 微環(huán)境酸化，這種酸化得微環(huán)境不利于正常細(xì)胞生長，但有利于腫瘤細(xì)胞

4、得浸潤 與轉(zhuǎn)移4。3. 糖酵解活躍機(jī)制腫瘤細(xì)胞中糖酵解活躍得機(jī)制比較復(fù)雜，就是多種因素綜合作用調(diào)節(jié)引起得。主 要包括以下幾個(gè)方面：有利于糖酵解得跨膜結(jié)構(gòu)，酶代謝異常，腫瘤微環(huán)境，癌 基因及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常等。3、1有利于糖酵解得跨膜結(jié)構(gòu)腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖能力就是正常細(xì)胞得10倍左右，所以腫瘤細(xì)胞膜表面應(yīng)存 在大量葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT),并且腫瘤細(xì)胞糖酵解活躍，生成大量乳酸，所以 細(xì)胞膜表面應(yīng)存在大量得單竣酸轉(zhuǎn)運(yùn)泵以及氫離子相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體，否則會(huì)造成細(xì)胞 內(nèi)乳酸堆積，導(dǎo)致酸中毒，致使細(xì)胞死亡。3、1、1葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體葡萄糖以被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)得方式進(jìn)入胞內(nèi)，由于葡萄糖為水溶性有機(jī)物，所以需葡萄糖 轉(zhuǎn)運(yùn)體(GL

5、UT)協(xié)同進(jìn)入胞內(nèi)。GLUT至少有14種,其中GLUT1, GLUT3, GLUT4 與葡萄糖親與力較髙，具有轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖得活性。且在大量惡性腫瘤GLUT3, GLUT4 過量表達(dá)，GLUT1在正常組織中表達(dá)，在惡性腫瘤組織中表達(dá)增高5。單竣酸轉(zhuǎn)運(yùn)泵與氫離子相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體2、1、3.糖酵解最終產(chǎn)物就是乳酸，研究表明糖酵解得乳酸通過單竣酸轉(zhuǎn)運(yùn)泵(MCT)轉(zhuǎn) 運(yùn)至腫瘤微環(huán)境中。因此腫瘤微環(huán)境PH較低，從而不利于正常組織生長，有利 于腫瘤擴(kuò)散。先發(fā)現(xiàn)MCT至少有14種，其中MCT1MCT4有轉(zhuǎn)運(yùn)乳酸得能力，而 MCT2與MCT4與乳酸親與力最髙，并且在惡性腫瘤中過量表達(dá)。MCT1在正常 -HNa6o腫瘤細(xì)

6、胞表面氫離子轉(zhuǎn)運(yùn)體如組織表達(dá)，并且在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)升髙 交換體，空泡型質(zhì)子泵也明顯上調(diào)，使腫瘤細(xì)胞內(nèi)PH維持穩(wěn)定，使腫瘤不受髙 糖酵解活性產(chǎn)生得大量乳酸得威脅7。3、2己糖激酶(HK)詞就是生物體內(nèi)生化進(jìn)程中不可缺少得催化劑，生物體中得能量代謝也大多由酶 來調(diào)節(jié)。在腫瘤細(xì)胞中，氧化磷酸化得酶合成受到抑制，比如細(xì)胞色素C(COX), 琥珀酸脫氫酶(SDH),延胡索酸水與酶(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)、乳酸脫氫酶(LDH)與璘酸甘油醛脫氫酶 (GAPDH)等 o己糖激酶(HK)催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphat

7、e, G-6-P), 就是糖酵解得第一步，也就是糖酵解得限速步驟。人體中HK共有4個(gè)亞型，分 別為HK廣HK4,分布在不同得組織，并且HKHK3對(duì)葡萄糖親與力較高,HK4對(duì) 葡萄糖親與力較低。惡性腫瘤中，HK2表達(dá)明顯上調(diào)oHK2表達(dá)水平得上調(diào)與DNA 甲基化有著密切聯(lián)系o正常肝細(xì)胞中，DNA甲基化程度高，HK2基因幾乎不表達(dá)， 而肝癌細(xì)胞中HK2基因甲基化程度低，HK2基因表達(dá)較高8。HK不僅在調(diào)節(jié)糖酵解過程中起關(guān)鍵作用，HK還可以促進(jìn)細(xì)胞增殖抑制細(xì)胞凋亡。 HK可與線粒體外膜得孔蛋白VDAC相結(jié)合，并且相互作用，促進(jìn)細(xì)胞增殖抑制細(xì) 胞凋亡。HK促進(jìn)細(xì)胞增殖抑制細(xì)胞凋亡得具體機(jī)制并不清楚，抑

8、制細(xì)胞色素C 釋放可能就是原因之一?？傊瓾K在腫瘤細(xì)胞中不僅可以促進(jìn)糖酵解得活性，還 可以通過與線粒體結(jié)合，發(fā)揮促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖與抑制腫瘤細(xì)胞凋亡得功能。3、3微環(huán)境與低氧誘導(dǎo)因子(HIF)腫瘤細(xì)胞生長迅速，當(dāng)腫瘤細(xì)胞生長到一定程度時(shí)，原有得毛細(xì)血管已經(jīng)不能提 供足量得氧氣與營養(yǎng)物質(zhì)維持腫瘤得生長，所以就會(huì)有新得毛細(xì)血管生成，增加 血流量與營養(yǎng)物質(zhì)得供應(yīng)。促進(jìn)血管新生得細(xì)胞因子主要為血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)o而低氧誘導(dǎo)因子(HIF)促進(jìn)VEGF得表達(dá)，缺氧條件下，二者表達(dá)均 顯著增髙9。在缺氧條件下，腫瘤細(xì)胞內(nèi)發(fā)生最明顯得變化就就是HIF表達(dá)升高。HIF就是由 異源二聚體組成，包括一個(gè)不穩(wěn)

9、定得a亞基與穩(wěn)定得B亞基。可以與靶基因啟動(dòng) 區(qū)得缺氧應(yīng)答元件(hypoxia response element, HRE)識(shí)別，啟動(dòng)靶基因表達(dá)。根據(jù)a亞基不同，HIF分為3個(gè)亞型，HIF-N3,分別存在于不同組織10HIF-1 廣泛表達(dá)于各種細(xì)胞中，而HIF-2僅表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞腎心臟肺及小腸組織 中，HIF-3得作用至今不明llo在氧氣充足得條件下，HIF通常被泛素化途徑講解，因此含量很少。主要機(jī)制為， HIF被PHD家族成員輕化，形成與腫瘤抑制蛋白VHL(von Hippel-Lindau)結(jié)合得 位點(diǎn),HIF與VHL蛋白結(jié)合形成復(fù)合體，然后被引導(dǎo)至蛋白酶體降解12。氧氣 缺乏時(shí),PHD活性

10、受到抑制，不能使HIF密化，VHL不能識(shí)別，所以可以穩(wěn)定存 在。HIF-1 a與HIF-1 0結(jié)合，進(jìn)入細(xì)胞核，與靶基因啟動(dòng)子區(qū)得缺氧應(yīng)答元件(HRE) 個(gè)，包括lOOPOOa轉(zhuǎn)錄活化得基因有HIF-1啟動(dòng)靶基因得轉(zhuǎn)錄。識(shí)別并結(jié)合 GLUT1.GLUT3、糖酵解酶類、單竣基轉(zhuǎn)運(yùn)體4(MCT4)等。HIF-l a通過上調(diào)GLUT1, GLUT3增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對(duì)葡萄糖得攝取，為活躍得糖酵解提供充足原料；通過上調(diào) 糖酵解通路中得多個(gè)酶得轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)糖酵解代謝；通過上調(diào)MCT4表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞 內(nèi)乳酸得排除，維持胞內(nèi)PH穩(wěn)定；通過上調(diào)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)與促紅細(xì) 胞生成素(erythropoietin

11、, EPO)等得表達(dá),促進(jìn)新生血管得生成13;通過增強(qiáng) 丙酮酸脫氫酶激酶(pyruvate dehydrogenase kinase isozyme 1, PDK1)得表達(dá). 減少線粒體氧化磷酸化得底物生成從而影響線粒體得功能14。3. 4基因人類線粒體DNA編碼13種參與線粒體呼吸鏈得蛋白分子。線粒體DNA由于與細(xì) 胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生位點(diǎn)在物理位置上非常接近，缺乏組蛋白并且修復(fù)能力弱，所以 容易受損而發(fā)生突變。腫瘤細(xì)胞線粒體DNA變異現(xiàn)象較為普遍。線粒體DNA突變 可引起線粒體氧化璘酸化呼吸功能下降，糖酵解代謝增髙15。3、4、1癌基因Ras, Src, PI3K/Akt, Bcr-Abl等癌基

12、因有促進(jìn)糖酵解并減弱線粒體氧化磷酸化 得功能。Ras基因活化導(dǎo)致ROS增加，抑制HIF-1 a輕化。使腫瘤細(xì)胞中GLUT1表達(dá)增高, 腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖增髙，糖酵解增加16。另外Ras可以通過PI3Ka與AKT1 得活化性突變所致得mTOR(mammalian target of rapamycin)通路得活化，會(huì)促 進(jìn)HIFla得轉(zhuǎn)錄與翻譯，促進(jìn)糖酵解活性。Bcr-Abl也可以促進(jìn)糖酵解活性。3、4、2抑癌基因LKB1. PML. PTEN與TSC1/TSC2抑癌基因功能性失活，也可通過mTOR信號(hào)通路 促進(jìn)HIFla得轉(zhuǎn)錄與翻譯、誘導(dǎo)代謝相關(guān)得基因表達(dá)，使糖酵解活性增強(qiáng)。 腫瘤抑制蛋白p5

13、3在調(diào)節(jié)線粒體呼吸與糖酵解平衡間起重要作用。p53可以通過 直接激活 SCO2 (synthesis of cytochrome c oxidase 2)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有氧呼吸。 p53與SCO2基因中得p53結(jié)合序列特異結(jié)合啟動(dòng)SCO2基因轉(zhuǎn)錄17。此外，p53 可以通過調(diào)控 TIGAR (Tp53-induced glycolysis and apoptosis regulator) 表達(dá)來抑制糖酵解。TIGAR表達(dá)產(chǎn)物可降解2, 6-二磷酸果糖，而2, 6-二磷酸 果糖可以激動(dòng)糖酵解得發(fā)生，所以TIGAR可抑制糖酵解通路。p53缺失使TIGAR 表達(dá)受抑制，可導(dǎo)致糖酵解活性增強(qiáng)18。4、癌癥治

14、療目前腫瘤對(duì)化療放療得耐受性給腫瘤治療增加了很大難題。但就是由于腫瘤細(xì)胞 得糖酵解活性髙，所以可以通過靶向抑制腫瘤得糖酵解，從而抑制腫瘤得增殖。 具體得方法包括抑制葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)、直接抑制糖酵解、抑制HIF作用、抑制mTOR 通路等多種途徑來治療腫瘤?，F(xiàn)在已經(jīng)有多種藥物進(jìn)入臨床應(yīng)用，還有很多正在) 19進(jìn)行臨床試驗(yàn)(如表一.5、展望但就是還就是有很多問題雖然在腫瘤能量代謝方面已經(jīng)取得了顯著得成 就，蛋白質(zhì)代謝又有腫瘤細(xì)胞糖代謝中糖酵解活躍，而脂質(zhì)代謝，現(xiàn)在還很難解 釋。什么異常呢？這些代謝之間互相又有什么聯(lián)系呢？腫瘤不同時(shí)期得代謝類型 又進(jìn)一步揭示腫有什么不同？這些問題都有待于進(jìn)一步得研究。通過進(jìn)

15、一步研究, 瘤代謝改變，定將為腫瘤得靶向治療提供新得突破?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】 Hypoxia and adaptive landscapes in the evolution of 1 Gillies RJ, Gatenby RA、carcinogenesis J、 Cancer Metastasis Rev, 2007, 26(2): 311-317 1956, 123(3191): 309-314of the origin cancer cells J、 Science, 2 Warburg 0、 On:recrunching and metabolic efficiency PL, Bound

16、s、The War burg effect 3 Koppenol WH、 (2009-09-14)2011-04-16 the numbersEB/OLNatRev glycolysisJ do cancers have high aerobic Gatenby 4 RA, Gillies RJ、 Why Cancer, 2004, 4(11):891-899、Functional properties and genomics of glucose、5Zhao FQ, Keating AF、transportsj Curr Genomics, 2007, 8 (2) : 113-128 La

17、ctate and malignant tumors: a、16Mathupala SP, Colen CB, Parajuli P, et al Bioenerg Biomembr, 、therapeutic target at the end stage of glycolysisJ、2007, 39(1):73-77 Cell acidification in apoptosis: 7Gottlieb RA, Giesing HA, Zhu JY, et alx delays programmed cell death in neutrophils granulocyte colony-

18、stimulating factorProc Natl Acad Sci USA, 1995,92(13): by up-regulating the vacuolar H+-ATPesej、 5965-5968x Evidence that、8 Goel A, Mathupala SP, Pederson PLGlucose metabolism in cancer hexokinase gene expression II demethylation events play a role in activating type、J Biol Chem,2003 :278(17);15333-

19、15340. Hypertension, 2005, 46:93-99、9 Ohanian V et &1、 theof role central metazoans:the by sensing Oxygen、PJJr WG, Ratcliffe Kaelin 10HIF hydroxylase pathwayJ Mol Cell, 2008, 30(4):393-40211 Gordan JD, Simon MC、Hypoxia-indueib1e factors: central regulators of the tumor phenotypeJ Curr Opin Genet Dev

20、, 2007,17(1):71-77、12 Maxwell PH, Wiesener MS, Chang GW, et alThe tumor suppressor protein VHL targets hypoxia-inducible factors for oxygen-dependent proteolysisL Nature, 1999,399(6733): 271-275、13 Fang J, Yan L, Shing Y, et al、 HIF-1a mediated up-regulation of vascular endothelial growth factor, independent of basic fibroblast growth factor, is important in switch to the angiogenic phenotype during early tumorigenesisEj Cancer Res, 2001, 61(15):5731-573514 Kim JW, Tchernyshyov I, Semenza GL, et al、HIF-1 mediated expression of pyruvate dehydrogenase kinase: a me