陈 惠，乔 瑞，韩 萌，李 乐

（宁夏大学生命科学学院，西部特色生物资源保护与利用教育部重点实验室，银川 750021）

肿瘤是一种严重危害人类健康的疾病。根据国际癌症研究机构（international agency for research on cancer，IARC）最新发布的报道显示，2020年新发癌症病例共计1 930 万例，死亡近1 000万例[1]。能量代谢重编程是肿瘤细胞十大特征之一，与肿瘤的发生、发展密切相关[2]。目前关于肿瘤细胞能量代谢的研究备受瞩目，期望找到肿瘤能量代谢通路中潜在的药物作用靶点，从而达到精准治疗癌症的目的。

葡萄糖是哺乳动物细胞最主要的能量来源。正常细胞在有氧条件下，通过糖酵解和三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle，TCA cycle）氧化分解葡萄糖生成二氧化碳和水，同时释放大量能量；
在缺氧条件下，丙酮酸形成糖酵解的终产物——乳酸。20世纪30年代末，Otto Warburg 发现了肿瘤细胞中的代谢异常：即使在有氧条件下，肿瘤细胞也更倾向于通过“有氧糖酵解”途径获取能量，这一现象也被称为“Warburg 效应”[3]。

众所周知，细胞利用糖酵解途径获取能量的效率是极低的，而快速增殖的肿瘤细胞为什么选择效率较低的糖酵解代谢方式呢？Warburg 将其归因于肿瘤细胞的线粒体呼吸作用可能存在某种缺陷：细胞不能通过氧化磷酸化产生ATP，所以糖酵解作用增强是为了弥补ATP 供应的不足[4]。大量研究[5-7]表明，线粒体在大多数癌症中均无缺陷，肿瘤细胞不仅拥有功能性线粒体，还需要线粒体进行呼吸作用，进而促进肿瘤细胞的生长和转移。除了满足肿瘤细胞的能量需求外，有氧糖酵解对肿瘤细胞的生物大分子合成也具有重要意义。有氧糖酵解被证明有利于肿瘤生长，可增加细胞生物量，产生6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G6P），并为脂肪酸、氨基酸和核酸等合成提供前体物质[8]。

目前尚无适用于所有类型肿瘤细胞葡萄糖代谢重编程的通用机制，但肿瘤细胞可通过几种常见机制调节葡萄糖摄取及糖酵解的重要步骤，以满足正常的生长需要。致癌基因的激活、肿瘤抑制因子的失活和磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）途径的上调，是肿瘤细胞代谢重编程的主要原因[9]。TAp73 能调控6-磷酸葡萄糖脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD）的转录，影响磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）[10]。HIF-1、c-Myc、NF-κB、PTEN 等作为调控糖代谢的主要转录因子，影响糖酵解和TCA 循环中相关基因的表达，同时糖代谢酶或中间产物也能反馈调节转录因子的活性[11-12]。

葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白（glucose transporters，GLUT）进入细胞，然后被己糖激酶（hexokinase，HK）磷酸化，形成G6P。G6P 通过糖酵解途径和PPP 进一步进行代谢，然后将G6P 异构化为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate，F6P），并通过各种糖酵解酶将其代谢为丙酮酸，从而产生ATP 和其他必需代谢产物。主要的糖代谢过程包括糖酵解、TCA 循环和PPP，见图1。

图1 糖代谢主要步骤示意图

2.1 糖酵解

糖酵解反应包含多个步骤，其中包括3 个不可逆反应[13]。这些反应除了给机体的生命活动提供ATP 外，还可支持核苷酸前体物质的合成，也可产生足够的代谢中间体以满足细胞生长和增殖所需的物质能量需求[14]。

HK 控制着糖酵解的第一步反应，该酶使葡萄糖磷酸化以产生G6P[15]。哺乳动物通常表现出4 种己糖激酶异构体形式（HK1、HK2、HK3、HK4），由于保持高度的共同起源进化形式，它们的功能与结构也具有极大的相似性。其中HK1-3 具有高亲和力，HK1 和HK2 具有独特的依赖于电压阴离子通道（VDAC）结合线粒体的能力。HK1-3受其自身的催化产物G6P 抑制，G6P 诱导其构象变化，使HK1 和HK2 与线粒体解离。通过与线粒体外膜和VDAC 结合，HK1 和HK2 优先使用源自线粒体的ATP 磷酸化葡萄糖，从而使氧化磷酸化与糖酵解偶联。HK3 对葡萄糖具有最高的亲和力，但在生理水平上也受葡萄糖抑制。HK4（也称为葡萄糖激酶）对葡萄糖的亲和力低，不受G6P 的抑制。

磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase-1，PFK1）是调控糖酵解中间步骤的关键酶，控制着糖酵解的通量，此外，在癌症的代谢重编程相关研究[16]中，发现PFK1 也起到了重要作用。其在成人组织中的主要形式分别为肌肉型（PFKM）、肝脏型（PFKL）和血小板型（PFKP）[17]。PFKM 是唯一具有组织特异性的同种型，但已发现的其他两种同种型也在其他组织中有着不同的表达[18]。转录因子TAp73 可以通过转录上调PFKL，促进肿瘤细胞的Warburg 效应，进而促进肿瘤生长[19]。

第3 个重要的步骤由丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）催化，PK 是一种在糖酵解中催化磷酸烯醇式丙酮酸和ADP 转化为丙酮酸和ATP 的酶。哺乳动物中有4 种丙酮酸激酶同工型（PKM1、PKM2、PKR、PKL）。大多数成熟组织都表达PKM2，其他三种同工型的表达仅限于不同的组织和细胞类型。PKM1 和PKM2 的序列区别仅在于外显子9 和10 的交互剪切，而这一小范围的区别带来了表达特异性和功能上的不同。人体中的大部分分化组织和器官主要表达PKM1，在具有高分解代谢需求的组织中发现了PKM1 亚型。肿瘤和胚胎等快速增殖的组织主要表达PKM2。PKM2的M2 亚型支持合成代谢，在肿瘤和正常组织中均表达。PKM2 整合了信号传导和代谢输入，以根据细胞需求调节葡萄糖代谢。PKL 是肝脏中的主要同工型，肾脏中的次要同工型也表达PKM2。PKR 仅存在于红细胞中[20]。

2.2 磷酸戊糖途径

PPP 是葡萄糖分解代谢的主要途径之一。已清楚PPP 不仅为细胞提供5-磷酸核糖（R5P），还为NADPH 提供细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）的解毒、还原性生物合成和核糖生物发生，并且在调节癌细胞的生长中起着关键作用。

PPP 包括一个氧化性分支和一个非氧化性分支。G6PD 催化PPP 的第一个不可逆反应，并生成还原剂NADPH。由于NADPH 在清除细胞ROS 中起关键作用，因此G6PD 在抗氧化中有着不可替代的作用。由于该酶在氧化分支中充当控制位点，G6PD 的活性直接反映了氧化PPP 的通量，并决定了糖酵解和PPP 之间的通量分配。因此，该酶的表达与活性受细胞的严格调控。已知G6PD 以单体和二聚体形式存在于细胞中，G6PD的二聚体是其活性形式，其单体形式几乎没有催化活性。在正常生理生化条件下，G6PD 以单体-二聚体的平衡状态存在于细胞质中。来自Jiang等[21]的一项研究表明，肿瘤蛋白p53 通过直接结合G6PD 并阻止其二聚化来控制G6PD 活性。6PGD 是PPP 代谢途径中重要的氧化还原酶，它催化6PG 脱羧生成R5P 的同时生成NADPH[22]。非氧化分支不仅通过可逆反应补充氧化分支的代谢物，而且通过提供F6P 和3-磷酸甘油醛（glyceraldehyde-3-phosphate，G3P）来调节糖酵解或糖异生的通量。

2.3 TCA 循环

TCA 循环是糖代谢中的重要环节，它不仅为机体执行生理生化活动提供能源，还可生成细胞生长发育所必需的大分子物质，同时维持氧化还原反应的平衡。

柠檬酸合酶（citrate synthase，CS）作为TCA循环的限速酶之一，催化草酰乙酸（oxaloacetic acid，OAA）和乙酰辅酶A 生成柠檬酸。CS 不仅在正常组织中发挥重要作用，还调节着肿瘤细胞的生长增殖，并在不同肿瘤中发挥不同作用[23-24]。研究[25]表明，与良性的卵巢肿瘤相比，恶性卵巢肿瘤可检测出更高水平的CS；
Lin 等[26]研究表明，在宫颈癌细胞中CS 表达减少，其抑制与能量代谢转变有关，并且通过诱导上皮间质转化加速癌症恶化进程。

异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase，IDH）作用于异柠檬酸，使其氧化脱羧生成α-KG，是TCA 循环中的又一个限速酶。IDH 家族中包含IDH1、IDH2、IDH3 三种同工酶。其中IDH2、IDH3 位于线粒体中，IDH1 位于细胞质和过氧化物酶体中。IDH1 和IDH2 是以NADP 为辅助因子的同源二聚体。异源四聚体同工酶IDH3 对NAD的依赖性对于生成ATP 的NADH 十分重要。

TCA 循环中的第3 个限速反应，是由α-酮戊二酸脱氢酶（α-KGDH）介导的α-KG 氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A、NADH 及二氧化碳的过程。α-KGDH 作为TCA 循环中的关键酶，不仅控制着TCA 循环中α-KG 之后相关代谢物的通量，还在其他生物过程中发挥作用，例如电子的运输及NADH 的调控等。α-KGDH 的结构较为复杂，由3 个亚基的多个复制体组成：硫胺焦磷酸依赖性脱氢酶（E1），二氢脂酰胺琥珀酰转移酶（E2）和二氢脂酰胺脱氢酶（E3）[27]。

3.1 能量代谢

葡萄糖在GLUT 介导下进入细胞。在细胞质中，葡萄糖在HK 作用下磷酸化生成G6P 并通过糖酵解最终被代谢为丙酮酸。在此过程中，致癌基因HIF-1α、K-Ras、c-Myc、YAP 等上调GLUT1的表达[28-31]。在缺氧条件下，由于糖酵解上调而激活的转录因子HIF 会增加GLUT1 的表达，并促进包括血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）在内的细胞存活基因的表达[32-33]。YAP 和突变的p53 促进GLUT3 的表达，使其在质膜累积[34-35]。肿瘤细胞上调GLUT 增加细胞对葡萄糖的吸收，进一步通过糖酵解获得足够的能量[36-37]。PI3K/AKT 途径在肿瘤细胞中超活化，通过增加线粒体HK 的关联上调HK2 活动[38]。PKM的活性决定葡萄糖衍生碳的命运，在糖酵解中至关重要[39]。PKM2 活化使葡萄糖分解为乳酸，而PKM2 沉默导致葡萄糖消耗减少，乳酸生成减少，GLUT1 表达下调以及乳腺细胞系和泌尿生殖细胞系的增殖抑制[40]。葡萄糖快速代谢致使乳酸快速生成并被释放到肿瘤细胞外。乳酸作为能源底物能直接参与TCA 循环，并帮助细胞逃避免疫监视，促进低氧条件下肿瘤细胞的生长与侵袭[41-42]。

3.2 生物合成

生物合成是肿瘤细胞代谢的重要方面，核酸和脂肪酸合成是生物大分子合成的基本组成部分，对肿瘤细胞生长和增殖具有重要意义。虽然体内大多数细胞依靠从血液中摄取脂肪酸和脂蛋白来满足脂质需求，但癌细胞激活了脂质的从头合成，以促进细胞膜的生成并支持其生长和增殖[43]。从头合成脂肪酸的原料为乙酸盐或柠檬酸盐，柠檬酸可以从TCA 循环中获得。细胞质中的乙酰辅酶A 是合成脂肪酸的基本元件，其来源主要为TCA 循环中的柠檬酸。NADPH 也是脂质合成的重要原料，PPP 是产生NADPH 的主要途径之一。PPP 的氧化阶段产生NADPH 和R5P；
非氧化阶段仅产生R5P，R5P 是产生核苷酸合成所需的核糖基团[44]。糖酵解途径的限速酶PKM2 对于将糖酵解导向PPP 起着重要作用。PKM2 四聚体有较高活性，倾向催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸和ATP。二聚体的PKM2 活性低，当糖酵解快速进行时，二聚体的PKM2 限制了丙酮酸的快速生成，使糖酵解上游中间产物累积，增加了PPP中非氧化阶段底物的水平。

3.3 氧化还原

ROS，又称氧自由基，是细胞正常代谢的副产物，占人体总自由基的95%。适度的ROS 会刺激增殖和生存信号，而大量ROS 会诱导细胞死亡[9]。肿瘤细胞中目前存在两种维持氧化还原稳态的机制，一种是苹果酸—天冬氨酸穿梭系统，使糖酵解过程中产生的电子通过线粒体内膜，适当地恢复NADH 的不平衡。但当糖酵解速率超过了苹果酸—天冬氨酸穿梭的极限时，丙酮酸会通过乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）转化为乳酸产生NAD+[45]。保护生物有机体免受氧化损伤主要依赖细胞内产生的还原力NADPH。NADPH 是细胞中一种重要的抗氧化因子，通过使谷胱甘肽和硫氧还原蛋白保持还原状态以及形成活化的过氧化氢酶来发挥抗氧化作用[46-47]。NADPH 主要由PPP 的G6PD 和6PGD、TCA 循环的苹果酸酶（malic enzyme，ME）以及叶酸代谢途径的亚甲基四氢叶酸脱氢酶[22]催化产生。致癌基因的突变会上调NADPH 的产生，例如，p53 突变通过上调GLUT1 和GLUT4 促进细胞对糖原的获取，又通过抑制凋亡调节剂（TIGAR）的表达抑制糖酵解，从而驱动葡萄糖通向PPP[48]。缺氧微环境诱导的HIF-1α 通过PPP 上调糖酵解并促进NADPH 的产生[49]。Myc 还通过丝氨酸合成和一种碳代谢途径增强NADPH 合成。

肿瘤细胞中癌基因和抑癌基因的突变或缺失及环境压力使肿瘤细胞的代谢网络呈现复杂和动态的重排。目前对于肿瘤中糖代谢的研究相对成熟，已有多个药物进入临床研究阶段，如靶向HK2 的2-DG、靶向PFK2 的3PO、靶向G6PD 的BSO 等[50]。但是将靶向肿瘤能量代谢运用于临床治疗仍受到很多限制：1）肿瘤中存在代谢异质性，还存在其他代谢补偿途径；
2）目前对肿瘤代谢的相关研究无法模拟出体内肿瘤真实环境的能量代谢，以致得到的数据与真实情况存在差异性和不确定性；
3）肿瘤与宿主之间的代谢相互作用仍知之甚少。这一系列问题仍待解决。因此，充分认识肿瘤细胞能量代谢重编程的机制有利于寻找新的肿瘤预防靶点和开发抗肿瘤药物，为癌症治疗提供新思路。

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