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Akt与肿瘤细胞的糖代谢(五): 肿瘤的能量代谢特征
 
 
 
重庆医科大学附属第二医院/肝炎研究所    廖勇
 
 
肿瘤和增殖细胞的代谢特征及调控
 
    要了解肿瘤和增殖细胞的代谢特征,首先我们来了解一下增殖细胞有什么样的代谢需求。为了确保通过有效分裂产生两个活的子代细胞,一个增殖细胞首先必须全部复制一套与自身一致的细胞成份。这就意味着对生物材料(主要核苷酸,氨基酸和脂质)的巨大需求。在细胞生长过程中,葡萄糖被用于产生生物材料和ATP。尽管ATP水解可以提供细胞复制时合成生物材料相关生化反应所需要的自由能,而合成这些生物材料还有另外一些需求,比如合成软脂酸,一种主要的细胞膜成分,需要7分子ATP,从8分子乙酰辅酶A中获得16个碳,和14分子NADPH提供的28个电子。与此相似,合成氨基酸和核苷酸也需要消耗比ATP更多的碳单位和NADPH材料。一个葡萄糖分子可以净产生最多36个ATP,或者30分子ATP和2分子NADPHs,或者6个碳单位供大分子合成所用。因此,要制造一个16碳单位的含酰基侧链的脂肪酸链,一个葡萄糖可以提供五倍的ATP,但却需要7个葡萄糖分子才能产生合成该侧链脂肪酸所必须的NADPH。这种不对称的能量需求与电子需求(1:35),也只能部分的通过合成乙酰辅酶A消耗三个葡萄糖分子作为合成脂肪酰基侧链所需要的碳单位来补偿。因此,对于增殖细胞来说,大部分的葡萄糖都不可能用来产生“能量ATP+CO2+H2O”的彻底氧化代谢过程。如果这样,那么其结果将因为ATP/ADP比值的提升严重的阻碍糖酵解中间代谢产物的大量流出,并限制大分子合成所需的乙酰CoA和NADPH的产生 (1-3,10)
 
    在体外培养的哺乳动物细胞,仅有两个营养素可以被细胞适当的分解代谢掉,它们就是葡萄糖和谷氨酸。这就意味着葡萄糖和谷氨酸将提供支撑细胞生长和分裂必须的全部碳单位、氮、自由能和还原型的NADPH等。从这个角度来看,很显然葡萄糖通过线粒体氧化磷酸化转变为36分子的ATP,CO2和H20的代谢过程与增值细胞的需求是完全背道而驰的。因此,大部分的葡萄糖的代谢必须转变用于合成代谢需要的大部分前体物质,如用于脂肪酸合成的乙酰辅酶A,非必须氨基酸合成的酵解中产物草酰乙酸(Oxaloacetate)和α酮戊二酸(α-ketoglutarate),以及用于核苷酸合成的核糖-5-磷酸(R-5-P)。这就部分能解释Warburg效应对增殖细胞提供的选择性优势 (10)。事实上,这一假说得到了最近的核素磁共振质谱检测的验证。在体外培养的脑胶质肿瘤细胞通过13C核素标记发现,细胞摄取的90%的葡萄糖和60%的谷氨酸都被转变为乳酸和丙氨酸,虽然大部分的乳酸和丙氨酸都被排除到细胞外,但其中一个“副产物”是产生大量NADPH。将葡萄糖和谷氨酸转变为乳酸必须要乳酸脱氢酶LDH的参与。而抑制LDH的活性也确实能阻碍细胞的增殖。可能与干扰细胞产生过多的碳单位的能力有关,消耗过多的碳单位对于增殖细胞对NADPH的需求是必须的。
 
    在增殖细胞中活跃的代谢过程是直接受已知癌基因(如c-myc, PI3K/Akt等)与抑癌基因(如P53, LKB1/AMPK等)信号通路的调控的,在增殖细胞中,糖酵解,氧化磷酸化,PPP与谷氨酸代谢都是互相关联的,而这一特征性代谢网络将有利于NADPH的产生与乙酰CoA流入细胞浆作为脂质合成代谢的碳源。mTORC1不仅调控蛋白的翻译,并且通过对Gluts在质膜上的表达水平和转位而调节葡萄糖的摄取和转运。同时mTORC1还调节细胞膜上的氨基酸转运蛋白的表达,通过对RSK的活化和解除4E-BP1对elF4E的抑制,而促进蛋白的翻译起始。PI3K-Akt对mTORC1的活化也主要是通过对TSC1-TSC2复合体的抑制作用实现的。而细胞对生物能源匮乏信息的感知是通过LKB1-AMPK-P53信号通路实现的,LKB1-AMPK-P53同时也可以拮抗mTORC1对代谢调控的作用。
 
    在动态感受细胞能量状态和调控细胞合成代谢与分解代谢平衡上,与Akt(PI3K/Akt/mTOR)信号通路主要促进合成代谢、抑制分解代谢不同,AMPK作为能量的感受器主要是在细胞处于急性营养缺失和低氧状态下被激活。通过磷酸化一系列下游的靶蛋白,AMPK阻断了能量的消耗,阻止与促进细胞生长相关的代谢通路,如蛋白质和脂肪的合成,活化脂肪酸的分解,从而让细胞根据能量的需求而获得再平衡。并且AMPK也可以调节p53依赖的细胞周期的检查点(checkpoint)的活化,从而可以限制在缺能状态下(比如去除培养基中的葡萄糖)的细胞生长和增殖。简单的说就是,细胞在有效的生长因子信号刺激的情况下通过活化PI3K/Akt/mTORC1通路来调节并整合细胞代谢过程以适应细胞生长和分裂的需要,而当细胞处于营养匮乏、或去除生长因子信号、或处于饥饿应激状态时,则通过活化LKB1-AMPK-P53信号通路拮抗PI3K-Akt-mTORC1信号对代谢通路的调节,调整细胞代谢过程以适应细胞生存所必需的基本能量需求,同时终止细胞的生长和增殖代谢过程。
 
Warburg效应与肿瘤细胞代谢程序重组
 
    第一个肿瘤特异性的变化就是细胞代谢改变,这是诺贝尔奖获得者Warburg在上世纪二十年代发现的。“Warburg效应”或“Warburg现象”指的是在高氧压存在的条件下,细胞仍然维持糖酵解的增加并产生大量乳酸的堆积,即有氧糖酵解。此外,肿瘤细胞还增加大量葡萄糖的消耗作为合成代谢所需的碳单位的一个主要来源 (1-3)。尽管Warburg现象并不适用于所有的肿瘤细胞,但绝大多数肿瘤细胞对葡萄糖摄取的增加还是显著的,因此,可以通过肿瘤细胞对葡萄糖摄取增加的特征,利用葡萄糖的类似物2-(18F)-FLuoro-2-deoxy-D-glucose通过正电子发射断层扫描影像学(PET)检查来临床发现和诊断肿瘤。如果将FDG-PET与CT合并来检测上皮肿瘤和转移灶,其敏感性可以超过90%,而特异性仍然可以维持在90%以上 (11)
 
    那么,有氧酵解这种增加细胞的葡萄糖摄取和消耗、与低效率的能量ATP产生方式,对肿瘤细胞的生长、增殖究竟有什么优势呢?
    首先在有氧糖酵解的情况下,肿瘤细胞可以在氧压波动较大的环境下存活(因为远端血管对肿瘤细胞的血供不是均一稳定的),否则,如果细胞仍然依赖氧化磷酸化方式产生ATP,则可能对细胞本身是致命性的(主要是大量自由基的产生和贮积导致的损伤)。
    其次,肿瘤细胞通过有氧酵解产生碳酸氢盐和乳酸,而乳酸是有氧糖酵解的主要终产物。这些酸性产物让肿瘤的微环境酸化,有利于肿瘤的浸润、新生毛细血管的生成、同时抑制肿瘤免疫效应细胞的活性和功能。肿瘤细胞产生的乳酸还可以被附近的间质细胞所摄取(如单羧基转运蛋白MCT1和MCT2),而生成丙酮酸。后者要么被输出重新回到肿瘤细胞作为能源的底物,要么作为线粒体氧化磷酸化的底物。这样的代谢调整的结果便产生了一个肿瘤的微生态(microecosystem),使肿瘤细胞和间质细胞结合,形成一个互补的代谢环路,缓冲和再循环肿瘤糖酵解的副产物,以维持肿瘤细胞生存和生长。
    其三,肿瘤细胞还可以通过PPP来产生NADPH以保证细胞的抗氧化作用,以抵御来自环境中放、化疗的损伤。此外,如前述,NADPH可以用于脂肪酸的合成。
其四,也是最重要的,肿瘤细胞可以利用糖酵解的中间产物作为其组成代谢所需要的原材料。如糖原合成和R-5-P合成所需要的葡萄糖-6-磷酸,三酸苷油合成需要的磷酸二氢丙酮,丙氨酸和苹果酸合成需要的丙酮酸等。在增殖肿瘤细胞,丙酮酸可能被引导进入一个截短的TCA循环,其结果是乙酰辅酶A被从线粒体基质排除参与脂肪酸,胆固醇,和乙戊二烯类的合成代谢。事实上,在很多肿瘤细胞中,脂肪酸合成酶(FASN)的活性是上调的或被活化的。FASN可以通过乙酰CoA,丙二酰-CoA和NADPH合成侧链脂肪酸。同样,胆碱激酶(可以形成磷酸胆碱phoshorylcholine),在肿瘤中通常也是过表达的。
 
    丙酮酸激酶(Pyruvate Kinase ,PK):无论是其胚胎同源体PKM1,还是PKM2在肿瘤病人是常常高表达的,更有趣的是PKM2还在高活性的四聚体与低活性的二聚体之间摇摆不停。低活性的二聚体PKM2通过提供丙酮酸贮积上游中的产物并用于氨基酸,核酸及脂质合成的前体物质而具有代谢上的优势。PKM2是在肿瘤和正常增值细胞都表达的PK,PKM2是由PKM基因编码的蛋白,通过选择性表达单个外显子的不同剪辑而产生PKM1或PKM2蛋白。许多非增殖细胞因需要依赖氧化代谢,所以主要表达PKM1。如果强迫肿瘤细胞表达酶活性更强的PKM1同工酶,则可以增加肿瘤细胞的氧化代谢。并且让肿瘤细胞失去在小鼠成瘤的能力。这说明PKM2对体内增殖细胞代谢起到关键的作用 (3,12)。由此可见,在肿瘤细胞中,整个代谢过程,尤其是糖代谢和TCA循环,都被重组以利细胞生长和增殖所必须增强的组成(合成)代谢的进行。
 
    那么是什么机制导致了肿瘤细胞代谢程序的重组的呢?线粒体氧化磷酸化被认为是导致Warburg效应的一个主要原因 (1-2,13-14)。因为肿瘤细胞的线粒体相对较小、脊少又缺乏ATPase的B-F1亚基。另外,肿瘤进展过程常常伴随线粒体DNA(mtDNA)的突变。故mtDNA的突变既是改变肿瘤进展的结果,也可能是促进肿瘤进展的原因。比如一种突变mtDNA编码的DADH脱氢酶亚基2的表达就同时促进有氧糖酵解,ROS(自由基)的产生和肿瘤的生长。导致有氧糖酵解的发生的另一个关键因素是低氧或癌基因表达导致H1F-1的活化 (15-16)。炎症、氧化应激也可以活化H1F-1基因的表达。H1F-1蛋白是一个由稳定的b亚基和一个不稳定的a基因组成的异二聚体蛋白,在正氧压状态下,由于氧依赖的羟脯氨酸脱氧酶(PHDs)和VHL链接酶的表达,合成的HIF-1随后被VHL泛素化降解。在低氧应激的状态下,HIF-1通过上调Glut1、HK1、HK2、乳酸脱氢酶A(LDH-A)与MCT4(monocaboxylate transporter4, 单羧转运蛋白4)的表达, 而促进葡萄糖转化为丙酮酸和乳酸这一有氧酵解的进行 (16)。此外,H1F-1还通过转录活化PDK1(丙酮酸脱氢酶激酶)的表达,而抑制PDH(丙酮酸脱氢酶)将丙酮酸转变为乙酰CoA,而乙酰辅酶A是正常情况下进入TCA循环的原料和呼吸链复合物1、2中电子传递的提供者。因此,通过抑制PDH,HIF-1使线粒体氧化磷酸化的进行受到限制。另外,HIF-1还与c-Myc协同诱导HK2和PDK1的表达,从而进一步促进有氧糖酵解的进行。之所以肿瘤细胞能够在低氧下生长,就源于HIF-1和c-Myc 的对话—如果HIF-1与c-Myc独立发挥作用,它们只能部分调控肿瘤细胞在低氧下的代谢适应;但是,如果HIF-1和c-Myc协同作用,则可能使肿瘤细胞蛋白合成、细胞周期进程和代谢程序重组,从而精细地调控肿瘤细胞在低氧环境下的代谢适应性反应 (16)
 
    除此之外,由于O2分压的下降,诱导HIF-1的表达也可能与癌变相关,并且可能是参与TCA循环的两个酶所诱导的。其一是在线粒体基质表达的FH(Fumarate Hydratase,延胡索酸水化酶)和在线粒体内膜表达的SDH(Succinate dehydrogenate, 琥珀酸脱氢酶),SDH也是氧化磷酸化呼吸链复合物2的组成成员,FH和SDH功能缺失性突变的结果,可以导致TCA循环中间产物延胡索酸或琥珀酸的累积,后二者可以竞争性地抑制一种a-酮戊二酸依赖性,降解HIF-1a的HIF-1a羟脯氨酸水解酶(prolyl hydroxylase, PHD)(15)。除了HIF-1活化的中心作用外,癌基因与抑癌基因也可以在不同水平上调控肿瘤细胞的代谢程序重组 (10,13-14)
 
肿瘤代谢与基因突变
 
    肿瘤可以看做是一种遗传决定的代谢异常性疾病,而细胞代谢的改变既是细胞癌变的标志(Hallmark), 也是导致细胞癌变的启动、癌细胞的生长和癌性特征维持的基础。肿瘤的突变,总的来说是获得性的体细胞突变,并且是与代谢效应相关联,以在细胞水平上获得增强的生存适应性和生长优势的突变。在肿瘤,有两类突变可能导致肿瘤代谢程序重组。
 
    首先,许多人类的癌基因与抑癌基因均调控细胞的糖代谢过程。在这些基因中的促癌性突变总是倾向于整合增强的糖酵解和能量产生这一代谢表型。因此,可以促进不依赖生长因子的生长方式与逃避生长抑制信号的抑制。PI3K/AKT/mTOR通路就同时调控营养的摄取和氮、碳单位在生物合成中的合理分配而成为调控肿瘤细胞代谢过程最根本的因素 (17)
 
    其次,肿瘤也与代谢性基因突变联系在一起,这些代谢相关基因可表现为癌基因或抑癌基因的遗传学功能 (17)。如参与TCA循环的酶SDH和FH在家族性肿瘤综合征中的突变 (17-20)。SDH基因突变已在一种家族性显性遗传性副神经节瘤(Paraganglioma)被发现。而FH突变的家族也有患肾细胞瘤和平滑肌瘤(Leiomyomatosis)的易感性。在SDH-或FH-缺失突变的家族性肿瘤中,患癌的个体内常常从遗传继承了一个拷贝SDH或FH的基因缺失突变,同时他们的肿瘤细胞中往往同时存在另一个野生型拷贝的丢失。因此,SDH与FH都可以认为是肿瘤抑制基因。
 
    此外,还有一些与代谢相关的酶谱的基因突变可能主要起癌基因的作用。比如在脑胶质瘤发现的IDH1和IDH2(异柠檬酸脱氢酶)主要参与NADP+依赖异柠檬酸氧化为α-丙酮戊二酸,同时伴随NADP+还原为NADPH产生的糖代谢过程。IDH1和IDH2的突变均为获得性突变,仅累及单个拷贝的IDH1和IDH2等位基因,并且突变还局限于IDH酶活性区域,因此,与FH或SDH不同,IDH1/2基因很难被认为具有肿瘤抑制性特征 (21-23)。事实上,IDH1/2酶活性区域的获得性、体细胞性突变,可能赋予突变基因产物以癌基因的功能,同时参与肿瘤代谢中间产物α-HG (D-2-Hydroxyglutarate, 2-羟戊二酸)的大量产生和贮积,大量2-HG的产生也可能是细胞发生癌变的一个关键因素。最近的研究表明,细胞中高浓度的2-HG贮积可能阻碍α-丙戊二酸依赖性的组蛋白去甲基化酶和5-甲基胞嘧啶脱氢酶的功能,从而广泛的改变IDH1/2突变细胞的组蛋白与DNA甲基化频谱 (22)。另外,IDH1/2和5-甲基胞嘧啶脱氢酶TET2在急性髓性白血症的发生频率均很高,但二者突变发生却是相互排斥的,即有IDH1/2突变的肿瘤,便检测不到TET2突变。说明这二者的突变在细胞代谢功能上重叠 (23)。由于组蛋白和DNA普遍发生的甲基化可能广泛性影响表观调控的变化,因此,IDH1/2突变可能对细胞功能和细胞分化都具有巨大的影响。
 
    由于,代谢酶类IDH1和IDH2SDH和FH与肿瘤的惊人联系,因此促进人们探求更多与代谢相关的基因突变事件与肿瘤发生的关联。从而发现了参与将葡萄糖转化为氨基酸(serine和glycine)的磷酸甘油酸脱氢酶(PHGDH)基因扩增和表达上调与肿瘤的关系 (24)。尽管PHGDH是否为可靠的癌基因还有待进一步验证,但PHGDH的过表达已证实可促进乳腺上皮细胞的锚定非依赖性生长,改变细胞的极性,这些表型均与癌性转变一致 (25)。因此,PHGDH与IDH1/2,SDH和FH都可以被定义为与代谢相关的人类肿瘤相关基因和潜在的可被开发的肿瘤治疗的新靶点。
 
    然而,对代谢的调控也不只是癌基因,肿瘤抑制基因p53的缺失也可阻碍编码合成线粒体细胞色素c氧化酶(SCO2)的基因表达,SCO2可干扰线粒体呼吸链的功能 (26)。另一个p53效应分子是p53诱导的糖酵解与凋亡调节蛋白TIAGR(Tp53-induced glycolysis and apoptosis regulator)(27,28)。有研究表明,p53对糖代谢的调控也依赖转录因子NFkB,然而,p53和NFkB又同时受AKT的调控 (5-7)。此外,PTEN也可通过对PI3K/AKT的调控而参与肿瘤细胞与增殖细胞能量代谢的调控。
 
 
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