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Akt与肿瘤细胞的糖代谢(六):Akt与肿瘤糖代谢
 
 
重庆医科大学附属第二医院     廖勇
 
 
 
Pasteur效应与Crabtree效应
 
    在人类肿瘤中,Akt蛋白是与P53一样最常见的、活化的癌基因产物。在人类肿瘤中,Akt活化的主要机制是通过肿瘤抑制基因PTEN突变的活化和P13K酶活性亚基的活化突变。此外Ras基因的突变与生长因子受体,尤其是EGFR1/EGFR2的活化也是导致Akt高度活化的原因。除此之外,Akt与P13Kca亚基的基因扩增与Akt自身突变(如发生在PH功能区E17位的突变等),也是部分肿瘤中活化Akt蛋白的原因。高度活化的Akt可能通过以下几种机制导致肿瘤的发生:抑制细胞凋亡与自噬(包括坏死性凋亡),增加细胞增殖,或加速基因突变的速率。最主要的就是Akt蛋白对细胞能量代谢的调控,尤其是对肿瘤经典的活化表型-Warburg效应的影响 (2-7)
    正常细胞在有氧状态下,细胞会间接抑制或关闭酵解过程,这一现象也叫做“Pasteur”效应--因为是Pasteur最初在酵解中观察到的 (2)。Pasteur效应的机制虽然目前还不清楚,但通常认为是线粒体内外信息交流的结果,很可能是通过直接的代谢偶联的HK(己糖激酶)与线粒体的互相作用。因为存在相应的“Crabtree效应”,即细胞增加的葡萄糖浓度可以反过来抑制TCA循环和线粒体氧化磷酸化,因此,可以认为糖代谢与线粒体内氧化磷酸化之间的交流是双向性的。尽管在正常细胞可能并不完全相同。由于己糖激酶控制着有限的代谢物腺苷酸进出线粒体,因此有人认为HK产物磷酸乙糖的贮积而导致的HK-线粒体互作可能是直接导致“Crabtree效应”的原因。从这一点上说,肿瘤持续存在的细胞有氧酵解可能正是主要反应了肿瘤细胞线粒体内、外信息偶联的异常,而不是线粒体氧化磷酸化的主要损伤。基于此,Warburg和同事认为,在肿瘤细胞中酵解(以乳酸堆积为指标)与有氧呼吸(以氧的消耗为参照)对细胞能量供给的相对改变是普遍存在的。因此,Warburg认为,要通过断能消灭活体动物内的肿瘤细胞,只有同时抑制有氧氧化和无氧酵解过程才可能实现。下面就蛋白Akt可能导致的有氧呼吸的改变和与线粒体代谢偶联异常,以及由此导致的肿瘤细胞的许多表型间的相关性做一个介绍。
 
Akt对肿瘤能量代谢的调控-PFK2
 
Akt活化可使细胞总的ATP水平增加2-3倍,而在基因敲除小鼠胚胎成纤维细胞中单纯敲除Akt1或联合敲除Akt2可能显著减少细胞内ATP的水平。这些Akt依赖的细胞ATP水平变化,可能同时涉及到酵解和氧化磷酸化过程。此外,在表达活化Akt的细胞中,O2的消耗也是增加的,而在缺失Akt的细胞中,02的消耗则是减少的。这说明Akt在协调酵解与氧化代谢过程中起着主要作用 (3)
 
Akt引导的酵解过程可能有许多机制参与,包括葡萄糖转运蛋白Gluts的表达和质膜转位,对HK表达与活性的影响、及HK与线粒体的互相作用。Akt也可以间接地活化酵解过程中的限速酶PKF1,而这一作用正是通过Akt对PFK2的直接磷酸化和活化实现的 (29)。因为PFK2酶作用的主要反应产物果糖-1,6-二磷酸是已知最有效的PFK1的活化剂。除此之外,活化的Akt通过对FOXO的磷酸化和失活,可以去除FOXO对酵解相关基因转录表达的抑制作用 (30)。最后,活化的Akt通过增加mTORC1的活性,而增加HIF-1α的表达及HIF-1α相关糖酵解酶和Gluts的表达而加速促进酵解的进行 (3,4)
 
 
    与对酵解的调控一样,Akt也可以直接或间接地影响线粒体氧化磷酸化的代谢过程 (3,4)。首先,Akt可以通过增加TCA循环和氧化磷酸化和氧化磷酸化中间代谢底物(如丙酮酸,ADP, NADH等)的形成和利用,直接促进氧化磷酸化的进行。其次Akt对线粒体-HK联结的促进可以增加酵解与氧化磷酸化偶联的有效性,从而同时增加酵解与有氧呼吸氧耗的效率 (31)
 
Akt抗凋亡作用及其与能量代谢调控作用的偶联
 
线粒体已糖激酶(mtHK):哺乳动物细胞经典的凋亡道路是受生长因子信号P13K及效应因子Akt的强烈拮抗的。这些营养因子刺激活化的P13K-Akt信号对代谢过程的调控功能与其从进化上选择性通过线粒体介导对凋亡之级联反应的调控是平行进化的。大量的实验研究结果也支持这个假说。因此,Akt与Bcl-2不同的是,Akt的这一线粒体膜稳定作用必须依赖葡萄糖的存在 (3,4,31)。这一差异可能就源于Akt对线粒体已糖激酶的调控(mtHK),因为mtHK直接与线粒体压力依赖性阴离子通道蛋白(VDACs)和线粒体外膜(omm)相互作用,并且酵解糖代谢的第一个步骤——ATP依赖性的葡萄糖磷酸化产生葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)。mtHK与线粒体的相互作用和功能已经被认识近半个世纪了,主要是因为HK与OMM接触部位与线粒体内膜(IMM)的特殊亲和性。HK与线粒体的结合既是动态性的,又是受调控的,并且也是其N端疏水性α-螺线线粒体结合区域介导的 (32)。另外,HK与VDAC和线粒体的动态结合又受主要代谢产物G-6-P和G-1,6-P的负反馈调控,后二者被认为可能引起mtHK的构像改变,从而抑制其酶活性并促进其与线粒体解聚。因此,磷酸已糖增加的净速率也就反应了G-6-P合成和被利用的速率,并且可能极大地决定了HK与线粒体结合的活性和时程 (32)
 
    由于mtHK具有直接偶联糖代谢利用第一步与氧化磷酸化反应的能力,因此,mtHK成为独特的同时影响“Pasteur效应”与“Crabtree效应”的分子 (32)。事实上,在活跃的氧化磷酸化过程中,即使线粒体的ATP可以自由获得,mtHK也几乎是选择性地利用来自线粒体磷酸化葡萄糖产生的ATP。在糖代谢这个环节所产生的ADP又可被重新输回到线粒体,以支持线粒体氧化磷酸化的继续进行。这种产生ADP的mtHK与消耗ADP的线粒体的相互关系是至今ADP作为正常限定氧化磷酸化与线粒体完全偶联的关键因素 (32)
 
    通过与线粒体接触部位的结合和调控VADC介导的阴离子代谢产物通过线粒体外膜的相互交流,mtHK自身处于生存与凋亡信号交汇点,并参与对线粒体膜稳定性和细胞色素c释放的调控 (33)。HK1和HK2可以互相竞争与在OMM上的Bax和Bak的结合和寡聚化,由于Bax和Bak寡聚体可介导线粒体释放细胞色素c来启动凋亡。因此,这可部分解释mtHK对线粒体膜稳定性的维持和对凋亡的抑制。生长因子与Akt都可以促进HK与线粒体的结合,因此Akt对细胞色素c的释放和对凋亡的抑制作用需要mtHK的参与 (31-33)
 
    从机制上来说,mtHK与线粒体的结合干扰了Bax和Bak诱导的细胞色素c的释放、caspase的活化、与细胞凋亡的进行,但mtHK与线粒体结合其实在Bax和Bak缺失情况下,也对维持线粒体完整性是很重要的。总之,AKT介导的mtHK与线粒体的结合,有利地影响了线粒体的能量代谢和线粒体与细胞浆之间的信息交流,同时也可以阻碍诱导凋亡的Bax和Bak寡聚化与线粒体的结合。至于AKT是如何促进HK与线粒体结合的机理目前仍然不清楚,但很显然,代谢与细胞信号传导通路的效应分子同时参与了这一过程。
 
    GSK3β: 另外,AKT也可以通过对GSK3β的磷酸化和活性抑制而间接增加mtHK-VDAC的相互作用,因为在没有AKT对GSK3β的抑制情况下,GSK3β可以直接磷酸化VDAC,进而抑制mtHK与VDAC的结合 (34)。同样,AKT也可以直接影响HK与线粒体的结合和HK的功能。因为AKT可以直接磷酸化HK-II(Thr473位点),而HK-II的磷酸化又与其线粒体定位及抗凋亡作用相关 (33)。尽管AKT也增加H-II的蛋白表达水平,但HK蛋白池的大小与mtHK-线粒体结合之间的关系还有待阐明。
 
    葡萄糖转运蛋白Gluts: 除了对HK表达及其与线粒体的结合作用外,AKT还通过增加Gluts的表达和膜转位而促进细胞存活 (3,4,7,9)。Gluts与mtHK都同时调控葡萄糖的摄取利用。最近的研究发现了一个HK,葡萄糖代谢与Mcl-1(是抗凋亡蛋白Bcl-2家族成员之一)之间的联系,共表达HKII和Gluts可促进GSK3β的磷酸化和失活,而这一作用拮抗了GSK3β导致的Mcl-1磷酸化和随后的泛素化降解 (35-36)
 
AKT对细胞生长、增殖调控与其对代谢调控的偶联
 
mTORC1除了对细胞生存与凋亡的调控外,AKT活化在正常细胞的增殖与细胞癌性转化上都起着重要的作用 (5)。在所有的AKT靶蛋白中,mTORC1可能是AKT下游介导细胞增殖和癌性转化最关键的效应蛋白分子 (4)。AKT活化是生长因子介导的mTORC1活化所必须的充分和必要因素。mTORC1也通过增加蛋白合成而调控细胞大小(Cell Growth), 这就可以解释为什么AKT可在细胞水平和个体水平上调控细胞生长与增殖。阻碍mTORC1活化的关键障碍是结节性硬化复合物蛋白TSC1/TSC2异二聚体的屏障作用,TSC1/TSC2复合物起作GTP酶活化蛋白的作用,负性调控小GTP酶Rheb,而Rheb正是活化mTORC1所必须 (4,5)。AKT通过磷酸化TSC2而致其失活,从而同时活化Rheb和mTORC1,而AKT对能量代谢的调控作用正是其完全活化mTORC1所必须 (37)。TSC1/TSC2异二聚体对细胞能量状态非常敏感,但细胞的能量贮备水平低下时,增加的细胞内AMP水平与减少的ATP水平会活化AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated Kinase, AMPK), 而AMPK则磷酸化和活化TSC2。因此,通过调节细胞的ATP水平,AKT间接调控了AMPK的活性,所以是完全活化mTORC1所必须 (37)。此外,mTORC1自身对细胞内ATP水平很敏感,因为构成mTORC1复合物的关键组成蛋白Raptor可被AMPK磷酸化而失活 (38)。由此可以说明,AKT对细胞生长与增殖的调控也是与其对细胞能量代谢的调控作用紧密结合的。
 
    此外,作为mTORC1调控的靶蛋白之一,活化的AKT还调控低氧诱导因子HIF-1α蛋白的表达和活化 (15)。AKT调节的葡萄糖的大量摄取与酵解产生大量乳酸的堆积和向细胞外的排泄,导致了间质的酸化和低氧环境的形成,这本身也促进HIF-1α蛋白表达水平与稳定性的增加 (15)。低氧细胞HIF-1α的表达的贮积与增加的同时,还导致了细胞适应性地诱导葡萄糖转运蛋白(Glut1)和参与酵解的蛋白酶(HKII)的表达增加 (15-16)
 
低氧诱导因子(Hypoxia-inducible factor-1, HIF-1):低氧会刺激细胞消耗葡萄糖和产生乳酸(无氧糖酵解),在哺乳动物细胞,这一反应正是由HIF-1转录因子复合物介导的。HIF-1的转录产物包括编码葡萄糖转运蛋白,(如Glut1),糖酵解酶(如:PDK1)和乳酸脱氢酶LDH。HIF-1的活化需要HIF-1α亚基的参与,而后者又是受生长因子受体信号通路PI3K/AKT/mTOR的直接调控的 (15)。在常氧状态下(normoxia),HIF-1α通过脯氨酸羟化酶PHD的转录后修饰,而促进其与VHL的结合,从而导致HIF-1α的泛素化降解,但在低氧状态下(Hypoxia),脯氨酸羟化作用被线粒体产生的ROS抑制;因而导致HIF-1α蛋白的稳定和HIF-1α转录复合物转录活性的增加。在一些肿瘤细胞,由于VHL的突变,使得HIF-1α可以在常氧压状态下维持蛋白稳定并持续表达。另外,SDH和FH的基因突变也可通过干扰HIF-1α的羟化而稳定HIF-1α,而琥珀酸与延胡索酸的聚集则可能抑制HIF-1α的稳定性。因此,在肿瘤细胞中,由于VHL,SDH和FH的突变,导致HIF-1靶基因在常氧状态下持续表达,这可能也是导致肿瘤有氧糖酵解的原因 (15-17,39)
(未完待续)
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