腫瘤細(xì)胞代謝機(jī)制

腫瘤細(xì)胞能量代謝機(jī)制正常細(xì)胞能量代謝以及warburg效應(yīng)三磷酸腺苷（adenosinetriphosphate,ATP）是細(xì)胞中的能量通貨，用于儲存和傳遞化學(xué)能。ATP是一種高能磷酸化合物，它與二磷酸腺苷（adenosinediphosphate，ADP）的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)了儲能和放能。細(xì)胞中產(chǎn)生ATP主要通過胞液中進(jìn)行的糖酵解（glycolysis，Gly）和線粒體中進(jìn)行的氧化磷酸化（oxidativephosphorylation，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，稱為Pasteur效應(yīng)。1920年，Nobel獎獲得者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)的糖酵解代謝及代謝產(chǎn)物乳酸增加的這一現(xiàn)象則是普遍存在,并被稱之為WarburgEffect[2]。Warburg認(rèn)為這種糖酵解活性增強(qiáng)是由于腫瘤細(xì)胞線粒體呼吸鏈出現(xiàn)不可逆性損傷造成的。但是現(xiàn)在對于這一觀點(diǎn)有很多不同看法。糖酵解優(yōu)勢雖然腫瘤細(xì)胞中糖酵解占據(jù)優(yōu)勢，但是Koppenol表明腫瘤細(xì)胞中氧化磷酸化產(chǎn)生的ATP與正常細(xì)胞大致相同，但是腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取量卻是正常細(xì)胞的10倍。而且，每13個葡萄糖分子中一個被氧化磷酸化而12個進(jìn)行糖酵解。所以通過氧化磷酸化產(chǎn)生36分子ATP同時經(jīng)糖酵解產(chǎn)生24分子ATP[3]。所以可以看出腫瘤細(xì)胞糖酵解活躍。盡管糖酵解的效率低，但是腫瘤細(xì)胞可以從糖酵解中受益：①由于腫瘤細(xì)胞生長迅速，所以對能量需求量大，而糖酵解多產(chǎn)生的ATP也有利于腫瘤生長。②糖酵解的中間產(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)胞代謝和生物合成，有助于腫瘤細(xì)胞的迅速生長。③糖酵解酶己糖激酶（hexokinase，HK）拮抗細(xì)胞凋亡。④糖酵解產(chǎn)物使腫瘤周圍微環(huán)境酸化，這種酸化的微環(huán)境不利于正常細(xì)胞生長，但有利于腫瘤細(xì)胞的浸潤和轉(zhuǎn)移[4]。糖酵解活躍機(jī)制腫瘤細(xì)胞中糖酵解活躍的機(jī)制比較復(fù)雜，是多種因素綜合作用調(diào)節(jié)引起的。主要包括以下幾個方面：有利于糖酵解的跨膜結(jié)構(gòu)，酶代謝異常，腫瘤微環(huán)境，癌基因及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常等。3.1有利于糖酵解的跨膜結(jié)構(gòu)腫瘤細(xì)胞攝取葡萄糖能力是正常細(xì)胞的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)存在大量的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)泵以及氫離子相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體，否則會造成細(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)體葡萄糖以被動轉(zhuǎn)運(yùn)的方式進(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（GLUT）協(xié)同進(jìn)入胞內(nèi)。GLUT至少有14種，其中GLUT1，GLUT3，GLUT4與葡萄糖親和力較高，具有轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的活性。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]。3.1.2單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)泵和氫離子相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)體糖酵解最終產(chǎn)物是乳酸，研究表明糖酵解的乳酸通過單羧酸轉(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MCT1—MCT4有轉(zhuǎn)運(yùn)乳酸的能力，而MCT2和MCT4與乳酸親和力最高，并且在惡性腫瘤中過量表達(dá)。MCT1在正常組織表達(dá)，并且在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)升高[6]。腫瘤細(xì)胞表面氫離子轉(zhuǎn)運(yùn)體如Na+-H+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，使腫瘤不受高糖酵解活性產(chǎn)生的大量乳酸的威脅[7]。3.2己糖激酶（HK）酶是生物體內(nèi)生化進(jìn)程中不可缺少的催化劑，生物體中的能量代謝也大多由酶來調(diào)節(jié)。在腫瘤細(xì)胞中，氧化磷酸化的酶合成受到抑制，比如細(xì)胞色素C（COX），琥珀酸脫氫酶（SDH），延胡索酸水和酶（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)和磷酸甘油醛脫氫酶(GAPDH)等。己糖激酶（HK）催化葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G-6-P），是糖酵解的第一步，也是糖酵解的限速步驟。人體中HK共有4個亞型，分別為HK1~HK4，分布在不同的組織，并且HK1~HK3對葡萄糖親和力較高，HK4對葡萄糖親和力較低。惡性腫瘤中，HK2表達(dá)明顯上調(diào)。HK2表達(dá)水平的上調(diào)和DNA甲基化有著密切聯(lián)系。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可與線粒體外膜的孔蛋白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)胞凋亡的具體機(jī)制并不清楚，抑制細(xì)胞色素C釋放可能是原因之一。總之HK在腫瘤細(xì)胞中不僅可以促進(jìn)糖酵解的活性，還可以通過與線粒體結(jié)合，發(fā)揮促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和抑制腫瘤細(xì)胞凋亡的功能。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，原有的毛細(xì)血管已經(jīng)不能提供足量的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)維持腫瘤的生長，所以就會有新的毛細(xì)血管生成，增加血流量和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)。促進(jìn)血管新生的細(xì)胞因子主要為血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）。而低氧誘導(dǎo)因子（HIF）促進(jìn)VEGF的表達(dá)，缺氧條件下，二者表達(dá)均顯著增高[9]。在缺氧條件下，腫瘤細(xì)胞內(nèi)發(fā)生最明顯的變化就是HIF表達(dá)升高。HIF是由異源二聚體組成，包括一個不穩(wěn)定的α亞基和穩(wěn)定的β亞基?？梢耘c靶基因啟動區(qū)的缺氧應(yīng)答元件(hypoxiaresponseelement,HRE)識別，啟動靶基因表達(dá)。根據(jù)α亞基不同，HIF分為3個亞型，HIF-1~3，分別存在于不同組織[10]。HIF-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的作用至今不明[11]。在氧氣充足的條件下，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家族成員羥化，形成與腫瘤抑制蛋白VHL(vonHippel-Lindau)結(jié)合的位點(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，PHD活性受到抑制，不能使HIF羥化，VHL不能識別，所以可以穩(wěn)定存在。HIF-1α與HIF-1β結(jié)合,進(jìn)入細(xì)胞核,與靶基因啟動子區(qū)的缺氧應(yīng)答元件(HRE)識別并結(jié)合,啟動靶基因的轉(zhuǎn)錄。HIF-1α轉(zhuǎn)錄活化的基因有100~200個，包括GLUT1、GLUT3、糖酵解酶類、單羧基轉(zhuǎn)運(yùn)體4(MCT4)等。HIF-1α通過上調(diào)GLUT1，[10]KaelinWG,RatcliffeJrPJ.Oxygensensingbymetazoans:thecentralroleoftheHIFhydroxylasepathway[J].MolCell,2008,30(4):393-402.[11]GordanJD,SimonMC.Hypoxia-induciblefactors:centralregulatorsofthetumorphenotype[J].CurrOpinGenetDev,2007,17(1):71-77.[12]MaxwellPH,WiesenerMS,ChangGW,etal.ThetumorsuppressorproteinVHLtargetshypoxia-induciblefactorsforoxygen-dependentproteolysis[J].Nature,1999,399(6733):271-275.[13]FangJ,YanL,ShingY,etal.HIF-1αmediatedup-regulationofvascularendothelialgrowthfactor,independentofbasicfibroblastgrowthfactor,isimportantinswitchtotheangiogenicphenotypeduringearlytumorigenesis[J].CancerRes,2001,61(15):5731-5735.[14]KimJW,TchernyshyovI,SemenzaGL,etal.HIF-1mediatedexpressionofpyruvatedehydrogenasekinase:ametabolicswitchrequiredforcellularadaptationtohypoxia[J].CellMetab,2006,3(3):177-185.[15]Lopez-RiosF,Sanchez-AragoM,Garcia-GarciaE,etal.Lossofthemitochondrialbioenergeticcapacityunderliestheglucoseavidityofcarcinomas[J].CancerRes,2007,67(19):9013-9017.[16]YunJ,RagoC,CheongI,etal.Glucosedeprivationcontri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