PKM2與消化系統腫瘤關系的研究進展

曾慶煜，汪麗燕

(桂林醫學院附屬醫院消化內科，廣西 桂林 541000)

消化系統的惡性腫瘤(如食管癌、胃癌、肝癌、結腸癌)是臨床上常見的惡性腫瘤，在我國整體的發病率及病死率位居前列，但其發病機制目前仍未完全明確。目前的研究認為，在腫瘤細胞中存在著一種獨特的代謝方式——有氧糖酵解，即在氧氣充足的條件下腫瘤細胞仍能以糖酵解的方式獲取生長增殖所必需的能量，并能產生大量的丙酮酸；由于有氧糖酵解導致細胞微環境變化及腫瘤細胞自身的部分基因表達突變，腫瘤細胞通過有氧糖酵解能更好地吸收和利用增殖所需的營養物質[1]。腫瘤的這種特殊生物學特征被稱為“Warburg效應”，被認為是繼腫瘤的6種生物學特性(維持細胞增殖信號、逃避生長抑制、抵抗細胞死亡、持續的細胞復制、誘導血管生成以及激活細胞侵襲和轉移)以外的第7個特征[2]。研究表明，M2型丙酮酸激酶(M2 pyruvate kinase，PKM2)通過參與有氧糖酵解，使糖酵解中間產物在細胞內積累，并被快速增殖的腫瘤細胞所利用，最終促使腫瘤的增殖、侵襲和轉移，通過尋找PKM2對腫瘤細胞作用的靶點，有望為腫瘤的臨床診療提供新的思路，具有重要的研究價值[3]?，F就PKM2與消化系統腫瘤關系的研究進展予以綜述。

1 丙酮酸激酶

惡性腫瘤組織中，即使在氧氣充足的情況下，葡萄糖仍能通過“Warburg效應”以糖酵解形式獲取能量，并產生大量的乳酸[4]。在糖酵解過程中，丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是關鍵的限速酶之一，能催化磷酸烯醇式丙酮酸轉化為丙酮酸，并產生腺苷三磷酸(adenine nucleoside triphosphate，ATP)[5]。PK存在4種亞型 (L、R、M1和M2)，目前認為PKL和PKR主要存在于正常組織中，PKL亞型主要表達于肝臟、腎臟及腸道組織中，而PKR主要表達于紅細胞[6]；PKM1和PKM2是由PKM基因編碼的兩種不同亞型的同工酶，兩者的主要區別為：在相互排斥的選擇性剪切子的作用下，外顯子9和外顯子10被選擇性剪接，實現單個外顯子表達，生成了包含外顯子9的PKM1和包含外顯子10的PKM2[7]。多數情況下，PKM1分布于心肌、骨骼肌和腦組織等分化成熟的組織中，而PKM2多存在于胚胎細胞、成人干細胞和腫瘤細胞等快速增殖細胞中[8]。PKM2存在可相互轉換的二聚體和四聚體形式，在腫瘤細胞中多數以低活性的二聚體形式存在，而低活性的二聚體形式在葡萄糖代謝過程中可作為能量代謝和物質合成的調節開關，為腫瘤細胞的增殖提供必要的能量和物質支持[9]。一方面，通過比氧化磷酸化更高效的產生ATP，為腫瘤細胞的增殖提供能量支持；另一方面，二聚體形式的PKM2能促進糖酵解的中間產物進入糖酵解的旁路途徑，大量合成底物，為腫瘤細胞的生長提供必要的底物支持[1]。此外，PKM2還可在細胞核內發揮調節基因表達的作用，通過磷酸化、乙?；推渌鞍踪|修飾的方式，調節蛋白質活性和細胞內定位，如低活性的PKM2可以作為缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor 1α，HIF-1α)、β聯蛋白的轉錄激活因子，促進細胞增殖[7-8]。大量的研究證明，PKM2對腫瘤的代謝、增殖和轉移有顯著的影響，如肺癌[10]、卵巢癌[11]、前列腺癌[12]、宮頸癌[13]、乳腺癌[14]等。因此，研究PKM2對各系統腫瘤代謝、增殖、侵襲的影響及其相關機制具有重要的臨床意義。

2 PKM2與食管癌的關系

食管鱗狀細胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)是我國常見的消化系統腫瘤，近年來PKM2與ESCC的關系不斷被認知。Li等[15]發現，PKM2與ESCC不良臨床預后相關，在食管癌的進展中，PKM2可促進糖酵解和腫瘤增殖。Liu等[16]則發現，抑制PKM2的表達能抑制ESCC細胞增殖，增加細胞凋亡。

PKM2是ESCC有氧糖酵解的關鍵調節酶之一，Xiaoyu等[17]研究認為，PKM2受哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)途徑調節，ESCC中異常激活的mTOR信號通路能調節PKM2誘導有氧糖酵解，從而導致ESCC發生。Tang等[18]在研究二甲雙胍對ESCC的影響時發現，二甲雙胍通過抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/mTOR信號通路，誘導細胞停留在G0/G1期，并誘導其凋亡，從而抑制ESCC增殖。此外，Ma等[19]研究發現，PKM2的過表達可促進腫瘤細胞淋巴結轉移，并與上皮鈣黏素表達呈負相關；進一步研究發現，PKM2調節信號轉導及轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)，通過轉化生長因子-β1誘導上皮-間充質轉化，促進ESCC的進展。因此，mTOR和PKM2抑制劑可作為ESCC治療的潛在藥物，二甲雙胍有望成為食管癌的輔助治療藥物。

臨床實踐中，抗腫瘤藥物的耐藥性是預后不良的重要因素之一。有研究表明，增加細胞內活性氧類(reactive oxygen species，ROS)的水平能誘導細胞凋亡，控制細胞內ROS水平對細胞存活至關重要[20-21]。Fukuda等[22]發現，ESCC患者中化療不敏感與PKM2的過表達有關，抑制PKM2能降低順鉑的耐藥性，促進細胞凋亡；該試驗發現，順鉑治療可增加細胞內ROS水平，降低食管癌細胞PK活性，增加乳酸，促進葡萄糖進入磷酸戊糖途徑，但磷酸戊糖途徑能負反饋干擾細胞內ROS的過多積累，腫瘤細胞可以通過此負反饋通路增加對化療藥物的耐藥性，當抑制PKM2時能干擾順鉑治療后食管癌細胞內ROS過量積累引發的負反饋，進而抑制磷酸戊糖途徑的激活，降低對化療藥物耐藥性。因此，PKM2的表達與抗腫瘤治療耐藥性的相關性值得進一步探索。

3 PKM2與胃癌的關系

PKM2與胃癌發病機制及預后密切相關。Li等[23]認為，PKM2與胃癌細胞的增殖、凋亡及葡萄糖代謝顯著相關。Shiroki等[24]認為，PKM2通過調節胃癌特定的代謝途徑調控胃癌的發展，幽門螺桿菌的重要致病因子細胞毒素相關基因A通過胞外信號調節激酶信號通路誘導PKM2表達，從而促進胃癌細胞有氧糖酵解，為胃癌細胞的增殖提供能量。另一項研究發現，PI3K/Akt/mTOR通路在胃癌中經?；罨?，并且與胃癌的進展直接相關[25]。Wang等[26]研究發現，PKM2過表達使Akt1S1的S202/203殘基磷酸化，從而抑制腫瘤細胞自噬mTORC1；敲低PKM2表達，Akt的磷酸化水平受到明顯抑制，使用PI3K抑制劑(3-MA)后，PKM2短發夾RNA細胞中Akt的磷酸化水平進一步降低，同時細胞間質的標志物、神經鈣黏素和波形蛋白表達明顯受到抑制；因此，敲低PKM2可減弱PI3K/Akt/mTOR信號通路，激活腫瘤細胞自噬，并降低胃癌細胞的遷移能力。Tang等[27]發現，使用微RNA(microRNA，miRNA)-let-7a 能抑制胃癌細胞中PKM2的表達，從而抑制胃癌細胞增殖、侵襲和轉移。Kitayama等[28]發現，耐缺氧胃癌細胞系中，抑制PKM2的表達能顯著抑制耐缺氧胃癌細胞的增殖。胃癌中PKM2的高表達會促進胃癌淋巴結轉移，增加臨床不良預后概率[29]。因此，PKM2可作為胃癌治療的潛在靶點，有望成為評估臨床預后的指標。然而，Wang等[30]提出了一個全新的假設，認為PKM2在不同分化類型的胃癌中扮演著不同角色，根據上皮鈣黏素濃度的變化，PKM2通過調節表皮生長因子/表皮生長因子受體信號通路下游蛋白的表達，對胃癌的發展發揮不同的影響；當上皮鈣黏素存在時，PKM2能減弱胃癌細胞的運動和侵襲；當上皮鈣黏素缺乏或低表達時，能誘導PKM2發揮促進腫瘤細胞侵襲的作用，但其科學性及具體機制仍需進一步證實。

4 PKM2與原發性肝細胞癌

原發性肝細胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)的發病與肝細胞能量代謝異常密切相關，研究肝癌細胞中PKM2介導的能量代謝通路，對全面認識HCC的發病機制十分必要。有研究發現，在HCC中，高水平的GATA結合蛋白6(GATA binding protein 6，GATA6)起到抑制腫瘤的作用，而低表達的GATA6能促進腫瘤細胞進行糖酵解代謝，從而促進腫瘤形成、增殖和轉移；其機制可能是GATA6啟動子結合位點的甲基化使其表達下調，低水平的GATA6激活PKM2轉錄并觸發糖酵解，因此去甲基化治療可能為肝癌治療提供新途徑[31]。中間代謝產物或蛋白質的磷酸化也有可能是致癌因素之一。Xu等[32]首次證明熱激蛋白90是PKM2的新型結合伴侶，能減弱蛋白酶體對PKM2的降解作用；通過熱激蛋白90/糖原合酶激酶3β復合物介導的PKM2 Thr-328磷酸化，可增強PKM2蛋白質的穩定性以及在細胞中的含量，促進HCC細胞糖酵解和增殖。此外，Zhang等[33]首次發現HCC細胞中的低氧應激可促進Yes相關蛋白(Yes-associated protein，YAP)與細胞核中HIF-1α結合，維持HIF-1α蛋白的穩定性，進而與PKM2基因結合，激活PKM2轉錄以加速糖酵解。因此，HIF-1α-YAP調節軸可能是調控HCC的新型信號調節通路，YAP可能是一種潛在的治療HCC的靶點。另有研究觀察到，HCC組織中層粘連蛋白γ1和PKM2高表達，該研究認為層粘連蛋白γ1可能通過人第10號染色缺失的磷酸酶與張力蛋白同源基因/Akt途徑調節PKM2的表達，從而參與HCC的進展，阻斷層粘連蛋白γ1的表達能抑制HCC發展[34]。此外，PKM2也能通過調節脂肪的代謝參與HCC的形成，通過刺激依賴甾醇調節元件結合蛋白-1a介導的脂質合成調節肝癌細胞增殖[35]。因此，全面研究肝癌異常的能量代謝機制將為肝癌發病分子機制的研究提供更全面、開闊的視野。

目前認為，miRNA通過抑制翻譯或誘導其靶信使RNA的降解來負調節靶基因的表達[36]。miRNA與許多生理和病理現象相關，包括組織分化[37]和癌變[38]。miRNA既能單個獨立調節基因的表達，也能多個聯合共同調節不同的生命現象。Taniguchi等[39]認為，miRNA具有器官特異性分布，組織中miRNA表達的失調可以改變PKM亞型表達比率，導致癌癥發展，如肝特異性miR-122可通過與PKM的3′非翻譯區結合而改變正常肝組織中PKM1/PKM2，促進腫瘤的發展。Zheng等[40]則發現，MEG3(maternally expressed gene 3)通過促進miR-122的表達和成熟，靶向降低PKM2的表達。另一項研究發現，miR-199a的過表達能降低HCC細胞中己糖激酶2和PKM2表達，導致糖酵解的抑制；相反，沉默miR-199a的表達會反過來消除蝙蝠葛堿對己糖激酶2和PKM2表達的抑制作用[41]。miR-372可介導Y盒結合蛋白1磷酸化，抑制β聯蛋白降解，通過β聯蛋白-淋巴樣增強因子/細胞轉錄因子4途徑增強PKM2的表達活性，從而促進肝癌細胞的增殖[42]。miR-4417可誘導PKM2的Y105磷酸化，從而促進肝癌發生[43]。miR-675聯合PKM2上調SUV39h2，促進肝癌干細胞惡性生長[44]。另外，HCC腫瘤細胞中上調miR-491-5p能降低PKM2的表達，從而抑制糖酵解，阻止HCC細胞的增殖、轉移[45]。體外實驗中，三氧化二砷能促進長鏈非編碼RNA MEG3和PKM2負向調節，抑制肝癌細胞中的上皮-間充質轉化，進而抑制肝癌進展[46]。由此可見，PKM2導致肝癌的發病機制可能是肝癌發病的重要原因之一，全面、系統地闡明肝癌的發病機制仍需要深入研究。

5 PKM2與結腸癌

研究發現，結腸癌細胞系LS-147T和SW620中PKM2高表達，沉默PKM2基因能阻斷結腸癌細胞的增殖和周期，促進細胞凋亡，抑制結腸癌進展，但相關機制尚未闡明[47]。Bian等[48]發現，Fez家族鋅指蛋白1-反義RNA 1(Fez family zinc finger protein 1/antisense RNA 1，FEZF1-AS1)是結腸癌中高表達的長鏈非編碼RNA，并指出結腸癌中存在FEZF1-AS1/PKM2信號轉導通路；FEZF1-AS1與PKM2結合，增加PKM2蛋白的穩定性，增加細胞質和細胞核內PKM2含量，進而激活STAT3信號，通過調節PKM2/STAT3信號轉導，增強PK活性，并促進有氧糖酵解，從而促進直結腸癌細胞增殖和轉移。Huang等[49]首次觀察到長鏈非編碼RNA HOXB-AS3(HOXB cluster antisenseRNA 3)編碼的保守的小分子肽53-aa，提出了HOXB-AS3肽能阻斷hnRNP A1(heterogeneous nuclear ribonucleoprotein A1)介導的PKM剪接，阻止miR-18a加工和有氧糖酵解，進而抑制結腸癌細胞增殖，因此，提出了HOXB-AS3是調節PKM剪切的腫瘤抑制因子的觀點。Kuranaga等[50]通過RNA免疫沉淀實驗和免疫沉淀實驗，發現SRSF3(serine and arginine rich splicing factor 3)通過與PTBP1(polypyrimidine tract binding protein 1)和hnRNPA1共同作用，剪切調節PKM信使RNA，降低PKM1/ PKM2，增加細胞內PKM2的含量，維持了結腸癌中以糖酵解為主導的代謝模式，從而促進結腸癌細胞增殖。Liang等[51]則首次研究癌癥相關基因TSC22D2(transforming growth factor β-stimulated clone 22 domain family，member 2)聯合PKM2對結腸癌的影響，結果發現，TSC22D2在結腸癌中顯著下調，并且TSC22D2過表達抑制細胞生長，并提出了TSC22D2對結腸癌細胞的生長抑制功能可能依賴于TSC22D2-PKM2-細胞周期蛋白D1調節軸的新設想。Xu等[52]在研究促肝細胞再生磷酸酶-3(phosphatase of regenerating liver-3，PRL-3)與結腸癌細胞的轉移關聯時發現，PRL-3既能通過自身增加腫瘤細胞的糖酵解，促進腫瘤轉移，也能通過提高結直腸癌細胞中白細胞介素-8的分泌，經由白細胞介素-8積極參與、調控糖酵解代謝過程；需要指出的是，PRL-3能增加PKM2的表達，但PRL-3是否能通過PKM2影響腫瘤的轉移，以及具體的信號調節通路，目前尚不清楚。

另一方面，結腸癌對化療藥物的耐藥性是嚴重影響結腸癌療效的因素。Lu等[53]發現，結腸癌細胞系中PKM2和腎型谷氨酰胺酶的表達可以提高通透性糖蛋白的表達，抑制細胞凋亡，以增加奧沙利鉑的耐藥性；相反，在耐藥結腸癌細胞中，抑制PKM2/腎型谷氨酰胺酶表達可增加細胞凋亡，恢復奧沙利鉑對結腸癌的敏感性。Cao等[54]則發現，抑制PKM2表達能抑制糖酵解，導致細胞內ATP水平降低而增加細胞內5-氟尿嘧啶積累，從而增強5-氟尿嘧啶的功效。類似的，Cheng等[55]發現，對長春新堿和奧沙利鉑耐藥的結腸癌中PTBP1、PKM2和己糖激酶2的表達均顯著升高，而剔除PTBP1后，PKM2表達下降，而己糖激酶2表達未見明顯變化，因此，PTBP1低表達能下調PKM2的表達，抑制糖酵解，增強耐藥的結腸癌對長春新堿和奧沙利鉑的敏感性。此外，Yang等[56]的研究結果表明，單寧酸選擇性與PKM2上的433號賴氨酸殘基結合并抑制其活性，從而阻止結腸癌細胞增殖。因此，PKM2能影響結腸癌細胞的增殖、轉移和耐藥，值得深入研究。

6 小 結

腫瘤細胞特殊的葡萄糖代謝方式有氧糖酵解與腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移密切相關，從能量異常代謝的角度探索腫瘤形成、發展和轉移的分子機制被越來越多的學者認可。PKM2作為參與、調控葡萄糖有氧糖酵解的重要因子，其參與腫瘤調節的方式復雜，且PKM2分子調控機制多變，仍需不斷研究探索。PKM2極有可能在組織癌變過程中扮演重要角色，特別是在消化系統腫瘤中。隨著對PKM2研究的不斷深入，PKM2有望成為治療腫瘤的潛在靶點，為臨床科研提供一種新的嘗試和途徑。