非編碼RNA 調控口腔鱗狀細胞癌葡萄糖代謝重編程的研究進展

楊一言高繼萍續國強王曉堂宋國華

(山西醫科大學實驗動物中心,實驗動物與人類疾病動物模型山西省重點實驗室,太原 030001)

口腔鱗狀細胞癌(oral squamous cell carcinoma,OSCC)是口腔癌中最常見的實體腫瘤,占所有病例的95%以上[1-2],結合腫瘤的臨床T 分期、臨床N 分期、淋巴結外擴展等多個因素,患者術后復發率高,且5 年生存率無明顯提升[3]。 此外,接受治療后仍會面臨腫瘤復發,預后差等問題,嚴重影響了患者的生活狀態與心理健康。 因此,為進一步完善臨床治療方案,我們需要闡明OSCC 的分子調控機制。

葡萄糖代謝重編程是一種廣泛存在腫瘤細胞中的生物學現象,即有氧條件下腫瘤細胞通過有氧糖酵解優先利用葡萄糖這一獨特代謝表型。 越來越多的證據表明,ncRNA 可以與癌基因或抑癌基因相互作用,調節腫瘤細胞的能量代謝[4-7]。 因此,本文將對部分ncRNA 影響調控OSCC 有氧糖酵解相關的機制進行綜述,發掘葡萄糖代謝在臨床治療中的潛在價值。

1 腫瘤葡萄糖代謝重編程

代謝重編程是腫瘤的10 大特征之一,其中最經典、研究最多的是有氧糖酵解(aerobic glycolysis),其特點為即使在氧氣足夠支持OXPHOS 的情況下,癌細胞仍傾向于將葡萄糖“發酵”成乳酸,這一現象被稱為Warburg 效應,我們廣泛認為這是人類癌癥的中心標志,同時也是促進腫瘤細胞增殖轉移的重要過程。 這種代謝轉換通常是原癌基因(如Myc)、轉錄因子(如缺氧誘導因子-1,HIF-1)、信號通路(如PI3K)的激活,以及腫瘤抑制因子(如p53)失活所致。 此外,信號通路、癌基因和抑癌基因等能夠直接控制增殖細胞中的代謝途徑。 經過上述幾種途徑作用,激活或過表達葡萄糖轉運蛋白(GLUT)和糖酵解通路關鍵酶,增強腫瘤有氧糖酵解[4]。

腫瘤發生發展過程中,增殖細胞不僅需要大量ATP,還允許糖酵解中間產物(“碳源”)穿梭到幾個生物合成途徑產生核苷酸、NADPH、脂質和非必需氨基酸,為合成大分子物質提供所需底物或中間體。 與此同時糖酵解還能夠生成有助于細胞增殖的小分子前體或中間體,比如乙酰輔酶A、非必需氨基酸的中間體、核糖等物質,以此滿足DNA 快速復制的需要[5-6]。 乳酸是糖酵解的產物,當乳酸堆積在細胞外基質并降低其酸堿度時,酸性的環境將促進腫瘤侵襲和轉移[7]。 綜上所述,Warburg 效應是腫瘤細胞茁壯生長的最佳方式,是癌細胞的一種基本變化。 糖酵解過程需要GLUT、己糖激酶2(HK2)、磷酸果糖激酶2(PFK2)、乳酸脫氫酶A(LDHA)和丙酮酸脫氫酶激酶1(PDK1)等多種酶,將葡萄糖轉化為乳酸,與此同時也伴隨著PI3K/Akt/mTOR、Wnt/Snail 等信號通路的改變,這些酶、

信號通路的激活或失活會影響腫瘤的葡萄糖代謝。

2 OSCC 中葡萄糖代謝重編程調控作用機制

2.1 葡萄糖轉運

GLUT 家族有14 個成員,GLUT1 是GLUT 家族中第一個被鑒定的,其研究最為廣泛[8]。 其功能為將葡萄糖從毛細血管轉運到細胞中。 正常生理情況下,GLUT 能夠快速轉運葡萄糖,而惡性腫瘤細胞常通過上調細胞膜GLUT 表達增加葡萄糖攝取量,滿足細胞增殖所需。

研究發現,OSCC 組織中GLUT1 的表達顯著增加[9],提示GLUT1 可作為OSCC 患者預后的標志。Eckert 等[10]通過對OSCC 樣本進行免疫組織化學染色并與臨床病理資料比較,結果證明GLUT1 的表達水平能夠為腫瘤侵襲和預后提供信息,同時也是篩選OSCC 高危人群的標志物。 對患有OSCC 并發生淋巴結轉移的受試者進行免疫組化檢測,發現GLUT1 表達顯著升高。 同時一項針對舌鱗狀細胞癌的研究表明GLUT1 與淋巴結轉移相關,說明可以將GLUT1 作為淋巴結轉移的指標[11-12]。 非典型GLUT 表達不一定意味著細胞內葡萄糖攝取增加,也可能是受到癌細胞中轉錄水平的組織特異性基因表達的調控。 最近研究表明,von Hippel-Lindau(VHL)腫瘤抑制基因會下調編碼血管內皮生長因子(VEGF)和GLUT1 的mRNA 表達水平。 在檢測的OSCC 細胞株中VHL 與GLUT1 的mRNA 表達呈負相關,VHL 的降低可能會增強GLUT1 表達導致葡萄糖攝取增加,在OSCC 的發病機制中起重要作用[13]。

2.2 葡萄糖代謝相關酶

調控糖酵解的主要3 種限速酶,分別是己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。 3 種酶介導不同過程,在糖代謝中發揮著重要的作用。 除此之外,乳酸脫氫酶通過電子受體NAD 的再生在有氧糖酵解中發揮關鍵作用。

己糖激酶(HK)是調控糖酵解步驟的第一個限速酶,催化葡萄糖磷酸化。 在頭頸部腫瘤中,HK2的表達顯著升高[14]。 在缺氧條件下會引起HK2 上調進而增強糖酵解,研究發現低氧環境中HIF-1α 表達顯著升高,腫瘤微環境內部處于缺氧狀態,HIF-1α 促進HK2 過表達,從而促進舌鱗狀細胞癌細胞糖酵解[15]。 Qu 等[16]發現在OSCC 中,去泛素酶USP13 對GLUT1 和HK2 具有調控作用,從而影響糖酵解。

磷酸果糖激酶(PFK)是糖酵解過程中第二個限速酶,有PFK1 和PFK2 兩個亞型。 PFK1 能夠催化6-磷酸果糖(F-6-P)轉化為果糖-1,6-二磷酸(F-1,6-BP)。 果糖-2,6-二磷酸(F-2,6-BP)能夠通過與PFK1相互作用,拮抗三磷酸腺苷(ATP)的抑制作用并增加葡萄糖攝取。 果糖-2,6-二磷酸酶(PFKFB3)作為PFK1 的變構活化劑,是糖酵解的速率調控酶,能夠維持高糖酵解率并在多種人類腫瘤中高度表達。 已有研究表明,PFKFB3 可以作為阻斷糖酵解的靶點,阻止腫瘤細胞的遷移和侵襲[17]。 惡性腫瘤中,PFK2 通過活化Ras、c-Src 等原癌基因提升其表達,并且誘導丙酮酸激酶(PK)轉化為糖酵解酶復合物,促進糖酵解[9]。

丙酮酸激酶(PK)是糖酵解通路中另一個限速酶,能夠催化磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)去磷酸化為丙酮酸并產生ATP。 PKM1 和PKM2 是其中兩種異構體,癌變組織中PKM2 表達升高并在能量代謝中居于主導地位。 有研究表明,PKM2 能夠通過增加其他蛋白的磷酸化、穩定性和表達來促進腫瘤的侵襲和遷移[18]。 OSCC 中PKM2 通過ETS1 基因依賴方式誘導癌細胞中基質金屬蛋白酶9 的表達,從而增加細胞的侵襲能力[19]。 此外PKM2 能夠通過誘導上皮細胞向間充質細胞轉化(epithelial to mesenchymal transition,EMT)的發生促進腫瘤的發生發展。 例如OSCC 中細胞質中的PKM2 會被轉移到細胞核中,與TGF-β 誘導同源因子2(TGF-βinduced factor homeobox 2,TGIF2)結合,使其泛素化降解,誘導EMT 發生,促進OSCC 的發生發展[20]。另外,有些生物合成途徑則是通過降低PK 活性發生,研究發現酪氨酸激酶受體刺激和信號轉導以及HIF-1α 的誘導會誘導丙酮酸激酶二聚體M2 同種型(PKM2)表達,由此限制PEP 到丙酮酸的轉化,使得上游糖酵解中間體(“葡萄糖碳”)積累,進入其他生物合成途徑[4]。

LDHA 是乳酸脫氫酶(LDH)的亞型之一,糖酵解過程中,催化丙酮酸轉化為乳酸并產生NAD+。乳酸作為一種重要的致癌物質,能夠降低腫瘤微環境酸堿度,進而導致腫瘤生長、免疫逃逸等情況發生。 有研究表明,OSCC 中LDHA mRNA 的表達水平顯著上調,沉默LDHA 后細胞的葡萄糖消耗和乳酸產量降低,抑制腫瘤細胞的生長遷移能力[21]。LDH5 是催化效率最高的同工酶,有利于惡性腫瘤發生、遷移和侵襲,研究發現其在癌細胞中與GLUT1、HIF-1α 具有相關性。 在有氧糖酵解過程中,LHD5 還能夠提高乳酸產量,通過抑制脯氨酸羥化酶進而維持HIF-1α 激活。 將LDH5 作為治療靶點,有助于修改癌癥治療中修改HIF-1α 調控的基因,達到下調葡萄糖攝取抑制腫瘤增殖的效果[22]。因此LDH 對腫瘤細胞有氧糖酵解的影響能夠為OSCC 臨床治療提供新方向。

2.3 腫瘤免疫微環境

腫瘤微環境(tumor microenvironment,TME)主要由免疫細胞、成纖維細胞、血管和淋巴管網絡等組 成。 腫 瘤 免 疫 微 環 境 ( tumor immune microenvironment,TIME)是免疫系統與腫瘤的交鋒點,在維持免疫抑制環境中代謝改變起重要作用。研究發現在OSCC 中腫瘤相關巨噬細胞(TAMs)浸潤可能與免疫逃逸有關,CD68+和CD163+TAMs 浸潤與腫瘤中程序性死亡配體1(PD-L1)高表達顯著相關,PD-L1 抑制抗腫瘤免疫,導致T 細胞凋亡[23]。此外GLUT1 缺乏會損害效應T 細胞的增殖和功能,削弱CD8+T 細胞的抗腫瘤效應[24]。 研究發現OSCC 細胞侵襲前高CD8+T 細胞浸潤的患者,復發所致死亡可能性較小,因此可以將侵襲前CD8+T 細胞浸潤作為預后的生物標志物[25]。 Warburg 效應產生的乳酸堆積會降低TME 的pH,分解細胞基質導致腫瘤細胞遷移。 乳酸作為糖酵解的終產物,在TME 中的積累能夠阻斷T 細胞內乳酸轉運從而破壞T 細胞代謝,抑制T 細胞的增殖和活化[26]。 此外細胞內pH 降低還會誘導NK 細胞凋亡,在結直腸癌肝轉移中導致自然殺傷細胞(natural killer cell,NK)耗竭[27]。 目前有關OSCC 中TME 與葡萄糖代謝的研究鮮有報道。

2.4 葡萄糖代謝信號通路

葡萄糖代謝受到復雜信號網絡通路的調控。其中PI3K/Akt/mTOR 信號通路在癌癥的發生發展中起重要的調控作用。 磷酸肌醇3-磷酸(PI3K)可調節下游效應因子Akt 和哺乳動物雷帕霉素靶標(mTOR),Akt 是驅動腫瘤糖酵解表型的重要因子,一方面可調節GLUT1 的表達和膜轉位進而激活糖酵解,另一方面還能調節HK2、PKM2 等糖酵解酶的表達和活性影響糖酵解。 mTOR 能夠誘導許多有氧糖酵解和腫瘤生長相關基因轉錄,如HIF-1α、核轉錄因子-κB(NF-κB)和c-Myc 等,通過這種方式調節糖酵解。 因此,PI3K/Akt 能夠調控有氧糖酵解這一特性使其成為臨床治療的新靶點。

Wnt/Snail 信號通路是另一條調節通路,Lee等[28]研究表明,Wnt/Snail 信號通路能夠通過誘導丙酮酸羧化酶促進糖酵解,這一過程依賴于β-連環蛋白/T 細胞因子4/Snail 信號通路。 p53 基因則能夠調節糖酵解和OXPHOS 之間的轉換影響Warburg效應,一項研究表明p53 在口腔癌中低表達[29],細胞色素c 氧化酶2(SCO2)是p53 的轉錄靶標,同時也是COX 復合物的關鍵調節因子[30],在氧化應激情況下經SCO2 介導細胞會在p53 影響下完成從糖酵解到OXPHOS 這一轉變,而缺乏功能性p53 的細胞則繼續進行糖酵解。

3 非編碼RNA 調控OSCC 葡萄糖代謝重編程

非編碼RNA 是不能編碼蛋白質的RNA 分子,包括小分子RNA(microRNA,miRNA)、長鏈非編碼RNA(long non-coding RAN,lncRNA)以及環狀RNA(circular RAN,circRNA)等。 在不同類型的腫瘤細胞中,他們能夠通過不同的機制調節腫瘤的葡萄糖代謝。例如乳腺癌細胞中,miR-155 通過miR-155-sOCS1-sTAT2-HK2 和miR-155-C/EBPβ-miR-143-HK2兩條途徑級聯促進癌細胞葡萄糖代謝[31]。 lncRNA XIST通過發揮分子海綿作用吸附miR-126,激活IRSI/PI3K/Akt 通路并以此增強葡萄糖代謝能力,最終促進膠質母細胞瘤侵襲、轉移,提高腫瘤抗凋亡能力[32]。 OSCC 中,針對ncRNA 調控葡萄糖代謝重編程進行了研究并獲得一些成果(圖1)。

圖1 非編碼RNA 調控OSCC 腫瘤細胞、成纖維細胞糖酵解示意圖Figure 1 Schematic diagram of non coding RNA regulating glycolysis of OSCC tumor cells and fibroblasts

3.1 miRNA 在OSCC 葡萄糖代謝中的調控作用

miRNA 是長度約為22 個核苷酸的非編碼單鏈RNA,在調控基因表達中起關鍵作用。 近年來,越來越多的miRNAs 被認為是OSCC 細胞代謝的關鍵內源性調節因子。

例如,miR-340 能夠直接與GLUT1 的3’UTR 區域結合,下調GLUT1 表達減弱OSCC 細胞的有氧糖酵解。 體外功能研究顯示,miR-340 能夠顯著降低葡萄糖的攝取率,提示miR-340 所誘導的糖酵解改變為OSCC 細胞的生長提供了必須的能量條件[33]。Xu 等[34]證明miR-218 過表達能夠顯著抑制OSCC細胞系中GLUT1 的表達,同時也降低了細胞系的葡萄糖攝取,表明miR-218 通過靶向抑制GLUT1 表達,從而削弱糖酵解以抑制OSCC 細胞生長。miRNA 不僅可以抑制糖酵解,也能夠促進糖酵解。Chen 等[35]通過qRT-PCR 檢測發現,腫瘤組織中miR-10a 和GLUT1 表達水平顯著增加,體外細胞實驗表明,miR-10a 能夠同時促進口腔癌細胞的葡萄糖攝取和增殖。 認為miR-10a 通過作為GLUT1 的上游激活劑,增加GLUT1 的表達,促進OSCC 細胞的葡萄糖代謝和癌細胞增殖,在OSCC 中發揮致癌作用。 HK2 作為糖酵解的第一個限速酶,諸多研究證明其能夠調節腫瘤的發生和遷移。 Sun 等[36]研究發現,miR-143 可以直接靶向HK2,抑制其表達,從而抑制細胞葡萄糖代謝,阻止OSCC 癌細胞的生長和侵襲。 miR-532-3p 可靶向HK2,由于競爭性作用,通過circRNA MDM2/miR-532-3p/HK2 軸增加HK2 的表達,促進有氧糖酵解[37]。 除了直接靶向GLUT1、HK2,miRNA 還可以通過信號通路調節下游GLUT1 的表達,影響OSCC 細胞的增殖。 miR-200c能夠抑制Akt 通路使下游GLUT1 失活,從而抑制OSCC 細胞對葡萄糖的攝取,減少能量供應抑制增殖[38]。

目前,有關miRNA 調控腫瘤細胞糖酵解的研究越來越多,很多成果也證實了miRNA 對腫瘤細胞Warburg 效應的調控機制。 研究miRNA 在葡萄糖代謝中的調控作用,開發新的治療靶點將作為miRNA 在OSCC 發生、發展、診斷及治療的進一步研究思路和方向。

3.2 lncRNA 在OSCC 葡萄糖代謝中的調控作用

lncRNA,是一類長度超過200 個核苷酸的轉錄本,缺乏編碼蛋白質的潛力,是參與轉錄和轉錄后調控的支架、阻滯劑、激活劑或海綿。 近期研究發現,OSCC 中存在大量差異表達的lncRNA,這些lncRNA 可以調控多個參與葡萄糖代謝的下游靶點,如GLUT1 和GLUT4、酶(丙酮酸羧化酶、G6P)、癌基因(c-Myc)等,此外也可能與一個或多個信號通路相互作用,參與OSCC 的發生和發展[39-41]。 Wang等[42]發現了lncRNA-p23154-miR-378a-3p/GLUT1軸可調控糖酵解,miR-378a-3P 靶向結合GLUT1 的3’ 非編碼區,抑制OSCC 細胞中GLUT1 表達,lncRNA-p23154 與miR-378a-3p 呈負相關,lncRNAp23154 通過與miR-378a-3p 的啟動子區域相互作用抑制其轉錄,使GLUT1 表達增高,改變葡萄糖代謝。lncRNA-p26090 在OSCC 細胞系及癌組織中的表達水平顯著上調,同時細胞中糖酵解相關基因GLUT1、HK2、PKM2 等表達顯著降低,生成的乳酸減少,提示lncRNA-p26090 可能通過調節相關基因的表達從而調控OSCC 細胞糖酵解過程[43]。 Chu等[44]研究發現在OSCC 細胞中lncRNA ELF3-AS1通過間接調控GLUT1 表達來影響OSCC 細胞對葡萄糖的攝取。 除腫瘤細胞外,lncRNA 也可以調控癌相關成纖維細胞(CAFs)的糖酵解,影響腫瘤進展。CAFs 作為腫瘤微環境的重要組成部分,能夠分泌能量代謝產物,為腫瘤進展提供能量。 Yang 等[45]發現lncRNA H19 通過 lncRNA H19/miR-675-5p/PFKFB3 軸促進口腔CAFs 中的葡萄糖代謝,進而促進細胞增殖和遷移。

然而對于lncRNA 在OSCC 糖酵解中的具體作用機制,目前研究相對較少。 因此,需要進一步深入研究lncRNA 調節葡萄糖代謝的途徑和機制,推進對癌癥代謝復雜調控網絡的理解,并為臨床診斷和治療提供更好的理論依據。

3.3 circRNA 在OSCC 葡萄糖代謝中的調控作用

circRNA 呈封閉環狀環結構,且高度穩定。 常作為競爭性內源RNA(ceRNA),通過內源性競爭作用“海綿吸附”miRNA,調控下游靶基因的表達水平。

circRNA 可以靶向miRNA 介導Warburg 效應進而調節腫瘤進展。 例如circRNA100290 在OSCC 中充當ceRNA,抑制miR-378 表達,從而促進GLUT1表達,調節OSCC 細胞糖酵解[46]。 此外,circRNA 也可以介導HK2 表達水平調節OSCC 的糖酵解。 Zhu等[47]發現miR-106a-5p 能夠抑制HK2 的表達來阻礙OSCC 進程中的糖酵解,circRNA-PVT1 經海綿吸附作用直接吸附miR-106a-5p,進而增加HK2 的表達,促進OSCC 細胞的糖酵解而發揮致癌作用。

有文獻表明OSCC 患者唾液中hsa-circ-0001874與has-circ-0001971 的含量明顯增高,此類在患者唾液樣本中顯著增高的circRNA 可以作為診斷OSCC的有力證據[48]。 由于circRNA 的表達具有階段特異性和穩定性,因此可以作為診斷靶點對患者進行快速無創的早期篩查、診斷。

4 展望

綜上所述,有氧糖酵解表型是癌細胞代謝重編程的重要組成部分,一系列錯綜復雜的分子機制使得腫瘤細胞能夠不受控制、持續生長并進行侵襲和轉移。 OSCC 發病率日漸增高的當下,現有成果表明ncRNA 可能通過影響葡萄糖代謝的部分環節調控OSCC 發展方向。 目前一個亟待解決的問題是仍需大量研究明確ncRNA 在OSCC 細胞葡萄糖代謝中復雜的調控網絡及各級調控機制。 我們需要再進一步探尋更加全面的分子作用網絡的基礎上,結合其作用位置找尋新的治療靶點,為臨床OSCC 診斷和治療提供更多研究思路。