不同細胞亞定位的PKM2在腫瘤細胞中發揮作用的研究進展

盧曉梅

(新疆醫科大學第一附屬醫院臨床醫學研究院, 省部共建中亞高發病成因與防治國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011)

M2型丙酮酸激酶(Pyruvate kinase M2)在腫瘤細胞內參與多種生物活動,包括有氧糖酵解、核信號轉導、蛋白質合成和蛋白質相互作用等[1]。既往有關PKM2在腫瘤中的作用的研究都是圍繞其對腫瘤細胞代謝的影響或與蛋白激酶相關的作用展開的[2]。隨著對PKM2研究的深入,PKM2也具有一些非代謝功能[3],包括RNA結合蛋白、免疫調節劑、高爾基體的維護等。為更好理解PKM2在腫瘤病理生理環境中所發揮的生物學作用,本綜述將從PKM2的非代謝作用角度,主要圍繞RNA結合蛋白、PKM2的核轉位、免疫調節、線粒體PKM2等方面,加深對PKM2的認識。此外,盡管已有多篇綜述論文涉及PKM2在癌癥中的非代謝作用[2,4-6],但本綜述主要從PKM2在細胞內和細胞外均可跨界游走的角度來鋪陳內容,闡述PKM2為適應癌癥微環境而發揮不同作用的游走,以及PKM2在細胞內或細胞外可能到達的所有位置,以幫助讀者更好地理解游走的PKM2在腫瘤細胞中的作用。

1 核糖核酸結合蛋白(RBP)

RBP是一種與RNA結合的蛋白質。功能性RNA具有多種結構和催化作用,與蛋白質相互作用,在細胞內發揮加工、運輸、翻譯、RNA穩定、修飾和定位等功能[7-9]。研究發現,RNA直接與蛋白質相互作用,形成核糖核蛋白顆粒(RNPs)。RNPs需要識別RNA中存在的特定序列元素,以控制RNA發揮的功能,其生物發生[10]RNP必須高保真,由于RNP的錯誤形成或RBP的異常表達會導致基因表達異常,進而引發疾病如癌癥等。因此,RBP在癌癥發病機制中對RNA的調控起著關鍵作用。同樣,一些功能性RNA對RBPs的作用、穩定性和維持也是不可或缺的。對細胞質PKM2的研究表明,PKM2是一種RBP,其代謝功能需要一些RNA的相互作用和參與。

2 細胞質PKM2

越來越多的證據表明,PKM2可以作為RBP,在腫瘤細胞中發揮一定的作用。目前能與PKM2直接結合的RNA,其中大部分被確定為長非編碼RNA(lncRNA)。從功能上看,這些lncRNAs要么是穩定PKM2的“腳手架”,要么是介導PKM1和PKM2剪接切換的PKM2剪接調節因子。Lan等[11]的研究將PKM1/2鑒定為一種RNA結合蛋白,并利用質譜法和平行反應監測測定法,將PKM1/2鑒定為可直接與lncRNA GACAT2結合的RBP。其功能實驗表明,GACAT2的上調導致PKM2的表達增加,最終導致丙酮酸激酶活性增強和PKM2轉位至線粒體的增加[12]。另一項針對肝細胞癌的研究發現,lncRNA MNX1-AS1可作為支架支持PKM2與導入素α5之間的相互作用[13],從而促進PKM2轉位到細胞核內,助長沃伯格效應。盡管上述研究大致確定了能與PKM2結合的RNA,但多數研究并不能詳細繪制或給出PKM2的確切相互作用的結構域。由于缺少相互作用的細節,因此對于PKM2如何與這些RNA相互作用仍不清楚。此外,上述研究也未能明確說明PKM2和lncRNA的亞定位關系,但從其結論中,我們推斷PKM2的亞定位可能在胞質,因為胞質中的PKM2(四聚體形式)發揮著新陳代謝的作用。通過采用高通量方法,如RBP免疫沉淀、RNA測序和質譜分析,可以對RBPs進行更高通量和全轉錄組的分析。因此,在不同類型的癌癥中,未來可以篩選出更多能與PKM2直接結合的RNA。

PKM2除本身是一種RBP外,還有少量證據表明它能直接與RBP相互作用。一項關于人類膠質瘤的研究支持了這一觀點。Mukherjee 等[14]的研究發現PKM2可以直接與膠質瘤細胞核中的RNA結合蛋白HuR結合,從而調節HuR亞細胞定位、p27水平、細胞周期進展和膠質瘤細胞生長,可以看出,PKM2可能與RBPs的胞內分布有關。

3 核PKM2

一般來講,核PKM2是一種轉錄因子,可與組蛋白H3,HIF-1α[15]或NF-κB p65[16]相互作用從而增強參與糖酵解基因的轉錄。隨著PKM2轉位至細胞核,糖酵解顯著增強[17]。PKM2轉位入核的內在機制可歸納為以下三個方面:第一,依賴或不依賴磷酸化細胞外調節蛋白激酶(ERK1/2);第二,依賴于組蛋白去甲基化酶(JMJD5),JMJD5可改變PKM2的同/異配體重組;第三,在代謝壓力下,PKM2可主動進入細胞核,以促進腫瘤細胞在不利環境中生存。最早觀察到PKM2磷酸化后發生核轉位依賴于ERK1/2磷酸化的證據來自Yang等[18]的研究。研究發現,作為β-catenin誘導原癌基因(c-Myc)表達的輔助激活劑,核PKM2在正反饋循環中導致葡萄糖轉運蛋白1(GLUT1)和乳酸脫氫酶A(LDHA)的上調。這項研究強調了核PKM2在無氧糖酵解和腫瘤發生中的關鍵作用。

另有研究表明,PKM2入核與磷酸化的ERK1/2無關[19]。DDX39B可招募輸入蛋白α5,加速PKM2的核轉位,而與ERK1/2介導的PKM2磷酸化無關。除了DDX39B外,一定還有其他分子在介導PKM2的核轉位。在另一項腫瘤研究中,JMJD5被確定為PKM2的新型相互作用分子[15]。研究表明,JMJD5對PKM2進入細胞核的核轉位有重大影響。由于JMJD5物理性地阻礙了PKM2四聚體的組裝,從而阻止了PKM2進入細胞核。研究證明,一旦進入細胞核,核PKM2就會與JMJD5和HIF-1α復合,從而特異性地增強HIF-1α與LDHA基因座的結合。

回顧上述文獻,可以發現PKM2第37位絲氨酸的磷酸化[18]是PKM2核轉位所必需的[15]。除了第37位絲氨酸外,Yu等[20]的研究中補充了另一個新的磷酸化位點Thr454。該位點被證明對PKM2的核轉位至關重要。除了PKM2某些氨基酸的磷酸化外,乙?；坪跻矃⑴c了PKM2向核內的轉位。一份來自急性髓性白血病(AML)的報告揭示[21],含約瑟芬域2(JOSD2)誘導的PKM2在K433處的乙?；瘻p少能夠抑制PKM2的核定位,明確表明PKM2的乙?；材艽龠M核轉位。因此,如果沒有ERK1/2介導的磷酸化,PKM2也能在缺氧和營養限制等代謝壓力下主動轉位到細胞核內,作為轉錄因子誘導癌癥干細胞相關基因的表達,從而幫助腫瘤細胞在不利的病理生理環境中存活下來[22]。核PKM2是否參與其他生物活動仍有待進一步研究。

4 調節免疫檢查點

PKM2作為一種檢查點調節劑可以調節免疫檢查點,如有關細胞程序性死亡-配體1(PD-L1)的研究鮮有關注。Palsson-McDermott等[23]的研究顯示,PKM2是腫瘤細胞和免疫細胞中PD-L1表達不可或缺的原始證據。PKM2調控PD-L1的基本分子機制是PKM2和HIF-1α可直接與PD-L1啟動子上的缺氧反應元件結合。因此,PKM2或許可作為腫瘤微環境中的炎癥或免疫調節劑。研究證實[24],PD-L1的表達需要PKM2以信號轉導和轉錄激活因子(STAT)1依賴性方式表達。另一項研究[25]表明,PKM2通過激活STAT1調控PD-L1的過表達。既然PKM2能直接影響PD-L1的表達,這里自然提出了一個假設,即PKM2也可能影響細胞毒性T細胞(如CD8+T細胞)對腫瘤組織的浸潤。Li等[26]的研究支持了這一假設,他們證實了PKM2表達與肝癌淋巴細胞浸潤之間存在統計學上的相關性。PKM2調控CD8+T細胞向腫瘤組織浸潤的分子機制尚不清楚,但STAT通路可能有參與。目前,關于PKM2調節CD8+T細胞在癌癥中浸潤的調控機制的研究報道還較少,因此需要進行更多的研究。

5 外泌體PKM2

PKM2分布廣泛,可以存在于細胞核、細胞質和外泌體,也可以在細胞內釋放,發揮不同的作用。外泌體含有生產細胞的DNA、RNA、蛋白質、脂類和代謝產物,在生理和病理情況下都會釋放到細胞外空間。人們對外泌體在癌癥和心血管疾病等多種病理生理狀況下的作用進行了廣泛研究。Buschow等[27]首次提出了外泌體中可含有PKM2的證據,并利用定量質譜方法從B細胞的外泌體中鑒定出了一小部分與主要組織相容性復合體II類(MHC II)發生特異性共沉淀的蛋白質。在這些蛋白質中,發現了PKM2。之后的研究分析了外泌體PKM2的生物學作用,發現從癌細胞外泌的PKM2可重塑轉移前腫瘤微環境,從而促進癌細胞的轉移[28]。

除了促進轉移外,還有證據表明[29]外泌體PKM2可以重塑腫瘤微環境,在肝細胞癌的環境中使單核細胞向巨噬細胞分化。此外,在非小細胞肺癌中,外泌體PKM2被證明在很大程度上參與了順鉑耐藥性的產生[30]。本課題組前期研究發現[31],從食管鱗狀細胞癌(ESCC)患者外周血提取的外泌體中也發現了PKM2,外泌的PKM2可促進食管癌細胞在體外的增殖、遷移和侵襲。從機制上講,外泌體PKM2可激活ESCC細胞中的STAT3信號通路,這與外泌體PKM2在ESCC中的作用機制有關。即外泌體的分泌受PKM2本身的控制。該項研究對于了解腫瘤細胞外泌體的物理形成具有重要意義。PKM2不僅可以通過腫瘤細胞的外泌體分泌,還可以反過來調節外泌體的物理形成。

6 線粒體PKM2

除了細胞核和細胞外,線粒體中也存在PKM2。最初確定 PKM2表達與線粒體之間關系的發現是由Wu等人[32]報道的,其研究發現,PKM2的升高會導致線粒體融合。該研究僅探討了PKM2與線粒體融合之間的先導相關性,并未給出太多有關PKM2如何導致線粒體融合的生化細節。Li等[33]的實驗表明,PKM2與線粒體融合的關鍵調節因子mitofusin 2(MFN2)相互作用,加速線粒體融合和線粒體氧化磷酸化(OXPHOS)。即PKM2能促進線粒體融合,但沒有提供任何其他證據表明PKM2是否能轉運到線粒體中。Liang等[34]的研究顯示,PKM2可在氧化應激下轉入線粒體。作者深入分析了PKM2轉位進入線粒體的過程,發現PKM2與線粒體中的B淋巴細胞瘤-2基因(Bcl2)相互作用,并能夠使Bcl2蛋白的第69位蘇氨酸發生磷酸化。這種磷酸化穩定了Bcl2蛋白,從而阻止了膠質瘤細胞的凋亡。關于線粒體PKM2在肺缺血再灌注損傷環境中的調解作用的研究也完全支持這一發現,該研究認為線粒體PKM2參與了癌細胞抗凋亡的調控[34]。以上的研究發現有助于更好地了解線粒體PKM2的生物學作用。

7 高爾基體PKM2

目前,尚未有研究表明PKM2可以在高爾基體中存在,但有研究表明PKM2可以維持腫瘤細胞內高爾基體的完整性[35]。Taguchi等[35]利用HeLa和ME-180宮頸癌細胞進行研究發現,沉默PKM2可導致維持高爾基體功能和結構所需的三個關鍵蛋白(包括GM130、巨蛋白和 p115蛋白)下調,轉錄因子TFE3是GM130、giantin和p115蛋白表達的調控因子。PKM2與TFE3 mRNA的5′非翻譯區結合,從而促進了翻譯。從該項研究中可知,PKM2在腫瘤細胞中具有維持高爾基體完整性的新功能。

8 總結與展望

PKM2參與了腫瘤細胞發展所必需的許多關鍵活動。作為代謝酶(四聚體)和蛋白激酶(二聚體)的雙重角色,游蕩的PKM2可以在細胞內和細胞外進行跨界活動。核PKM2是一種轉錄因子,可以調節一些與代謝物和細胞周期有關的重要基因的轉錄。重要的是,細胞質中的PKM2是RNA結合蛋白,可與不同的長非編碼RNA結合,從而加強自身作為代謝酶的作用。線粒體PKM2直接參與線粒體融合,因此參與了腫瘤細胞的抗凋亡。值得注意的是,PKM2可以保護腫瘤細胞中高爾基體的完整性和結構。外泌體PKM2甚至可以遠程協助重塑微環境,使腫瘤細胞能夠適應不利環境,從而得以生存和發展。就腫瘤的生物標志物而言,循環或血漿中的PKM2作為預測標志物的可能性較小,主要由于PKM2不具備成為理想生物標志物所需的特異性和敏感性。未來,隨著新型技術和設備平臺的出現,將進一步揭示PKM2的未知功能,以及鑒定出更多可與PKM2相互作用的分子(包括RNA和蛋白質)。