腫瘤細胞的低碳生活*

賈勇圣 佟仲生

·國家基金研究進展綜述·

腫瘤細胞的低碳生活*

賈勇圣 佟仲生

細胞能量異常是腫瘤細胞的十大特征之一，正常細胞能量代謝主要通過線粒體氧化磷酸化釋放二氧化碳，而腫瘤細胞能量代謝主要通過有氧糖酵解產生乳酸代替二氧化碳釋放，這種能量代謝的特點使內環境中二氧化碳釋放減少。因此，腫瘤細胞處于一種低碳生活狀態，具有體細胞逐漸惡變的進程中獲得特征性生長表型，在腫瘤細胞增殖、侵襲轉移中發揮獨特的生物學作用。本文就腫瘤細胞低碳生活與腫瘤細胞主要的特殊能量需求、基因突變、環境選擇、酸抵抗、凋亡逃避和腫瘤干細胞特性維持等機制進行綜述。

糖酵解 腫瘤細胞 低碳

Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,National Clinical Research Center of Cancer,Tianjin Key Laboratory of

Breast Cancer Prevention and Therapy,Tianjin Medical University,Ministry of Education,Tianjin 300060,China

This work was supported by The National Natural Science Foundation of China Youth Project(No.81302080),and The Special

ized Research Fund for the Poctoral Program of the Ministry of Education of China(No.20131202120003)

1924年Warburg觀察到大多數腫瘤細胞主要通過糖酵解產生能量，并伴隨乳酸產生，而正常細胞糖酵解代謝比率較低，產生丙酮酸直接進入線粒體氧化。在腫瘤細胞增殖過程中，糖酵解的比率大約是其相同來源的正常細胞的200倍，即使在氧供應充分的情況下這種糖酵解依然發生，因此稱為有氧糖酵解（aerobic glycolysis）。該代謝方式的改變可能是腫瘤發生的基礎，并稱之為瓦氏效應（Warburg effect）。細胞釋放的二氧化碳主要通過氧化磷酸化產生，根據瓦氏效應，腫瘤細胞中糖酵解增強，氧化磷酸化抑制，結果產生乳酸代替二氧化碳釋放，使腫瘤細胞向內環境釋放的二氧化碳較正常細胞減少。低碳（low carbon）指較低的溫室氣體（二氧化碳為主）排放，如果將細胞存活在內環境中溶解的氣體比作人類所處的大氣，那么細胞向內環境釋放的二氧化碳可理解為碳釋放量。因此，腫瘤細胞過著一種低碳的生活。

1 腫瘤細胞低碳生活的特點

腫瘤細胞低碳生活的特點可概括為乳酸產生代替二氧化碳釋放。正常細胞消耗1 moL葡萄糖經過線粒體氧化磷酸化產生6 moL二氧化碳，腫瘤細胞消耗1 moL葡萄糖進行有氧糖酵解未產生二氧化碳。維持這種低碳生活的前提是腫瘤細胞的“嗜糖性”，即對葡萄糖攝取和利用（消耗）的依賴較正常細胞顯著增加，因此臨床上通過正電子發射計算機斷層技術（positron emission tomography，PET）檢測組織細胞葡萄糖攝取程度來診斷腫瘤微小病灶。

2 腫瘤細胞低碳生活的機制

2.1 需求平衡

腫瘤細胞低碳生活表面上是糖酵解和氧化磷酸化的解偶聯，實質是能量生產和物質生產的再分工。腫瘤細胞中糖酵解負責產能，線粒體三羧酸循環負責蛋白質、核酸和脂類的前期合成。分工明確使腫瘤細胞有效平衡細胞增殖過程中物質和能量需求。以蛋白質為例，蛋白質由碳骨架構成，碳骨架主要來自谷氨酰胺代謝，增殖迅速的細胞一方面需要能量，另一方面需要碳骨架。在腫瘤細胞中谷氨酰胺代謝與糖代謝相輔相成，盡管谷氨酰胺屬非必需氨基酸，但對快速增殖的腫瘤細胞來說，則是“必需”氨基酸。谷氨酰胺酶（glutaminase，GA）是腫瘤細胞利用谷氨酰胺進行谷氨酰胺酵解的起始酶和關鍵酶（限速酶），谷氨酰胺酶將谷氨酰胺分解成谷氨酸和氨。腫瘤細胞在平衡有效產能和有效物質利用（如核苷酸、脂類、氨基酸）這對矛盾時，偏向有效物質利用［1］。腫瘤細胞代謝的一個重要特點是從能量產生到大分子合成的轉變，大分子合成代謝在腫瘤細胞代謝中比例升高，癌基因AKT的激活可以使細胞代謝的前體物質向大分子合成轉移，如葡萄糖流向脂類的代謝能力顯著增強。對于細胞，氧的作用不僅限于呼吸，也是膽固醇合成、氧化蛋白折疊等的反應底物。從低碳角度解讀瓦氏效應可以認為，腫瘤細胞向內環境低量釋放二氧化碳，保護了內環境，相對提高其所處內環境的氧分壓，緩解腫瘤細胞快速增殖引起的缺氧。值得注意的是，腫瘤細胞主要通過糖酵解獲取ATP，并不表明其不需要氧氣，只是利用氧氣的方式較正常細胞不同，腫瘤細胞將氧氣更多的用在物質合成代謝。

腫瘤細胞有氧糖酵解的分子機制為p53可與磷酸戊糖途徑上第一步反應的關鍵酶（葡萄糖-6-磷酸脫氫酶）相結合，并抑制其活性。在正常細胞中p53參與阻止這一旁路的進行，細胞中的葡萄糖用于酵解和三羧酸循環，產生細胞生長所需的能量，而在p53發生突變或缺失的腫瘤細胞中，p53失去與葡萄糖-6-磷酸脫氫酶結合的能力和對該酶的抑制，磷酸戊糖途徑被激活。大量的葡萄糖通過這一旁路被消耗，卻不能產生細胞生長所需要的能量，而產生大量還原劑及戊糖，滿足腫瘤細胞快速、無限生長［2］。總之，正常細胞將攝入的葡萄糖用于自身能量消耗，而腫瘤細胞則將其轉化為物質儲備用于再生產、繁殖子代細胞。

2.2 快速產能

糖酵解產生ATP的量雖遠低于氧化磷酸化，但反應過程較氧化磷酸化大為縮短，ATP產生速度大大提高，有效為細胞增殖提供能量。糖酵解的另一個特點是能夠自給自足，煙酰胺腺嘌呤（NAD+）是維持糖酵解運行的關鍵物質，其在丙酮酸轉化為乳酸的過程中生成。所以葡萄糖供給充足時，糖酵解就由細胞快速完成產能。三羧酸循環和氧化磷酸化涉及眾多酶和底物，制約因素較多，糖酵解的獨立性擺脫了后續眾多因素的制約，保障了細胞能量供給的穩定性和安全性。與氧化磷酸化相比，雖然糖酵解產生ATP效率低，但速度得到提升，單位時間內產能增加，事實上當糖酵解快速進行時，其ATP產量很容易超越氧化磷酸化，Pfeiffer等［3］認為這種低效高產的能量形成方式在能源競爭中更具有生長優勢。

2.3 基因突變

腫瘤細胞糖酵解方式可能來自于基因突變或表觀遺傳的改變，如基因啟動子部位的甲基化等。目前認為與腫瘤細胞有氧糖酵解有關的突變基因分為線粒體相關基因，癌基因和抑癌基因3類。線粒體DNA各種類型的突變導致線粒體功能降低是腫瘤細胞進行有氧糖酵解的主要原因［4］。有研究發現，氧化磷酸化中的關鍵酶氫離子ATP合成酶（H+-ATP synthase）的β催化亞單位在許多腫瘤組織中表達顯著降低［5］，線粒體耗氧量占細胞總耗氧的70%～90%，線粒體功能減弱導致氧耗減少，糖酵解能力代償性增強。在核基因編碼的線粒體有關基因中，三羧酸循環相關蛋白如延胡索酸酶和琥珀酸脫氫酶是一類抑癌基因，其突變與一些家族性腫瘤綜合征相關，突變導致三羧酸循環中間產物堆積，對缺氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）的轉錄蛋白起到穩定作用，誘導HIF靶基因表達（如VEGF），導致腫瘤侵襲能力增強［6］。

癌基因激活和抑癌基因失活促進了腫瘤細胞有氧糖酵解。腫瘤細胞在氧氣充足時進行糖酵解的分子機制基本闡明∶乳酸脫氫酶A和丙酮酸脫氫酶是糖酵解向氧化磷酸化轉變的重要的“分子開關”，乳酸脫氫酶A使丙酮酸向乳酸轉變，丙酮酸脫氫酶促進丙酮酸進入線粒體，當乳酸脫氫酶A高表達和丙酮酸脫氫酶活性降低時，丙酮酸不能進入三羧酸循環轉化為乳酸。癌基因正是通過調節這對“分子開關”，進而調節細胞能量代謝由氧化磷酸化向有氧糖酵解轉變。癌基因AKT和Myc的激活在促進糖酵解方面發揮重要作用，AKT的激活增加了葡萄糖轉運體和糖酵解酶的表達，Myc可直接調控糖酵解基因如乳酸脫氫酶A的表達［7］。抑癌基因p53［8］和VHL的功能缺失使細胞的能量代謝產生方式由線粒體轉調至糖酵解，而突變體p53則發揮原癌基因的作用，通過RhoA/ ROCK/GLUT信號通路調節葡萄糖轉運蛋白1（GLUT1）定位到細胞膜［9］，促進無氧糖酵解。

2.4 環境選擇

腫瘤主要特征是腫瘤細胞失控生長，不斷增多的細胞數將導致氧耗增加造成腫瘤內部缺氧，這在實體瘤表現尤其明顯。氧電極測量法證實在腦、乳腺、子宮等實體瘤和軟組織腫瘤中氧濃度低下，正常組織中平均氧濃度為40～60 mmHg，而大多數實體瘤中平均氧濃度不足10 mmHg，低氧和原癌基因突變是腫瘤細胞采取糖酵解的主要原因，這兩種力量相輔相成［10］。原癌基因突變為癌基因增強糖酵解代謝，組織細胞癌變過程中局部微環境缺氧使那些以糖酵解為主要代謝方式的表型被選擇，即使氧氣供應充裕，這種代謝表型仍然得以延續。研究發現HIF可以直接促進糖酵解，包括促進葡萄糖攝入，促進糖酵解相關酶類高表達。同時HIF也可以削弱線粒體功能，使細胞在低氧環境下氧耗降低［11］。1928年Crabtree發現高濃度葡萄糖可以抑制細胞呼吸，稱為葡萄糖效應（crabtree effect）。葡萄糖高攝入和低氧對腫瘤細胞具有協同選擇作用，最終導致腫瘤細胞的能量代謝重編程（metabolism reprogramming），進入了低碳生活。雖然低氧引起的環境選擇假說可以很好解釋實體瘤變，但不能對血液腫瘤進行圓滿解釋，血液腫瘤的局部微環境發生缺氧情況相對較少但同樣采取糖酵解方式。

2.5 酸抵抗

腫瘤細胞糖酵解能力增強如果是間歇性缺氧選擇的結果，那么酸抵抗則進一步增強了選擇的力度，腫瘤細胞糖酵解產生大量乳酸，分泌到微環境，通過自身選擇，酸抵抗能力強的腫瘤細胞表型得以保留。腫瘤侵襲包括兩層含義，一是入侵，一是襲擊。腫瘤細胞釋放乳酸成為其襲擊正常細胞的重要方式，正常細胞由于不耐酸而大量凋亡，組織結構受到破壞，為腫瘤細胞入侵轉移開辟通路［12］，通過免疫逃避實現腫瘤細胞侵襲轉移［13］。

腫瘤細胞對葡萄糖利用度增加也反映了腫瘤細胞對物質能量的掠奪式占有，腫瘤細胞攝取葡萄糖后，通過有氧糖酵解轉化為乳酸。乳酸并非是釋放到微環境的代謝廢物，在某種程度上為腫瘤細胞儲備能量。對腫瘤細胞“互飼共棲”模型的研究發現∶乳酸是腫瘤細胞一種重要能量來源，處于低氧環境的腫瘤細胞產生的大量乳酸擴散至血管床附近，血管床附近的腫瘤細胞對葡萄糖攝取能力較低氧區腫瘤細胞降低，只利用由低氧腫瘤細胞產生的乳酸，使葡萄糖源源不斷供給處于低氧區的腫瘤細胞。“互飼共棲”分子機制為處于低氧區的腫瘤細胞高表達單羧酸轉運蛋白 4（monocarboxylate transporter 4， MCT4），泵出由糖酵解產生的過量乳酸；處于有氧環境區（如血管床附近）的腫瘤細胞MCT1高表達，乳酸攝取能力增強，乳酸進入細胞后轉化為丙酮酸，丙酮酸再進入線粒體氧化磷酸化產生ATP［14］。打破腫瘤細胞這種“互飼共棲”特性成為腫瘤治療的一個新方向。

2.6 凋亡逃避

線粒體是細胞中的產能中心，當線粒體外膜通透性增加時，引起線粒體內促凋亡因子釋放，誘導細胞凋亡級聯反應［15］。細胞利用線粒體氧化磷酸化獲取高效能量供應的同時，也受制于線粒體。腫瘤細胞通過糖酵解產能是其脫離線粒體限制的重要方式，即逃避凋亡。在糖酵解與凋亡關系的研究中發現，抑制糖酵解通路可增敏死亡受體途徑誘導的腫瘤細胞凋亡［16］。腫瘤細胞另一種逃避凋亡的方式是低氧條件下，HIF-1誘導線粒體融合，融合后的線粒體體積增大，膜電位保守，對凋亡敏感性降低［17］，處于分裂狀態的線粒體則容易發生凋亡，這種促進線粒體融合的方式成為腫瘤細胞穩定線粒體的重要方式。

2.7 腫瘤干細胞特性的維持

腫瘤發生早期（腫瘤直徑＜4 mm）局部幾乎無新生血管，此時主要依靠彌散在細胞周圍的氧和營養物質生存，因此作為腫瘤生發部位的實體瘤中心，其營養和氧供應相對缺乏，目前認為腫瘤細胞糖酵解水平的提高是腫瘤形成的重要驅動力，能夠調控腫瘤糖酵解的蛋白分子被認為與腫瘤形成密切相關［18］。因此，腫瘤細胞低碳生活方式對于維持腫瘤干細胞特性具有重要的生物學意義。KLF4是KLF家族（Krüppel-like factors）成員之一，該家族是真核生物中廣泛存在的一類基礎轉錄元件結合蛋白。在干細胞中，KLF4與維持胚胎干細胞自我更新能力有關，并且是參與體細胞重新編程的重要轉錄因子，在腫瘤干細胞如乳腺癌干細胞中發揮重要的作用。Moon等［19］報道在乳腺癌細胞中KLF4可以調控血小板型磷酸果糖激酶（PFKP）表達，干擾KLF4表達后，腫瘤細胞葡萄糖攝取和乳酸產生均被抑制，反之，當KLF4過表達后，葡萄糖攝取和乳酸生成明顯提高，表明KLF4在維持腫瘤細胞有氧糖酵解過程中發揮重要作用。因此通過對KLF4無氧糖酵解通路的研究，對于闡明乳腺癌干細胞如何在腫瘤生發中心存活、限制腫瘤壞死及炎性反應以適應腫瘤生發中心微環境，增強腫瘤形成能力等具有廣闊的研究前景。

3 腫瘤細胞低碳生活的生物學意義

腫瘤細胞低碳生活反映了腫瘤獨特的代謝方式。體細胞逐漸惡變的進程中獲得特征性的生長表型，在腫瘤細胞增殖、侵襲轉移中發揮獨特作用，更是腫瘤細胞適應缺氧環境，減輕代謝壓力，進入休眠狀態的機制之一。因此深入研究腫瘤細胞低碳生活的機制與特點，并以此突破點為尋找治療腫瘤的有效靶標指明了方向。Sun等［20］發現雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通過誘導產生M2型丙酮酸激酶，從而導致腫瘤細胞發生有氧糖酵解，這一發現為腫瘤治療提供了一種新策略。以雷帕霉素靶蛋白為靶點的新藥依維莫司業已進入臨床應用，在晚期乳腺癌患者治療中取得了一定的療效。

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（2014-01-20收稿）

（2014-03-03修回）

（本文編輯∶張刡）

Low carbon lifestyle of tumor cells

Yongsheng JIA,Zhongsheng TONG
Correspondence to:Zhongsheng TONG;E-mail:tonghang@medmail.com.cn

The deregulation of cellular energetics is one of the hallmarks of cancer cells.The metabolism of tumor cells is unique in that aerobic glycolysis occurs with increased glycolysis and decreased mitochondrial oxidative phosphorylation,even in the presence of oxygen.The Warburg effect is related to the original observation that proliferating tumor cells consume glucose at a high rate and release lactate,not CO2.In terms of carbon emissions,a low carbon lifestyle exists in tumor cells.This lifestyle represents one such mechanism whereby increased entry of glucose ensures rapid proliferation and sustenance of biological processes critical for proliferation, metastasis,and adaptation,and further proliferation at the metastatic site.The underlying mechanisms involve directing glucose toward biosynthesis,rapid cell energy generation,gene mutation,environmental selection,acid resistance,escape from apoptosis and maintaince of tumor stem cell.

glycolysis,tumor cell,low carbon

10.3969/j.issn.1000-8179.20140147

賈勇圣 醫學博士，主治醫師。研究方向為腫瘤干細胞及腫瘤藥理學研究。

天津醫科大學腫瘤醫院乳腺內科，國家腫瘤臨床醫學研究中心，乳腺癌防治教育部重點實驗室（天津市300060）

*本文課題受國家自然科學青年基金（編號：81302080）與教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目（編號：20131202120003）資助

佟仲生 tonghang@medmail.com.cn

E-mail∶6355721@qq.com