c-Myc調控腫瘤代謝作用機制的研究進展

劉雅惠，高 露，王亞菁，嚴 方*

（1中國藥科大學藥物分析系,南京210009；2中國藥科大學生理學教研室,南京210009）

致癌轉錄因子c-Myc（也稱Myc）可直接結合基因啟動子區的E-box調控多種基因的表達，通過調節多達15%的人類基因參與細胞周期以及細胞生長、凋亡、分化和代謝等關鍵進程［1］，其表達水平在正常細胞中受到生長因子依賴信號的嚴格控制，在腫瘤細胞中通過多種機制解除調控并增強活性。許多研究結果證實，c-Myc過表達與腫瘤的發生發展有密切聯系。例如，c-Myc的表達水平升高可促進原癌基因RAS突變引發的膠質瘤生長［2］，并參與了人類惡性腫瘤基因表達的表觀遺傳調控［3］。

大量研究表明，腫瘤發病風險增加與代謝異常密切相關，惡性腫瘤可發生代謝重編程［4］。腫瘤代謝重編程是由于腫瘤細胞內一些基因結構與功能改變導致的一系列代謝改變，這些代謝改變將利于腫瘤惡性增殖和適應不利生存環境。在一些腫瘤組織培養和轉基因模型中可以觀察到c-Myc蛋白參與代謝重編程，其表達失調促進了細胞的增殖和生長，影響中間代謝通路的關鍵酶，如己糖激酶2、磷酸果糖激酶1、烯醇化酶1［5-6］、脂肪酸合成酶［7］等，以適應不斷生長的腫瘤細胞對合成代謝產物的需求增長［8］。此外，c-Myc對腫瘤細胞代謝的影響既與癌基因活性、腫瘤組織有關，也依賴于與微環境成分的相互作用［9-10］，c-Myc失調所引起的代謝變化在不同類型的腫瘤中也會有所不同，這顯示了c-Myc在腫瘤細胞代謝調控中的復雜作用機制。本文分析了c-Myc蛋白及其下游因子在腫瘤發生發展中的效應機制，綜述了c-Myc蛋白在整體上對腫瘤細胞代謝的調控作用。

1 轉錄因子c-Myc

c-Myc轉錄因子由MYC基因編碼，該基因屬于MYC原癌基因家族（除MYC基因外還包括編碼NMyc的MYCN基因和編碼L-Myc的MYCL基因）。該轉錄因子可與另一種螺旋-環-螺旋亮氨酸拉鏈蛋白MAX進行二聚化，從而結合DNA并調控基因表達［11］。在沒有形成二聚體的情況下c-Myc蛋白是無序的，特別是其bHLH-LZ結構域，但與MAX蛋白結合時可形成螺旋結構的異源二聚體，并與基因啟動E-box區結合，從而使下游基因激活或抑制，如圖1所示［12］。

圖1 c-Myc蛋白相關結構

c-Myc作為一種轉錄因子，激活或抑制參與細胞過程（包括轉錄、翻譯、染色質修飾和蛋白質降解等）的基因，在維持細胞穩態中發揮了關鍵作用。近年研究表明，c-Myc蛋白可與幾乎所有的活性啟動子和大多增強子結合，從而調控細胞生長進程中關鍵基因的表達［13-15］。由于其具有致癌可能性，正常情況下，MYC基因在轉錄過程中、轉錄后和翻譯后都受到嚴格調控，一旦其通過染色體易位、插入突變和基因擴增等機制解除調控，c-Myc蛋白將積累至致癌水平，引發細胞代謝重編程，以維持腫瘤細胞的高速增殖，導致腫瘤的發生與發展［16］。

2 腫瘤的代謝重編程

代謝重編程是惡性腫瘤的一個標志，異常的代謝變化在腫瘤的發生發展過程中發揮重要作用。早在1920年研究發現腫瘤細胞存在能量代謝異常，表現為氧氣充足的條件下糖酵解過度活躍、葡萄糖攝取率高、無氧代謝產物乳酸含量高，被稱為有氧糖酵解或“瓦伯格效應（Warburgeffect）”［17］。

近年研究發現，乙肝相關肝癌與癌旁組織比較的特異性代謝差異，包括糖酵解、脂代謝和谷氨酰胺代謝途徑的異常增高［18］。隨著人們對腫瘤生物學及腫瘤代謝的了解深入，發現腫瘤組織中的代謝異常遠比之前認知復雜［4］。除了能量代謝異常外，腫瘤組織中還存在氨基酸代謝［19］、碳代謝異常［20］等；與正常組織相比，不同的腫瘤細胞與腫瘤組織存在代謝異質性；非原發部位的局部腫瘤在腫瘤轉移過程中也體現了對代謝重編程的依賴［4］。腫瘤發生發展過程中，腫瘤細胞的代謝十分活躍，生命活動所需的基本物質、營養成分等在代謝網絡中的流向和流量被重新定義，在平衡細胞能量需求和合成代謝的基礎上，向利于生物大分子合成的方向發展，促進腫瘤細胞的倍增及侵襲轉移。

3 c-Myc與腫瘤異常代謝的關系

3.1 c-Myc調控腫瘤細胞的糖酵解通路

瓦伯格效應中，腫瘤細胞攝取大量的葡萄糖進行有氧糖酵解，以滿足細胞快速生長和侵襲轉移對ATP的高需求［6］。如圖2所示，c-Myc可以通過增加葡萄糖轉運體（glucose transporter，GLUT）的表達或是上調糖酵解通路中關鍵酶［21］，包括己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）［22］、磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase 1，PFK1）和烯醇化酶1（eno?lase 1，ENO1）等來輔助人乳腺上皮細胞攝取葡萄糖進行有氧糖酵解，促進上皮細胞間質化，增強細胞遷移侵襲能力。乳酸脫氫酶A（lactate dehydro?genase A，LDHA）可以將糖酵解和谷氨酰胺分解途徑產生的丙酮酸作為底物，在將其轉化為乳酸的過程中同時產生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotin?amide adenine dinucleotide，NAD），以彌補糖酵解過程對這種遞氫體的消耗。c-Myc過表達可促進LDHA表達（圖2），維持糖酵解通量，并產生過量乳酸導致細胞外基質酸化，降低T細胞輸出乳酸的能力，從而降低T細胞的活性，在促腫瘤免疫逃逸方面發揮積極作用［23-24］。除了直接調節糖酵解通路中的關鍵酶表達，c-Myc還可以通過阻斷轉錄因子MondoA的功能，抑制三陰性乳腺癌中糖酵解負調節因子的轉錄，間接促進葡萄糖進入有氧糖酵解過程［25］。此外，c-Myc還可以通過促進一些剪接因子的表達上調成熟型丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）（圖2），從而促進膠質瘤的有氧糖酵解［26］。

在腫瘤細胞糖酵解通路中，丙酮酸激酶的米氏常數較高，其與底物磷酸烯醇式丙酮酸具有較低的親和力，導致糖酵解中間體6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate）和3-磷酸甘油酸（3-phospho?glycerate）的濃度升高，從而引發兩條生物合成分支：戊糖磷酸途徑（pentose phosphate pathway，PPP）和絲氨酸合成途徑（serine synthesis pathway，SSP）［26］。

戊糖磷酸途徑（PPP）包括兩個階段：第一階段利用6-磷酸葡萄糖氧化生成5-磷酸核酮糖，可用于核苷酸生物合成；第二階段中5-磷酸核酮糖經過一系列轉酮基及轉醛基反應，最后生成3-磷酸甘油醛及6-磷酸果糖，二者還可重新進入糖酵解途徑進行代謝［27］。針對不同細胞模型進行研究，發現c-Myc對于這兩個階段都有促進作用。Morrish等［28］發現，經血清誘導的大鼠成纖維細胞中c-Myc異常激活，葡萄糖向核糖轉化的通量增加。在活化的T細胞中，c-Myc增加了葡萄糖-6-磷酸 脫 氫 酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase，G6PD）和轉酮醇酶（transketolase，TKT）的表達（圖2），兩者分別參與了戊糖磷酸途徑的氧化和非氧化階段［29］。

絲氨酸合成途徑（SSP）是糖酵解通路的第2個重要分支，通常在腫瘤細胞中上調。糖酵解途徑中的3-磷酸甘油酸經磷酸甘油酸脫氫酶催化，再途經中間產物后合成絲氨酸，在絲氨酸羥甲基轉移酶（serine hydroxymethyltransferase，SHMT）催化下轉化為甘氨酸，從而為一碳代謝（one-carbon metabolism）提供中間體，一碳代謝可以將氨基酸代謝與核苷酸及一些重要物質的生物合成聯系起來［30］。在肝細胞癌細胞系及c-Myc驅動的肝腫瘤中均發現c-Myc可上調SHMT（圖2），最終導致甘氨酸合成增加，促進腫瘤細胞中的生物大分子合成［31-32］。以上研究均表明致癌轉錄因子c-Myc直接或間接地參與調控腫瘤代謝中的糖酵解途徑，影響底物葡萄糖攝取和代謝物乳酸的產生，同時也參與調節糖酵解通路的兩個重要生物合成分支。

3.2 c-Myc調控腫瘤細胞的谷氨酰胺代謝

谷氨酰胺是一種帶有胺基基團的人體非必需氨基酸，在血液中含量最為豐富，幾乎參與增殖細胞中的每個生物合成途徑。在惡性腫瘤中，谷氨酰胺的一個重要作用是在谷氨酰胺酶（glutaminase，GLS）的催化下水解生成谷氨酸，通過谷氨酸脫氫酶（glutamate dehydrogenase，GDH）催化的直接脫氨作用以α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）的形式進入三羧酸循環，為細胞的惡性增殖提供能量，這種情況稱之為“谷氨酰胺成癮”［33］。為滿足腫瘤細胞對谷氨酰胺需求的增加，細胞膜上谷氨酰胺轉運體在不同腫瘤細胞中均有上調［34］。Qing等［35］研究表明，在神經母細胞瘤細胞中，c-Myc可上調溶質載體家族蛋白（solute carrier family 1 member 5，SLC1A5）的表達（圖2），促進腫瘤細胞對谷氨酰胺的攝取。此外，c-Myc可以直接或間接地上調GLS表達（圖2），例如c-Myc介導的miR-23表達抑制可以反向促進人淋巴瘤細胞和前列腺癌細胞中GLS的翻譯合成［36］；除此之外，也有研究顯示，胰腺癌中過表達的c-Myc會以mTOR依賴的方式控制GLS水平［37］。而在腎癌體內研究中，c-Myc則主要通過增強GLS1的表達來促進谷氨酰胺降解［38］。

由谷氨酰胺降解產生的谷氨酸除了以α-KG的形式進入三羧酸循環外，還可以在轉氨酶的作用下，催化氨基轉移到草酰乙酸或丙酮酸上，同時產生非必需氨基酸天冬氨酸和丙氨酸。在c-Myc失調引發的腎癌中可以檢測到天冬氨酸和丙氨酸水平的升高［38］。乳腺癌中細胞對谷氨酸脫氫酶或轉氨酶活性的依賴都與c-Myc的高水平相關［39］。此外，谷氨酸還可以生物轉化為脯氨酸。阻斷脯氨酸的生物合成，可抑制腫瘤細胞生長。盡管這兩種氨基酸之間的轉化是可逆的，但在淋巴癌、肺癌、黑色素瘤及前列腺癌等細胞系中，c-Myc可間接抑制脯氨酸氧化酶的翻譯合成，促進反應向脯氨酸生成的方向進行；同時，c-Myc可上調參與脯氨酸生物合成的1-吡咯啉-5-羧酸（1-pyrroline-5-carboxylate，P5C）合成酶（P5CS）和還原酶（PYCR）的表達（圖2），促進谷氨酸轉化為脯氨酸［40］。

值得注意的是，不同腫瘤的谷氨酰胺代謝特征具有顯著的異質性。例如在肝癌等依賴于谷氨酰胺代謝的腫瘤細胞中，外源性的谷氨酰胺的缺乏會導致細胞的死亡［33］，而肺癌［41］、乳腺癌細胞系［42］內可產生內源性谷氨酰胺。這種差異主要是由于谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）的表達異質性造成的。GS可以在胞質中催化谷氨酸和氨生成谷氨酰胺［41］，使腫瘤細胞的快速代謝增殖不受限于外源的谷氨酰胺供應。致癌水平的c-Myc可以驅動和上調GS的表達（圖2）。Bott等［42］對小鼠的乳腺癌模型進行研究，結果顯示c-Myc可上調腫瘤細胞中的胸腺嘧啶DNA糖基化酶，導致編碼GS的基因啟動子去甲基化，從而增強GS表達并進一步促進細胞增殖和異種移植瘤的生長。從以上研究可以發現，腫瘤的環境和代謝需求不同，c-Myc可能通過各種途徑促進谷氨酰胺合成或降解，并且由于與腫瘤微環境的相互作用和完整的器官結構都會影響代謝依賴性，在體內研究c-Myc對谷氨酰胺代謝的調控更為重要［43］。

3.3 c-Myc調控腫瘤細胞的三羧酸循環（tricarbox?ylic acid cycle，TCA）代謝物

TCA循環是糖酵解、谷氨酰胺代謝及脂質代謝等重要代謝通路的樞紐，能夠產生用于生物大分子合成的前體物質，維持細胞增殖的需求。TCA循環中的主要代謝物乙酰輔酶A（acetyl-CoA）是脂質代謝中的重要前體成分。隨著脂質組學技術的發展。有研究表明，從頭合成脂質可以為增殖的腫瘤細胞提供合成子細胞質膜和細胞器膜的磷脂成分從而為腫瘤細胞的惡性增殖創造條件［44］。脂肪酸的從頭合成以乙酰輔酶A為底物。乙酰輔酶A來源于葡萄糖或谷氨酰胺，可通過ATP檸檬酸裂解酶（ATPcitrate lyase，ACLY）催化反應得到。在細胞質中，乙酰輔酶A被乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）轉化為丙二酰輔酶A，隨后在脂肪酸合成酶（fatty acid synthase，FAS）催化下生物合成棕櫚酸酯。研究表明c-Myc可以通過上調上述3種酶的表達促進大鼠成纖維細胞中脂肪酸的生物合成（圖2），加速腫瘤細胞的脂質合成［7］。除了乙酰輔酶A，c-Myc也可以調控TCA循環中的其他關鍵代謝產物。琥珀酸脫氫酶復合體亞基A（succinate dehydrogenase complex subunit A，SDHA）是線粒體-內膜結合酶復合物，可催化TCA循環中的琥珀酸氧化為富馬酸（圖2）。最近的研究表明，人纖維肉瘤細胞中高表達的c-Myc可通過激活其協同轉錄因子，介導線粒體SIRT3去乙酰化酶降解，使SDHA維持乙酰化修飾狀態并失去催化活性，從而導致細胞內琥珀酸積累，促進腫瘤特異性基因表達［3］。上述研究顯示c-Myc可以通過調控TCA循環中的關鍵酶影響代謝產物的合成與轉化，促進腫瘤進展。

3.4 c-Myc調控腫瘤細胞的脂質代謝

細胞脂質代謝的重編程有助于腫瘤細胞的惡性轉化和進展［45］。研究表明，脂質代謝與腫瘤細胞的轉移、化學耐藥性以及細胞的分化均有關［46-48］。在快速增殖的腫瘤細胞中，脂質合成為細胞各種膜結構的形成提供了原料，線粒體內脂肪酸氧化可以為腫瘤細胞提供能量和氧化還原穩態［49］。前文提到，c-Myc可以通過三羧酸循環中的乙酰輔酶A參與從頭合成脂肪酸，除此之外，在小鼠成纖維細胞及人伯基特淋巴瘤細胞系中，過表達的c-Myc可以通過與轉錄因子MondoA相互作用促進脂肪酸合成［11］。Gouw等［50］研究發現，c-Myc可以誘導肝癌細胞系中膽固醇調節元件結合蛋白1的表達，并與其協同激活脂肪酸合成基因的轉錄。而在人類乳腺上皮細胞中，致癌水平的c-Myc則會上調細胞膜上脂肪酸轉運蛋白及線粒體內膜上肉毒堿棕櫚酰基轉移酶（carnitine palmityl transferase，CPT）的表達，加速脂肪酸進入線粒體中發生氧化分解，從而為腫瘤細胞的增殖和遷移提供能量［51］。除脂肪酸外，c-Myc還可以上調膽固醇合成過程的關鍵酶，造成膽固醇代謝異常，促進食管鱗狀細胞癌的惡性轉化［52］。以上研究表明，在不同的腫瘤背景下，c-Myc在刺激腫瘤細胞脂肪酸合成或氧化及膽固醇合成方面都發揮了關鍵作用。

3.5 c-Myc調控腫瘤細胞的己糖胺生物合成途徑（hexosamine biosynthetic pathway，HBP）

在HBP通路中，葡萄糖和谷氨酰胺可通過代謝產生乙酰氨基葡萄糖尿苷二磷酸（uridine 5'- diphosphate-N-acetylglu-cosamine，UDP-GlcNAc），經O-GlcNAc糖基轉移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）催化完成蛋白質絲氨酸或蘇氨酸殘基上的O-GlcNAc修飾［53］。腫瘤細胞中葡萄糖攝取增多，HBP通量增加，高葡萄糖濃度下，有2%～5%的葡萄糖被用來生成UDP-GlcNAc，而OGT的整體催化活性受其供體底物UDP-GlcNAc濃度的控制，因此UDP-GlcNAc濃度升高能夠刺激細胞中靶蛋白發生O-GlcNAc修飾。蛋白的O-GlcNAc修飾可以促進葡萄糖和谷氨酰胺的攝取，參與調控了多種致癌過程［54］。在乳腺癌細胞中［55］，c-Myc通過上調伴侶蛋白HSP90的表達來穩定OGT，從而促進下游靶蛋白發生O-GlcNAc修飾（圖2）。c-Myc的Thr58位可以發生磷酸化修飾，促進c-Myc自身降解，在同一位點上發生O-GlcNAc修飾可以競爭性抑制磷酸化修飾，增強c-Myc穩定性，從而大大增加了乳頭瘤病毒的致癌風險［56］。目前針對c-Myc與HBP之間的調控關系研究較少，但經由HBP途徑完成的靶蛋白O-GlcNAc修飾與腫瘤發生發展密切相關，近年來受到研究人員的廣泛關注。深入研究致癌轉錄因子c-Myc與HBP及O-GlcNAc修飾之間的關系將為抗腫瘤研究提供新的思路和方向。

圖2 c-Myc參與調控腫瘤糖酵解、谷氨酰胺代謝、三羧酸循環、脂質代謝、己糖胺及核苷酸生物合成等代謝進程

3.6 c-Myc增強腫瘤細胞中核苷酸的生物合成

核苷酸是生物體內核酸的重要組成，參與了多種代謝和調節活動。在無限增殖的腫瘤細胞中，轉錄和復制活動更加頻繁，核苷酸的生物合成也隨之增強；c-Myc作為轉錄因子，在核苷酸生物合成方面同樣具有協調促進作用。研究表明［43］，嘌呤和嘧啶核苷酸的生物合成中需要的底物——天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、磷酸核糖等，其代謝可以受c-Myc調控。其中，c-Myc對天冬氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺的代謝調控已在前文中說明，不再贅述。磷酸核糖焦磷酸是嘌呤和嘧啶補救合成的關鍵底物，c-Myc可以上調磷酸核糖焦磷酸合成酶2（phosphoribosyl pyrophosphate synthetase 2，PRPS2）促進伯基特淋巴瘤細胞內核苷酸的生物合成［57］。此外，c-Myc還可以通過上調核糖核苷酸還原酶亞單位M2，促進核糖核苷酸還原為脫氧核苷酸，在侵襲性B細胞淋巴瘤中協同發揮促癌作用［58］。然而目前關于c-Myc如何對關鍵酶的活性和功能產生調控的研究仍未清晰，因此，深入研究c-Myc在腫瘤中協同調控核苷酸代謝的機制，對開發以核苷酸代謝干預為基礎的新藥具有重要的指導作用。

4 總結

在正常細胞生長和分裂過程中，代謝是精確協調的過程，包含了許多種代謝反應以及代謝物，在體內與微環境相互作用形成功能性代謝網絡，而代謝失調往往與多種腫瘤的發生發展有關。近年來，越來越多的科研工作者開始關注腫瘤中異常代謝的特征，發掘腫瘤發生發展過程中與代謝依賴性密切相關的靶點蛋白。c-Myc在正常細胞中受到嚴格調控，以響應營養供應和代謝應激，維持細胞的正常生理功能，一旦其編碼基因發生突變，c-Myc蛋白持續積累，將促進包括腫瘤特異性基因在內的多種基因表達，參與腫瘤的發生與發展。致癌水平的c-Myc蛋白可與幾乎所有的活性啟動子結合，驅動葡萄糖代謝、谷氨酰胺代謝、脂肪酸合成、核苷酸合成及O-GlcNAc修飾等進程。大量研究證實c-Myc蛋白可以通過調控代謝通路中的關鍵酶，如G6PD、SHMT、FAS和GLS等，廣泛參與到腫瘤細胞的代謝調控中。從此角度出發，可以考慮通過調節機體的c-Myc相關代謝酶水平來調控機體的異常代謝，改善機體的腫瘤微環境從而達到抑制腫瘤細胞生長的效果。此外，c-Myc本身是否在不同時間及不同的腫瘤內選擇性激活也將是一個重要的探索領域。因此，深度挖掘c-Myc介導的腫瘤代謝改變中的激活和調控作用將為腫瘤的治療及新型抗腫瘤藥物的開發提供思路。