丙酮酸激酶M2在胃癌中的作用

高 洋，孫 昭，白春梅

中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院腫瘤內科，北京 100730

胃癌是起源于胃黏膜上皮細胞的惡性腫瘤，好發于東亞、南美、中美洲及東歐地區[1]。2018年全球范圍內新增胃癌患者共計約103萬，導致超過78萬人死亡，使胃癌成為世界上第五大常見癌癥及第三大癌癥相關死亡原因[1]。

1927年Warburg等[2]和Burk等[3]首次觀察到，即使在氧供良好的環境中，腫瘤細胞也會消耗較多葡萄糖并產生大量乳酸，這一過程被稱為“有氧糖酵解”或“溫伯格效應”。有氧糖酵解過程中的糖酵解中間體可用于合成核苷酸、氨基酸和脂類，同時產生三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)，滿足腫瘤和增殖細胞對大分子合成及能量的需求[4]。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解過程中的關鍵限速酶，其亞型丙酮酸激酶M2(PKM2)在多種腫瘤組織及細胞系中呈高表達，研究證明PKM2與腫瘤的發生、增殖、遷移等密切相關[5]，但對其在胃癌中的作用及機制認識尚不全面，本文就PKM2在胃癌中的作用及可能的調控機制進行綜述。

1 丙酮酸激酶及其異構體

哺乳動物的PK 存在4種亞型，即PKM1、PKM2、PKL和PKR。PKM1主要存在于能量需求較高的組織中，如骨骼肌、心臟、大腦；PKM2主要存在于高增殖細胞和大部分腫瘤細胞內；PKL主要存在于肝臟、腸道內；PKR主要存在于紅細胞內[5]。PKM1、PKM2由PKM基因通過選擇性剪接產生，PKL、PKR由PKLR基因編碼產生[6]。PKM1、PKL、PKR以穩定的四聚體形式存在；而PKM2則以二聚體和四聚體兩種形式存在，二者在腫瘤細胞中的比例不固定，取決于不同的致癌蛋白作用[7]。PKM2二聚體對磷酸烯醇丙酮酸(phosphoenolpyruvate，PEP)的Km值高于其四聚體，因此將PEP轉化為ATP和丙酮酸時活性較低，故PKM2二聚體更有利于有氧糖酵解，而四聚體則更有利于通過三羧酸循環產生ATP，PKM2二聚體與四聚體之間的動態平衡為增殖細胞調節自身合成及分解代謝創造了條件[7]。

2 丙酮酸激酶M2的作用

2.1 調節糖酵解途徑

越來越多的證據表明，PKM2可通過調節有氧糖酵解途徑促進腫瘤的發展，在腫瘤發生中發揮關鍵作用[8-10]。作為糖酵解途徑的關鍵限速酶，PKM2在糖酵解過程中將高能磷酸基從PEP轉移至二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)，產生ATP和丙酮酸，丙酮酸隨后被細胞漿中的乳酸脫氫酶還原為乳酸，或通過呼吸鏈引導產生高產量的ATP[11]。利用shRNA敲降癌細胞株中的PKM2后，可檢測到細胞對葡萄糖的攝取及氧耗增加、乳酸生成減少，重新移入PKM2后這些變化可發生逆轉，提示了PKM2促進了細胞增殖和異種移植瘤的形成[10]，該研究結果表明PKM2的表達對于有氧糖酵解途徑是必要的，并且這種代謝表型為腫瘤細胞提供了選擇性生長優勢。在缺氧條件下，細胞在缺氧誘導因子-1α(hypoxia inducible factor-1 alpha，HIF-1α)和c-Myc的調控下進行糖酵解，PKM2可與HIF-1α、c-Myc相互作用，共同調節糖酵解途徑，促進腫瘤的發展[8-9]。

2.2 調節細胞信號轉導

隨著對細胞漿內蛋白成分研究的不斷深入，PKM2調節細胞漿內信號轉導的作用逐漸被認識。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/雷帕霉素靶蛋白[phosphatidylinositol-3-kinase(PI3K)/protein kinase B(Akt)/the mammalian target of Rapamycin(mTOR)，PI3K/Akt/mTOR]信號通路在細胞增殖、遷移及代謝過程中發揮重要調控作用，PKM2是該信號通路的關鍵下游介質，介導信號通路的轉導，共同調控多種腫瘤的發生發展[12-13]。瘦素通過上調PKM2可激活PI3K/Akt信號通路，介導乳腺癌上皮間質轉化[14]。多數細胞內信號轉導介質通過與磷-酪氨酸殘基結合，組成特定的蛋白復合物以完成信號傳遞，PKM2作為磷-酪氨酸結合蛋白，可與成纖維細胞生長因子受體1、A-Raf、BCR-ABL等多種酪氨酸激酶相互作用，參與調節細胞內信號轉導[15]。同時，PKM2還可與mRNA結合，介導翻譯調控[16]。

2.3 調控基因轉錄與細胞凋亡

PKM2除調節糖酵解途徑及細胞內信號轉導外，還參與細胞核內的基因轉錄與細胞凋亡。Yang等[17]首次發現，表皮生長因子受體可誘導PKM2核轉位，細胞核內的PKM2與Y333磷酸化的β-連環蛋白結合，使組蛋白H3磷酸化、周期蛋白D表達增加，揭示了PKM2在細胞核內基因轉錄中的調控作用。Gao等[18]發現細胞核內的PKM2水平與細胞增殖能力呈正相關，并證實PKM2可通過磷酸化靶點STAT3 Y705激活MEK5轉錄，進而促進腫瘤的增殖等。PKM2可增加轉錄共激活因子p300的募集，促進HIF-1α的反式激活，在缺氧環境中重新編程癌細胞代謝[19-20]。PKM2還可與八聚體結合轉錄因子4(octamer-binding transcription factor 4，Oct4)的C-末端結合，增強Oct4介導的基因轉錄，促進腫瘤干細胞的自我更新與分化[21]。此外，有研究指出PKM2與細胞凋亡相關，PKM2可磷酸化B細胞淋巴瘤-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)T69，阻止后者與Cul3的E3連接酶結合，進而抑制細胞凋亡[22]。

3 丙酮酸激酶M2在胃癌中的表達

研究表明，PKM2在多種腫瘤組織中的表達高于正常組織，且其高表達與患者的不良預后相關[23-25]，故推測PKM2表達增強在胃癌發展中發揮重要作用。

為明確PKM2在胃癌中的表達，Shiroki等[7]研究發現PKM2不僅存在于胃癌組織，在正常胃組織及健康志愿者的胃黏膜內也有表達，且PKM2在胃癌患者及健康志愿者胃黏膜內的表達均高于PKM1，但該研究未發現胃癌發生過程中PKM1與PKM2亞型之間發生轉換的證據。Wang等[26]亦證實了PKM2在胃癌組織中的表達高于鄰近正常胃組織，并對PKM2表達水平與患者預后進行了Kaplan-Meier分析，發現PKM2高表達者的總生存期(overall survival，OS)為23個月，低表達者的OS為43個月，前者3年及5年生存率均低于后者，存在顯著統計學差異。該團隊進一步分析了PKM2表達與臨床特點的相關性，并證實PKM2表達與胃癌淋巴結轉移、腫瘤浸潤及臨床分期呈正相關，而利用shRNA下調PKM2表達后，體外胃癌細胞的增殖和遷移能力明顯受到抑制。這些研究發現也得到了其他研究的進一步證實[27-30]。因此，目前認為 PKM2可提高胃癌細胞的增殖、轉移能力，其在胃癌組織中的高表達與患者的不良預后、臨床及病理分期呈正相關。

4 丙酮酸激酶M2在胃癌中的可能作用機制

4.1 通過調節糖酵解途徑促進胃癌發展

目前普遍認為，包括胃癌在內的多種實體瘤存在低氧區。在缺氧環境中，正常細胞可能出現細胞適應，或P53依賴的細胞凋亡，但腫瘤細胞可能由于獲得P53或其他基因突變，以及代謝重編程等變化，能夠在缺氧條件下生存、增殖[4,31]。為分析缺氧條件下葡萄糖代謝相關酶在胃癌增殖中的作用，Kitayama等[32]使用4株耐缺氧胃癌細胞株和4株親本細胞株，通過RT-PCR檢測PKM2在內的代謝相關酶的mRNA表達水平，與親本細胞株相比，耐缺氧腫瘤細胞株中的PKM2 mRNA表達水平明顯增高；分別利用siRNA和紫草素下調PKM2表達水平后，所有細胞株內耐缺氧細胞的生長均受到顯著抑制。該研究表明PKM2對于腫瘤細胞耐受缺氧可能發揮著至關重要的作用。此外，在缺氧條件下，PKM2還可調節HIF-1α和c-Myc的活性，促進腫瘤的發展[8-9]。

HIF-1α是一種轉錄因子，可激活編碼蛋白質的基因轉錄，參與一系列腫瘤生物學方面的關鍵步驟，包括血管生成、代謝及細胞存活、侵襲和轉移等[33-34]。PKM2可促進HIF-1α的反式激活，二者共同組成激活正反饋環，參與腫瘤細胞中葡萄糖代謝的重編程[19-20]。Chen等[35]對早期胃癌、晚期胃癌及淺表性胃炎組織中HIF-1α和PKM2表達進行檢測，發現HIF-1α在早期及晚期胃癌組織中的表達均高于胃炎組織，但僅在晚期胃癌組織中的表達有顯著性差異；隨后將HIF-1α過表達質粒轉染胃癌細胞株BGC823，發現HIF-1α的過表達增強了BGC823細胞的生存、侵襲和遷移能力；二甲雙胍可抑制HIF-1α及PKM2的表達，降低胃癌細胞的能量供應，從而降低其生存與侵襲能力。

c-Myc是Myc基因家族的重要成員，在腫瘤能量代謝、調節糖酵解過程中發揮關鍵作用[9]。Gao等[36]利用慢病毒轉染胃癌細胞，分析PKM2、c-Myc下調對細胞增殖、凋亡、遷移及生長信號通路的影響，發現敲除胃癌細胞中的c-Myc可抑制其增殖能力和糖酵解水平，與單獨敲除PKM2或c-Myc相比，同時敲除PKM2和c-Myc對胃癌細胞的抑制作用更明顯，故推測二者可能存在相互作用，共同調節糖酵解途徑。

4.2 通過介導PI3K/Akt/mTOR信號通路活化促進胃癌發展

PKM2作為PI3K/Akt/mTOR信號通路的下游介質，通過介導該信號通路的活化，促進胃癌的進展[13,37]。Lu等[37]利用特異性PI3K抑制劑LY294002處理胃癌細胞，發現其可抑制胃癌細胞的增殖，降低細胞活性，并顯著增加早期凋亡率；分別用不同濃度的LY294002處理胃癌細胞后，發現p-Akt、p-mTOR、HIF-1α、PKM2的表達均下降，且下降程度呈劑量依賴性。因此，推測LY294002可能通過抑制PI3K/Akt/mTOR/PKM2信號通路進而抑制胃癌細胞的增殖及有氧糖酵解途徑。Gao等[36]使用雷帕霉素抑制mTOR表達，結果發現STAT3、c-Myc、GLUT-1蛋白的表達水平明顯降低，由此推測mTOR/PKM2和STAT3/c-Myc信號通路可相互作用，共同參與調控胃癌細胞的增殖和糖酵解水平，但其具體機制尚待進一步研究證實。

4.3 通過調節凋亡途徑促進胃癌發展

細胞凋亡在機體發育、代謝調節、維持組織穩態等過程中發揮重要作用，與腫瘤的發生、發展、預后及耐藥性密切相關[38-39]。在細胞內水平，細胞凋亡是由抗凋亡蛋白的丟失或促凋亡蛋白的激活引起，Bcl-2蛋白家族在細胞凋亡中的作用尤為關鍵[38]。Bcl-2家族包括抗凋亡蛋白(如Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1等)，可促進細胞的生存；還包括促凋亡蛋白(如Bid、Bim、Bad、Bax、Bak等)，可促使細胞死亡[38]。

Kwon等[40]利用GENT數據庫檢索了188例胃癌患者腫瘤組織PKM2表達情況，發現胃癌細胞中PKM2與Bcl-xL呈顯著正相關；利用siRNA敲降Bcl-xL后，觀察到胃癌細胞的生長受到顯著抑制。故推測PKM2可能為胃癌細胞中Bcl-xL的重要上游調控因子，通過調控Bcl-xL以減少細胞凋亡，從而促進胃癌細胞增殖。

5 小結

PKM2是糖酵解過程中的關鍵限速酶，在腫瘤的發生、發展過程中發揮至關重要作用。在胃癌細胞中，PKM2與HIF-1α、c-Myc相互影響，共同調節糖酵解途徑，通過介導PI3K/Akt/mTOR信號通路活化、調控細胞凋亡等促進胃癌細胞的生長、轉移，抑制其細胞凋亡，最終促進胃癌的發展。因此，阻斷PKM2這一關鍵限速酶，可能成為未來胃癌治療研究的新方向。

作者貢獻：高洋負責文獻查閱及文章撰寫；孫昭、白春梅負責文章修訂。

利益沖突：無