磷酸戊糖途徑與腫瘤代謝的研究進展

代鵬鈺，裴亞萍，馬昕蕓，楊 蕊，章婷婷，劉會玲

(1.甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省人民醫院，甘肅 蘭州 730000)

腫瘤是一種代謝性疾病，2010年Warburg教授重新定義了腫瘤細胞代謝的十大特征，其中就包括了異常代謝[1]。隨著對腫瘤研究的深入，腫瘤細胞的代謝在腫瘤發生、發展的過程中發揮越來越重要的作用，腫瘤細胞的代謝具有明顯的異質性，這可能與腫瘤細胞獨特的生存環境有關。

作為腫瘤代謝的另一重要通路，磷酸戊糖途徑(PPP)，又稱磷酸戊糖分流，是糖代謝的重要組成部分，它有兩個分支。氧化支將葡萄糖-6-磷酸(G6P)轉化為核酮糖-5-磷酸(Ru5P)和NADPH。在非氧化支中，主要為一些可逆反應，通過轉碳基生成果糖-6-磷酸(F6P)和甘油醛-3-磷酸(G3P)，繼而進入糖酵解途徑。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶(G6PD)是PPP氧化支的關鍵酶，調節核糖-5-磷酸(R5P)、NADPH的生成，在核苷酸和脂質的合成及維持氧化還原平衡中都起重要作用[2]。本文主要闡述PPP氧化支和非氧化支中的關鍵酶及其作用機制，為腫瘤的抗代謝治療提供新的思路和方向。

1 磷酸戊糖途徑與腫瘤

磷酸戊糖途徑的氧化分支主要生成NADPH和R5P，NADPH不僅可維持氧化還原狀態，也是脂質、核苷酸合成的主要分子。而氧化支的關鍵酶G6PD在腫瘤中高表達，其高表達可促進更多NADPH的生成，高水平的NADPH降低了活性氧簇(ROS)的產生，ROS是一種腫瘤激活因子，即G6PD升高可抑制ROS的生成，從而調節氧化還原平衡[3]。

腫瘤細胞由于其快速的分裂增殖，需要大量的核苷酸、脂質等物質，且其所需的戊糖大多由PPP提供[4]。因此，維持一定的PPP流量，對腫瘤的生長至關重要。有研究表明，在氧化應激的狀態下，腫瘤細胞也會降低糖酵解流量，提升PPP流量，產生更多的NADPH，用于抗氧化防御[5]。因此在腫瘤細胞中，高水平的PPP可以抵抗ROS誘導的細胞凋亡。

2 腫瘤細胞中PPP關鍵酶調節PPP以促進腫瘤細胞增殖和存活

2.1G6PD在腫瘤中的調節：G6PD在細胞中有兩種形式，分別為非活性形式(單體)、活性形式(二聚體)[6]。G6PD的活性與其翻譯后修飾有關。G6PD糖基化，主要通過改變酶結構來影響酶功能，糖基化越高，腫瘤細胞生長越快，癌組織中糖基化的水平也明顯高于癌旁組織[7]。糖基化可以增強G6PD的活性和PPP的代謝流速，為脂質和核苷酸的合成提供前體物質。低氧會誘導G6PD糖基化，這是因為低氧條件下會增加O-連接的β-N-乙酰氨基轉移酶(OGT)及細胞內的葡萄糖濃度，從而誘導G6PD糖基化，而經過糖基化修飾的G6PD會增加與NADP+結合的親和力，NADPH/NADP+的比值會影響G6PD的活性，所以G6PD的活性增強。而腫瘤細胞就存在于低氧微環境中，故誘導G6PD糖基化從而促進PPP[8]。

G6PD還可與周期調控蛋白polo樣激酶1(PLK1)結合獲得磷酸化修飾，形成二聚體結構，提高PPP促進腫瘤增殖。此外，PLK1會調控整個細胞周期，PPP中的關鍵酶及整個通路流量隨細胞周期的進程而增加[9]。

睪丸特異性蛋白酶 50(TSP50)是多種腫瘤不良預后的關鍵分子，它促進癌細胞增殖和上皮-間充質轉化(EMT)標記物的表達。研究表明，TSP50在肝癌細胞中顯著上調，TSP50過度表達，可以顯著降低NADP+/NADPH的比例，由此TSP50可能與PPP有關[10]。Zhang等研究[11]發現，TSP50 可以促進G6PD的表達，而且通過介導G6PD乙酰化來影響其活性。過表達TSP50可以顯著抑制G6PD的酰基化，對糖基化、磷酸化作用不明顯。TSP50通過調控G6PD K171乙酰化增強G6PD的活性。由此可知，TSP50乙酰化G6PD顯著促進腫瘤的增殖。TSP50介導的G6PD活性是一種新的治療肝癌的方式。

信號轉導也與G6PD的活性相關。信號轉導和轉錄激活因子(STAT)是參與免疫和細胞增殖、凋亡、分化的轉錄因子，也與G6PD活性有關。G6PD通過促進ROS的生成，導致p-STAT3 和細胞周期蛋白表達增加，p-STAT3還可以通過與G6PD啟動子結合從而激活G6PD轉錄，這表明p-STAT3與G6PD過表達形成了一個正反饋調控環[12]。因此G6PD在STAT3介導的腫瘤細胞增殖、分化、凋亡中起重要作用。在黑色素瘤中，STAT3和STAT5高度激活，G6PD敲低可導致磷酸化STAT5降低，過表達G6PD又可以增強STAT5磷酸化，這些結果表明，G6PD在STAT介導的腫瘤中發揮重要作用[13]。

此外，癌基因與G6PD也密切相關。由于腫瘤細胞快速增長，腫瘤細胞普遍處于缺氧狀態，此時會誘導缺氧因子(HIF-1α)來激活應答機制，以利于腫瘤細胞代謝重編程[14]。HIF-1α可以與致癌轉錄因子c-MYC結合，從而抑制線粒體的功能，抑制線粒體中氧化磷酸化的進程，進而抑制腫瘤的發生發展。c-MYC不僅可與G6PD啟動子區域結合，并促進其表達，增加PPP流量，還可增加G6PD的分泌，加速PPP[15]。

還有一些信號通路，也與G6PD的調控有關。如PI3K/AKT信號通路，是一種人類腫瘤中最常見的通路，它可以增加葡萄糖轉運蛋白的表達、膜轉位、糖酵解相關酶活性促進Warburg效應[16]。PTEN是一種抑癌因子，它通過其磷脂酸酶活性拮抗PI3K/AKT通路，PTEN缺失或者PI3K/AKT激活通過穩定限速酶G6PD促進糖酵解中間產物向PPP轉變，PTEN缺失會延長G6PD的半衰期。PI3K激活通過抑制泛素介導的G6PD降解來促進PPP分支通路[17]。PI3K/AKT信號通路還會激活mTORC1，mTORC1間接誘導G6PD的表達，進而促進PPP的氧化階段，增加PPP的流量[18]。PI3K/AKT通路活化，還可促進核轉錄相關因子Nrf2的核積累。有學者發現抑制 Nrf2 可以降低 G6PD 的表達水平，其通過缺氧誘導因子 HIF-1α上 調 Notch1 的 表 達，從 而 影 響 Hes 家族 BHLH 轉錄因子 1(HES1)和上皮細胞 - 間充質轉化(EMT)，增強了結腸癌細胞的增殖及遷移能力[19]。

G6PD與惡性腫瘤密切相關，上調或下調G6PD的表達會引起細胞的抗氧防御和信號轉導受損，隨著人們的關注，快速增長的惡性腫瘤中，G6PD的活性明顯上調，參與多種信號通路的調節，促進腫瘤細胞對葡萄糖的攝取，提供核苷酸、NADPH等，這為癌癥的靶向治療及對化療藥物耐藥等提供了新的思路。因此通過抑制信號通路，來抑制G6PD的活性，對阻止腫瘤細胞快速增長、轉移等具有重要意義。

2.26PGDH的調節：PPP中氧化階段的第二個關鍵酶6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶(6PGDH)，6-磷酸葡萄糖酸在6PGDH的作用下可以生成核酮糖-5-磷酸，脫下來的H+，被NADP+接受生成NADPH。有研究表明，6PGDH的同源二聚體具有酶活性，與腫瘤增殖及其惡性程度密切相關，它在乳腺癌、肺癌等多種腫瘤中高表達[20-21]。在多種腫瘤中6PGDH大多數通過乙酰化共價修飾被激活，乙酰化的6PGDH能夠促進NADP+與其結合形成有活性的二聚體[22]。有研究表明，在腫瘤細胞中表達6PGDH乙酰化缺陷的突變體能顯著抑制細胞的增殖和生長[23]。在肺癌細胞中，6PGDH缺失導致P53積累和隨后的細胞衰老，6PGDH也可以在肺癌細胞中乙酰化，激活6PGDH產生NADPH和核酮糖-5-磷酸，從而促進脂質和RNA的合成，減弱ROS的生成。6PGDH異常表達可促進腫瘤細胞增殖，并誘導對化療的抵抗[24]。由此可知，抑制6PGDH可以是腫瘤治療的潛在策略，6PGDH如何調劑腫瘤細胞增殖仍需進一步研究。

2.3轉銅醇酶：轉銅醇酶(TKT)是PPP非氧化階段的主要酶，由于催化可逆反應，故需根據反應物和底物的水平調整反應方向。在腫瘤中，轉銅醇酶以二聚體的形式來發揮作用。研究表明，轉銅醇酶-1(TKTL1)在宮頸癌、胃癌中表達上調，通過增強腫瘤細胞糖酵解、谷氨酰胺代謝進而維持高增殖狀態[25-26]。TKTL-1的激活使腫瘤細胞大量攝取葡萄糖，通過有氧糖酵解產生大量乳酸，使得腫瘤細胞能抑制自身凋亡，削弱機體的免疫殺傷作用，從而增強增殖、侵襲和轉移能力。在白血病和結直腸癌中誘導的HIF-1a通過促進TKTL-1活性來增強PPP的非氧化支，導致對化療的抵抗[27]。TKTL-1不直接催化NADPH的形成，但最近的研究表明，它通過平衡糖酵解和PPP之間的通量來調節細胞內NADPH和R5P的水平[28]。因此，TKTL1被認為是一種新的腫瘤標志物和癌癥治療的潛在靶點。

3 總結和展望

由于腫瘤代謝異質性的原因，腫瘤細胞高PPP流量異常于正常細胞，正是其高PPP產生更多的R5P和NADPH，滿足其快速增值對核苷酸、脂類等物質的需要；同時NADPH用于維持細胞內氧化還原平衡。G6PD作為PPP的關鍵酶，為臨床通過G6PD實施的腫瘤抗代謝治療提供了實驗基礎和理論依據。但到目前為止，沒有確鑿的證據表明G6PD對腫瘤細胞是必不可少的，以及G6PD影響腫瘤進展的機制也尚未闡明。此外，正如前文所述PPP中的其他酶也與腫瘤發生相關，而這些酶所參與的細胞調節及其上游調控這些酶活性的信號通路仍需進一步研究。