能量代謝與氧化應激在腫瘤中的作用及其相互關系

閻鑫宇，張紹林，陳海燕，戴琴升（中國藥科大學，南京 210009）

癌癥是嚴重威脅人類生命健康的一類疾病。據(jù)統(tǒng)計，2019年全球約有2360 萬癌癥新發(fā)病例，約1000 萬人死于癌癥。雖然自1991年起，美國的癌癥病死率持續(xù)下降，總體約下降32%。但是，全球的形式仍然不容樂觀，科學家們?nèi)匀辉诓粩嗵剿鳎Ｍ軌蛲ㄟ^更加深入地了解癌癥以找到有效的治療方法。在對癌癥生物學的研究中，癌癥代謝是研究最為深入的熱門研究方向之一。早在20 世紀20年代，Warburg 就觀察到腫瘤細胞中的糖酵解速率會明顯升高，即使在氧氣充足的情況下，腫瘤細胞仍然會以糖酵解為主，這種現(xiàn)象被稱作“有氧糖酵解”或“Warburg 效應”。2011年，能量代謝重編程被列入了腫瘤的十大特征之一。能量代謝重編程不僅為腫瘤細胞的生長和增殖提供能量和生物大分子合成所需的物質(zhì)，同時還支持腫瘤細胞在應激條件下能夠生存下來。近年來，越來越多的研究表明腫瘤能量代謝與氧化應激關系密切，腫瘤代謝重編程與氧化應激反應在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著關鍵性的作用。本文旨在對腫瘤能量代謝，氧化應激以及它們之間的關系作一綜述。

1 腫瘤細胞中的能量代謝

能量代謝是機體生命活動的基本特征之一，無論是在正常細胞還是腫瘤細胞中，細胞的生長增殖都需要能量來支持。細胞中的能量主要是由三磷酸腺苷（ATP）所提供，而細胞中大部分的ATP 是通過葡萄糖分解所產(chǎn)生的，少量由谷氨酰胺分解以及脂肪酸代謝補充提供。

1.1 糖代謝

Warburg 假說在腫瘤糖代謝的研究領域是一個里程碑式的標志。該假說認為糖酵解是腫瘤細胞的主要供能途徑，即使氧氣充足，腫瘤細胞依舊依賴于糖酵解供能。1 分子的葡萄糖通過糖酵解途徑分解成丙酮酸共涉及9 ～10 個步驟，期間會產(chǎn)生2 分子ATP，而通過線粒體的氧化磷酸化完全氧化則會產(chǎn)生32 ～33 分子ATP。腫瘤細胞為了快速增殖需要大量的能量供應，但是它卻選擇了產(chǎn)能更低的糖酵解。Warburg 認為這是由于腫瘤細胞的線粒體功能受損，使其只能依賴于糖酵解產(chǎn)生能量。但是，通過對腫瘤細胞線粒體的研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細胞中的線粒體保持著完整的功能，而且當靶向敲除線粒體DNA 時，無論是體外還是體內(nèi)的癌細胞系致瘤功能都會下降。甚至有研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞會積累大量的線粒體，其中具有更多受損線粒體的腫瘤細胞更趨向于維持良性狀態(tài)，而積累了更多形態(tài)完整、功能正常線粒體的腫瘤細胞則更易發(fā)展為惡性。

事實上，大多數(shù)的腫瘤細胞仍然依賴于線粒體的氧化磷酸化供能。對于腫瘤細胞而言，線粒體代謝是必不可少的。三羧酸（TCA）循環(huán)不僅可以提供氧化磷酸化所需的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）和還原型黃素腺嘌呤二核苷酸（FADH），還能產(chǎn)生用于合成核苷酸、脂質(zhì)、氨基酸等生物大分子的代謝物，當TCA 循環(huán)中某些蛋白突變時會造成致癌代謝物的積累，如琥珀酸和富馬酸。Gentric 等通過代謝組學、蛋白組學以及遺傳組學相結(jié)合發(fā)現(xiàn)高級別漿液性卵巢癌可分為高氧化磷酸化型和低氧化磷酸化型（即有氧糖酵解）。而通過正電子斷層掃描（PET）成像技術也觀察到小鼠的肺癌組織部位線粒體膜電位更高，即線粒體活性更強；另外，在黑色素瘤、膽管癌、白血病、乳腺癌等癌癥中均發(fā)現(xiàn)線粒體是細胞的主要能量來源，使用二甲雙胍或PGC-1

α

等靶向氧化磷酸化的藥物可以顯著抑制腫瘤細胞的增殖。這些研究均表明線粒體在腫瘤細胞中發(fā)揮著重要的作用。既然線粒體功能如此強大，那么為什么有些腫瘤細胞仍然會選擇產(chǎn)能更低的糖酵解途徑來作為主要供能方式呢？首先，細胞質(zhì)生成ATP 的速度要比線粒體快100 倍，即產(chǎn)量低但速率高，只要葡萄糖供應充足，單位時間內(nèi)糖酵解產(chǎn)生的ATP 就高于氧化磷酸化；其次，糖酵解的增強會導致代謝中間物積累，它們可以通過其他反應生成腫瘤細胞增殖所需的生物大分子，如核酸、脂質(zhì)、氨基酸等；最后，糖酵解中大量堆積的丙酮酸在乳酸脫氫酶A（LDHA）的作用下生成乳酸，乳酸通過單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白4（MCT4）轉(zhuǎn)運到細胞外，使細胞外形成一個酸性環(huán)境，有利于腫瘤細胞的生長、侵襲和轉(zhuǎn)移。而有些腫瘤細胞之所以表現(xiàn)出高糖酵解率，是由致癌基因的激活（如

Kras

），

c-Myc

、腫瘤抑制因子

P53

或磷酸酯酶與張力蛋白同源物（

Pten

）的喪失，PI3K-AKTmTOR 信號通路的失調(diào)所導致的。另外，研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞會通過改變自身的代謝方式以適應不同的生存挑戰(zhàn)，這一過程被稱為代謝可塑性。在使用靶向腫瘤細胞增殖期化療藥物時，腫瘤干細胞（CSC）可以通過調(diào)節(jié)自身的代謝過程，使其處于一種能量代謝低下的“靜息”狀態(tài)，從而逃避化療藥物的殺傷作用。同時，CSC 還會促進磷酸戊糖途徑的代謝，加強自身的抗氧化能力以適應不同的腫瘤微環(huán)境（TME）。Elgendy 等通過間歇性節(jié)食及給藥也證明腫瘤細胞具有代謝可塑性，為了適應不同的生存挑戰(zhàn)可以在糖酵解和氧化磷酸化之間進行改變。腺苷酸激活蛋白激酶（AMPK）和缺氧誘導因子（HIF）-1 是氧化磷酸化和糖酵解的兩種主要調(diào)控因子。當細胞處在氧化應激，葡萄糖匱乏或急需能量供應的狀態(tài)時，AMPK 就會被激活，通過調(diào)控多條信號通路促進脂肪酸氧化、氨基酸代謝加強回補途徑從而促進細胞的氧化磷酸化，最終實現(xiàn)ATP 相對含量的升高。在缺氧情況下，大多數(shù)真核細胞會通過HIF-1 誘導參與糖酵解基因的表達；而常氧狀態(tài)下，腫瘤細胞依舊會通過多種機制表現(xiàn)出組成性HIF-1 的激活，以此來抑制丙酮酸脫氫酶（PDH）的活性，促進

α

-酮戊二酸脫氫酶（KGDH）的蛋白水解，從而促進腫瘤細胞的有氧糖酵解以及谷氨酰胺代謝相關的脂質(zhì)合成。Jia 等通過對AMPK、HIF-1 和混合型數(shù)學模型的建立以及對乳腺癌患者臨床樣本的代謝組學和轉(zhuǎn)錄組學的研究驗證了腫瘤細胞能夠在糖酵解和氧化磷酸化之間相互轉(zhuǎn)變，只有當兩種途徑被同時抑制時，腫瘤細胞的生長增殖才會被有效抑制。

1.2 谷氨酰胺代謝

谷氨酰胺代謝是腫瘤細胞的另一大標志。正常情況下，谷氨酰胺是人體血液中含量最豐富的一種非必需氨基酸，由谷氨酸和氨在谷氨酰胺合成酶（GS）的催化作用下合成。但是，在腫瘤細胞或快速增殖的細胞中，從頭合成谷氨酰胺不能滿足細胞能量代謝對于谷氨酰胺的需求，故其轉(zhuǎn)變?yōu)闂l件性必需氨基酸。谷氨酰胺通過氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白SLC1A5 和 SLC7A5/SLC3A2 進入到細胞內(nèi)，并在線粒體中經(jīng)谷氨酰胺酶（GLS）的作用脫氨轉(zhuǎn)化為谷氨酸，谷氨酸在谷氨酸脫氫酶（GDH）或者氨基酸轉(zhuǎn)氨酶的作用下生成

α

-酮戊二酸（KG）回補到TCA 循環(huán)中，通過氧化磷酸化為細胞提供能量。研究發(fā)現(xiàn)，相比于TME 中的免疫細胞，腫瘤細胞會攝取更多的谷氨酰胺和更少的葡萄糖。同時，實驗觀察到谷氨酰胺的攝取及代謝能夠明顯抑制葡萄糖代謝，具體機制尚不清楚，但說明谷氨酰胺代謝對于腫瘤細胞非常重要。在腫瘤細胞中，原癌基因

c-Myc

能夠誘導SLC1A5 和SLC7A5/SLC3A2以及GLS 的表達，從而促進谷氨酰胺代謝。而大多數(shù)腫瘤細胞中高表達的HIF-1 會通過促進

α

-KGDH 的泛素化和蛋白水解，使谷氨酰胺代謝產(chǎn)生的KG 在異檸檬酸脫氫酶（IDH）的作用下通過消耗NADPH 逆反應最終生成乙酰輔酶A（CoA），用于脂質(zhì)合成。

1.3 脂肪酸代謝

近年來，研究人員對于腫瘤細胞中的脂肪酸代謝越來越關注，因為在快速增殖的腫瘤細胞中，脂肪酸不僅是膜形成的主要成分，還是能量供應的一種來源以及信號傳導的二級信使。在能量應激的狀態(tài)下，線粒體中的脂肪酸會通過

β

-氧化產(chǎn)生乙酰CoA，并伴有NADH 和FADH的生成，從而支持細胞的生物合成途徑并產(chǎn)生ATP。另外，磷脂肌醇3-激酶（PI3K）調(diào)控多條重要的信號通路：PI3K-AKT 信號通路通過激活葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白1（GLUT1）及己糖激酶促進葡萄糖攝取和糖酵解；PI3K-AKT 信號通路還能夠通過激活谷氨酸丙酮酸轉(zhuǎn)氨酶增強谷氨酰胺的回補反應以及脂質(zhì)的重塑。

2 氧化應激對腫瘤細胞的影響

當細胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)被打破時，細胞就會發(fā)生氧化應激。從理論上來說，氧化應激是指與抗氧化劑相比，細胞內(nèi)的活性物質(zhì)ROS 或活性氮（RNS）相對過量。本文主要討論ROS 對腫瘤細胞的影響。

ROS 包括超氧陰離子（O·），過氧化氫（HO）和羥基自由基（OH·），它們的氧化性由強到弱依次是OH·、O·、HO，但即使是它們中氧化性最弱的HO仍然具有很強的氧化能力。細胞內(nèi)ROS 的主要來源包括：① 線粒體呼吸鏈復合物Ⅰ處的反向電子泄露或復合物Ⅲ中半醌形式的輔酶Q（CoQ）與O之間的反應生成O·；② 在生長因子信號傳導過程中，NADPH氧化酶（NOXs）將O還原為O·；③ 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白質(zhì)的折疊過程產(chǎn)生HO。

在腫瘤細胞中ROS 的影響根據(jù)濃度的不同而不同，過量的ROS 對腫瘤細胞是有損傷的，嚴重情況會造成細胞衰老、凋亡或者鐵死亡；但是，少量或者適量的ROS 則會促進腫瘤的生長增殖，甚至是腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中必不可少的一部分。

2.1 ROS 促進腫瘤的發(fā)生發(fā)展

適量的ROS 可以參與細胞信號調(diào)控，促進腫瘤細胞的發(fā)生發(fā)展。較為經(jīng)典的有ROS 對生長因子信號的影響，對絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路的調(diào)控以及對血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的作用。據(jù)報道，ROS 可以氧化表皮生長因子受體（EGFR）的Cys-797，增加EGFR酪氨酸磷酸化，刺激下游的信號通路，如Ras/MAPK 通路和PI3K/AKT 通路，從而促進腫瘤細胞的生長。ROS 也可直接作用于MAPK 相關信號通路，HO作為乳腺癌雌激素代謝的副產(chǎn)物，可以直接激活MAPK-ERK1/2 通路，從而促進腫瘤細胞生長增殖，同時有利于腫瘤的侵襲轉(zhuǎn)移。而在促腫瘤轉(zhuǎn)移方面，ROS 可以通過誘導細胞中VEGF 的表達，激活基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP），從而促進細胞的轉(zhuǎn)移；也可以在缺氧誘導因子-1

α

（HIF-1

α

）的作用下與VEGF 相互作用，誘導新生血管的生成，促進腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移。

2.2 ROS 誘導腫瘤細胞死亡

ROS 對腫瘤細胞的作用是雙面的，當細胞內(nèi)的ROS 水平超過閾值時就會產(chǎn)生細胞毒性，造成腫瘤細胞凋亡或鐵死亡。Huang 等通過對抑制素（PHB）的研究發(fā)現(xiàn)PHB 會抑制膠質(zhì)母細胞瘤干細胞中ROS 的產(chǎn)生，造成腫瘤進展和不良預后；而一些小分子探針或納米粒子也被設計通過光動力療法或光熱療法刺激細胞內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，從而誘導細胞凋亡。ROS 是細胞凋亡的有效刺激劑，在線粒體途徑，死亡受體途徑以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）應激途徑中都發(fā)揮著核心作用。而每一種途徑中，線粒體都是觸發(fā)凋亡的核心。高濃度ROS 會損傷線粒體膜，使線粒體內(nèi)膜通透性喪失，線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔（MPTP）開放，導致線粒體膜電位被破環(huán)，細胞色素C 釋放，從而激活caspase-9，進一步激活caspase-3 和caspase-7，造成細胞凋亡。ROS 還可以與腫瘤壞死因子-

α

（TNF-

α

）在反饋回路中相互串擾，激活死亡受體通路。另外，ROS 還會加劇蛋白的錯誤折疊，造成嚴重的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激，從而激活凋亡級聯(lián)反應。

近幾年來鐵死亡成為引起細胞死亡的又一研究熱點，這是一種鐵依賴性的死亡形式，有別于細胞凋亡、自噬和壞死。有研究表明，ROS可以觸發(fā)鐵死亡，當細胞中谷胱甘肽過氧化酶（GPX4）被抑制時，細胞內(nèi)的谷胱甘肽（GSH）耗竭，導致脂質(zhì)過氧化物累積，最終，在過渡金屬鐵的存在下磷脂過氧化物發(fā)生催化反應，引起細胞死亡。Badgley 等的研究發(fā)現(xiàn)，在基因小鼠中半胱氨酸（Cys）的耗竭可以誘發(fā)鐵死亡。嵌于細胞膜表面的SLC3A2 和SLC7A11 以二聚體形式組成了xCT，它們作用于谷氨酸和胱氨酸反向轉(zhuǎn)運。其中，SLC7A11 將胱氨酸運送至細胞內(nèi)生成Cys，當SLC7A11 的表達被抑制后，細胞內(nèi)的Cys 耗竭，誘發(fā)鐵死亡。

3 腫瘤能量代謝與氧化應激的關系

腫瘤細胞為了應對氧化應激，將ROS 的濃度維持在一個既不會傷害到細胞又能促進細胞生長增殖的合適范圍內(nèi)，腫瘤細胞需要改變代謝或者基因的表達增加自身的抗氧化能力，而這一過程與能量代謝有著密切的關聯(lián)。

3.1 腫瘤能量代謝對ROS 的影響

細胞中O·在超氧化物歧化酶（SOD1，SOD2 和SOD3，分別定位于細胞質(zhì)、線粒體基質(zhì)或細胞外）的作用下生成氧化性稍差的HO，HO隨后在過氧化物酶（PRXs）或者過氧化氫酶的作用下生成水，而這一過程中PRXs 的活性位點Cys 被氧化，需要靠硫氧還蛋白（TXN）還原氧化的PRXs 來完成催化；當然HO還可以通過GSH 氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG）的過程中解毒生成水，最后GSSG 再在谷胱甘肽還原酶（GR）的作用下還原成GSH 完成催化循環(huán)。人體中的抗氧化劑有很多，基本可分為水溶性和脂溶性兩大類，它們協(xié)同作用，共同維持細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)。其中，GSH 體系和TXN 體系是兩種重要的抗氧化酶體系，而它們均由NADPH 來維持，使其一直處于還原狀態(tài)。所以，NADPH 在細胞抗氧化方面發(fā)揮著至關重要的作用。

細胞中的NADPH 主要來源于磷酸戊糖途徑（PPP），還有一部分來自于由絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶2（SHMT2）和亞甲基四氫葉酸脫氫酶2（MTHFD2）調(diào)節(jié)的絲氨酸（Ser）分解代謝。當細胞短時間急性暴露于ROS 后，細胞會主要調(diào)整自身的代謝以應對氧化應激。大量的ROS會迅速消耗細胞中的NADPH，但由于NADPH對葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（G6PDH）活性起到負反饋調(diào)節(jié)，所以細胞中的G6DPH 被激活并通過PPP 的氧化將糖酵解轉(zhuǎn)化為核苷酸的合成，增加NADPH 的含量。同時，ROS 還會通過氧化3-磷酸甘油醛脫氫酶（GAPDH）的Cys-152 和丙酮酸激酶同工酶M2（PKM2）的Cys-358抑制GAPDH 和PKM2 的活性，從而導致糖酵解被中斷，TCA 循環(huán)及氧化磷酸化通量減少，ROS 的產(chǎn)生降低，而糖酵解上游代謝中間體的大量堆積使得葡萄糖-6-磷酸從糖酵解途徑中溢出，進入到PPP 途徑中產(chǎn)生大量的NADPH，維持細胞的氧化還原穩(wěn)態(tài)。

PKM2 是有氧糖酵解的一個標志性蛋白，同時它對細胞內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)十分敏感。PKM2失活不僅會使葡萄糖代謝從糖酵解重新路由至PPP 途徑，造成細胞內(nèi)葡萄糖-6-磷酸溢出，促進NADPH 的生成，還有助于GSH 的合成。研究表明，由于PKM2 的失活造成的3-磷酸甘油醛的累積可以通過Ser 合成途徑消耗，產(chǎn)生的Ser 可用于形成甘氨酸（Gly）和Cys，用于合成GSH。不過，也有研究表明PKM2 表達的升高，有利于有氧糖酵解，可以促進腫瘤細胞的生長增殖。Wang等的研究證明外泌體PKM2 可以中和順鉑引起的ROS，抵抗細胞凋亡，造成耐藥性；Liang 等的研究也發(fā)現(xiàn)PKM2 可以磷酸化Bcl2，從而穩(wěn)定ROS 引起的細胞凋亡。

另外，生長在低糖低氧環(huán)境中的腫瘤細胞，由于營養(yǎng)匱乏，細胞中ROS 水平升高，氧化PPP的通量被限制，使得細胞中的NADPH 水平下降無法抵抗氧化應激。在這種情況下，細胞會通過減少需要消耗高水平NADPH 的合成代謝途徑（如脂質(zhì)合成）和刺激PPP 依賴性的NADPH 來激活AMPK 從而提高NADPH 水平。

3.2 ROS 造成的基因改變對腫瘤能量代謝的影響

當細胞長時間慢性暴露于ROS 時，細胞會改變基因的表達，激活多種轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)節(jié)細胞的氧化還原狀態(tài)，如激活蛋白1（AP-1）、HIF-1

α

、熱休克因子1（HSF1）、核因子-

κ

B（NF-

κ

B）、核因子紅細胞2-相關因子2（NRF2）和腫瘤蛋白P53。這些轉(zhuǎn)錄因子都與致癌作用有關。此外，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白BTB 和CNC 同系物1（BACH1）是一種拮抗NRF2 的氧化應激反應的阻遏物，本身被促氧化劑抑制，也會影響癌癥的進化轉(zhuǎn)移。這些轉(zhuǎn)錄因子不可能同時激活，但是它們的差異化激活程度目前尚不明確。目前存在一種假說，是氧化應激“分層反應”假說，以NRF2 作為抗氧化的第一層防御，AP-1 和NF-

κ

B 作為第二層防御，涉及細胞凋亡的激活作為最后一層防御。研究表明，腫瘤形成早期隨著細胞中ROS 水平的升高，GLUT1、己糖激酶2（HK2）、MCT4、G6PDH 和TP53 誘導糖酵解及凋亡調(diào)節(jié)因子（TIGAR）的表達上調(diào)，同時氧化磷酸化及琥珀酸脫氫酶被抑制，以此來減少細胞的氧化磷酸化通量，增加葡萄糖分解向PPP 的轉(zhuǎn)化，從而減少ROS 的產(chǎn)生，增加抗氧化劑的生成，以此來抵抗氧化應激，維持細胞的生長增殖。而其中抗氧化轉(zhuǎn)錄因子HIF-1

α

可能會影響GLUT1、HK2、MCT4 的轉(zhuǎn)錄，NF-

κ

B 影響GLUT1 的表達，P53影響TIGAR 的轉(zhuǎn)錄。

4 總結(jié)

綜上所述，腫瘤細胞需要大量的能量來維持其發(fā)生發(fā)展，而在氧化磷酸化（產(chǎn)ATP 這一過程中）所釋放的ROS 也會隨之增多，造成腫瘤細胞處在一個相比于正常細胞ROS 水平更高的環(huán)境中。為了維持細胞的生長增殖，腫瘤細胞會通過改變自身的代謝以及基因表達來增加抗氧化能力，與此同時，代謝的轉(zhuǎn)變以及一些抗氧化轉(zhuǎn)錄因子又會影響到細胞能量代謝的相關通路。它們之間相互影響、相互作用，共同促進了腫瘤細胞的發(fā)生發(fā)展。通過對能量代謝及氧化應激的研究，可以為抗腫瘤藥物的研發(fā)及其作用機制的研究提供一些新方向；同時，通過對它們之間關系的研究，也可以為后續(xù)的腫瘤治療以及藥物聯(lián)用等拓寬新思路。