以M2型丙酮酸激酶為靶點(diǎn)的抗腫瘤藥物研究進(jìn)展

李 月 郝經(jīng)偉 朱文斌 岳麗玲 劉云龍 高秀麗

齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161006

糖代謝異常是惡性腫瘤的共同特征之一。在一般正常組織中，大多數(shù)葡萄糖經(jīng)由線(xiàn)粒體中的三羧酸循環(huán)而被氧化，只有在缺氧的條件下才會(huì)選擇糖酵解途徑。不同的是，腫瘤細(xì)胞即使在氧氣充足的情況下也會(huì)通過(guò)有氧糖酵解的方式利用大量葡萄糖產(chǎn)生乳酸并獲取能量，也就是沃伯格效應(yīng)[1]。因此，靶向有氧糖酵解及其催化酶已成為治療癌癥靶點(diǎn)篩選的重要途徑之一。

丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）是糖酵解終末步驟限速酶，可催化其底物磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenol pyruvate，PEP）與二磷酸腺苷（adenosine diphosphate， ADP）反應(yīng)生成丙酮酸和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate， ATP）[2]，在有氧糖酵解中起著重要作用。丙酮酸激酶的不同亞型在不同組織中表達(dá)，有四種異構(gòu)的組織特異性形式，包括R 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase R，PKR）、L 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase L， PKL）、M1 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M1， PKM1）和M2 型丙酮酸激酶（pyruvate kinase M2， PKM2）[3]。PKR 亞型主要存在于紅細(xì)胞中，但生物活性尚不得知，PKL 亞型主要存在于肝臟和腎臟中。PKM1和PKM2 亞型由PKM 基因pre-mRNA 的兩種不同的剪接方式產(chǎn)生，兩者分別包含外顯子9 和外顯子10 編碼的序列[4]，其中PKM1 主要分布于心肌、骨骼肌、腦組織中，PKM2 則在所有增殖細(xì)胞中均表達(dá)，尤其是在腫瘤和胚胎組織[5]。由此可見(jiàn)，四種亞型中PKM2 同腫瘤發(fā)生發(fā)展的關(guān)系最為密切。目前，針對(duì)PKM2 與腫瘤相關(guān)性的研究，主要集中在PKM2 的異常表達(dá)及其異常的激酶活性。本文將從上述兩方面就近年來(lái)PKM2 在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用及其相應(yīng)抗腫瘤化合物研究進(jìn)展做相應(yīng)介紹。

1 PKM2在腫瘤中的異常表達(dá)與其抑制劑

PKM2 在腫瘤中的異常表達(dá)首次由Lewis C.Cantley 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了乳腺癌模型小鼠腫瘤組織中PKM2 的高表達(dá)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)人肺癌細(xì)胞系（A549、H1299）、宮頸癌細(xì)胞系（Hela）以及人結(jié)腸癌組織中PKM2 的特異性表達(dá)。除此之外，研究在敲除內(nèi)源性PKM 基因mRNA 并重新表達(dá)外源PKM2 表達(dá)載體后發(fā)現(xiàn)PKM2 具有促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)的功能[4]。自此，便掀起了針對(duì)腫瘤細(xì)胞中PKM2高表達(dá)的熱潮。研究表明，PKM2 在神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中受SP1 調(diào)控并呈高表達(dá)[6]；與此同時(shí)，神經(jīng)膠質(zhì)瘤中高表達(dá)的PKM2 可通過(guò)let-7a，c-Myc 和hnRNPA1 調(diào)控葡萄糖代謝，促進(jìn)細(xì)胞增殖[7]；Zhou等研究表明，PKM2 在黑色素瘤中高表達(dá)，且抑制PKM2 可抑制黑色素瘤進(jìn)程[8]；Xu 等[9]發(fā)現(xiàn)在肝癌細(xì)胞中PKM2 呈高表達(dá)，PKM2 是肝癌細(xì)胞中Gli1 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)因子，并可能通過(guò)Gli1 促進(jìn)腫瘤發(fā)生。綜上，PKM2 在多種腫瘤中呈高表達(dá)，且對(duì)腫瘤細(xì)胞的增殖、遷移、凋亡、代謝等方面具有重要調(diào)控作用。因此，抑制PKM2 表達(dá)一度成為腫瘤研究的主要策略之一，也衍生出了許多有效的抑制劑。

1.1 萘醌類(lèi)

以紫草素為首的萘醌類(lèi)化合物是PKM2 抑制劑的主要來(lái)源。紫草素是從紫草中分離得到的具有多種生物活性并發(fā)揮抗癌作用的天然產(chǎn)物。作為一種廣譜抗腫瘤化合物，紫草素可通過(guò)抑制細(xì)胞增殖和遷移，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、自噬和壞死，如在非小細(xì)胞癌、慢性粒細(xì)胞白血病、淋巴瘤、乳腺癌、結(jié)腸癌等腫瘤發(fā)揮抗癌作用。研究表明，PKM2 已成為紫草素的有效靶點(diǎn)，紫草素可通過(guò)增加活性氧濃度對(duì)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中PKM2 的表達(dá)產(chǎn)生抑制作用[10]，進(jìn)而降低細(xì)胞內(nèi)ATP 含量來(lái)抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。紫草素在人食管癌細(xì)胞中通過(guò)抑制缺氧誘導(dǎo)因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）/PKM2 通路來(lái)抑制細(xì)胞增殖[11]。另外，紫草素還可通過(guò)調(diào)控PKM2 的表達(dá)來(lái)抑制肝癌細(xì)胞LM3 和SMMC-7721糖酵解過(guò)程，抑制細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡，這使其成為治療肝癌的潛在有效化合物[12]。除紫草素以外，維生素K 也屬于萘醌類(lèi)化合物且具有抑制PKM2 表達(dá)的功能。Chen 等[13]研究表明維生素K3（VK3）和維生素K5（VK5）可以抑制PKM2的表達(dá)，并抑制宮頸癌Hela 細(xì)胞糖酵解代謝，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的死亡，并且可以區(qū)分PKM2 與PKM1，是相對(duì)特異性的PKM2 抑制劑。但VK3 和VK5 對(duì)PKM1 和PKM2 具有不同的抑制效果，VK5 的抑制效果強(qiáng)于VK3，可能是側(cè)鏈基團(tuán)不同干擾其與丙酮酸結(jié)合位點(diǎn)的相互作用[14]。近年來(lái)一種新型萘醌衍生物——化合物3k 也被報(bào)道可選擇性抑制PKM2，并在一系列具有高表達(dá)PKM2 的腫瘤細(xì)胞系（包括HCT116、Hela 和H1299）顯示出明顯的抗腫瘤活性，并表現(xiàn)出比紫草素更好的抑制作用[15]。

1.2 多酚類(lèi)

除萘醌類(lèi)化合物以外，多酚類(lèi)化合物也是PKM2潛在的抑制劑。白藜蘆醇是一種存在于葡萄、虎杖等多種植物中的非黃酮類(lèi)多酚化合物[16]。研究表明，白藜蘆醇可通過(guò)mTOR 信號(hào)通路下調(diào)PKM2 表達(dá)，抑制宮頸癌Hela 細(xì)胞、乳腺癌MCF-7 細(xì)胞、肝癌細(xì)胞HepG2 細(xì)胞的葡萄糖攝取、乳酸產(chǎn)生，進(jìn)而抑制合成代謝并達(dá)到抗腫瘤的作用[17]。熊璟等[18]研究表明，白藜蘆醇還可通過(guò)下調(diào)PKM2 的表達(dá)抑制口腔鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞糖酵解作用。除此之外，白藜蘆醇還可通過(guò)下調(diào)Erk/PKM2/BCL-2 軸誘導(dǎo)黑色素瘤細(xì)胞凋亡，達(dá)到抑制腫瘤的作用[19]。除白藜蘆醇以外，山柰酚也是多酚家族中的一員，屬于黃酮類(lèi)多酚，其也可通過(guò)抑制PKM2 顯示出抗腫瘤活性[20]。研究表明，山柰酚可通過(guò)上調(diào)microRNA-399-5p 的表達(dá)，并抑制靶向下游hnRNPA1 和PTBP1 結(jié)合，進(jìn)而抑制PKM2 的表達(dá)和糖酵解，最終抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖[21]。除山柰酚以外，另外兩種黃酮類(lèi)多酚芹菜素和異牡荊素也具有抑制PKM2 表達(dá)的功能，并針對(duì)結(jié)腸癌[22]、非小細(xì)胞肺癌[23]顯示出潛在治療效果。

1.3 其他

除上述植物提取化合物以外，其他類(lèi)型的化合物和藥物也可通過(guò)抑制PKM2 發(fā)揮抗腫瘤作用。環(huán)孢素A（cyclosporine A，CsA）是土壤中一種真菌的代謝產(chǎn)物，現(xiàn)生產(chǎn)中主要以多孔木霉菌為生產(chǎn)菌株發(fā)酵而來(lái)。自1970 年首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，CsA 一直作為非細(xì)胞毒性免疫抑制劑，主要用于器官和骨髓移植后的免疫抑制。自2002 年，我國(guó)著名免疫學(xué)家李大金教授發(fā)現(xiàn)CsA 可促進(jìn)滋養(yǎng)層細(xì)胞增殖后，CsA 逐漸在臨床上用于免疫相關(guān)復(fù)發(fā)性流產(chǎn)。2012 年，Jiang 等[24]發(fā)現(xiàn)CsA 通過(guò)下調(diào)乳腺癌細(xì)胞內(nèi)PKM2 的表達(dá)并使其活性降低，使腫瘤細(xì)胞內(nèi)ATP 合成減少，抑制細(xì)胞的體外生長(zhǎng)和細(xì)胞周期進(jìn)程。這為其在癌癥治療中的機(jī)制提供新的見(jiàn)解。奧利司他作為一種口服抗肥胖藥物，也具有通過(guò)PKM2 發(fā)揮抗腫瘤能力。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，卵巢癌細(xì)胞中PKM2 呈高表達(dá)，在使用奧利司他處理后，細(xì)胞中PKM2 的蛋白表達(dá)明顯下調(diào)，并發(fā)生凋亡[25]。除上述兩種藥物以外，芐絲肼作為抗帕金森治療的口服藥物，也是潛在的PKM2 抑制劑，可抑制黑色素腫瘤組織中過(guò)表達(dá)的PKM2，并抑制黑色素瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，對(duì)黑色素瘤具有潛在的治療意義[8]。

2 PKM2在腫瘤中的異常激酶活性與其激活劑

除表達(dá)水平變化以外，PKM2 的異常激酶活性改變也成為腫瘤研究的主要靶點(diǎn)之一。PKM2 在細(xì)胞中有兩種存在形式，即高活性（丙酮酸激酶活性）四聚體形式和低活性的二聚體形式。PKM2 以其四聚體形式表現(xiàn)出較高的丙酮酸激酶催化活性，催化磷酸烯醇式丙酮酸和ADP 反應(yīng)生成丙酮酸和ATP，生成的丙酮酸更傾向于進(jìn)入三羧酸循環(huán)途徑；而二聚體形式則主要參與致癌事件，相對(duì)于四聚體而言，二聚體的丙酮酸激酶活性較低，其催化生成的丙酮酸更傾向于生成乳酸，使腫瘤細(xì)胞選擇有氧糖酵解途徑；另外，低活性的二聚體往往會(huì)因催化速率慢而阻滯糖酵解途徑，使糖酵解中間代謝產(chǎn)物進(jìn)入糖酵解旁路途徑（如磷酸戊糖途徑），合成腫瘤細(xì)胞增殖所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[4，26]。除丙酮酸激酶活性以外，二聚體PKM2 還具有蛋白激酶活性，進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控靶蛋白磷酸化及后續(xù)乙?；揎?，促進(jìn)原癌基因轉(zhuǎn)錄及腫瘤的發(fā)生發(fā)展。研究表明，PKM2 入核后會(huì)上調(diào)Cyclin D1 和癌基因轉(zhuǎn)錄因子c-Myc 的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[27]。因此，選擇PKM2 的激活劑穩(wěn)定PKM2 四聚體結(jié)構(gòu)，抑制PKM2 二聚體形式，可作為抗腫瘤藥物研發(fā)的有效策略。

2.1 化學(xué)合成類(lèi)激活劑

PKM2 的小分子激活劑噻吩并[3，2-b]吡咯[3，2-d]噠嗪酮類(lèi)（TEPP-46）和N，N’-二芳基磺酰胺（DASA-58），通過(guò)穩(wěn)定PKM2 亞基相互作用來(lái)誘導(dǎo)PKM2 四聚體的形成，并抑制二聚體形式的PKM2 的形成和入核，增加PKM2 丙酮酸激酶活性，使腫瘤細(xì)胞發(fā)生代謝重編程[28]。上述兩種激活劑在體外均不激活重組的PKM1，對(duì)PKM2 具有較強(qiáng)的選擇性。在腎小管間質(zhì)纖維化細(xì)胞中，TEPP46可穩(wěn)定PKM2 四聚體形式，抑制PKM2 二聚體形式及其介導(dǎo)的HIF-1α 積累，抑制細(xì)胞異常糖酵解和上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，進(jìn)而抑制腎纖維化[29]。在胸主動(dòng)脈瘤和夾層動(dòng)脈瘤中PKM2 水平升高，TEPP-46 作為PKM2 激活劑，可通過(guò)抑制NLRP3 炎癥小體介導(dǎo)的IL-1 分泌，并減緩模型鼠在胸主動(dòng)脈瘤和夾層動(dòng)脈瘤的發(fā)展[30]。另外，TEPP-46 和DASA-58還可通過(guò)激活PKM2 四聚體發(fā)揮非小細(xì)胞肺癌的治療潛能[31]，也可以保護(hù)肝臟細(xì)胞免受纖維化[32]。

2.2 中藥提取物類(lèi)激活劑

除化學(xué)合成的TEPP-46 和DASA-58 以外，還有研究人員研究中草藥成分對(duì)PKM2 活性的影響。研究表明，黃酮類(lèi)提取物可以使PKM2 酶活性升高，可以作為PKM2 激活劑起到抗腫瘤作用[33]。黃酮原花青素B2 是一種二聚黃酮類(lèi)化合物，可在肝癌細(xì)胞中抑制PKM2 的表達(dá)，促進(jìn)了PKM2/HSP90 在細(xì)胞質(zhì)中的共定位，同時(shí)抑制了PKM2/HIF-1α 在細(xì)胞核中的共定位，從而破壞了PKM2/HSP90/HIF-1α之間的相互作用在體內(nèi)和體外均抑制肝癌細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯并誘發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡[34]。

除黃酮類(lèi)化合物以外，萜類(lèi)化合物也具有激活PKM2 的功能。木香內(nèi)酯（micheliolide，MCL）是一種穩(wěn)定的愈創(chuàng)木倍半萜內(nèi)酯，是發(fā)現(xiàn)于木香屬植物中的一種新的天然產(chǎn)物衍生的、共價(jià)的、選擇性的PKM2 激活劑。南開(kāi)大學(xué)陳悅課題組發(fā)現(xiàn)MCL 可與PKM2 第424 位半胱氨酸發(fā)生加成反應(yīng)，共價(jià)不可逆地誘導(dǎo)PKM2 四聚體的產(chǎn)生，同時(shí)抑制細(xì)胞核內(nèi)二聚體的形成，進(jìn)而抑制白血病細(xì)胞的遷移和生長(zhǎng)[35]。

3 討論

綜上所述，PKM2 在腫瘤細(xì)胞中的異常表達(dá)及異常激酶活性均可作為抗腫瘤藥物研發(fā)的靶點(diǎn)，且現(xiàn)已涌現(xiàn)出許多潛在的先導(dǎo)化合物。但是最近越來(lái)越多的證據(jù)表明，僅僅抑制或激活PKM2 不足以抑制腫瘤的生長(zhǎng)，且隨著腫瘤細(xì)胞的變異，耐藥性也是值得我們思考的問(wèn)題。從本質(zhì)上講，如何能使腫瘤細(xì)胞中PKM2 的激酶活性調(diào)節(jié)至與正常細(xì)胞相似的水平才是最終的目的。因此，組合治療的抗癌策略值得我們思考。目前，針對(duì)PKM2 為靶點(diǎn)的抗腫瘤藥物還處于基礎(chǔ)研究階段，以PKM2 為靶點(diǎn)是使用激活劑還是抑制劑的觀(guān)點(diǎn)爭(zhēng)論不休，二者聯(lián)合使用是否可以產(chǎn)生協(xié)同抗腫瘤作用還需進(jìn)一步研究。隨著研究的不斷深入，以上問(wèn)題終將逐一解決，靶向PKM2 的抗腫瘤藥物也將在未來(lái)的基礎(chǔ)研究和臨床研究中得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。