代謝與腫瘤的關系

1、丙酮酸脫氫酶與腫瘤的防治正常細胞的能量代謝特點是使用葡萄糖在線粒體內(nèi)進行氧化磷酸化( OXPHOS)，這種代謝方式既經(jīng)濟，效率也高。腫瘤細胞能量代謝的特點表現(xiàn)在活躍地攝取葡萄糖，進行有氧糖酵解。這種看上去很不經(jīng)濟的能量供給方式對腫瘤細胞卻是必需的，它既為腫瘤細胞的不斷生長提供能量，也為它們提供了生物合成的原料。腫瘤細胞這種能量代謝方式早在20 世紀 20 年代就被德國科學家Otto Warburg觀察到，基于這一發(fā)現(xiàn)，Warburg提出假設:腫瘤細胞有氧糖酵解的產(chǎn)生反映了線粒體呼吸鏈的破壞，而且，糖代謝的異?？梢暈槟[瘤發(fā)生的始動因素。大多數(shù)體內(nèi)腫瘤細胞及體外的轉化細胞，在氧氣充足的情況下，依然

2、呈現(xiàn)葡萄糖高攝取率，增強的糖酵解代謝及代謝產(chǎn)物乳酸增加的這一現(xiàn)象則是普遍存在，并被稱之為Warburg Effect1。而在正常細胞中，ATP的產(chǎn)生主要是通過OXPHOS，丙酮酸脫氫酶是連接糖酵解和Krebs的紐帶，作為細胞進入三羧酸循環(huán)的關鍵限速酶，在調(diào)節(jié)糖酵解和糖氧化磷酸化中起重要作用。因此，丙酮酸脫氫酶的活性可能與腫瘤的發(fā)生和發(fā)展有關系。1、丙酮酸脫氫酶的簡介丙酮酸脫氫酶（PDH），是由丙酮酸脫氫酶 E1亞單位（PDHA1）和E1亞單位（PDHB）基因編碼的和亞基組成的結合硫胺素焦磷酸鹽（TPP）的異四聚體2。Koike等3首先克隆和測序了編碼人類PDHE1和E1亞單位的cDNA序列。P

3、DHA1的基因組DNA全長15.92kB，含有11個外顯子，位于X染色體短臂上（Xp22.122.2）。其中含有保守的硫辛酸焦磷酸鹽結合區(qū)，位于外顯子6的編碼195氨基酸殘基和外顯子7的編碼255氨基酸殘基之間。此外，在4號染色體上有一段與PDHA1同源的無內(nèi)含子的序列，主要在睪丸組織表達。PDHB基因位于3p13q23，全長1.5kB，含有10個外顯子。在線粒體中，丙酮酸脫氫酶并不是單獨存在的，而是以丙酮酸脫氫酶復合體的形式存在。丙酸酸脫氫酶復合體（pyruvate dehydrogenase complex， PDHc）是定位在線粒體中的多酶復合物， PDHc包含3個催化酶和2個調(diào)節(jié)酶，以

4、及3個輔因子和1個結合蛋白。催化酶分別是丙酮酸脫氫酶（E1）、二氫硫辛酰胺轉乙酰酶E2和二氫硫辛酸脫氫酶E3。E3不是PDHc特定的，但是被其他兩個丙酮酸脫氫酶復合物組份共享，從而E3活性不足通常有超越預期分離的丙酮酸脫氫酶復合體缺乏的后果。丙酮酸脫氫酶復合體的所有蛋白均是核編碼的。高等生物中丙酮酸脫氫酶復合體的快速調(diào)節(jié)主要是由PDH激酶（PDK）和磷酸酶(PDP）介導E1亞基可逆性磷酸化實現(xiàn)的，丙酮酸脫氫酶E1亞基存在三個磷酸化位點。而細菌的PDHc活性主要是通過別構效應來調(diào)節(jié)，PDHc缺陷導致代謝障礙， 組織受損4。2、丙酮酸脫氫酶復合體的功能PDHc是一組限速酶， 催化丙酮酸不可逆氧化脫

5、羧轉化成乙酰輔酶A，同時將NAD+還原為NADH，使糖的有氧氧化與三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化連接起來， 在細胞線粒體呼吸鏈能量代謝中起著重要的作用。丙酮酸脫氫酶復合體廣泛存在于微生物、哺乳動物及高等植物中，該復合體在有線粒體的任何生物細胞中的能量產(chǎn)出方面都非常重要，PDHc缺陷將導致一系列復雜的病理生理變化。3、腫瘤組織中丙酮酸脫氫酶的作用溫伯格效應是腫瘤細胞能量代謝的一個特征，形成了腫瘤細胞依賴細胞質(zhì)糖酵解生成ATP代替了線粒體氧化磷酸化的作用。雖然糖酵解是一種產(chǎn)能效率較低的過程，但對于腫瘤細胞來說卻是一個有益的權衡，可能是腫瘤細胞對化療和放射治療抵抗的基礎；同時使腫瘤細胞突變率增加，從而使腫瘤

6、細胞的侵襲和轉移能力也增強5。腫瘤細胞偏向于糖酵解獲取能量，部分是由于腫瘤細胞中PDK活性上調(diào)而抑制了PDH的活性。研究顯示通過二氯乙酸（DCA）靶向抑制PDK促進了腫瘤細胞的代謝形式由糖酵解轉化為氧化磷酸化并且抑制了腫瘤的生長。這一發(fā)現(xiàn)顯示PDK/PDH軸可能對腫瘤細胞的代謝生長起一定的作用6。另一研究顯示與癌旁組織相比，PDK3在結腸癌組織中的表達極大的增加，且PDK3的表達與缺氧誘導因子-1(HIF-1)的表達呈正相關，其表達水平的高低與腫瘤的嚴重性和無疾病進展生存具有相關性。同時體外研究發(fā)現(xiàn)，結腸癌細胞系PDK3的表達是由HIF-1控制且對缺氧誘導細胞耐藥起到一定作用，這也解釋了為什么

7、PDK3過表達的患者容易出現(xiàn)治療失敗。而下調(diào)PDK3的表達減低了細胞在缺氧條件下的生存率并且減弱了缺氧誘導的乳酸產(chǎn)生和藥物耐藥7。這均說明了在腫瘤組織及細胞中丙酮酸脫氫酶激酶活性增高或降低與腫瘤的惡性表型具有一定的相關性。另一項研究也提示缺氧調(diào)節(jié)的PDK3的過表達極大抑制了細胞的凋亡并增加了對順鉑或紫杉醇的耐藥。而敲除PDK3抑制了缺氧誘導的糖酵解且增加了腫瘤細胞對順鉑、紫杉醇、奧沙利鉑等抗癌藥物的敏感度8。這些結果顯示PDK3或PDH與缺氧誘導的藥物耐藥相關并且可能是一個潛在的新的提高化療療效和克服藥物耐藥的靶點。有氧糖酵解與腫瘤的惡性表型及較差臨床預后的相關性國內(nèi)外文獻已有不少報道，但它們

8、之間的機制聯(lián)系卻鮮有報道。缺氧誘導因子（hypoxia-inducible factors，HIFs ）被認為在調(diào)節(jié)腫瘤細胞的糖代謝代謝轉換中起一定作用。McFate等9發(fā)現(xiàn)在頭頸部鱗癌中，使用shRNA下調(diào)PDK-1，恢復PDHc的活性，能夠減低腫瘤的生長和侵襲能力，同時HIF-1的表達也降低。PDK-1可能是HIF-1的調(diào)節(jié)蛋白，HIF-1與腫瘤細胞的干性程度具有一定相關性10-11 ，因此我們推斷丙酮酸脫氫酶缺乏或活性降低可能與腫瘤的惡性表型及干性程度相關。Zhao等12同樣研究了HIF-1與PDK及PDH之間的相互關系。該研究顯示缺氧通過上調(diào)HIF-1誘導了PDK3的表達，從而促進了代

9、謝從線粒體氧化呼吸向糖酵解的方式轉變。而PDK作為PDHc活性的主要調(diào)節(jié)者，間接表明了PDH與HIF-1和腫瘤干細胞可能具有潛在的相關性。腫瘤組織中PDK-1的過表達引起了代謝由有氧氧化向糖酵解的轉換，而對于正常高表達PDK的組織，卻未出現(xiàn)這種代謝的轉換13。在正常細胞中，能量的獲取主要依靠OXPHOS，最新的研究表明14，PDC的核心部分由PDP1和PDHA1組成，PDP1和PDHA1的Lys只保持由SIRT3引起的基本的乙酰化水平，ACAT1和PDK1不是PDC的組成部分，在PDC中出現(xiàn)的幾率相對較低；相反，在癌細胞中，能量的獲取主要依賴糖酵解，EGF在細胞高表達，刺激細胞誘導EGFR激活

10、，Tyr激酶信號上調(diào)，PDP1的Y381發(fā)生磷酸化，導致SIRT3解離，ACAT1被補充上去與PDP1結合，使PDP1的K202和PDHA1的K321乙酰化，從而導致PDP1從PDHA1上解離下來，然后PDK1與PDHA1結合，這時PDC的核心部分由失活的PDHA1和PDK1組成。最終PDC的活性被抑制。PDC活性被抑制導致癌細胞代謝途徑改變，更多的依賴于糖 酵解。研究結果表明，干擾PDHA1和PDP1的Lys乙 ?；蛘呤笰CAT1表達沉默，就會使細胞從依賴于糖酵解途徑轉 向OXPHOS，從而使細胞維持在正常的ATP水平和增殖水平。 在這項研究中，ACAT1促進糖酵解和腫瘤細胞生長的信號是

11、通過PDP1和PDHA1傳導的，因此，ACAT1-PDP1-PDHA1信號通 路是一個有前景的抗腫瘤的靶標(如下圖) 。4、抑制丙酮酸脫氫酶的途徑4.1 化學抑制劑4個丙酮酸脫氫酶激酶的異構體和2個丙酮酸磷酸化酶異構體控制了PDHc的活性狀態(tài)。兩者聯(lián)合作用的磷酸化-去磷酸化循環(huán)決定了激活的、非磷酸化丙酮酸脫氫酶的比例。通過抑制PDK的活性來增加PDHc復合體的活性是糖尿病、心臟疾病治療的藥物靶點，最近也應用到了腫瘤中15。目前丙酮酸脫氫酶激酶1、2、3被鑒定為腫瘤抗糖酵解治療的潛在靶點。丙酮酸脫氫酶主要是在丙酮酸脫氫酶復合體中存在，通過直接靶向該酶以改變其活性是比較困難的，目前的研究主要集中在

12、PDHc的直接調(diào)節(jié)者PDK上。直接靶向丙酮酸脫氫酶復合體的抑制劑也逐漸出現(xiàn)。丁酸是結腸細菌發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸，在結腸癌細胞中丁酸可以靶向PDC的活性。丁酸治療后腫瘤細胞的特征是乳酸產(chǎn)生減少并且腫瘤細胞增殖抑制23。目前發(fā)現(xiàn)苯基丁酸，應用于尿素循環(huán)缺陷和腫瘤患者中的藥物，導致了纖維母細胞和小鼠中磷酸化的E1a亞單位的減少和酶活性的增加16。4.2 小分子抑制劑二氯乙酸鈉與腫瘤治療的新進展令人關注的是，Bonnet等17報道采用二氯乙酸(DCA)處理腫瘤細胞，可以顯著地抑制其存活及移植瘤的生長。DCA是一種小分子丙酮酸脫氫酶激酶抑制劑，目前被批準用于先天性乳酸中毒癥的治療。DCA能通過抑制PDK

13、去磷酸化激活丙酮酸脫氫酶（pyruvate dehydrogenase， PDH），促進葡萄糖的氧化磷酸化，這一過程中釋放大量的活性氧（reactive oxygen species， ROS）和細胞色素C，上調(diào)K+通道電位，導致K+外流和caspase凋亡通路的活化，而進一步促進凋亡、抑制腫瘤細胞生長?；谶@一原理，DCA作為抗癌藥物的臨床應用與開發(fā)將具有一定前景。Cao等18報道了DCA增加了野生型和Bcl-2過表達的前列腺癌細胞對放療的敏感度，這種作用是通過與Bcl-2相互作用增強了凋亡機制。Fiebiger等19也報道了DCA在體外能增加部分鉑類藥物卡鉑、賽特鉑及其代謝物JM118對化

14、療耐藥的肺癌細胞株的敏感度?？傊ㄟ^DCA靶向PDK能增加腫瘤細胞對化療、放療的敏感度并且能克服藥物耐藥。但是DCA具有肝臟和外周神經(jīng)毒性。4.3 siRNA設計國內(nèi)一項研究采用干擾質(zhì)粒降低結腸癌細胞LS174T的PDK-1表達，檢測了在不同濃度5-Fu作用下該組細胞和對照細胞的半數(shù)抑制濃度，結果表明PDK-1干擾的LS174T細胞的IC50數(shù)值顯著低于對照組細胞。說明抑制PDK-1后結腸癌LS174T對5-Fu治療更敏感，使結腸癌細胞在較低的藥物濃度下達到較高的凋亡率20。5、結論腫瘤細胞的溫伯格效應使腫瘤細胞傾向于糖酵解的方式獲得能量，且腫瘤細胞中糖代謝由氧化磷酸化轉化為糖酵解方式的比例

15、變化與腫瘤細胞的惡性程度相關。丙酮酸脫氫酶作為連接糖酵解與氧化磷酸化的紐帶，在腫瘤細胞的有氧糖酵解過程中起到了關鍵的作用。因此，通過調(diào)節(jié)丙酮酸脫氫酶活性，從而抑制腫瘤細胞的侵襲與轉移，對于開發(fā)新型抗腫瘤藥物靶點具有積極的作用。參考文獻：1 Warburg O.On the origin of cancer cellsJ.Science,1956,123(3191): 309-14.2 Koike K, Ohta S, Urata Y, et al. Cloning and sequencing of cDNAs encoding alpha and beta subunits of human

16、 pyruvate dehydrogenaseJ. Proc Natl Acad Sci U S A,1988,85(1):41-5.3 Koike K, Ohta S, Urata Y, et al. Cloning and sequencing of cDNAs encoding alpha and beta subunits of human pyruvate dehydrogenaseJ. Proc Natl Acad Sci U S A,1988,85(1):41-5.4 Jeong JY, Jeoung NH, Park KG, et al. Transcriptional reg

17、ulation of pyruvate dehydrogenase kinaseJ. Diabetes Metab J,2012,36(5):328-35.5 Wu W, Zhao S. Metabolic changes in cancer: beyond the Warburg effectJ. Acta Biochim Biophys Sin(Shanghai),2013, 45(1):18-26.6 Lu CW, Lin SC, Chen KF, et al. Induction of pyruvate dehydrogenase kinase-3 by hypoxia-inducib

18、le factor-1 promotes metabolic switch and drug resistanceJ. J Biol Chem,2008, 283(42):28106-14.7 Lu CW, Lin SC, Chien CW, et al. Overexpression of pyruvate dehydrogenase kinase-3 increases drug resistance and early recurrence in colon cancerJ. Am J Pathol,2011,179(3):1405-14.8 Hur H, Xuan Y, Kim YB,

19、 et al. Expression of pyruvate dehydrogenase kinase-1 in gastric cancer as a potential therapeutic targetJ. Int J Oncol,2013,42(1):44-54.9 McFate T, Mohyeldin A, Lu H, et al. Pyruvate dehydrogenase complex activity controls metabolic and malignant phenotype in cancer cellsJ. J Biol Chem,2008,283(33)

20、:22700-8.10 Schwab LP, Peacock DL, Majumdar D, et al. Hypoxia-inducible factor 1 promotes primary tumor growth and tumor-initiating cell activity in breast cancerJ. Breast Cancer Res,2012,14(1):R6.11 Lee JH, Shim JW, Choi YJ, et al. The combination of sorafenib and radiation preferentially inhibits

21、breast cancer stem cells by suppressing HIF-1 expressionJ. Oncol Rep,2013,29(3):917-24.12 Zhao Y, Butler EB, Tan M. Targeting cellular metabolism to improve cancer therapeuticsJ. Cell Death Dis,2013,4:e532.13 Stacpoole PW. The pyruvate dehydrogenase complex as a therapeutic target for age-related di

22、seasesJ. Aging Cell,2012,11(3):371-7.14 Jun Fan, Hee-Bum Kang, Scott Lonning et al. Tyr Phosphorylation of PDP1 Toggles Recruitment between ACAT1 and SIRT3 to Regulate the Pyruvate Dehydrogenase Complex J Molecular Cell 53, 534548, February 20, 201415 Blouin JM, Penot G, Collinet M, et al. Butyrate

23、elicits a metabolic switch in human colon cancer cells by targeting the pyruvate dehydrogenase complexJ. Int J Cancer, 2011, 128(11):2591-601.16 Ferriero R, Brunetti-Pierri N. Anti-cancer drug phenylbutyrate increases activity of pyruvate dehydrogenase complexJ. Oncotarget, 2013, 6(4):804-5.17 Bonnet S, Archer SL, Allalunis-Turn