丙酮酸激酶的临床意义

发布日期:2020/2/25 8:22:23

背景及概述^[1]

丙酮酸激酶是糖酵解途径中的一个关键酶，能催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为烯醇式丙酮酸，并产生ATP，所以具有重要的生理作用。丙酮酸激酶在人体分布广泛，有四种同工酶，分为L、R、M₁和M₂。L型仅存在于肝实质、肾脏及小肠黏膜中，R型仅存在于成熟红细胞中，M₁型存在于大脑及肌肉中，M₂型除骨骼肌外，广泛分布于各种组织中，特别是肾脏与恶性肿瘤细胞中含量较高。在正常成人肝脏主要是L型，而在胎儿则主要为R型。

细胞分布

临床意义^[2]

急性肝炎时丙酮酸激酶活性增高，而急性肝坏死患者丙酮酸激酶活性减低。近年来实验研究发现，丙酮酸激酶同工酶在诊断肝细胞癌中具有十分重要的作用。在肝细胞癌中L型同工酶活性降低而K型增高，K型同工酶较L型更能与线粒体呼吸系统争夺ADP，产生丙酮酸，使糖酵解作用增强，即使给氧也不能像正常细胞那样消除。于是细胞生长脱离了正常控制而呈现了肿瘤的特性，尤其是M₂型。M₂-丙酮酸激酶在消化道肿瘤患者的血浆中也见升高，故认为M₂-丙酮酸激酶可作为一个肿瘤学标志。近年来研究者发现M2-丙酮酸激酶与Warburg效应的维持及肿瘤的发生密切相关：在肿瘤细胞中敲除M2-丙酮酸激酶换成其同工酶M1-丙酮酸激酶可以逆转Warburg效应，减少肿瘤细胞乳酸生成、增加耗氧量，抑制细胞生。在胚胎发育过程中，M2-丙酮酸激酶逐渐消失，而在肿瘤组织中其会重新表达。因此，M2-丙酮酸激酶可能成为抑制肿瘤组织发生、发展的靶点。但目前，人们对M2-丙酮酸激酶维持肿瘤细胞有氧糖酵解的机制尚不清楚。

1. M2-丙酮酸激酶间接调节癌基因激活　

近年来，人们对肿瘤代谢的关注逐渐增加。最初，基于癌基因RAS和SRC的研究，科学家们发现癌基因与肿瘤细胞糖代谢之间存在某种关联。其中，活化的RAS可以促进葡萄糖转运蛋白信使RNA的转录，从而促进细胞对葡萄糖的摄取，而SRC激酶可以磷酸化烯醇酶和乳酸脱氢酶，调节糖酵解过程。进一步研究发现，SRC可以激活缺氧诱导因子(HIF)1α的表达，HIF-1α的表达可引起厌氧糖酵解的发生。M2-丙酮酸激酶不仅受制于肿瘤信号通路的精细调控，还制约着肿瘤信号通路的调控，两者关系密切：M2-丙酮酸激酶可调节肿瘤相关信号通路与转录因子的活性，而其本身在细胞内的定位受癌症相关信号通路的调控。用白细胞介素3刺激小鼠发现，M2-丙酮酸激酶由细胞质转入细胞核，并用蛋白印迹技术验证了这一现象。此外，生长抑素及其类似物已被证实能促使M2-丙酮酸激酶进入细胞核。但其具体机制尚不清楚。同时，M2-丙酮酸激酶可将磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移到ADP，并伴随能量和丙酮酸的形成，从而稳定细胞中的能量电荷([ATP]＋1/2[ADP]/[AMP]＋[ADP]＋[ATP])，这意味着M2-丙酮酸激酶的消耗将导致上述反应的破坏，使细胞ATP产生水平降低。

2. 转录调控参与肿瘤代谢　

HIF-1主要在机体缺氧的情况下发挥作用，调节机体在低氧时的适应能力，其主要功能是诱导低氧基因并恢复细胞内环境的氧含量。文献报道，HIF-1在很多肿瘤细胞中处于高表达状态，这可能与其调节糖酵解相关基因的表达有关。而M2-丙酮酸激酶可提高HIF-1的转录水平，且HIF-1和M2-丙酮酸激酶之间为正反馈调节。另外，M2-丙酮酸激酶也可定位到细胞核内参与转录调节及蛋白质翻译后的修饰。研究发现，具有蛋白激酶活性的M2-丙酮酸激酶可磷酸化细胞核中的转录因子3，促进转录因子3的靶基因表达，激活促分裂原/细胞外信号调节激酶5基因转录，并在肿瘤细胞增殖中起重要代谢作用。有学者报道，双加氧酶5在缺氧时可与M2-丙酮酸激酶的C端结合，阻碍其向四聚体转化，并促进其向细胞核内移位，促进乳腺癌细胞MCF-7中的HIF-1转录，从而调控乳腺癌细胞的代谢和增殖。由于催化糖酵解反应的一系列酶存在于细胞质，且糖酵解的整个反应过程在细胞质进行，所以M2-丙酮酸激酶主要在细胞质中起催化作用，而细胞核中M2-丙酮酸激酶的作用有别于细胞质。蛋白质微阵列实验表明，M2-丙酮酸激酶在细胞核中作为蛋白激酶促进肿瘤细胞增殖。

3. 调控肿瘤信号通路　

信号通路传导异常会导致很多疾病，在肿瘤中尤为常见。M2-丙酮酸激酶参与的糖酵解通路传导异常对肿瘤相关分子的调控是目前的研究热点之一。研究表明，M2-丙酮酸激酶信号通路的调节、转录和选择性剪切之间存在协同效应。实验中发现，M2-丙酮酸激酶是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)下游的重要靶标，而受体酪氨酸激酶-磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶Ｂ-mTOR的过度活化会上调M2-丙酮酸激酶的表达，导致肿瘤细胞的Warburg效应增强，乳酸产生增加。同时，mTOR也可通过c-mym介导的选择性切割和HIF-1介导的PKM基因转录上调M2-丙酮酸激酶的表达，促进Warburg效应，从而促进肿瘤细胞的发展。这一发现为肿瘤的临床机制研究和靶向治疗提供了新思路，如联合抑制M2-丙酮酸激酶通路和mTOR功能可能会抑制肿瘤的发生、发展。

4. 诱导线粒体损伤　

线粒体是一种具有双层膜结构的动态细胞器，其不断地进行分裂融合的动态平衡，如氧化磷酸化、谷氨酰胺代谢和ATP合成等生命活动的重要代谢均在线粒体内进行。线粒体功能的异常打破了细胞正常的生命活动状态，严重时可诱发细胞癌变。在肿瘤细胞的代谢中，糖酵解与氧化磷酸化之间的动态平衡决定了肿瘤细胞的代谢方向。且糖酵解的限速酶酶M2-丙酮酸激酶与线粒体损伤之间可能也存在密切联系。研究显示，M2-丙酮酸激酶过表达诱导的线粒体功能障碍表现为ATP水平下降、线粒体DNA拷贝数增加及线粒体融合蛋白2(mfn2)增加，而敲减M2-丙酮酸激酶可减少mfn2蛋白的表达，削弱M2-丙酮酸激酶介导的线粒体融合并恢复线粒体功能。体外实验中过表达M2-丙酮酸激酶发现，线粒体明显拉长并在核周聚集，证实M2-丙酮酸激酶异常高表达使线粒体融合增多，破坏了融合与分解的平衡，从而导致线粒体功能紊乱。以上研究表明，M2-丙酮酸激酶在体内外过表达均可诱导线粒体损伤。此外，包括mfn2、miR-106b、HIF、p53等在内的调控因子均倾向于负向调节线粒体结构及功能使有氧糖酵解占优势，促进M2-丙酮酸激酶过表达，而M2-丙酮酸激酶过表达会进一步抑制线粒体的正常功能。

代谢调控^[3]

丙酮酸激酶主要参与两大代谢的调节，一是糖酵解途径，它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸并释放2分子的ATP，该反应在生理条件下不可逆；二是参与遗传物质代谢调控，催化磷酸基团的互换。通过稳定同位素标记蓖麻胚胎证明有90％葡萄糖通过糖酵解转化成丙酮酸，印证了糖酵解途径在植物体中的重要性。研究者发现，存在于叶片中的丙酮酸激酶c对夜间呼吸的调节非常重要，在可利用的光同化物库削弱和叶片呼吸低下时，表现更明显。有关蓖麻种子方面的研究，论证了糖酵解途径对拟南芥和油料作物等的产油量至关重要，但是并没有证据证明丙酮酸激酶与淀粉合成有关。另外，在拟南芥的丙酮酸激酶p突变体中却出现了碳流的从油脂合成向淀粉积累的转变。在高等植物中，淀粉来源于叶绿体中合成的光合产物；这种合成过程将与叶绿体中的碳代谢密切相关。