9001-59-6 / 丙酮酸激酶的臨床意義

背景及概述^[1]

丙酮酸激酶是糖酵解途徑中的一個關鍵酶，能催化磷酸烯醇式丙酮酸轉化為烯醇式丙酮酸，并產生ATP，所以具有重要的生理作用。丙酮酸激酶在人體分布廣泛，有四種同工酶，分為L、R、M₁和M₂。L型僅存在于肝實質、腎臟及小腸黏膜中，R型僅存在于成熟紅細胞中，M₁型存在于大腦及肌肉中，M₂型除骨骼肌外，廣泛分布于各種組織中，特別是腎臟與惡性腫瘤細胞中含量較高。在正常成人肝臟主要是L型，而在胎兒則主要為R型。

細胞分布

臨床意義^[2]

急性肝炎時丙酮酸激酶活性增高，而急性肝壞死患者丙酮酸激酶活性減低。近年來實驗研究發現，丙酮酸激酶同工酶在診斷肝細胞癌中具有十分重要的作用。在肝細胞癌中L型同工酶活性降低而K型增高，K型同工酶較L型更能與線粒體呼吸系統爭奪ADP，產生丙酮酸，使糖酵解作用增強，即使給氧也不能像正常細胞那樣消除。于是細胞生長脫離了正常控制而呈現了腫瘤的特性，尤其是M₂型。M₂-丙酮酸激酶在消化道腫瘤患者的血漿中也見升高，故認為M₂-丙酮酸激酶可作為一個腫瘤學標志。近年來研究者發現M2-丙酮酸激酶與Warburg效應的維持及腫瘤的發生密切相關：在腫瘤細胞中敲除M2-丙酮酸激酶換成其同工酶M1-丙酮酸激酶可以逆轉Warburg效應，減少腫瘤細胞乳酸生成、增加耗氧量，抑制細胞生。在胚胎發育過程中，M2-丙酮酸激酶逐漸消失，而在腫瘤組織中其會重新表達。因此，M2-丙酮酸激酶可能成為抑制腫瘤組織發生、發展的靶點。但目前，人們對M2-丙酮酸激酶維持腫瘤細胞有氧糖酵解的機制尚不清楚。

1. M2-丙酮酸激酶間接調節癌基因激活　

近年來，人們對腫瘤代謝的關注逐漸增加。最初，基于癌基因RAS和SRC的研究，科學家們發現癌基因與腫瘤細胞糖代謝之間存在某種關聯。其中，活化的RAS可以促進葡萄糖轉運蛋白信使RNA的轉錄，從而促進細胞對葡萄糖的攝取，而SRC激酶可以磷酸化烯醇酶和乳酸脫氫酶，調節糖酵解過程。進一步研究發現，SRC可以激活缺氧誘導因子(HIF)1α的表達，HIF-1α的表達可引起厭氧糖酵解的發生。M2-丙酮酸激酶不僅受制于腫瘤信號通路的精細調控，還制約著腫瘤信號通路的調控，兩者關系密切：M2-丙酮酸激酶可調節腫瘤相關信號通路與轉錄因子的活性，而其本身在細胞內的定位受癌癥相關信號通路的調控。用白細胞介素3刺激小鼠發現，M2-丙酮酸激酶由細胞質轉入細胞核，并用蛋白印跡技術驗證了這一現象。此外，生長抑素及其類似物已被證實能促使M2-丙酮酸激酶進入細胞核。但其具體機制尚不清楚。同時，M2-丙酮酸激酶可將磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸轉移到ADP，并伴隨能量和丙酮酸的形成，從而穩定細胞中的能量電荷([ATP]＋1/2[ADP]/[AMP]＋[ADP]＋[ATP])，這意味著M2-丙酮酸激酶的消耗將導致上述反應的破壞，使細胞ATP產生水平降低。

2. 轉錄調控參與腫瘤代謝　

HIF-1主要在機體缺氧的情況下發揮作用，調節機體在低氧時的適應能力，其主要功能是誘導低氧基因并恢復細胞內環境的氧含量。文獻報道，HIF-1在很多腫瘤細胞中處于高表達狀態，這可能與其調節糖酵解相關基因的表達有關。而M2-丙酮酸激酶可提高HIF-1的轉錄水平，且HIF-1和M2-丙酮酸激酶之間為正反饋調節。另外，M2-丙酮酸激酶也可定位到細胞核內參與轉錄調節及蛋白質翻譯后的修飾。研究發現，具有蛋白激酶活性的M2-丙酮酸激酶可磷酸化細胞核中的轉錄因子3，促進轉錄因子3的靶基因表達，激活促分裂原/細胞外信號調節激酶5基因轉錄，并在腫瘤細胞增殖中起重要代謝作用。有學者報道，雙加氧酶5在缺氧時可與M2-丙酮酸激酶的C端結合，阻礙其向四聚體轉化，并促進其向細胞核內移位，促進乳腺癌細胞MCF-7中的HIF-1轉錄，從而調控乳腺癌細胞的代謝和增殖。由于催化糖酵解反應的一系列酶存在于細胞質，且糖酵解的整個反應過程在細胞質進行，所以M2-丙酮酸激酶主要在細胞質中起催化作用，而細胞核中M2-丙酮酸激酶的作用有別于細胞質。蛋白質微陣列實驗表明，M2-丙酮酸激酶在細胞核中作為蛋白激酶促進腫瘤細胞增殖。

3. 調控腫瘤信號通路　

信號通路傳導異常會導致很多疾病，在腫瘤中尤為常見。M2-丙酮酸激酶參與的糖酵解通路傳導異常對腫瘤相關分子的調控是目前的研究熱點之一。研究表明，M2-丙酮酸激酶信號通路的調節、轉錄和選擇性剪切之間存在協同效應。實驗中發現，M2-丙酮酸激酶是哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)下游的重要靶標，而受體酪氨酸激酶-磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶Ｂ-mTOR的過度活化會上調M2-丙酮酸激酶的表達，導致腫瘤細胞的Warburg效應增強，乳酸產生增加。同時，mTOR也可通過c-mym介導的選擇性切割和HIF-1介導的PKM基因轉錄上調M2-丙酮酸激酶的表達，促進Warburg效應，從而促進腫瘤細胞的發展。這一發現為腫瘤的臨床機制研究和靶向治療提供了新思路，如聯合抑制M2-丙酮酸激酶通路和mTOR功能可能會抑制腫瘤的發生、發展。

4. 誘導線粒體損傷　

線粒體是一種具有雙層膜結構的動態細胞器，其不斷地進行分裂融合的動態平衡，如氧化磷酸化、谷氨酰胺代謝和ATP合成等生命活動的重要代謝均在線粒體內進行。線粒體功能的異常打破了細胞正常的生命活動狀態，嚴重時可誘發細胞癌變。在腫瘤細胞的代謝中，糖酵解與氧化磷酸化之間的動態平衡決定了腫瘤細胞的代謝方向。且糖酵解的限速酶酶M2-丙酮酸激酶與線粒體損傷之間可能也存在密切聯系。研究顯示，M2-丙酮酸激酶過表達誘導的線粒體功能障礙表現為ATP水平下降、線粒體DNA拷貝數增加及線粒體融合蛋白2(mfn2)增加，而敲減M2-丙酮酸激酶可減少mfn2蛋白的表達，削弱M2-丙酮酸激酶介導的線粒體融合并恢復線粒體功能。體外實驗中過表達M2-丙酮酸激酶發現，線粒體明顯拉長并在核周聚集，證實M2-丙酮酸激酶異常高表達使線粒體融合增多，破壞了融合與分解的平衡，從而導致線粒體功能紊亂。以上研究表明，M2-丙酮酸激酶在體內外過表達均可誘導線粒體損傷。此外，包括mfn2、miR-106b、HIF、p53等在內的調控因子均傾向于負向調節線粒體結構及功能使有氧糖酵解占優勢，促進M2-丙酮酸激酶過表達，而M2-丙酮酸激酶過表達會進一步抑制線粒體的正常功能。

代謝調控^[3]

丙酮酸激酶主要參與兩大代謝的調節，一是糖酵解途徑，它催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸并釋放2分子的ATP，該反應在生理條件下不可逆；二是參與遺傳物質代謝調控，催化磷酸基團的互換。通過穩定同位素標記蓖麻胚胎證明有90％葡萄糖通過糖酵解轉化成丙酮酸，印證了糖酵解途徑在植物體中的重要性。研究者發現，存在于葉片中的丙酮酸激酶c對夜間呼吸的調節非常重要，在可利用的光同化物庫削弱和葉片呼吸低下時，表現更明顯。有關蓖麻種子方面的研究，論證了糖酵解途徑對擬南芥和油料作物等的產油量至關重要，但是并沒有證據證明丙酮酸激酶與淀粉合成有關。另外，在擬南芥的丙酮酸激酶p突變體中卻出現了碳流的從油脂合成向淀粉積累的轉變。在高等植物中，淀粉來源于葉綠體中合成的光合產物；這種合成過程將與葉綠體中的碳代謝密切相關。

主要參考資料

[1] 臨床肝病實驗診斷學

[2] M2型丙酮酸激酶在腫瘤形成中的作用

[3] 丙酮酸激酶在高等植物中的作用