贾勇圣 佟仲生

·国家基金研究进展综述·

肿瘤细胞的低碳生活*

贾勇圣 佟仲生

细胞能量异常是肿瘤细胞的十大特征之一，正常细胞能量代谢主要通过线粒体氧化磷酸化释放二氧化碳，而肿瘤细胞能量代谢主要通过有氧糖酵解产生乳酸代替二氧化碳释放，这种能量代谢的特点使内环境中二氧化碳释放减少。因此，肿瘤细胞处于一种低碳生活状态，具有体细胞逐渐恶变的进程中获得特征性生长表型，在肿瘤细胞增殖、侵袭转移中发挥独特的生物学作用。本文就肿瘤细胞低碳生活与肿瘤细胞主要的特殊能量需求、基因突变、环境选择、酸抵抗、凋亡逃避和肿瘤干细胞特性维持等机制进行综述。

糖酵解 肿瘤细胞 低碳

Tianjin Medical University Cancer Institute and Hospital,National Clinical Research Center of Cancer,Tianjin Key Laboratory of

Breast Cancer Prevention and Therapy,Tianjin Medical University,Ministry of Education,Tianjin 300060,China

This work was supported by The National Natural Science Foundation of China Youth Project(No.81302080),and The Special

ized Research Fund for the Poctoral Program of the Ministry of Education of China(No.20131202120003)

1924年Warburg观察到大多数肿瘤细胞主要通过糖酵解产生能量，并伴随乳酸产生，而正常细胞糖酵解代谢比率较低，产生丙酮酸直接进入线粒体氧化。在肿瘤细胞增殖过程中，糖酵解的比率大约是其相同来源的正常细胞的200倍，即使在氧供应充分的情况下这种糖酵解依然发生，因此称为有氧糖酵解（aerobic glycolysis）。该代谢方式的改变可能是肿瘤发生的基础，并称之为瓦氏效应（Warburg effect）。细胞释放的二氧化碳主要通过氧化磷酸化产生，根据瓦氏效应，肿瘤细胞中糖酵解增强，氧化磷酸化抑制，结果产生乳酸代替二氧化碳释放，使肿瘤细胞向内环境释放的二氧化碳较正常细胞减少。低碳（low carbon）指较低的温室气体（二氧化碳为主）排放，如果将细胞存活在内环境中溶解的气体比作人类所处的大气，那么细胞向内环境释放的二氧化碳可理解为碳释放量。因此，肿瘤细胞过着一种低碳的生活。

1 肿瘤细胞低碳生活的特点

肿瘤细胞低碳生活的特点可概括为乳酸产生代替二氧化碳释放。正常细胞消耗1 moL葡萄糖经过线粒体氧化磷酸化产生6 moL二氧化碳，肿瘤细胞消耗1 moL葡萄糖进行有氧糖酵解未产生二氧化碳。维持这种低碳生活的前提是肿瘤细胞的“嗜糖性”，即对葡萄糖摄取和利用（消耗）的依赖较正常细胞显著增加，因此临床上通过正电子发射计算机断层技术（positron emission tomography，PET）检测组织细胞葡萄糖摄取程度来诊断肿瘤微小病灶。

2 肿瘤细胞低碳生活的机制

2.1 需求平衡

肿瘤细胞低碳生活表面上是糖酵解和氧化磷酸化的解偶联，实质是能量生产和物质生产的再分工。肿瘤细胞中糖酵解负责产能，线粒体三羧酸循环负责蛋白质、核酸和脂类的前期合成。分工明确使肿瘤细胞有效平衡细胞增殖过程中物质和能量需求。以蛋白质为例，蛋白质由碳骨架构成，碳骨架主要来自谷氨酰胺代谢，增殖迅速的细胞一方面需要能量，另一方面需要碳骨架。在肿瘤细胞中谷氨酰胺代谢与糖代谢相辅相成，尽管谷氨酰胺属非必需氨基酸，但对快速增殖的肿瘤细胞来说，则是“必需”氨基酸。谷氨酰胺酶（glutaminase，GA）是肿瘤细胞利用谷氨酰胺进行谷氨酰胺酵解的起始酶和关键酶（限速酶），谷氨酰胺酶将谷氨酰胺分解成谷氨酸和氨。肿瘤细胞在平衡有效产能和有效物质利用（如核苷酸、脂类、氨基酸）这对矛盾时，偏向有效物质利用［1］。肿瘤细胞代谢的一个重要特点是从能量产生到大分子合成的转变，大分子合成代谢在肿瘤细胞代谢中比例升高，癌基因AKT的激活可以使细胞代谢的前体物质向大分子合成转移，如葡萄糖流向脂类的代谢能力显著增强。对于细胞，氧的作用不仅限于呼吸，也是胆固醇合成、氧化蛋白折叠等的反应底物。从低碳角度解读瓦氏效应可以认为，肿瘤细胞向内环境低量释放二氧化碳，保护了内环境，相对提高其所处内环境的氧分压，缓解肿瘤细胞快速增殖引起的缺氧。值得注意的是，肿瘤细胞主要通过糖酵解获取ATP，并不表明其不需要氧气，只是利用氧气的方式较正常细胞不同，肿瘤细胞将氧气更多的用在物质合成代谢。

肿瘤细胞有氧糖酵解的分子机制为p53可与磷酸戊糖途径上第一步反应的关键酶（葡萄糖-6-磷酸脱氢酶）相结合，并抑制其活性。在正常细胞中p53参与阻止这一旁路的进行，细胞中的葡萄糖用于酵解和三羧酸循环，产生细胞生长所需的能量，而在p53发生突变或缺失的肿瘤细胞中，p53失去与葡萄糖-6-磷酸脱氢酶结合的能力和对该酶的抑制，磷酸戊糖途径被激活。大量的葡萄糖通过这一旁路被消耗，却不能产生细胞生长所需要的能量，而产生大量还原剂及戊糖，满足肿瘤细胞快速、无限生长［2］。总之，正常细胞将摄入的葡萄糖用于自身能量消耗，而肿瘤细胞则将其转化为物质储备用于再生产、繁殖子代细胞。

2.2 快速产能

糖酵解产生ATP的量虽远低于氧化磷酸化，但反应过程较氧化磷酸化大为缩短，ATP产生速度大大提高，有效为细胞增殖提供能量。糖酵解的另一个特点是能够自给自足，烟酰胺腺嘌呤（NAD+）是维持糖酵解运行的关键物质，其在丙酮酸转化为乳酸的过程中生成。所以葡萄糖供给充足时，糖酵解就由细胞快速完成产能。三羧酸循环和氧化磷酸化涉及众多酶和底物，制约因素较多，糖酵解的独立性摆脱了后续众多因素的制约，保障了细胞能量供给的稳定性和安全性。与氧化磷酸化相比，虽然糖酵解产生ATP效率低，但速度得到提升，单位时间内产能增加，事实上当糖酵解快速进行时，其ATP产量很容易超越氧化磷酸化，Pfeiffer等［3］认为这种低效高产的能量形成方式在能源竞争中更具有生长优势。

2.3 基因突变

肿瘤细胞糖酵解方式可能来自于基因突变或表观遗传的改变，如基因启动子部位的甲基化等。目前认为与肿瘤细胞有氧糖酵解有关的突变基因分为线粒体相关基因，癌基因和抑癌基因3类。线粒体DNA各种类型的突变导致线粒体功能降低是肿瘤细胞进行有氧糖酵解的主要原因［4］。有研究发现，氧化磷酸化中的关键酶氢离子ATP合成酶（H+-ATP synthase）的β催化亚单位在许多肿瘤组织中表达显著降低［5］，线粒体耗氧量占细胞总耗氧的70%～90%，线粒体功能减弱导致氧耗减少，糖酵解能力代偿性增强。在核基因编码的线粒体有关基因中，三羧酸循环相关蛋白如延胡索酸酶和琥珀酸脱氢酶是一类抑癌基因，其突变与一些家族性肿瘤综合征相关，突变导致三羧酸循环中间产物堆积，对缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）的转录蛋白起到稳定作用，诱导HIF靶基因表达（如VEGF），导致肿瘤侵袭能力增强［6］。

癌基因激活和抑癌基因失活促进了肿瘤细胞有氧糖酵解。肿瘤细胞在氧气充足时进行糖酵解的分子机制基本阐明∶乳酸脱氢酶A和丙酮酸脱氢酶是糖酵解向氧化磷酸化转变的重要的“分子开关”，乳酸脱氢酶A使丙酮酸向乳酸转变，丙酮酸脱氢酶促进丙酮酸进入线粒体，当乳酸脱氢酶A高表达和丙酮酸脱氢酶活性降低时，丙酮酸不能进入三羧酸循环转化为乳酸。癌基因正是通过调节这对“分子开关”，进而调节细胞能量代谢由氧化磷酸化向有氧糖酵解转变。癌基因AKT和Myc的激活在促进糖酵解方面发挥重要作用，AKT的激活增加了葡萄糖转运体和糖酵解酶的表达，Myc可直接调控糖酵解基因如乳酸脱氢酶A的表达［7］。抑癌基因p53［8］和VHL的功能缺失使细胞的能量代谢产生方式由线粒体转调至糖酵解，而突变体p53则发挥原癌基因的作用，通过RhoA/ ROCK/GLUT信号通路调节葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）定位到细胞膜［9］，促进无氧糖酵解。

2.4 环境选择

肿瘤主要特征是肿瘤细胞失控生长，不断增多的细胞数将导致氧耗增加造成肿瘤内部缺氧，这在实体瘤表现尤其明显。氧电极测量法证实在脑、乳腺、子宫等实体瘤和软组织肿瘤中氧浓度低下，正常组织中平均氧浓度为40～60 mmHg，而大多数实体瘤中平均氧浓度不足10 mmHg，低氧和原癌基因突变是肿瘤细胞采取糖酵解的主要原因，这两种力量相辅相成［10］。原癌基因突变为癌基因增强糖酵解代谢，组织细胞癌变过程中局部微环境缺氧使那些以糖酵解为主要代谢方式的表型被选择，即使氧气供应充裕，这种代谢表型仍然得以延续。研究发现HIF可以直接促进糖酵解，包括促进葡萄糖摄入，促进糖酵解相关酶类高表达。同时HIF也可以削弱线粒体功能，使细胞在低氧环境下氧耗降低［11］。1928年Crabtree发现高浓度葡萄糖可以抑制细胞呼吸，称为葡萄糖效应（crabtree effect）。葡萄糖高摄入和低氧对肿瘤细胞具有协同选择作用，最终导致肿瘤细胞的能量代谢重编程（metabolism reprogramming），进入了低碳生活。虽然低氧引起的环境选择假说可以很好解释实体瘤变，但不能对血液肿瘤进行圆满解释，血液肿瘤的局部微环境发生缺氧情况相对较少但同样采取糖酵解方式。

2.5 酸抵抗

肿瘤细胞糖酵解能力增强如果是间歇性缺氧选择的结果，那么酸抵抗则进一步增强了选择的力度，肿瘤细胞糖酵解产生大量乳酸，分泌到微环境，通过自身选择，酸抵抗能力强的肿瘤细胞表型得以保留。肿瘤侵袭包括两层含义，一是入侵，一是袭击。肿瘤细胞释放乳酸成为其袭击正常细胞的重要方式，正常细胞由于不耐酸而大量凋亡，组织结构受到破坏，为肿瘤细胞入侵转移开辟通路［12］，通过免疫逃避实现肿瘤细胞侵袭转移［13］。

肿瘤细胞对葡萄糖利用度增加也反映了肿瘤细胞对物质能量的掠夺式占有，肿瘤细胞摄取葡萄糖后，通过有氧糖酵解转化为乳酸。乳酸并非是释放到微环境的代谢废物，在某种程度上为肿瘤细胞储备能量。对肿瘤细胞“互饲共栖”模型的研究发现∶乳酸是肿瘤细胞一种重要能量来源，处于低氧环境的肿瘤细胞产生的大量乳酸扩散至血管床附近，血管床附近的肿瘤细胞对葡萄糖摄取能力较低氧区肿瘤细胞降低，只利用由低氧肿瘤细胞产生的乳酸，使葡萄糖源源不断供给处于低氧区的肿瘤细胞。“互饲共栖”分子机制为处于低氧区的肿瘤细胞高表达单羧酸转运蛋白 4（monocarboxylate transporter 4， MCT4），泵出由糖酵解产生的过量乳酸；处于有氧环境区（如血管床附近）的肿瘤细胞MCT1高表达，乳酸摄取能力增强，乳酸进入细胞后转化为丙酮酸，丙酮酸再进入线粒体氧化磷酸化产生ATP［14］。打破肿瘤细胞这种“互饲共栖”特性成为肿瘤治疗的一个新方向。

2.6 凋亡逃避

线粒体是细胞中的产能中心，当线粒体外膜通透性增加时，引起线粒体内促凋亡因子释放，诱导细胞凋亡级联反应［15］。细胞利用线粒体氧化磷酸化获取高效能量供应的同时，也受制于线粒体。肿瘤细胞通过糖酵解产能是其脱离线粒体限制的重要方式，即逃避凋亡。在糖酵解与凋亡关系的研究中发现，抑制糖酵解通路可增敏死亡受体途径诱导的肿瘤细胞凋亡［16］。肿瘤细胞另一种逃避凋亡的方式是低氧条件下，HIF-1诱导线粒体融合，融合后的线粒体体积增大，膜电位保守，对凋亡敏感性降低［17］，处于分裂状态的线粒体则容易发生凋亡，这种促进线粒体融合的方式成为肿瘤细胞稳定线粒体的重要方式。

2.7 肿瘤干细胞特性的维持

肿瘤发生早期（肿瘤直径＜4 mm）局部几乎无新生血管，此时主要依靠弥散在细胞周围的氧和营养物质生存，因此作为肿瘤生发部位的实体瘤中心，其营养和氧供应相对缺乏，目前认为肿瘤细胞糖酵解水平的提高是肿瘤形成的重要驱动力，能够调控肿瘤糖酵解的蛋白分子被认为与肿瘤形成密切相关［18］。因此，肿瘤细胞低碳生活方式对于维持肿瘤干细胞特性具有重要的生物学意义。KLF4是KLF家族（Krüppel-like factors）成员之一，该家族是真核生物中广泛存在的一类基础转录元件结合蛋白。在干细胞中，KLF4与维持胚胎干细胞自我更新能力有关，并且是参与体细胞重新编程的重要转录因子，在肿瘤干细胞如乳腺癌干细胞中发挥重要的作用。Moon等［19］报道在乳腺癌细胞中KLF4可以调控血小板型磷酸果糖激酶（PFKP）表达，干扰KLF4表达后，肿瘤细胞葡萄糖摄取和乳酸产生均被抑制，反之，当KLF4过表达后，葡萄糖摄取和乳酸生成明显提高，表明KLF4在维持肿瘤细胞有氧糖酵解过程中发挥重要作用。因此通过对KLF4无氧糖酵解通路的研究，对于阐明乳腺癌干细胞如何在肿瘤生发中心存活、限制肿瘤坏死及炎性反应以适应肿瘤生发中心微环境，增强肿瘤形成能力等具有广阔的研究前景。

3 肿瘤细胞低碳生活的生物学意义

肿瘤细胞低碳生活反映了肿瘤独特的代谢方式。体细胞逐渐恶变的进程中获得特征性的生长表型，在肿瘤细胞增殖、侵袭转移中发挥独特作用，更是肿瘤细胞适应缺氧环境，减轻代谢压力，进入休眠状态的机制之一。因此深入研究肿瘤细胞低碳生活的机制与特点，并以此突破点为寻找治疗肿瘤的有效靶标指明了方向。Sun等［20］发现雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通过诱导产生M2型丙酮酸激酶，从而导致肿瘤细胞发生有氧糖酵解，这一发现为肿瘤治疗提供了一种新策略。以雷帕霉素靶蛋白为靶点的新药依维莫司业已进入临床应用，在晚期乳腺癌患者治疗中取得了一定的疗效。

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（2014-01-20收稿）

（2014-03-03修回）

（本文编辑∶张刡）

Low carbon lifestyle of tumor cells

Yongsheng JIA,Zhongsheng TONG
Correspondence to:Zhongsheng TONG;E-mail:tonghang@medmail.com.cn

The deregulation of cellular energetics is one of the hallmarks of cancer cells.The metabolism of tumor cells is unique in that aerobic glycolysis occurs with increased glycolysis and decreased mitochondrial oxidative phosphorylation,even in the presence of oxygen.The Warburg effect is related to the original observation that proliferating tumor cells consume glucose at a high rate and release lactate,not CO2.In terms of carbon emissions,a low carbon lifestyle exists in tumor cells.This lifestyle represents one such mechanism whereby increased entry of glucose ensures rapid proliferation and sustenance of biological processes critical for proliferation, metastasis,and adaptation,and further proliferation at the metastatic site.The underlying mechanisms involve directing glucose toward biosynthesis,rapid cell energy generation,gene mutation,environmental selection,acid resistance,escape from apoptosis and maintaince of tumor stem cell.

glycolysis,tumor cell,low carbon

10.3969/j.issn.1000-8179.20140147

贾勇圣 医学博士，主治医师。研究方向为肿瘤干细胞及肿瘤药理学研究。

天津医科大学肿瘤医院乳腺内科，国家肿瘤临床医学研究中心，乳腺癌防治教育部重点实验室（天津市300060）

*本文课题受国家自然科学青年基金（编号：81302080）与教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目（编号：20131202120003）资助

佟仲生 tonghang@medmail.com.cn

E-mail∶6355721@qq.com