生物化学中期读书报告

生物化学中期读书报告-------沃伯格效应的成就与展望 作者：王伊丹 13303161 日期：2015/4/19 正文：

沃伯格效应的提出已经过去了90年，1924年沃伯格先生发现肿瘤细胞非同寻常的代谢特点。肿瘤细胞更倾向于利用氧化糖酵解途径而不是氧化磷酸化途径去产生ATP，并且他将这种肿瘤细胞特殊的代谢特点归结于线粒体功能缺陷。后来我们将他提出的这个理论称为沃伯格效应（Warburg effect）。但是众所周知，肿瘤细胞繁殖迅速，代谢速度快，它对于ATP需求一定相当大，那么为什么肿瘤细胞宁愿选择一个产ATP效率相对比较低的途径呢？

时过境迁，沃伯格效应的研究已经有了长足的发展。对于之前的问题有了一定的见解，那就是氧化磷酸化产ATP效率虽然很高，但是细胞的繁殖是一个复杂的过程，它还需要NADH等还原氢以及各种含碳产物，而氧化磷酸化于这方面而言并不是一个完美的生物合成途径。如今，沃伯格效应的机制研究发展涉及：肿瘤微环境，原癌/抑癌基因，核DNA突变，表观遗传学修正，MicroRNA,谷氨酸代谢途径，后蛋白质翻译修正，机体免疫，线粒体缺陷等多个领域。通过这些角度可以更加深入的理解肿瘤细胞的代谢机制并对肿瘤的治疗提供了更多的思路方法。

一， 沃伯格效应的相关机制机制

1. 肿瘤微环境解释机制

肿瘤细胞增殖的微环境是一个低氧环境，低氧环境的特点就是PH值低。肿瘤细胞的代 谢与生长特点与它低氧微环境的造就是一个相辅相成的过程。肿瘤细胞糖酵解产生乳酸，乳酸堆积造成局部微环境酸化，肿瘤细胞本身对这种酸性环境具有抵抗性，同时又因为这种酸性环境会造成正常细胞的酸中毒，从而防止它遭受免疫细胞的攻击。另一方面，酸性微环境有利于糖酵解中相关酶活性的提高，从而又加大了肿瘤细胞自身的代谢速度。

这里不得不提到一个低氧诱导因子HIF-1，它是肿瘤细胞对于低氧环境的适应因子。HIF-1可以诱导丙酮酸脱氢酶激酶1，造成丙酮酸积累走向乳酸生成途径。HIF-1还可以激活Na(+)/H(+)转换子，这个转换子在调节细胞内PH值上起到重要作用。由低氧环境激活的HIF-1转录调节因子也可以调节多种不同的酵解酶，它可以增加肿瘤细胞中葡萄糖转运体的表达，在葡萄糖多种转运体中GLUT1是一种在肿瘤细胞中过表达的转运体，转运体的过表达可以促进肿瘤细胞的代谢过程。

丙酮酸激酶是糖酵解中最后一步生成丙酮酸和ATP的酶，在正常细胞中丙酮酸激酶1（PKM1）持续表达，而在肿瘤细胞中发挥作用的是丙酮酸激酶2（PKM2）。研究发现，HIF-1可以增加癌症细胞中PKM2的表达。

2. 原癌/抑癌基因解释机制 （1）c-Myc

c-Myc基因在细胞生长，分化和凋亡中起重要作用。在很多癌症细胞中，它可以促进葡萄糖转运体的过表达，增加丙酮酸脱氢酶1（PDK1）和乳酸脱氢酶A的活性。在厌氧环境中，乳酸脱氢酶A令丙酮酸转化为乳酸，这一过程在肿瘤细胞中过表达存在。对于细胞转化来说，乳酸脱氢酶A基因的增加是很重要的，而这一过程又是由c-Myc调控的。

（2）P53

P53基因是一个抑癌基因。它可以对DNA受损做出应答，激活细胞凋亡并且调节细胞

代谢。肿瘤P53诱导酵解和凋亡调节因子（TIGAR）降低了果糖-2,6-双磷酸的浓度，造成酵解的抑制从而使细胞免受活性氧（ROS）侵害。

此外，P53还可以提升细胞色素氧化酶-2（SCO-2）的活性。许多在肿瘤中发现的代谢改变都与细胞色素氧化酶-2复合体亚单元的表达水平有关。

丢失P53基因的细胞可以检测出其酵解量的增加以及氧化磷酸化量的减少。 3. 线粒体功能障碍解释机制

越来越多的研究表明线粒体可以调控HIF-1蛋白的表达，这表明了在癌症细胞中通过HIF-1因子线粒体功能缺陷和有氧酵解之间的联系。一些线粒体中的酶，包括琥珀酸脱氢酶和延胡索酸水合酶是已知的肿瘤抑制物，基因的突变会造成细胞中这两种TCA循环中间物的积累，从而导致能量生成途径变成糖酵解。

线粒体是ROS产物的主要来源。ROS会诱导mtDNA突变，造成线粒体功能障碍，降低ATP合成，从而有利于癌细胞的增殖。

己糖激酶II（HK II）在癌细胞中过表达，它连接于线粒体内膜上并且相比于其他的己糖激酶异形体，它既有两倍的葡萄糖转移效率。通过HK II，我们发现了在肿瘤细胞中线粒体呼吸缺陷和升高的糖酵解率之间的联系。

4．表观遗传学解释机制

表观遗传学的改变是一种可逆的基因遗传调整，这种调整并不涉及DNA序列的改变。这种改变不仅仅可以调节基因表达，也可以控制DNA复制，修复和细胞增殖。两种表观遗传学的调节方式为（1）胞嘧啶碱基的甲基化，通常是修饰CpG域；（2）组蛋白尾端调节。这些改变会影响基因表达的模式从而影响肿瘤细胞生长。例如，在一些抑癌基因的调控中就是通过CpG超甲基化会造成基因翻译受阻；再有在一些基因中CpG异常甲基化会导致在癌症热点区域的突变。

1985年Peter Cerutti提出癌症细胞表观遗传学的转变是代谢缺陷造成的。现在的研究集中于一些表观遗传酶的失灵，这种失灵其中一个原因就是酶辅因子的丢失。最近一些研究也表明表观遗传学的作用就是在酵解过程中让相关的酶自由化从而形成肿瘤。

5. 肿瘤免疫病理学解释机制 在我们一生中，细胞发生突变的概率是比较高的，但是癌症的发生率在我们青壮年时期并不是很高，这都得益于我们机体自身的免疫机制。

机体免疫系统识别应对肿瘤细胞的方式有很多中，包括在肿瘤细胞中T细胞与T细胞受体作用于MHC肽链形成一种对于肿瘤细胞的致命打击，与肿瘤细胞受体作用的NK细胞，识别肿瘤释放的危险结合信号分子（DAMPs）等。不过道高一尺，魔高一丈，肿瘤细胞也因此进化出了通过改变代谢模式逃避免疫系统监控的模式。例如之前提到的乳酸代谢途径。

6. miRNA解释机制

miRNA是小型非编码调控基因表达的RNA。它对于肿瘤细胞代谢途径的调控分为直接调控代谢基因以及间接调控代谢相关基因。MiR-223,miR-133是调控GLUT4的基因，GLUT4是细胞表面协助葡萄糖转运进入细胞的转运体。丙酮酸激酶M2(PKM2)是一个在肿瘤细胞中过表达的酶它催化糖酵解最后一步生成丙酮酸，而它是miR-326的靶标位点。MiR-143通过作用于HKII调控肿瘤糖酵解。肿瘤细胞中乳酸的堆积会造成肿瘤细胞的转移，细胞乳糖分泌则是由miR-29a,miR-29b,miR-124调控的。除了直接作用外，miRNA还可以调控原癌、抑癌基因包括mTOR,RAS,p53,c-myc和Sirt-1基因从而影响肿瘤细胞的代谢活动。

7. 谷氨酸代谢途径机制

当丙酮酸激酶以二聚体的形式出现时，大部分葡萄糖用于合成途径而不是产能过程。那么能量另一种来源在这种情况下变得尤为重要。我们发现，除了谷氨酸在肿瘤细胞中含量很高，谷氨酸酵解途径也是一条产能途径。谷氨酸酵解途径和经过修剪的三羧酸循环可以为肿

瘤细胞在氧供给不足的情况下提高能量。 二， 沃伯格效应在肿瘤治疗方面的应用

针对沃伯格效应提出的肿瘤治疗方式是从肿瘤细胞的代谢途径入手的，针对它的各种特点进行点对点控制。这种治疗方式我认为优点就是它可能会规避对于正常细胞的杀伤，从而增加癌症病人愈后康复能力，缩短身体机能恢复正常水平的时间。

1. 减少葡萄糖进入细胞

这种方法的原理是抑制肿瘤细胞中特异的葡萄糖转移酶GLUT1。例如，酪氨酸激酶造成GLUT1细胞表面内在化反应，GLUT1抑制剂根皮素辅助化学诊疗药物红笔霉素的功效从而抑制GLUT1。Fasentin减少葡萄糖的摄取并且诱导细胞凋亡从而抑制了GLUT1。 2. 抑制糖酵解

3-Broomopyruvate(3-BrPA)，一种丙酮酸类似物，会抑制己糖激酶从而引发癌细胞凋亡。糖酵解中另一种重要的调节酶是磷酸果糖激酶-1（PFK-1),3-PO可以通过抑制它的变构激活剂从而抑制PFK-1的活动，因此而抑制了糖酵解途径以及肿瘤细胞的生长繁殖。还有一种生长激素抑制剂TT-232已经被很好的证实具有抑制丙酮酸激酶M2(PKM2)的作用。

除此之外，在糖酵解过程中的其他酶正在被科学家进行抗癌症的潜在靶标研究。 3. 抑制磷酸戊糖途径

磷酸戊糖途径是糖酵解途径的分支并且是葡萄糖代谢的替代途径。肿瘤细胞的表达增加了转酮醇酶和葡萄糖-6磷酸脱氢酶（G6PD)的含量。而羟基硫胺素可以抑制转酮醇酶的活性并且抑制丙酮酸脱氢酶从而阻止糖酵解和TCA途径的沟通。氨基烟酰胺（6-AN)，一种NADH的类似物可以抑制G6PD的活性从而减慢肿瘤细胞的增长。不过也有实验表明，6-AN在高剂量下的效果并不尽如人意。 4. 提升氧化磷酸化水平

线粒体呼吸作用的激活是诱导癌细胞凋亡的一个主要目标。乳酸脱氢酶水平的降低以及促进丙酮酸进入线粒体呼吸链可以因此减少肿瘤的生成。一条可行的途径就是通过抑制葡萄糖脱氢激酶-1（PDK-1)的活性。 5. 对HIF-1因子的抑制

地高辛以及其他心脏配糖体被发现可以抑制HIF-1α亚基的转录，这一抑制可以阻止HIF-1作用基因如HK,GLUT的转录。拓扑替康，一种拓扑异构酶的抑制剂可以抑制HIF-1的转录。此外还有YC-1，PX-478也可以抑制HIF-1的作用。 三． 总结

通过沃伯格效应及其机制的发展研究我们已经知道肿瘤的发生形成是一个受多种因素调控的过程，肿瘤细胞独特的代谢方式给我们很多在治疗方面的启示 从而可以最大限度的规避治疗过程中对正常细胞的伤害从而严重影响病人身体状况。尽管有很多药物可以通过作用于肿瘤细胞代谢途径抑制其生长，但这些合成物质的生物可行性，稳定性以及效率都有待于大大加强。此外很多有关癌症防止的方法，尤其是基因调控方面尚处于理论阶段，临床可操作性不强。我认为，癌症预防与治愈任重道远，我们需要对肿瘤发生与形成进行更加深入详细的研究从而可以最高效率的治愈癌症。

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