（二）肿瘤代谢重编程的调控机制
肿瘤代谢改变是一个复杂的过程。目前公认的分子机制主要为以下几种：1. 原癌基因激活、抑癌基因失活以及相关信号通路的异常活化，能够协同调控肿瘤细胞的生长信号、营养供给和代谢方式，促进肿瘤代谢的改变；2. 转录因子的直接作用或通过调控原癌基因，促进糖酵解中多个代谢酶和葡萄糖等转运受体的转录，以及改变代谢酶的不同剪接形式在肿瘤中的表达，从而促进糖酵解过程；3. 非编码RNA对代谢酶、肿瘤代谢的重要蛋白/通路的调控异常；4. 代谢酶自身的突变导致其不能正常执行催化功能，甚至产生新的酶活性。例如IDH1/2突变导致2-HG累积，导致细胞表观遗传调控异常；5. 磷酸化、乙酰化和泛素化等翻译后修饰通过调节代谢酶或代谢调控蛋白的活性、亚细胞定位、稳定性、自噬等多种机制，来促进细胞代谢流的改变。
1.原癌基因、抑癌基因及其相关信号通路对肿瘤代谢的调控
研究发现，原癌基因Ras、Myc介导的细胞恶性转化伴随着糖酵解的增加，抑制Ras 或 Myc 的表达能降低肿瘤细胞的糖酵解代谢。C-Myc直接参与调控很多糖酵解相关基因，促进葡萄糖的吸收和利用；在调控线粒体生成及功能上也发挥重要作用。Ras也与转化细胞的很多代谢特征密切相关，如葡萄糖摄取增加、线粒体功能失调以及乳酸生成增加等，其机制是通过上调有氧糖酵解相关基因和乳酸脱氢酶（LDH）表达。K-ras 癌基因在30～40%的肿瘤中发生突变，该突变使线粒体复合体I 活性降低，导致糖酵解活性增强；激活 K-Ras基因，也可导致线粒体呼吸功能剧烈下调和糖酵解明显增强。结肠癌中K-Ras的缺失，还可降低线粒体磷脂合成酶的表达，进而降低二磷脂酰甘油的水平，引起线粒体呼吸作用的效率降低。与其他原癌基因一样，Ras也参与调控脂类的从头合成，通过促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路介导，调控转录因子固醇调节元件结合蛋白（SREBPs）的活性。癌基因引起细胞转化过程中代谢途径的变化，而转化细胞的代谢重编程又进一步促进肿瘤细胞的增殖，形成正反馈。
抑癌基因p53参与调控线粒体的生成和功能、氧消耗及降低糖酵解。与促癌因子相反，p53能抑制葡萄糖转运体（GLUT）的表达，从而抑制糖酵解；还能通过对磷酸甘油酸变位酶、糖酵解调节蛋白（TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator TIGAR）和电子传递复合物IV的细胞色素c氧化酶2（synthesis of cytochrome c oxidase SCO2）的转录调节来控制氧化磷酸化，促进肿瘤细胞由线粒体氧化磷酸化向糖酵解的转化。TIGAR 蛋白能降低细胞内 2，6-二磷酸果糖水平，导致糖酵解的抑制和细胞内ROS含量的下降；同时促进磷酸戊糖通路，产生更多的NADPH。TIGAR 表达水平被认为是肿瘤代谢的重要指征。p53 通过TIGAR和
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SCO2调节肿瘤代谢的功能，在乳腺癌细胞中得到了证实。p53也可直接结合葡萄糖-6-磷酸脱氢酶调控磷酸戊糖途径。p 53还通过调控其他一些糖酵解的重要代谢酶，达到调节代谢的作用，如抑制磷酸甘油变位酶（PGM）的转录。当p53抑癌功能缺失时，PGM转录表达上调，从而促进糖酵解。p53 也是维持线粒体功能所必需的，其缺失使SCO2的基因表达降低，影响线粒体呼吸链复合体的正常聚合，最终造成线粒体呼吸功能下降和糖酵解增加。 致癌/抑癌相关信号通路也参与了肿瘤代谢调控。磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）／Akt是典型的在细胞生长和代谢中发挥双重调控作用的激酶。多种生长因子和信号传导复合物，包括成纤维细胞生长因子、血管内皮生长因子、胰岛素等都能启动PI3K的激活，这些因子激活受体酪氨酸激酶（RTK），从而引起自磷酸化。PI3K激活在肿瘤转化为PIP2、PIP3，PIP3是质膜上产生的第二信使，PIP3可引起AKT活化。活化的AKT通过磷酸化多种酶、激酶和转录因子等下游因子，调节细胞的功能，包括细胞凋亡、DNA修复、细胞周期停滞和糖、脂代谢等。Akt也参与了葡萄糖的摄取和利用，生长因子诱导的Akt激活会促进葡萄糖转运体（GLUT）的表达和在细胞膜的分布；还可以促进一系列编码糖酵解代谢酶的基因表达；并通过磷酸化修饰激活己糖激酶（HK）及磷酸果糖激酶（PFK）促进糖酵解的功能。Akt的激活也参与了脂代谢过程中一系列酶的表达；并激活胆固醇和脂肪酸的合成酶，包括HMG—CoA还原酶、ATP一柠檬酸裂合酶（ACL）、脂肪酸合成酶（FAS）和硬脂酰辅酶A还原酶，促进脂肪酸合成途径。
哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，生长因子、胰岛素、营养（氨基酸）、ATP及氧等均可通过PI3K／Akt通路激活mTOR。该通路把营养分子、能量状态以及生长因子传来的信号整合在一起，调控细胞生长、增殖、分化、自我吞噬、细胞周期调控、核糖体的生物组合和代谢等。中国医学科学院张宏冰发现，mTOR功能亢进是导致肿瘤细胞发生瓦伯格效应的关键因素。过活化的mTOR通过上调Notch信号通路，引起肿瘤细胞低分化，使肿瘤恶性程度增高。同时，活化的mTOR促进丙酮酸激酶（PKM2）的表达和糖酵解的发生。联合阻断mTOR或Notch和糖酵解，可协同抑制肿瘤的发生和进展，增加抗肿瘤药物的疗效，减少副作用并降低肿瘤抗药性。
抑癌基因PTEN在广泛的人类肿瘤中发生基因突变或缺失。PTEN是一个PIP3磷酸酶，与PI3K的功能相反，它可以通过去磷酸化将PIP3转变为PI- 4，5-P2。PTEN可减少AKT的活化，从而阻止所有由AKT调控的下游信号传导事件。PTEN在减弱PIP3信号传导而增加PIP2水平的过程中发挥重要作用。其突变失活不仅与肿瘤发生相关，也对细胞的代谢稳态产生一系列效应。如：PTEN缺失的肌肉、肝脏、脂肪等组织表现出较高的葡萄糖敏感性，增加了对葡萄
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糖的摄取和利用，有利于肿瘤细胞大量摄入葡萄糖及进行糖酵解。PTEN也是胰岛素信号通路的负调控因子，抑制脂肪的生成。通过产生PIP2， PTEN的功能远不止仅仅阻止AKT的作用：PIP2作为磷脂酶Cβ的底物，与蛋白激酶C（PKC）的激活有关；与膜结合的PIP2也能增加多种离子通道的活性；PIP2还影响参与脂代谢的多种酶的活性，包括磷脂酶D和神经酰胺-1-磷酸。
2.转录因子对肿瘤代谢的调控
低氧诱导因子（HIF）广泛参与哺乳动物细胞中缺氧诱导的特异应答，作为一种核转录因子在缺氧诱导的基因表达调节中起着关键作用。HIF在肿瘤形成过程中具有重要功能，它不仅有利于低氧环境下肿瘤细胞增殖、血管生成、上皮细胞间质转化等生物过程，并且调节肿瘤细胞的葡萄糖代谢由氧化磷酸化向糖酵解方式转变，促进乳酸的形成。HlF-l通过转录激活葡萄糖转运蛋白、己糖激酶蛋白的表达，促进葡萄糖摄取和糖酵解途径增强；通过激活丙酮酸脱氢酶激酶l（PDKl）的转录表达，促进丙酮酸脱氢酶（PDH）的磷酸化修饰，抑制PDH复合体的活性，从而阻断丙酮酸进入三羧酸循环。此外，HIF还调控乳酸脱氢酶A（LDHA）的表达，将丙酮酸转化为乳酸，并通过调控单羧酸转运蛋白4（MCT4）的表达，将乳酸运输至细胞外。最近的研究表明：蛋白质修饰在HIF-1 的调节中起重要作用，如供氧充足可引起类泛素化、羟基化、苏木素化。糖代谢的中间产物，如α- 酮戊二酸、琥珀酸等，参与了HIF-1的蛋白质修饰的过程。
厦门大学吴乔教授连续在Nature Chemical Biology发表文章，揭示了孤儿核受体TR3 Nur77诱导肿瘤细胞凋亡、抑制动物体内肿瘤生长，同时上调糖异生通路促进血糖提高的机制；核受体TR3可引起线粒体通透性转运孔开放，使线粒体清除和功能受损、ATP水平降低，导致肿瘤细胞自噬性细胞死亡。
E2F转录因子家族是细胞周期调控中的重要因子，E2F家族在控制细胞周期及抑癌基因功能上具有重要作用，也是小DNA致癌病毒转化蛋白的靶点。它可以同时介导细胞增殖及p53-依赖/非依赖的细胞凋亡。一组参与线粒体功能的基因被鉴定为E2F的靶基因，提示E2F可能在细胞周期转换的过程中调控能量代谢。如：E2FI可以转录激活丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4），促进丙酮酸脱氢酶（PDH）的磷酸化修饰，抑制PDH复合体的活性，阻断丙酮酸进入氧化磷酸化。E2FI也可以负向调控氧化磷酸化，调节肿瘤细胞由氧化磷酸化向有氧糖酵解转换。此外，E2F还通过调控核受体PPA作用，促进脂肪生成。
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核转录因子NF-κB也具有调节线粒体能量代谢网络、控制糖酵解和线粒体氧化磷酸化间平衡的作用，通过调节线粒体基因组编码的相关蛋白表达，线粒体细胞色素c氧化酶2上调而促进氧化磷酸化。
表1列举了一些癌基因、抑癌基因、转录因子在肿瘤能量代谢调控中的机制。 表1对肿瘤能量代谢具有调节作用的肿瘤相关基因和转录因子 基因 HIF –1α Ras 可能机制 促进葡萄糖转运子及糖酵解酶的合成 增加胞内ROS含量，抑制HIF-1α的羟基化防止其降解；促进GLU1表达，增强细胞对低糖环境的耐受；其活化导致线粒体功能障碍 Myc 促进线粒体的生物合成，诱导葡萄糖及谷氨酰胺代谢酶的合成 P53 调节线粒体呼吸及糖酵解之间的平衡；促进SCO2的表达，上调线粒体呼吸链的活性，抑制糖酵解；维护线粒体基因稳定性 肠癌、乳腺癌、前列腺癌及膀胱癌 肝癌、乳腺癌、膀胱癌、胃癌、结肠癌、前列腺癌、软组织肉瘤、卵巢癌、淋巴瘤等 3.代谢酶的表达异常在肿瘤代谢中作用
代谢酶的异常包括：代谢酶自身的突变、代谢酶的蛋白质修饰（包括乙酰化、磷酸化、羟基化等）、代谢酶的表观遗传调控等，也是导致代谢异常的重要环节。
丙酮酸激酶（PK）是糖酵解过程中的限速酶，催化磷酸烯醇丙酮酸（PEP）去磷酸化为丙酮酸，包括四种亚型：PKM1、PKM2、PKL 和PKR。PKM1 和PKM2是PKM 基因选择性剪接产物，二者具有截然不同的功能和表达特征。在胚胎组织只表达胚胎型丙酮酸激酶PKM2，成年后表达成年型的丙酮酸激酶PKM1，但在肿瘤组织又重新表达PKM2，而不是PKM1。研究发现，在肿瘤形成过程中，PKM1 或PKML/R 逐渐消失，而PKM2 显著增加，最终PKM2 成为肿瘤特异性的丙酮酸激酶。2008 年克里斯托夫克（H.R. Christofk）等发表在《自然》上的研究首次诠释了瓦伯格效应的分子机制，开启了PKM2 研究的全新时代。他们发现，肿瘤瓦伯格效应依赖于PKM2 蛋白，PKM2促进糖酵解的同时，抑制氧化磷酸化；PKM2 荷瘤小鼠肿瘤生长更快，而表达PKM1 的肿瘤体积很小或消失；下调PKM2 能阻遏糖代谢重编程，促使肿瘤细胞从旺盛的有氧糖酵解恢复至正常细胞的氧化磷酸化，从而显著抑制肿瘤
肿瘤类型 各种肿瘤，尤其实体肿瘤 胰腺癌、结肠癌、肺癌、卵巢癌等 9
生长。随后《自然》、《科学》和《细胞》等杂志发表了大量关于PKM2 新功能的重要发现，印证PKM2 对葡萄糖代谢重编程和肿瘤发生发展过程中的作用。
复旦大学雷群英发现，高浓度的葡萄糖可促使乙酰化酶和PKM2的结合，促进PKM2乙酰化，乙酰化PKM2的酶活性下降，同时与伴侣分子HSC70结合，经分子伴侣介导的自噬，在溶酶体中被降解。通过异位表达PKM2突变体的方式，证实PKM2乙酰化修饰可促使肿瘤细胞中糖酵解中间产物累积，从而促进细胞增殖及肿瘤生长。
肿瘤内部异质性导致细胞对代谢需求的差异，那些快速增殖的肿瘤细胞依赖PKM2 滞留糖代谢中间产物用于脂肪酸和核苷酸等大分子物质合成，非增殖的肿瘤细胞则通过选择性剪接增加PKM1 水平以促进能量生成，因此，PKM2/PKM1比例对肿瘤发生起着决定性作用。基于PKM2不仅在糖酵解中处于丙酮酸产生的上游，而且PKM2存在于所有的肿瘤细胞中，而大多数正常细胞不存在，其对肿瘤细胞的生物学特性的调控又是至关重要的，因此PKM2是潜在的、有前景的肿瘤治疗靶标。
己糖激酶（HK）是控制糖酵解的第一个限速酶，不可逆地催化葡萄糖磷酸化转变为6-磷酸葡萄糖，经糖酵解产生ATP或通过磷酸戊糖路径用于合成反应。HK有四种亚型，即HK1、HK2、HK3和HK4，HK-2在各类肿瘤中高表达。HK-2在c端和N端都保留催化活性，可使葡萄糖磷酸化速率加倍，加速了糖酵解，而HK-1、HK-3只有c端才有催化作用。通过反义RNA技术沉默肝癌细胞的HK-2基因，肿瘤的增殖明显降低。
6-磷酸果糖激酶（PFK）在哺乳动物细胞中有两种，即6-磷酸果糖-1激酶（PFK1）和6-磷酸果糖-2激酶（PFK2）。其同工酶PFKFB3在侵袭性肿瘤中表现为过表达且呈高度磷酸化，导致肿瘤细胞中果糖-2，6-双磷酸的产量增加，使PFK1异构激活而致糖酵解速率增加。 异柠檬酸脱氢酶（IDH）是三羧酸循环中重要的酶家族，主要催化异柠檬酸氧化脱羧生成a-酮戊二酸。IDH有不同的异构体，2008年，美国科学家首先报道IDH1在神经胶质瘤中发生高频突变，此后发现白血病中IDHl也发生了高频突变。IDHl通过产生NADPH来抵御细胞中的氧化损伤。2009年中国研究团队的研究结果表明，脑胶质瘤中IDHl的突变会显性抑制其催化活性，使其产物a-酮戊二酸浓度降低，抑制了以a一酮戊二酸为底物的脯氨酰羟化酶活性。2010年在含有IDHl2突变的脑胶质母细胞瘤和急性髓性白血病组织中，发现了a-羟基戊二酸（2-HG）的高度积累。2011年中国及美国团队的研究都发现：a-羟基戊二酸同样可以竞争性抑制以a一酮戊二酸为底物的双加氧酶，如脯氨酰羟化酶、组蛋白去甲基化酶和TET家族5-甲基胞嘧啶羟化酶等，调控一系列下游信号变化，导致肿瘤发生。
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