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1、丙酮酸脱氢酶与肿瘤的防治正常细胞的能量代谢特点是使用葡萄糖在线粒体内进行氧化磷酸化( OXPHOS)，这种代谢方式既经济，效率也高。肿瘤细胞能量代谢的特点表现在活跃地摄取葡萄糖，进行有氧糖酵解。这种看上去很不经济的能量供给方式对肿瘤细胞却是必需的，它既为肿瘤细胞的不断生长提供能量，也为它们提供了生物合成的原料。肿瘤细胞这种能量代谢方式早在20 世纪 20 年代就被德国科学家Otto Warburg 观察到，基于这一发现，Warburg 提出假设:肿瘤细胞有氧糖酵解的产生反映了线粒体呼吸链的破坏，而且，糖代谢的异常可视为肿瘤发生的始动因素。大多数体内肿瘤细胞及体外的转化细胞，在氧气充足的情况下，
2、依然呈现葡萄糖高摄取率，增强的糖酵解代谢及代谢产物乳酸增加的这一现象则是普遍存在，并被称之为Warburg Effect 1。而在正常细胞中， ATP的产生主要是通过OXPHOS，丙酮酸脱氢酶是连接糖酵解和Krebs 的纽带，作为细胞进入三羧酸循环的关键限速酶，在调节糖酵解和糖氧化磷酸化中起重要作用。因此，丙酮酸脱氢酶的活性可能与肿瘤的发生和发展有关系。1、丙酮酸脱氢酶的简介丙酮酸脱氢酶（PDH），是由丙酮酸脱氢酶 E1亚单位（PDHA1 ）和E1亚单位（PDHB ）基因编码的 和亚基组成的结合硫胺素焦磷酸盐（ TPP）的异四聚体 2。Koike等 3首先克隆和测序了编码人类PDHE1 和E1
3、 亚单位的cDNA序列。PDHA1 的基因组DNA全长15.92kB，含有11 个外显子，位于X 染色体短臂上（Xp22.122.2 ）。其中含有保守的硫辛酸焦磷酸盐结合区，位于外显子6的编码195氨基酸残基和外显子7的编码255氨基酸残基之间。此外，在4号染色体上有一段与PDHA1同源的无内含子的序列，主要在睾丸组织表达。PDHB基因位于3p13q23 ，全长1.5kB ，含有10个外显子。在线粒体中，丙酮酸脱氢酶并不是单独存在的，而是以丙酮酸脱氢酶复合体的形式存在。丙酸酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex， PDHc）是定位在线粒体中的多酶复合物，
4、PDHc包含3个催化酶和2个调节酶，以及3个辅因子和1个结合蛋白。催化酶分别是丙酮酸脱氢酶（E1）、二氢硫辛酰胺转乙酰酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3。E3不是PDHc 特定的，但是被其他两个丙酮酸脱氢酶复合物组份共享，从而E3活性不足通常有超越预期分离的丙酮酸脱氢酶复合体缺乏的后果。丙酮酸脱氢酶复合体的所有蛋白均是核编码的。高等生物中丙酮酸脱氢酶复合体的快速调节主要是由PDH激酶（PDK ）和磷酸酶(PDP ）介导 E1亚基可逆性磷酸化实现的，丙酮酸脱氢酶E1 亚基存在三个磷酸化位点。而细菌的PDHc活性主要是通过别构效应来调节，PDHc缺陷导致代谢障碍， 组织受损 4。2、丙酮酸脱氢酶复合体的
5、功能PDHc是一组限速酶， 催化丙酮酸不可逆氧化脱羧转化成乙酰辅酶A，同时将NAD+还原为NADH，使糖的有氧氧化与三羧酸循环和氧化磷酸化连接起来，在细胞线粒体呼吸链能量代谢中起着重要的作用。丙酮酸脱氢酶复合体广泛存在于微生物、哺乳动物及高等植物中，该复合体在有线粒体的任何生物细胞中的能量产出方面都非常重要，PDHc缺陷将导致一系列复杂的病理生理变化。3、肿瘤组织中丙酮酸脱氢酶的作用温伯格效应是肿瘤细胞能量代谢的一个特征，形成了肿瘤细胞依赖细胞质糖酵解生成ATP代替了线粒体氧化磷酸化的作用。虽然糖酵解是一种产能效率较低的过程，但对于肿瘤细胞来说却是一个有益的权衡，可能是肿瘤细胞对化疗和放射治疗
6、抵抗的基础；同时使肿瘤细胞突变率增加，从而使肿瘤细胞的侵袭和转移能力也增强 5。肿瘤细胞偏向于糖酵解获取能量，部分是由于肿瘤细胞中PDK活性上调而抑制了PDH的活性。研究显示通过二氯乙酸（DCA ）靶向抑制PDK 促进了肿瘤细胞的代谢形式由糖酵解转化为氧化磷酸化并且抑制了肿瘤的生长。这一发现显示PDK/PDH轴可能对肿瘤细胞的代谢生长起一定的作用 6。另一研究显示与癌旁组织相比，PDK3在结肠癌组织中的表达极大的增加，且 PDK3的表达与缺氧诱导因子-1(HIF-1) 的表达呈正相关，其表达水平的高低与肿瘤的严重性和无疾病进展生存具有相关性。同时体外研究发现，结肠癌细胞系PDK3的表达是由HI
7、F-1控制且对缺氧诱导细胞耐药起到一定作用，这也解释了为什么PDK3过表达的患者容易出现治疗失败。而下调PDK3的表达减低了细胞在缺氧条件下的生存率并且减弱了缺氧诱导的乳酸产生和药物耐药 7。这均说明了在肿瘤组织及细胞中丙酮酸脱氢酶激酶活性增高或降低与肿瘤的恶性表型具有一定的相关性。另一项研究也提示缺氧调节的PDK3的过表达极大抑制了细胞的凋亡并增加了对顺铂或紫杉醇的耐药。而敲除PDK3抑制了缺氧诱导的糖酵解且增加了肿瘤细胞对顺铂、紫杉醇、奥沙利铂等抗癌药物的敏感度 8。这些结果显示PDK3或PDH与缺氧诱导的药物耐药相关并且可能是一个潜在的新的提高化疗疗效和克服药物耐药的靶点。有氧糖酵解与肿
8、瘤的恶性表型及较差临床预后的相关性国内外文献已有不少报道，但它们之间的机制联系却鲜有报道。缺氧诱导因子（hypoxia-inducible factors，HIFs ）被认为在调节肿瘤细胞的糖代谢代谢转换中起一定作用。McFate等 9发现在头颈部鳞癌中，使用 shRNA下调 PDK-1，恢复PDHc的活性，能够减低肿瘤的生长和侵袭能力，同时HIF-1的表达也降低。 PDK-1可能是HIF-1的调节蛋白，HIF-1与肿瘤细胞的干性程度具有一定相关性 10-11 ，因此我们推断丙酮酸脱氢酶缺乏或活性降低可能与肿瘤的恶性表型及干性程度相关。Zhao等 12同样研究了HIF-1与PDK及PDH 之间
9、的相互关系。该研究显示缺氧通过上调HIF-1 诱导了PDK3的表达，从而促进了代谢从线粒体氧化呼吸向糖酵解的方式转变。而PDK作为PDHc活性的主要调节者，间接表明了PDH 与HIF-1 和肿瘤干细胞可能具有潜在的相关性。肿瘤组织中PDK-1的过表达引起了代谢由有氧氧化向糖酵解的转换，而对于正常高表达PDK 的组织，却未出现这种代谢的转换 13。在正常细胞中，能量的获取主要依靠OXPHOS，最新的研究表明 14，PDC的核心部分由PDP1和PDHA1组成，PDP1 和PDHA1 的Lys只保持由SIRT3引起的基本的乙酰化水平，ACAT1和PDK1不是PDC 的组成部分，在PDC中出现的几率相
10、对较低；相反，在癌细胞中，能量的获取主要依赖糖酵解，EGF在细胞高表达，刺激细胞诱导EGFR激活，Tyr激酶信号上调，PDP1的Y381发生磷酸化，导致SIRT3解离，ACAT1被补充上去与PDP1 结合，使 PDP1的K202和PDHA1的K321乙酰化，从而导致PDP1 从PDHA1 上解离下来，然后PDK1与PDHA1结合，这时PDC 的核心部分由失活的PDHA1 和PDK1组成。最终PDC的活性被抑制。PDC活性被抑制导致癌细胞代谢途径改变，更多的依赖于糖 酵解。研究结果表明，干扰PDHA1 和PDP1的 Lys乙 酰化或者使ACAT1 表达沉默，就会使细胞从依赖于糖酵解途径转 向OX
11、PHOS，从而使细胞维持在正常的ATP水平和增殖水平。在这项研究中，ACAT1促进糖酵解和肿瘤细胞生长的信号是 通过PDP1和PDHA1传导的，因此，ACAT1-PDP1-PDHA1 信号通 路是一个有前景的抗肿瘤的靶标( 如下图 ) 。4、抑制丙酮酸脱氢酶的途径4.1 化学抑制剂4个丙酮酸脱氢酶激酶的异构体和2个丙酮酸磷酸化酶异构体控制了PDHc的活性状态。两者联合作用的磷酸化-去磷酸化循环决定了激活的、非磷酸化丙酮酸脱氢酶的比例。通过抑制PDK的活性来增加PDHc 复合体的活性是糖尿病、心脏疾病治疗的药物靶点，最近也应用到了肿瘤中 15。目前丙酮酸脱氢酶激酶1、2、3被鉴定为肿瘤抗糖酵解治
12、疗的潜在靶点。丙酮酸脱氢酶主要是在丙酮酸脱氢酶复合体中存在，通过直接靶向该酶以改变其活性是比较困难的，目前的研究主要集中在PDHc的直接调节者PDK上。直接靶向丙酮酸脱氢酶复合体的抑制剂也逐渐出现。丁酸是结肠细菌发酵产生的短链脂肪酸，在结肠癌细胞中丁酸可以靶向PDC的活性。丁酸治疗后肿瘤细胞的特征是乳酸产生减少并且肿瘤细胞增殖抑制23。目前发现苯基丁酸，应用于尿素循环缺陷和肿瘤患者中的药物，导致了纤维母细胞和小鼠中磷酸化的E1a亚单位的减少和酶活性的增加 16。4.2 小分子抑制剂二氯乙酸钠与肿瘤治疗的新进展令人关注的是，Bonnet等 17报道采用二氯乙酸(DCA)处理肿瘤细胞，可以显著地抑
13、制其存活及移植瘤的生长。DCA是一种小分子丙酮酸脱氢酶激酶抑制剂，目前被批准用于先天性乳酸中毒症的治疗。DCA能通过抑制PDK去磷酸化激活丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase， PDH ），促进葡萄糖的氧化磷酸化，这一过程中释放大量的活性氧（reactive oxygen species， ROS）和细胞色素C，上调 K+通道电位，导致K+ 外流和caspase凋亡通路的活化，而进一步促进凋亡、抑制肿瘤细胞生长。基于这一原理，DCA作为抗癌药物的临床应用与开发将具有一定前景。Cao等 18报道了DCA增加了野生型和 Bcl-2过表达的前列腺癌细胞对放疗的敏感度，这种作用是
14、通过与Bcl-2相互作用增强了凋亡机制。Fiebiger等 19也报道了DCA 在体外能增加部分铂类药物卡铂、赛特铂及其代谢物JM118对化疗耐药的肺癌细胞株的敏感度。总之，通过DCA靶向PDK能增加肿瘤细胞对化疗、放疗的敏感度并且能克服药物耐药。但是DCA具有肝脏和外周神经毒性。4.3 siRNA设计国内一项研究采用干扰质粒降低结肠癌细胞LS174T 的PDK-1表达，检测了在不同浓度5-Fu作用下该组细胞和对照细胞的半数抑制浓度，结果表明 PDK-1干扰的LS174T细胞的IC50数值显著低于对照组细胞。说明抑制 PDK-1后结肠癌LS174T对5-Fu治疗更敏感，使结肠癌细胞在较低的药物
15、浓度下达到较高的凋亡率 20。5、结论肿瘤细胞的温伯格效应使肿瘤细胞倾向于糖酵解的方式获得能量，且肿瘤细胞中糖代谢由氧化磷酸化转化为糖酵解方式的比例变化与肿瘤细胞的恶性程度相关。丙酮酸脱氢酶作为连接糖酵解与氧化磷酸化的纽带，在肿瘤细胞的有氧糖酵解过程中起到了关键的作用。因此，通过调节丙酮酸脱氢酶活性，从而抑制肿瘤细胞的侵袭与转移，对于开发新型抗肿瘤药物靶点具有积极的作用。参考文献：1 Warburg O.On the origin of cancer cellsJ.Science,1956,123(3191): 309-14.2 Koike K, Ohta S, Urata Y, et al.
16、 Cloning and sequencing of cDNAs encoding alpha and beta subunits of human pyruvate dehydrogenaseJ. Proc Natl Acad Sci U S A,1988,85(1):41-5.3 Koike K, Ohta S, Urata Y, et al. Cloning and sequencing of cDNAs encoding alpha and beta subunits of human pyruvate dehydrogenaseJ. Proc Natl Acad Sci U S A,1988,85(1):41-5.4 Jeong JY, Jeoung NH, Park KG, et al. Transcriptional regulation of pyruvate dehydrogen
