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编译刘毅；审校缪长虹

在真核细胞中，细胞呼吸主要是有氧呼吸，但在某些情况下，细胞可以通过糖酵解发酵，以厌氧形式产生能量。OttoWarburg首先证明，即使在有氧条件下，增殖期的肿瘤细胞也可以消耗葡萄糖并产生乳酸。这种新型细胞代谢过程被认为是肿瘤的特征之一。年PhilippeIcard等在《DrugResistanceUpdates》杂志上发表题为《HowtheWarburgeffectsupportsaggressivenessanddrugresistanceofcancercells?》的综述，描述了肿瘤细胞中的Warburg效应，并讨论了如何更好地理解这种代谢转变，这可能有助于开发新的抗癌药物和治疗策略，以克服耐药性，现介绍如下。

肿瘤细胞中的Warburg效应

1.“Warburg效应”增强了糖酵解和谷氨酰胺分解以维持细胞增殖

当正常细胞氧化葡萄糖以提供ATP时，肿瘤细胞则使用大部分葡萄糖来产生用于细胞增殖的分子。为此，它们增加葡萄糖的消耗，并将其大部分转化为维持核苷酸和甘油三酯生物合成的各种分子。此外，肿瘤细胞消耗来自谷氨酰胺的谷氨酸（即谷氨酰胺分解），以产生分子，例如进入核苷酸生物合成的天冬氨酸和柠檬酸，提供用于脂肪酸生物合成和蛋白质乙酰化的乙酰辅酶A。因此，葡萄糖转运蛋白和谷氨酰胺酶1（GLS1）占据肿瘤代谢蛋白质组分子的大部分。

同一肿瘤的不同区域之间可能发生的显著细胞生长差异，营养素（葡萄糖、谷氨酰胺、脂肪酸等）利用度和O2浓度在这个过程中起主要作用。营养物质转化为合成代谢的“基本单位”和/或降解和/或细胞存活所需的ATP。合成代谢途径和分解代谢途径之间的交叉途径主要由丙酮酸激酶调控，丙酮酸激酶以PKM2重新表达。当PKM2失活时，合成代谢合成（糖酵解中的分支途径）得到促进；而当PKM2有活性时，磷酸诺基丙酮酸（PEP）转化为丙酮酸，从而产生一个ATP分子。糖酵解产生的ATP比肿瘤细胞中的线粒体快倍，并且PKM2可以将ATP的浓度调节至细胞增殖和细胞存活所需的范围。值得注意的是，PKM2反应可以通过不提供ATP的替代途径来绕过，这种旁路途径可能避免了产生过量的ATP（图1）。

图一：Warburg效应及其结局

2.Warburg效应促进了从氧化向还原代谢的转变

葡萄糖消耗增加导致细胞减少其氧化代谢，避免线粒体过度产生ATP和柠檬酸，否则它们会停止糖酵解，这是因为这些分子会下调PFK1水平。从氧化代谢转变为还原代谢（即葡萄糖发酵成乳酸盐）与丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）对丙酮酸脱氢酶（PDH）的抑制作用有关。PDH抑制作用会将TCA循环与糖酵解分开，并导致线粒体产生ATP和柠檬酸显著降低。PDK1由低氧诱导因子-1（HIF-1）和两个易位至线粒体的激酶Akt和多功能酶PGK1激活。线粒体丙酮酸载体的表达水平下降促进了TCA循环与糖酵解途径分离。HIF-1还反式激活了乳酸脱氢酶5（LDH5），将丙酮酸转化为由单羧酸转运蛋白4（MCT4）输出的乳酸盐。

Warburg效应的主要由HIF-1激活，其可以帮助细胞再缺氧的环境中存活。HIF-1允许通过增加葡萄糖转运、糖酵解和乳酸生成来适应缺氧状态，而它可以有利于自噬作用。重要的是，在O2存在的条件下，HIF-1也可以表达水平上调。HIF-1的上调取决于几个过程：a）缺氧、乳酸盐、富马酸盐和琥珀酸盐对脯氨酰羟化酶（PHD）失活的作用，PHD失活阻止了HIF-1降解；b）缺氧刺激下活性氧（ROS）的生成增加；c）由于缺乏线粒体NAD+而导致线粒体肿瘤抑制剂脱乙酰基酶sirtuin3（SIRT-3）的失活，SIRT-3促进HIF-1稳定化；以及d）通过NF-κB通路活化HIF-1的PKM2的上调。所有这些过程（HIF-1的活化和/或稳定化）产生正反馈，其进一步驱动糖酵解过程，消耗葡萄糖和生成乳酸。

值得注意的是，Warburg效应可以被Crabtree效应增强，Crabtree效应是当肿瘤细胞被提供大量葡萄糖时，发生OXPHOS抑制。这种效应与1,6-磷酸果糖（F1,6-BP）对OXPHOS复合物IV的失活作用有关。

3.Warburg效应减少线粒体产生ATP、柠檬酸盐、CO2和活性氧（ROS）

线粒体产生过量的柠檬酸和ATP会对细胞增殖不利。因此，Warburg效应可表现为避免线粒体产生过量的ATP和柠檬酸盐；ATP和柠檬酸盐是在不同水平（PFK1和PK）抑制糖酵解的两种分子。ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）的表达上调维持了低浓度的ATP和柠檬酸盐，促进肿瘤侵袭性，即抵抗细胞凋亡和去分化。因此，研究发现线粒体产生的ATP在低分化肿瘤细胞中会降低至50％。肿瘤细胞中ATP产生的减少也可能与呼吸链损伤有关，主要发生在ATP酶（复合体V）。

氧化代谢水平降低也减少了CO2的产生。ATP和CO2是细胞内H+的两个主要来源，其减少促进了肿瘤细胞中碱性pH（pHi）的建立（在7.12和7.65之间），比正常细胞稍微升高（在6.99-7.20之间）。应该注意的是，pH值是对数值，而略微的变化意味着H+浓度发生显著下降。几种膜交换剂（特别是Na+/H+交换1（NHE1））在将H+排入细胞外环境的肿瘤细胞中表达上调。碳酸酐酶（CA）会促进CO2的水合作用，有助于维持碱性pHi，因为HCO3-被碳酸氢钠共转运体重新捕获，同时H+被排泄。

值得注意的是，组蛋白去乙酰化有助于维持碱性pHi，因为当pHi低于7.0时，醋酸会离开染色质，并中和过高浓度的H+。碱性pHi是细胞增殖的必要条件，因为它可将PFK1的活性提高倍，同时降低丙酮酸氧化水平。此外，它有助于绕过细胞周期检查点，并有利于中心体周围的有丝分裂和微管聚合的启动。碱性pHi也是肿瘤侵袭性的因素，因为它限制了细胞凋亡，并使p53等蛋白质失活，抑制TP53诱导型糖酵解和凋亡调节剂（TIGAR），TIGAR会保持糖酵解活化剂果糖-2,6-二磷酸盐水平处于低水平。

由外排转运蛋白P-糖蛋白介导的多药耐药性（MDR）也依赖于pH值改变。在肿瘤细胞中，细胞膜两侧形成的反向pH梯度减少了弱碱性抗癌药物向细胞的扩散；这包括蒽环类多柔比星、柔红霉素和米托蒽醌。此外，细胞外酸性环境可能会增加外排泵的功能，将化疗药物排出细胞外。

Warburg效应会使线粒体的活性下调，这一过程限制了ROS的生成，并维持ROS的水平对肿瘤细胞处于无毒或致死的浓度范围。这一过程与各种现象密切相关，如炎症、细胞生长、表观遗传变化、基因组不稳定性和DNA损伤、上皮间质化（EMT）、血管生成和肿瘤细胞播散。值得注意的是，超氧阴离子O2-促进了细胞内碱性环境，而H2O2会激活HIF-1。线粒体活性降低也限制了细胞质中H2O2的产生：轻微的渗透性膨胀会促进细胞增殖和迁移，而过度膨胀可能具有破坏性。

总之，Warburg效应限制了ATP、柠檬酸盐、CO2、ROS和H2O2的生成，其浓度范围适应细胞增殖和存活相。它进一步促进了细胞生长、侵袭和MDR的适宜pH环境的构建（图1）。

4.Warburg效应会影响烟酰胺辅因子水平

Warburg效应会影响对于细胞代谢和肿瘤细胞增殖至关重要的两种关键的烟酰胺辅因子NADPH，H+和NAD+。H+辅因子NADPH，由戊糖磷酸途径的氧化途径（PPP）、苹果酸酶（ME）和脱氢酶（如IDH）生成。跨膜蛋白NADPH氧化酶（NOX）、核苷酸和脂质的从头生物合成会消耗大量的NADPH，H+。该过程显著降低了用于重构还原型谷胱甘肽的辅因子水平，会保护细胞免受ROS的毒性损伤，尤其是在DNA复制期间的细胞损伤。因此，缺乏NADPH，H+会导致基因组损伤和抗细胞凋亡，因为氧化还原细胞色素C保持灭活状态。

NAD+水平与烟酰胺磷酸核糖基转移酶（NAMPT）对NAD+的生物合成以及其消耗。Warburg效应减少了线粒体产生NAD+，这会使PDH、琥珀酸脱氢酶（SDH）和SIRT-3和-5功能失活，使HIF-1稳定。同时，苹果酸脱氢酶和LDH-5的活性得到增强。多种过程会消耗NAD+，诸如糖酵解的非氧化部分、嘧啶合成、组蛋白的脱乙酰化、表面蛋白CD38充当环状ADP的核糖水解酶、多聚合酶1（ADP-核糖）支持的DNA修复（PARP1）以及SIRT1对半胱天冬酶的灭活作用等等。NAD+生成和消耗的变化会促进不同细胞表型的发生。例如，缺乏NAD+（由于过度消耗或回收不足）可能有利于致癌作用，特别是昼夜节律控制的丧失和PARP1（促进DNA损伤）和/或SIRT1（促进线粒体活性下调）失活。

5.Warburg效应控制细胞增殖和能量状态

在血供丰富的肿瘤组织内，细胞会消耗大量的O2、葡萄糖和营养物质。这种情况允许细胞处于高能量（ATP/ADP、NADH、H+/NAD+）和高增殖状态。相反，有限的血供会限制O2和营养物质的利用；因为没有血管，这些必需分子的扩散只能在非常短的距离内进行。这种有限的血液供应降低了细胞增殖水平，但选择出了对放疗和细胞毒性药物特别有抵抗力的耐药细胞。分解代谢功能会促进缺氧细胞的存活，并增强糖酵解的末端部分，产生ATP和LDH-5（图2）。

缺氧会影响肿瘤细胞维持柠檬酸生物合成的能力。尽管IDH的频繁突变增加了2羟基戊二酸（2-HG）的生成，但羟基戊二酸（2-HG）是改变组蛋白和DNA的甲基化的致癌物，该分子可以通过替代的胞质反异柠檬酸脱氢酶（IDH2）途径产生。因此，IDH途径对柠檬酸生产的净贡献不明，可能很低。然而，乙酰辅酶A可以通过乙酰辅酶A合成酶（ACSS2），由乙酸直接合成；并且该反应会消耗ATP（如ACLY）。在缺氧细胞中，ATP/ADP比值下降会刺激AMP激活的蛋白激酶（AMPK）通路，促进自噬和线粒体自噬过程。自噬作用由GAPDH刺激，GAPDH也可以保护细胞免受半胱天冬酶依赖性细胞死亡过程（CICD）。肿瘤细胞可以利用这种方式，使用糖酵解和自噬作用来抵御不利的环境条件。AMPK还可以促进脂肪酸β-氧化（FAO），赋予肿瘤细胞在低葡萄糖浓度的肿瘤区域中存活和增殖的能力。FAO会促进乙酰辅酶A和/或酮体的生成，例如β-羟基丁酸（β-OHB）。后者可以刺激肿瘤生长，作为氧化能源，但它可能通过抑制组蛋白脱乙酰酶（HDAC），而在高浓度下具有抗肿瘤作用（图2）。

最后，不同的细胞能态（通过ATP/ADP、NADH、H+/NAD+的比例反映）有利于相同肿瘤中的异质肿瘤细胞表型的产生。这种代谢的可塑性使肿瘤细胞能够适应微环境中发生的代谢变化。

图二：肿瘤细胞之间的合作

6.Warburg效应维持了促进肿瘤细胞存活的异常分支途径

Warburg效应会刺激或下调糖酵解途径或TCA循环的几种分支途径。线粒体SIRT3和SIRT5的失活会抑制鸟氨酸转氨甲酰酶（OTC）和精氨琥珀酸合酶1（ASS1）。尿素循环的这种抑制作用会导致生成过量NH4+、一氧化氮（NO）和多胺。所有这些产物会通过多种机制，促进肿瘤细胞增殖。

相关的其他分支途径是：a）己糖胺途径，消耗葡萄糖、谷氨酰胺和乙酰-CoA；会产生支持蛋白质折叠和运输的尿苷二磷酸N-乙酰葡糖胺（UDP-GlcNac）；b）由二羟丙酮磷酸（DHAP）维持的甲基-乙二醛途径产生D-乳酸，也可以作为线粒体原料。此外，甲基乙二醛是一种有毒分子，也参与了MDR的表型；甲基乙二醛过量表达与MDR相关；c）甘油三酯合成，原料为甘油磷酸酯；脂质从头生物合成是生物膜形成的基本特征；d）甘氨酸和琥珀酰辅酶A支持血红素生物合成途径，这是呼吸链的细胞色素所必需的；e）异常胶原的合成，促进细胞外基质（ECM）形成；由脯氨酸和谷氨酰胺合成维持。最后，所有这些分支途径都会促进异常代谢，从而促进肿瘤细胞增殖和侵袭性。

7.Warburg效应会影响表观基因组和整组遗传基因

Warburg效应提供了组蛋白乙酰化/去乙酰化的各种模式，作为表观遗传重塑过程，能够修饰染色质结构和功能，从而影响基因表达。组蛋白的乙酰化状态是因依赖于ACLY活性的各种组蛋白乙酰转移酶（HAT）的活性与NAD+依赖性脱乙酰酶SIRT1的功能（例如SIRT1）之间的不平衡所导致的。

Warburg效应会改变DNA的甲基化和乙酰化状态，及其结构和功能。它会促进糖酵解分支丝氨酸-甲硫氨酸途径的活化，其产生DNA和多胺生物合成的甲基。后一种合成过程可能参与了肿瘤细胞基因组的低甲基化状态，这种状态有利于基因组的不稳定性、染色体断裂、易位和等位基因丢失。

值得注意的是，因TCA循环失活和/或SDH、FH和IDH突变而造成的各种代谢物的累积，包括琥珀酸盐、富马酸盐和2-HG，会促进甲基化过程。事实上，这些代谢物会抑制脱甲基酶的两个家族：α-酮戊二酸依赖性JmjC家族和FAD依赖性LSD家族，尽管一些研究报道了这些脱甲基酶功能的丧失。最后，这些癌基因代谢物可能参与“CpG岛”的局部超甲基化，这是一个有利于肿瘤抑制基因失活的过程。值得注意的是，甲基化胞嘧啶自发脱氨化成胸腺嘧啶，会导致内源性点突变，该过程在各种癌症中经常发生。

8.Warburg效应有利于建立抑制免疫应答的肿瘤生态系统

肿瘤细胞分泌的代谢产物和废物（L-乳酸、CO2、H+、NH4+、NO、丁酸、多胺、ROS等）会产生适合细胞生活的酸性微环境，通过各种途径促进血管生成和EMT等过程。ROS和HIF可通过单羧酸转运蛋白4（MCT4），在肿瘤相关成纤维细胞（CAF）中促进乳酸盐的“逆转Warburg效应”。乳酸可被表达MCT1的肿瘤细胞捕获，以产生丙酮酸。最后，Warburg效应（正常或逆转）会促进一个复杂的生态系统的形成，在这个生态系统中，CAF产生能量丰富的分子（如乳酸和谷氨酰胺），用于肿瘤细胞的发育。

肿瘤细胞通过以下几个过程，来逃避免疫破坏：a）分泌乳酸抑制免疫反应，而肿瘤细胞对葡萄糖的亲合力使效应T细胞和树突细胞（DC）失活。在缺乏葡萄糖的情况下，肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）不能通过急性炎症和干扰素γ的分泌来破坏肿瘤细胞，而程序性死亡配体-1（PD-L1）会刺激肿瘤细胞的糖酵解和Akt途径。琥珀酸盐和柠檬酸盐会影响肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）和DCs的功能。具有促炎和抗癌作用的M1巨噬细胞依靠糖酵解和异常的TCA循环，会导致柠檬酸盐和琥珀酸盐累积。柠檬酸累积会使急性炎症介质（NO，ROS和前列腺素）的生成增加，而琥珀酸会诱导IL-1β（一种炎性分子）的产生。相反，M2巨噬细胞通过分泌TGFβ促进肿瘤发育和血管生成，该过程依赖于OXPHOS和完整的TCA循环。

结论和展望

Warburg效应是肿瘤的关键特征之一，其使得肿瘤细胞能够存活、生长和扩散，并帮助肿瘤细胞在免疫系统的持续攻击和联合化疗的恶劣微环境中继续存活。对Warburg效应的全面了解能够帮助我们提出并测试新的针对Warburg的治疗方案；可以单独使用，或与传统的化疗相结合。如为了提高化疗的有效性，在药物给药过程中调节葡萄糖摄入，在化疗前和化疗期间的减少葡萄糖摄入可能会提高细胞应激水平，从而可以增强细胞毒性药物的有效性。今后的研究中需进一步利用当前可用的疗法与靶向Warburg效应相结合，从而为改善肿瘤患者预后提供依据。

（编译刘毅；审校缪长虹）

原始文献：

IcardP,ShulmanS,FarhatD,SteyaertJM,AlifanoM,LincetH.HowtheWarburgeffectsupportsaggressivenessanddrugresistanceofcancercells?DrugResistUpdat.May;38:1-11.

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