己糖激酶與惡性腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

1、    【關(guān)鍵詞】  己糖激酶腫瘤糖酵解大多數(shù)正常組織在有氧時(shí)通過糖的有氧分解獲取能量，只有在缺氧時(shí)才進(jìn)行無氧糖酵解。腫瘤組織則即使在氧供充分的條件下也主要是以無氧糖酵解獲取能量。這與瘤細(xì)胞線粒體的功能障礙，以及瘤細(xì)胞的酶譜變化，特別是糖酵解關(guān)鍵酶活性增加和同工酶譜的改變有關(guān)。己糖激酶(Hexokinase,HK)是糖酵解途徑中的第一個(gè)酶,也是腫瘤組織中糖酵解的限速酶,它在腫瘤組織中表達(dá)的量及活性的增加,使得腫瘤組織在乏氧的情況下,仍能保證足夠的能源,并且糖酵解的許多中間產(chǎn)物可以被瘤細(xì)胞所利用,用來合成蛋白質(zhì)、核酸及脂類等，從而為瘤細(xì)

2、胞本身的生長和增生提供了必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文就己糖激酶的特性在腫瘤中的表達(dá)特點(diǎn)和機(jī)制,以及相關(guān)的治療進(jìn)展作一綜述。    1  己糖激酶在正常組織中的性質(zhì)    己糖激酶是催化己糖使之磷酸化的酶，它是糖酵解途徑的第一個(gè)酶,也是糖酵解途徑的限速酶。在哺乳類動(dòng)物的體內(nèi)，一共有四種亞型的己糖激酶 (HK)，它們各自有一定的組織特異性。型主要存在于腦組織中，型是胰島素敏感型的，主要存在于脂肪及肌組織中。除上述幾種組織外,、型在其他各種組織中亦有少量的表達(dá)。型在肝、腎和腸組織中有微量的表達(dá)。HK僅在肝和胰中存在，也就是我們所

3、熟知的葡萄糖激酶，把它稱作HK有一定的誤解，因?yàn)樗墒蛊渌募禾橇姿峄?。在某種具體的組織中, HK各型之間的配比也隨著年齡的變化而變化。如在新生鼠的肝組織中, HK是占優(yōu)勢的,而在成年鼠的肝組織中,其含量卻是微乎其微的; 而且在新生鼠的肝組織中,基本不表達(dá)HK,但隨著年齡的增長,其含量會逐漸增多。、型分子量相似約為100 kDa，而型的分子量約為50 kDa。HK C端與N端的序列有30%的同源性，這也暗示HK、 、和可能是由最初的50 kDa的己糖激酶片斷復(fù)制、融合而成。    用ATP的同功異質(zhì)體（8azinoATP）處理HK后,HK可以被限制性蛋白水解酶水解成48和5

4、2 kDa的兩個(gè)片斷，這說明了HK酶的活化位點(diǎn)在C端的那一半序列上。用葡萄糖的同功異質(zhì)體標(biāo)記HK可以得到同樣的結(jié)果。但 Ardehali等 1實(shí)驗(yàn)證實(shí): HK的N端及C端序列都各有一個(gè)催化位點(diǎn),這一點(diǎn)與HK的單催化位點(diǎn)是不相同的。    2  己糖激酶與惡性腫瘤    2.1  己糖激酶在惡性腫瘤中的表達(dá)    70多年前Warburg就發(fā)現(xiàn)了腫瘤的高糖代謝的特點(diǎn)。腫瘤細(xì)胞中大約60的ATP來源于糖酵解途徑,在切除的肺、胃腸及乳腺惡性腫瘤的組織中已經(jīng)證實(shí)其HK的含量是增高的,并且在乳腺癌中已經(jīng)發(fā)

5、現(xiàn)，當(dāng)病灶發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，HK的活性會更高。也有研究報(bào)道，腎腫瘤組織中HK的活性會增加，而且會發(fā)生相應(yīng)亞型的變化2。    實(shí)驗(yàn)證實(shí)在四種HK的同工酶中, HK 與腫瘤相關(guān)性最大。Sebastian和Kenkare3通過RTPCR的方式發(fā)現(xiàn)很多腫瘤細(xì)胞系中都有HK RNA的誘發(fā)和過表達(dá)。HK RNA也有不同程度增加。至于HKmRNA,只在肝和胰腺腫瘤中有發(fā)現(xiàn),且親和力低。    現(xiàn)已有很多關(guān)于肝癌組織中HK表達(dá)水平的研究，這些研究表明肝癌的發(fā)展同時(shí)伴有HK轉(zhuǎn)化成HK和4，并且其活性及其與線粒體結(jié)合(即己糖激酶的微粒形式)的比率都有增加。  

6、;在鼠肝癌的模型中發(fā)現(xiàn),正常肝細(xì)胞中的HK會被另一種催化反應(yīng)速度的HK所代替。這種新型的HK并沒有在腫瘤的前期病變（透明細(xì)胞性、嗜堿細(xì)胞性、混合細(xì)胞性病灶）中出現(xiàn)，這一點(diǎn)說明它的基因轉(zhuǎn)換只在混合細(xì)胞病灶/癌變階段出現(xiàn)。HK可以由疏水作用色譜分成兩種亞型(HKa and b)，它們的比率可隨轉(zhuǎn)化階段的不同而改變，在分化好的瘤細(xì)胞中HKa會更高一些。在苯基瓊脂糖凝膠上可通過疏水作用色譜將Morris肝癌細(xì)胞中的HK分成兩種亞型。HKb在胞漿和與線粒體結(jié)合的形式(即微粒型)中都是占絕對優(yōu)勢的，不過ba的比率在微粒形式中(68)要高于胞漿中(1.52)。HKa 和 HKb的分子量都是110千道爾頓，但

7、是它們的酶催化反應(yīng)速度常數(shù)以及在G6p和1,6二磷酸葡萄糖作用下的抑制常數(shù)是不一樣的。利用Northern blot的方法可以發(fā)現(xiàn)HK有兩種不同的mRNA轉(zhuǎn)錄子，這也說明HKa and b是起源于不同的RNA轉(zhuǎn)錄和/或處理。    2.2  惡性腫瘤中, HK與線粒體結(jié)合的特點(diǎn)    正常組織中, 游離型的HK是占絕對優(yōu)勢的(腦組織中除外，其微粒型的HK占70%以上)。而在腫瘤組織中,微粒型HK的比率明顯增加。    有實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示5,在通常情況下，線粒體結(jié)合的HK會優(yōu)先使用線粒體所產(chǎn)生的ATP。但是當(dāng)線粒體外產(chǎn)生

8、的ATP（糖酵解）超過線粒體內(nèi)時(shí)（氧化磷酸化），與線粒體結(jié)合的HK會使用線粒體外產(chǎn)生的ATP。這些結(jié)果表明微粒型的HK是糖酵解和氧化磷酸化之間的一個(gè)橋梁。HK和可以通過N端尾部的15個(gè)疏水的氨基酸與線粒體結(jié)合, 但是HK 和則不能。 惡性腫瘤細(xì)胞相對于正常細(xì)胞而言，其線粒體具有更高的HK結(jié)合能力。有實(shí)驗(yàn)對比了肝的良惡性細(xì)胞之間, HK與線粒體結(jié)合位點(diǎn)的差異6。 試驗(yàn)結(jié)果表明惡性腫瘤細(xì)胞株AH130中的三種孔蛋白(VDAC1、VDAC2和VDAC3)，比正常細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄水平要高的多。說明這種結(jié)合能力的差異, 并不是由于結(jié)合位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致的，而是由于結(jié)合位點(diǎn)數(shù)量的差異造成的。 

9、60; 有關(guān)與線粒體結(jié)合的HK的另一個(gè)進(jìn)展是，它可以促進(jìn)蛋白的合成，這一點(diǎn)在增生活躍的細(xì)胞中更明顯7。因?yàn)榕c線粒體結(jié)合的HK除了能更有效的利用ADP外，它也會產(chǎn)生ATP來促進(jìn)三羧酸循環(huán)，由此可以使三羧酸循環(huán)中的一些中間產(chǎn)物比如谷氨酸、丙氨酸、天門冬氨酸等增多。而且，與線粒體結(jié)合的HK可以保護(hù)細(xì)胞免于調(diào)亡/死亡8，有研究表明，Akt(絲/蘇氨酸激酶)可以促進(jìn)HK與線粒體的結(jié)合9。兩者在致癌方面有協(xié)同作用。    盡管現(xiàn)在普遍認(rèn)為HK的微粒形式是源于它與線粒體的結(jié)合，但也有少數(shù)人認(rèn)為是HK與微球蛋白相結(jié)合的結(jié)果。相關(guān)的爭論仍在繼續(xù)。    3 &#

10、160;惡性腫瘤中己糖激酶表達(dá)增高的機(jī)制    HK尤其是HK 對于快速生長的腫瘤的代謝行為來說是至關(guān)重要的。HK表達(dá)的增多， 從基因水平上而言，首先是其基因復(fù)制的增多。 Rempel等10在鼠肝癌細(xì)胞系A(chǔ)S30D中證實(shí)HK基因的拷貝數(shù)比正常的鼠肝細(xì)胞增加510倍。限制片斷長度多態(tài)性分析表明HK 基因并沒有重排，這也就說明基因數(shù)量的增多是建立在原基因穩(wěn)定擴(kuò)增的基礎(chǔ)上的。    就基因水平,另一個(gè)重要的原因就是HK的啟動(dòng)子有廣泛的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)激活途徑。AS30D中HK啟動(dòng)子可以被胰島素，乏氧環(huán)境及佛波酯所激活，這也說明腫瘤中HK啟動(dòng)子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)途徑是比

11、較混亂的11。HK的啟動(dòng)子也可由突變型的p53反式激活。 p53亦可以通過突變而減弱對細(xì)胞周期的控制，因此而進(jìn)一步促進(jìn)HK基因的轉(zhuǎn)錄。 的基因啟動(dòng)子附近的一個(gè)狹小區(qū)域中富含各種反應(yīng)元件,它們可以分別和Sp1、Sp2、Sp3、CREB及 NFY等蛋白結(jié)合,使啟動(dòng)子活化。這段序列對于腫瘤中HK的過表達(dá)有著重要的意義12。 另有一些實(shí)驗(yàn)表明缺氧誘導(dǎo)因子1(HIF1 alpha)  與HK的水平是密切相關(guān)的13。 在肝癌細(xì)胞的基因啟動(dòng)子的遠(yuǎn)端有兩個(gè)可結(jié)合缺氧誘導(dǎo)因子的區(qū)域,且在缺氧的環(huán)境下, 啟動(dòng)子的活性可增加到三倍。    另外,最近也有文獻(xiàn)表明HK在腫瘤中的

12、表達(dá),與其基因甲基化程度有關(guān), 即甲基化程度越高越不利于HK的表達(dá)14 。    在蛋白水平，發(fā)現(xiàn)HK活性的增強(qiáng)同HK與線粒體的結(jié)合水平有關(guān)。腫瘤中大多數(shù)的HK是與線粒體的孔蛋白相結(jié)合的，由此它可以優(yōu)先利用線粒體產(chǎn)生的ATP。Mg2+和Pi可以阻礙G6P對HK的溶解作用，堿性的增加則可提高HK與線粒體的結(jié)合，如將膠質(zhì)瘤細(xì)胞內(nèi)的pH值從6提高到8，發(fā)現(xiàn)微粒型的HK片斷從61%提高到81%。    4  有關(guān)己糖激酶在腫瘤治療方面的進(jìn)展    腫瘤特征性的糖代謝,使得這些糖代謝的酶類,就像腫瘤中其他

13、的生物行為的調(diào)節(jié)因子一樣，最近也引起了人們的關(guān)注。從理論上而言，一定程度的抑制或影響這類調(diào)節(jié)因子，可以影響腫瘤的能量代謝，而正常細(xì)胞不受影響。    很早以前就知道氯尼達(dá)明可以通過抑制HK和線粒體結(jié)合,來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞調(diào)亡。而2去氧葡糖以及3溴化丙酮酸(3bromopyruvate),作為HK的抑制劑,在早期的動(dòng)物試驗(yàn)中已經(jīng)有了可喜的結(jié)果15,16。在兔VX2的肝癌模型中，發(fā)現(xiàn) VX2腫瘤植入兔子的肝臟組織后，有很高的HK表型。而且2去氧葡糖以及3 溴丙酮酸能最大程度的抑制其糖酵解水平。前者主要是抑制那些被HK 磷酸化產(chǎn)物的進(jìn)一步代謝。而后者可以直接耗竭HK的儲備,從而影響腫

14、瘤的代謝。在體外的肝癌細(xì)胞系中，也可以證實(shí)，兩者皆可促進(jìn)細(xì)胞的死亡。    HK是唯一的一種和線粒體結(jié)合的酵解酶，鋰可以使HK從線粒體上分離出來，從而抑制B16黑色素瘤細(xì)胞的增生，亦為藥物治療提供了新的方向17。    體外研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)生長因子可以抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤的增生，有關(guān)它的評定指標(biāo)如HK和葡萄糖6磷酸脫氫酶，也明顯降低。推測這兩者是通過糖酵解和戊糖磷酸路徑來影響核酸的合成,從而抑制腫瘤生長的18。    有關(guān)腫瘤中己糖激酶的特點(diǎn)和機(jī)制,前人已經(jīng)做了大量的工作,但其詳細(xì)的分子生物學(xué)機(jī)制及潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值仍需進(jìn)一步的探索。 盡管如此

15、,現(xiàn)有的資料已充分表明,它為腫瘤的治療提供了契機(jī),很可能成為當(dāng)今腫瘤研究的一個(gè)新熱點(diǎn)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】  1 Ardehali H, Yano Y, Printz RL, et al. Functional organization of mammalian hexokinase . Retention of catalytic and regulatory functions in both the NH2 and COOHterminal halvesJ. J Biol Chem, 1996,271(4):18491852.2 Adams V, Kempf W, Hassa

16、m S, et al. Determination of hexokinase isoenzyme I and by RTPCR: increased hexokinase isoenzyme in human renal cell carcinomaJ. Biochem Mol Med, 1995,54(1):5358.3Sebastian S, Kenkare UW. Expression of two type like tumour hexokinase RNA transcripts in cancer cell linesJ.Tumour Biol, 1998,19(4):2532

17、60.4 Mazurek S, Eigenbrodt E, Failing K, et al. Alterations in the glycolytic and glutaminolytic pathways after malignant transformation of rat liver oval cellsJ.J Cell Physiol, 1999,181(1):136146. 5 Shinohara Y. Identification and characterization of hexokinase isozyme predominantly expressed in ma

18、lignant tumor cells. Yakugaku Zasshi, 2000,120(8):657666.6 Shinohara Y, Ishida T, Hino M, et al. Characterization of porin isoforms expressed in tumor cellsJ. Eur J Biochem, 2000,267(19):60676073.7 GolshaniHebroni SG, Bessman SP. Hexokinase binding to mitochondria: a basis for proliferative energy m

19、etabolismJ. J Bioenerg Biomembr, 1997,29(4):331338. 8 Robey RB,Hay N.Mitochondrial hexokinases: guardians of the mitochondriaJ.Cell Cycle, 2005,4(5):654658. 9 Pastorino JG,Hoek JB,Shulga N.Activation of glycogen synthase kinase 3beta disrupts the binding of hexokinase to mitochondria by phosphorylat

20、ing voltagedependent anion channel and potentiates chemotherapyinduced cytotoxicityJ.Cancer Res, 2005,65(22):1054510554.10Rempel A, Mathupal SP, Griffin CA, et al. Glucose catabolism in cancer cells: amplification of the gene encoding type hexokinaseJ.Cancer Res. 1996 Jun 1;56(11):246871.11Mathupala

21、 SP, Rempel A, Pedersen PL. Aberrant glycolytic metabolism of cancer cells: a remarkable coordination of genetic, transcriptional, posttranslational, and mutational events that lead to a critical role for type hexokinaseJ.J Bioenerg Biomembr, 1997,29(4):339343. 12Lee MG, Pedersen PL. Glucose metabol

22、ism in cancer: importance of transcription factorDNA interactions within a short segment of the proximal region og the type hexokinase promoterJ. J Biol Chem, 2003,278(42):4104741058.13Mathupala SP, Rempel A, Pedersen PL. Glucose catabolism in cancer cells: identification and characterization of a marked activation response of the type hexokinase gene to hypoxic conditionsJ. J Biol Chem, 2001,276(46):4340743412.14Goel A, Mathupala SP, Pedersen PL. Glucose metabolism in cancer. Evidence that demethylation events play a role in activating type