第六节　代谢异常与调控

肿瘤是一种旺盛增殖的组织，为满足细胞快速增长和分裂的需要，其细胞内物质代谢发生了一系列特征性改变，表现为组成细胞基本结构的物质如蛋白质、脂类和核酸的合成十分旺盛，相反，氨基酸和核苷酸的分解代谢则显著降低，导致合成代谢和分解代谢的平衡失调。

一、糖代谢与瓦尔堡效应

（一）糖代谢主要通路

1.糖代谢主要通路

葡萄糖是细胞最重要的能量物质来源，葡萄糖在细胞内的经典代谢通路如图3-6-1所示，葡萄糖代谢有三种关键酶：己糖激酶（hexokinase，HK）、磷酸果糖激酶1（phosphofructokinase 1，PFK1）、丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）。首先，葡萄糖被Na+依赖的葡萄糖转运体从血流中主动运输进入细胞，随即被HK磷酸化生成6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate，G6P）。G6P作为关键代谢中间产物，位于两种主要代谢途径——糖酵解途径和戊糖磷酸途径（pentose phosphate pathway，ppp）的分支点。当细胞中NADP +/NADPH比率增高时，G6P倾向于进入ppp，被6-磷酸葡萄糖脱氢酶催化脱氢，生成5-磷酸核糖和NADPH。如果细胞中ATP水平降低，G6P将被磷酸葡萄糖异构酶变构为6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate，F6P），倾向于进入糖酵解途径。随着ATP能量被消耗，F6P受PFK1催化生成1，6-二磷酸果糖（fructose-1，6-bisphosphate，F1，6-BP），该步骤是糖酵解过程中的关键调控步骤。

醛缩酶进一步将F1，6-BP分解生成两分子内糖磷酸二羟丙酮（dihydroxyacetone-P）和3-磷酸甘油醛（glyceraldehyde-3-phosphate，GA3P）。前者在磷酸丙糖异构酶的催化下转化为GA3P，继续进行酵解。随后，GA3P脱氢氧化生成1，3-二磷酸甘油酸（1，3-bisphosphoglycerate，1，3-BPG），此步由甘油醛脱氢酶催化，并生成NADH。1，3-BPG由磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase，PGK）催化生成3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3-PG），3-PG被磷酸甘油酸转位酶（phosphoglycerate mutase，PGM）转变为2-磷酸甘油酸，进一步由烯醇化酶催化生成磷酸烯醇式丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）。

最后，PEP被PK催化生成丙酮酸（pyruvate，Pyr）。如果丙酮酸不进入线粒体途径被利用，将被细胞质中的乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）转变为乳酸。乳酸则通过分布于胞膜的单羧基转运体分泌至胞外，进入血液循环，到达肝脏后通过糖异生作用，转变成肝糖原或血糖，形成乳酸循环。

2.细胞的能量产生方式

总体来说，细胞产生ATP的方式有两种：细胞质中不依赖于氧的糖酵解途径、线粒体中依赖于氧的氧化磷酸化途径（oxygendependent oxidative phosphorylation，OXPHOS）。糖酵解途径是从葡萄糖开始分解生成丙酮酸的过程，生物在无氧条件下，能够通过糖酵解产生ATP与还原型辅酶NADH。NADH在糖酵解、三羧酸循环、β氧化等多个代谢过程均有产生，它含有极高电极电势的电子，在氧化时将释放出大量能量。在氧化磷酸化途径中，线粒体内膜上的酶类通过氧化NADH释放能量，泵送质子穿过线粒体内膜，从而产生跨膜电化学梯度，ATP合酶利用势能产生ATP。

两种途径在ATP生产过程中的占比由细胞供氧情况和线粒体功能状态决定。在供氧充分、线粒体功能正常时，丙酮酸进入线粒体，生成乙酰辅酶A，通过三羧酸循环氧化，再通过电子传递链产生大量ATP。正常生理条件下，细胞所需的绝大多数ATP通过线粒体氧化磷酸化途径产生，而肿瘤细胞的糖代谢则发生明显改变。

（二）瓦尔堡效应

1.定义

在正常组织中，约90%的ATP来源于线粒体的氧化磷酸化途径，仅10%来源于糖酵解途径。与之相反，恶性肿瘤细胞的糖酵解明显增强，即使在氧气供应充足的条件下，大多数来自糖酵解的丙酮酸被引导离开线粒体，通过乳酸脱氢酶作用产生乳酸，该现象称为有氧糖酵解或瓦尔堡效应（Warburg effect）。

2.产生机制（图3-6-2）

在CRC组织中，瓦尔堡效应的产生有多方面因素，其中，癌基因MYC、抑癌基因P53、转录因子HIF-1和AKT激酶等对于促成肿瘤瓦尔堡效应的细胞代谢调控至关重要。癌基因MYC的激活将上调糖酵解相关分子表达，如葡萄糖转运蛋白1、HK和LDH，使糖酵解代谢增强；RAS等癌基因信号、肿瘤微环境中的HIF-1可能作用于糖酵解相关基因，从而增加肿瘤细胞糖酵解流量。HIF-1可以激活PDK1基因表达，进而抑制PDH，限制丙酮酸进入线粒体产生ATP。AKT上调葡萄糖转运蛋白1水平，增强HK与线粒体结合。

肿瘤抑制因子P53则发挥相反的抑制作用，通过调控HKⅡ、PGM和TIGAR表达抑制糖酵解。TIGAR是磷酸果糖激酶PFK2的一个亚型，能够降低细胞内2，6-二磷酸果糖水平，而后者为糖酵解关键限速酶PFK1的主要变构激活剂，因此P53能够通过激活TIGAR，抑制PFK1的激活，减少糖酵解代谢。P53还能够通过转录调控细胞色素C氧化酶2，促进线粒体功能的行使。AMP依赖激酶（AMP-dependent kinase，AMPK）对糖酵解的调控功能也部分通过激活P53实现。P53功能缺失的肿瘤细胞糖酵解功能将增加，线粒体呼吸作用减弱，导致代谢重编程的发生。

3.对肿瘤组织的影响

瓦尔堡效应支持肿瘤细胞不受控增殖的生物合成需求。在糖酵解明显增强，ATP产生效率降低的情况下，葡萄糖代谢产生的大量中间产物成为支持肿瘤细胞合成代谢的碳源物质。肿瘤细胞利用这些碳源物质进行核苷酸、脂质和蛋白质的快速合成，以支持其迅速生长和增殖。

瓦尔堡效应为多细胞环境中的癌细胞生长提供优势。瓦尔堡效应的特点是每分子ATP的产酸量高，乳酸分泌、葡萄糖代谢升高会降低肿瘤微环境pH。现代癌症进展假说认为，肿瘤细胞拥有比正常细胞更强的排酸能力，保护其细胞内结构免受酸累积的破坏。因此，pH较低的胞外环境能够促进肿瘤细胞生长发育，而不利于正常细胞生存。同时，糖酵解（即产酸）强度与肿瘤侵袭性成正相关关系，肿瘤分泌的乳酸能够促进M2组织相关巨噬细胞极化，推动肿瘤免疫逃逸的发生。

（三）糖代谢作为肿瘤抑制靶点

研究表明，对KRAS突变的结肠癌细胞系，葡萄糖代谢抑制剂如HIF-1α抑制剂、MCT1抑制剂和葡萄糖转运蛋白1抑制剂均有较好的抑制效果。进一步地，糖酵解抑制剂可以与血管生成抑制剂联合用药，改善CRC细胞对血管生成抑制剂的耐药情况。糖代谢作为肿瘤抑制靶点，可以促进肿瘤细胞的凋亡，抑制其生长与传播。

二、脂质代谢与调控

（一）脂质代谢主要通路

1.甘油三酯分解代谢

甘油三酯是体内储量最大和产能最多的能源物质。甘油三酯的分解代谢从脂肪动员开始。储存在脂肪细胞中的脂肪在脂肪组织甘油三酯脂肪酶、激素敏感性脂肪酶和脂滴包被蛋白-1等脂肪酶的作用及激素调节下，可逐步水解并释放出游离脂肪酸和甘油供其他组织氧化利用。在细胞中，甘油可被甘油激酶催化生成3-磷酸甘油，再脱氢生成磷酸二氢丙酮，进入糖分解或糖异生途径被利用；而脂肪酸也可通过各种氧化分解途径为细胞供能。

β氧化途径是人体细胞内脂肪酸分解代谢的主要途径。在脂酰CoA合成酶的作用下，脂肪酸先被活化生成脂酰CoA，接着经过肉碱穿梭转运进入线粒体中进行β氧化。在β氧化的过程中，转运入线粒体的脂酰CoA将进行“脱氢、加水、再脱氢、硫解”的4步反应循环，每次生成1分子乙酰CoA和缩短二碳的脂酰CoA，后者继续循环直至全部生成乙酰CoA。脱氢生成的FADH2、NADH经呼吸链氧化，与ADP磷酸化耦联，产生ATP供细胞利用；生成的乙酰CoA主要在线粒体通过三羧酸循环彻底氧化。

在肝脏内，脂肪酸可氧化分解成乙酰乙酸、β-羟基丁酸和丙酮，这类产物称为酮体，可在肝外组织的线粒体中被利用。葡萄糖供应充足的情况下，脂肪合成代谢增强，分解代谢减少，酮体生成减少；反之则酮体生成增加。

2.甘油三酯合成代谢

肝、脂肪组织及小肠是甘油三酯合成的主要场所。甘油和脂肪酸作为合成甘油三酯的原料，主要来源于食物及葡萄糖分解代谢的中间产物。脂肪酸先活化生成脂酰CoA，然后于小肠黏膜细胞通过甘油一酯途径，肝脏和脂肪组织通过甘油二酯途径合成甘油三酯，后者主要原料来源于葡萄糖分解代谢的中间产物。

内源性脂肪酸的合成需首先由乙酰CoA在脂肪酸合酶复合体催化下合成软脂酸。乙酰CoA羧化生成丙二酸单酰CoA，在内质网或线粒体内经过7次“缩合、还原、脱水、再还原”循环合成软脂酸。这一反应与脂肪酸β氧化的逆反应相似。

3.磷脂代谢

磷脂是一类含有磷酸的脂类，是组成生物体膜的主要成分。机体中主要含有两大类磷脂：由甘油构成的磷脂，称为甘油磷脂；由神经鞘氨醇构成的磷脂，称为鞘磷脂。

甘油磷脂合成所用的甘油、脂肪酸主要由糖代谢转化而来，甘油碳骨架C2上连接的多不饱和脂肪酸常需靠食物供给，合成除ATP、GTP提供能量外，还需要CTP作为活化因子。甘油磷脂分子内的三种酯键可分别被相应的磷脂酶催化水解，生成不同的降解产物。

鞘磷脂是神经鞘磷脂合成的重要中间产物。软脂酰CoA、丝氨酸在内质网合成酶系的催化下先生成鞘氨醇，再与脂酰CoA缩合生成神经酰胺，最后与CDP-胆碱结合生成神经鞘磷脂。在神经鞘磷脂酶的作用下，神经鞘磷脂又可分解为磷酸胆碱和神经酰胺。

4.胆固醇代谢

细胞内胆固醇合成的主要酶系存在于细胞质和内质网。胆固醇的合成主要有三个步骤：3分子乙酰CoA先连续缩合生成羟甲基戊二酸单酰辅酶A（hydroxymethylglutaryl CoA，HMG-CoA），再经HMGCoA还原酶催化生成甲羟戊酸（mevalonate，MVA）；MVA活化生成2碳焦磷酸化合物（异戊烯醇焦磷酸酯（IPP）和2，6-二苯基苯酚（DPP）后，连续缩合为15碳法尼基焦磷酸（farnesyl pyrophosphate，FPP），2分子FPP缩合成30碳的鲨烯；鲨烯环化为羊毛固醇，再经多步反应生成27碳的胆固醇。在肝内转化为胆汁酸是胆固醇的主要去路。此外，胆固醇还可转变为类固醇激素和维生素D3。

（二）脂质代谢异常与肿瘤进展

1.脂质代谢异常激活影响肿瘤细胞内能量供给

肿瘤细胞可通过上调脂肪酸转运载体和脂质分子伴侣，如脂肪酸转运蛋白、脂肪酸结合蛋白，增加游离脂肪酸的摄取，提高脂类生物利用度，使肿瘤细胞获得足够的能量来增殖。

与正常细胞相比，肿瘤细胞中的脂肪酸合成代谢常异常激活，包括脂肪酸的从头合成与甘油三酯合成。有研究发现，肿瘤细胞中（mTOR）信号通路的激活可诱导脂肪酸合成酶过表达，使细胞内脂肪酸合成增多，进而引起脂肪合成增多，为肿瘤细胞生长、增殖提供充足的能量。与此同时，肿瘤细胞脂肪酸氧化分解也常异常活化。脂肪酸氧化增强比丙酮酸的氧化产生ATP的效率更高，因而有利于适应肿瘤细胞的高耗能状态，从而促进肿瘤生长。

2.异常脂代谢影响肿瘤细胞多种生物学行为

肿瘤细胞中脂质成分的异常代谢会影响细胞凋亡、增殖、迁移、侵袭等多种生物学行为，进而影响肿瘤的发生发展和患者的预后水平。有研究表明，肿瘤细胞中胆固醇的合成水平较正常细胞升高。而细胞质中的溶酶体胆固醇可通过肠道胆固醇转运关键蛋白信号复合物激活mTORC1，进而导致癌细胞增殖、侵袭和转移增加。此外，鞘磷脂在CRC细胞内的水平也发生了改变，具体表现为1-磷酸鞘氨醇/神经酰胺比率的变化。而目前有文献指出，神经酰胺增加可导致肿瘤细胞的凋亡和自噬激活，抑制细胞增殖和肿瘤发展。

3.异常脂代谢影响肿瘤微环境

异常脂代谢可影响肿瘤微环境中的免疫细胞。研究表明，在CRC中，巨噬细胞、树突状细胞、淋巴细胞、自然杀伤细胞都存在脂肪酸合成及氧化分解增加的现象；组织常驻记忆T细胞和调节性T细胞（regulatory T cell，Treg细胞）表现出对外源脂肪酸合酶（Fatty acid synthase，FAs）摄取效应增强并在线粒体中氧化分解以产生足够的能量。这些证据均可说明肿瘤细胞和肿瘤微环境中的免疫细胞相互作用可导致双方脂代谢重编程，进而影响肿瘤进展。

癌症相关成纤维细胞中的脂代谢重编程可以促进CRC细胞的迁移。研究发现，成纤维细胞和脂肪细胞分泌的脂肪酸可被CRC细胞吸收用于合成其他脂质，进而促进CRC细胞的迁移和侵袭表型。

三、氨基酸代谢与调控

（一）氨基酸代谢主要通路

1.氨基酸的一般代谢

来自食物蛋白质的消化吸收、体内组织蛋白质的降解以及少量自身合成的非必需氨基酸构成了人体氨基酸代谢库。这些氨基酸的主要代谢去路有：作为合成组织蛋白质的原料；脱氨生成α-酮酸代谢供能；代谢转化为其他含氮化合物及化学基团，如γ-氨基丁酸等生物活性物质及嘌呤、嘧啶、一碳单位等。

氨基酸脱氨基生成相应的氨及α-酮酸，是氨基酸分解代谢的主要途径。在转氨酶及其辅酶磷酸吡哆醛（维生素B6）的作用下，某一氨基酸的α-氨基转移至另一种α-酮酸的酮基上，生成相应的氨基酸，原来的氨基酸则转变成α-酮酸，可用于人体非必需氨基酸合成、转变为糖或酮体或氧化供能。转氨基作用只是将氨基酸分子中的氨基转移给α-酮酸，并未实现真正的脱氨基。L-谷氨酸是哺乳动物组织内唯一能以相当高速率进行氧化脱氨反应的氨基酸。在肝、肾、脑中，L-谷氨酸可在谷氨酸脱氢酶的催化下脱去氨基，生成α-酮戊二酸和氨。转氨基作用与L-谷氨酸的氧化脱氨基作用耦联进行，称为联合脱氨作用。

2.个别氨基酸的代谢

各种氨基酸经过代谢转化，可产生或转化为不同的化合物（表3-6-1）。

丝氨酸、甘氨酸、组氨酸和色氨酸的分解代谢可以产生一碳单位。一碳单位是合成嘌呤、嘧啶核苷酸乃至核酸的原料，与细胞增殖有着密切的联系。

（二）氨基酸代谢异常与肿瘤进展

1.谷氨酰胺代谢异常影响肿瘤生长

谷氨酰胺在细胞能量生成、大分子合成及信号转导等功能中发挥着重要作用。除了代谢产生能量，谷氨酰胺还是合成许多生物重要分子的前体，并提供还原型辅酶Ⅱ（NADPH）和谷胱甘肽来维持氧化还原平衡，因此对肿瘤细胞的生长和增殖起着十分关键的作用。

肿瘤细胞可通过上调谷氨酰胺转运体、调节谷氨酰胺代谢相关酶促反应等途径增强对其的代谢反应，从而促进肿瘤进展。研究表明，许多肿瘤细胞表现出“谷氨酰胺成瘾”的特征，而一旦通过各种手段阻断细胞对谷氨酰胺的摄取及利用，肿瘤的生长和发展将会停滞。

2.一碳单位代谢异常与CRC进展相关

一碳单位的代谢与可以调控核酸、蛋白质和脂质的合成，维持细胞的氧化还原内稳态及表观遗传的稳定性，进而影响肿瘤的发生发展。叶酸循环是一碳单位的代谢核心反应，受阻时细胞核酸合成将会发生障碍，由此可以抑制肿瘤细胞的生长增殖，由此研发了CRC抗甲基化化疗药物5-FU。甲硫氨酸循环能够影响DNA的甲基化程度，与CRC密切相关，DNA甲基转移酶抑制剂可作为治疗CRC的新方式。生成一碳单位的原料氨基酸如丝氨酸、甘氨酸等，针对它们的代谢研究也可能为CRC相关机制及治疗手段的探索带来新的思路。

（卓巍）