第四节： 解读细胞能量异常及相关信号通路丨重温《 Hallmarks of Cancer》

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概述：本系列是解读经典综述《Hallmarks of cancer》的第四节，将介绍肿瘤独特的代谢方式，并解读相关信号通路（Warburg Effect，谷氨酰胺代谢，AMPK）及关键靶点。

肿瘤细胞需要大量的能量才能快速生长 ——因此，它们代谢通路是异常的。

绝大多数哺乳动物细胞使用葡萄糖作为能量来源。葡萄糖通过糖酵解进行代谢，糖酵解经过多级反应步骤，最终得到丙酮酸。在正常氧水平下的普通细胞中，大多数丙酮酸进入线粒体，并由三羧酸循环氧化生成 ATP 来满足细胞的能量需求。

然而，在肿瘤细胞或其他快速增殖的细胞类型中，糖酵解产生的大部分丙酮酸直接远离线粒体并通过乳酸脱氢酶 (LDH/LDHA) 的作用产生乳酸 - 这一过程原常见于低氧状态。与线粒体糖酵解相反，有氧情况下乳酸的产生称为“有氧糖酵解”或 Warburg 效应。某些信号转导通路有助于产生Warburg效应和其他肿瘤细胞的代谢表型。如果您观察该通路，您可能会注意到PI3K/Akt、mTOR、 Erk1/2、MAPK、ULK1（自噬）、p53、HIF-1α（缺氧 - 血管生成）和 AMPK 等代表性分子。

肿瘤细胞经常会使用谷氨酰胺作为另一个能量来源，谷氨酰胺进入线粒体后可用作补充三羧酸循环的中间物，或通过苹果酸酶产生更多的丙酮酸，或产出帮助增加细胞生长的构建基块。

肿瘤细胞会对谷氨酰胺着迷，而谷氨酰胺本身会促进细胞增殖。因此，谷氨酰胺代谢正成为肿瘤研究人员的热门研究领域。由于糖酵解是一个复杂的过程，受诸多因素影响，因此有许多可以研究的通路，例如 Warburg 效应通路、能量代谢通路和谷氨酰胺信号转导通路。

01

Warburg 效应通路

葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白（Glucose Transporters）进入细胞，经过几个限速酶（包括己糖激酶Hexokinase, PFK, PKM2）的作用，变成丙酮酸（Pyruvate）。在正常情况下，丙酮酸应进入线粒体，在丙酮酸脱氢酶（PDH）的作用下生成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环（Krebs Cycle）。在肿瘤细胞中，通过必需酶乳酸脱氢酶（LDH），将丙酮酸转化为乳酸排出细胞。

如通路图所示，许多通路/分子可以调控Warburg效应：

在通路图右半部分，Akt, Erk1/2和AMPK通路可从多个层面调控Warburg效应。例如Akt，可以通过增加葡萄糖转运蛋白的活性、激活Hexokinase，PFK等糖酵解酶促进糖酵解。而RTK信号转导至c-Myc则可在转录水平对它们进行调节。

通过Warburg效应，还给肿瘤细胞带来了一些生长优势：

戊糖磷酸支路（Pentose Phosphate Shunt, PPS）（图左侧蓝框）：转运入细胞的葡萄糖在己糖激酶（Hexokinase）催化下，转变成葡萄糖-6-磷酸(G-6-P)，随后通过几道反应生成5-磷酸核酮糖（Ribulose-5P），后者恰恰是核苷酸合成的重要底物。

在PPS中，产生的NADPH可以作为还原当量，帮助抵抗氧化应激。

▼关键靶标▼

产品名称	货号#	应用
c-Myc (E5Q6W) Rabbit mAb	18583	W IP IF-IC F ChIP
Hexokinase I (C35C4) Rabbit mAb	2024	W IP IHC-P IF-IC
Hexokinase II (C64G5) Rabbit mAb	2867	W
PFKFB2 (D7G5R) Rabbit mAb	13045	W IP IF-IC
Phospho-PFKFB2 (Ser483) (D4R1W) Rabbit mAb	13064	W
PFKP (D2E5) Rabbit mAb	12746	W IP IF-IC
PKM2 (D78A4) XP® Rabbit mAb	4053	W IP IHC-P IF-IC F
PKM1 (D30G6) XP® Rabbit mAb	7067	W IHC-P IF-F IF-IC F
LDHA (C4B5) Rabbit mAb	3582	W IHC-P IF-IC
Pyruvate Dehydrogenase (C54G1) Rabbit mAb	3205	W IHC-P
Glut1 (D3J3A) Rabbit mAb	12939	W IP

02

谷氨酰胺代谢

癌细胞除了对葡萄糖有“偏好”外，对谷氨酰胺的需求也很高。

谷氨酰胺（Glutamine）通过转运蛋白 ASCT2/SLC1A5 进入细胞，并在线粒体中被谷氨酰胺酶 (GLS) 催化转化为谷氨酸(Glutamate)，随后再转化为α-酮戊二酸（α-Ketoglutarate，α-KG），它是三羧酸循环的中间产物。三羧酸循环不仅为细胞提供 ATP，还为大分子合成提供前体物质，例如为糖异生提供苹果酸(Malate)、为氧化磷酸化提供 NADH、为亚铁血红素合成提供琥珀酰 CoA。所以，通过谷氨酰胺代谢途径，癌细胞可以把相关的中间产物回补进入三羧酸循环，补充了Warburg效应下细胞对能量的需求。

此外，谷氨酰胺本身可以促进增殖信号。谷氨酰胺的内流（经ASCT2/SLC1A5）往往与其外流（经SLC7A5/LAT1）相伴，与此同时，会伴有亮氨酸（Leucine）的内流，后者可以激活mTOR信号通路，促进肿瘤生长。

谷氨酰胺对自噬的调控是较为复杂的。一方面，谷氨酰胺生成的氨可以促进自噬，而另一方面，谷氨酰胺可以间接激活mTOR，抑制自噬。

在被调节层面，许多分子可以调控谷氨酰胺通路。例如，c-Myc可以通过对GLS和SLC1A5的转录激活，促进谷氨酰胺代谢。

▼关键靶标▼

产品名称	货号#	应用
ASCT2 (D7C12) Rabbit mAb	8057	W IP IHC-P IF-IC F
ASCT2 (V501) Antibody	5345	W IP IF-IC F
GFAT1 (D12F4) Rabbit mAb	5322	W IP
GFAT2 (D40C7) Rabbit mAb	6917	W
Glutamate Dehydrogenase 1/2 (D9F7P) Rabbit mAb	12793	WB, IHC-P, IF-IC

03

AMPK 信号通路

AMPK在细胞能量稳态调节中起到关键作用。AMPK可对能量异常做出反应（如当ATP被耗尽，AMP ADP/ATP比值增大时，AMPK可激活）。AMPK是一个异源三聚体，由催化亚基α和调节亚基β 、 γ组成。其上游可被LKB1和CAMKK2活化。可以通过检测AMPKα(Thr172)磷酸化水平，或者其常见的下游蛋白如Acetyl-CoA Carboxylase (Ser79)磷酸化、上游蛋白LKB1、CAMKK2等，了解AMPK的激活情况。

当AMPK激活后，细胞倾向于进行分解代谢，抑制合成过程以维持细胞能量所需，如促进糖酵解、脂酵解，抑制合成反应（图左侧蓝框）。另一方面，AMPK可以抑制mTOR，后者的主要功能是调控蛋白合成、抑制自噬；而AMPK本身也可诱导自噬——降解细胞内容物来获得细胞所需组分（图右侧蓝框）。

AMPK在许多生理病理过程中都有重要调节作用，如它可以通过与 mTOR 和 sirtuins 相互作用，成为衰老的重要调节物。

▼关键靶标▼

产品名称	货号#	应用
AMPKα (D5A2) Rabbit mAb	5831	W IP
Phospho-AMPKα (Thr172) (40H9) Rabbit mAb	2535	W IP IHC-P
Acetyl-CoA Carboxylase (C83B10) Rabbit mAb	3676	W IP IHC-P IF-IC F
Phospho-Acetyl-CoA Carboxylase (Ser79) (D7D11) Rabbit mAb	11818	W IP IHC-P IF-IC
LKB1 (27D10) Rabbit mAb	3050	W IP
Phospho-LKB1 (Ser428) (C67A3) Rabbit mAb	3482	W
Glut1 (D3J3A) Rabbit mAb	12939	W IP
Glut4 (1F8) Mouse mAb	2213	W
Glycogen Synthase (15B1) Rabbit mAb	3886	W IP IHC-P
Phospho-Glycogen Synthase (Ser641) (D4H1B) XP® Rabbit mAb	47043	W IP IHC-P
Fatty Acid Synthase (C20G5) Rabbit mAb	3180	W IP IHC-P IHC-F IF-IC
SirT1 (1F3) Mouse mAb	8469	W IP IF-IC

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参考文献:

1. Hanahan D, Weinberg RA (January 2000). 'The Hallmarks of Cancer'. Cell. 100 (1): 57–70. doi:10.1016/S0092-8674(00)81683-9

2. Hanahan D, Weinberg RA (March 2011). 'Hallmarks of Cancer: the next generation'. Cell. 144 (5):646-74. doi: 10.1016/j.cell.2011.02.013.

3. Sharma P, Allison JP. The future of immune checkpoint therapy.  2015;348(6230):56-61