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干货|奇妙的糖酵解!

发布时间:2021年05月27日 浏览次数:397

糖酵解三羧酸循环是生化课中的两大主要板块。糖酵解(glycolysis)是指在无氧条件下,葡萄糖在细胞质中被分解成为丙酮酸的过程,期间每分解一分子葡萄糖产生两分子丙酮酸以及两分子ATP,属于糖代谢的一种类型。一共十步反应,包括三种关键酶(限速酶):己糖激酶、6-磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。

糖酵解的生物学意义在于为生物体提供一定的能量,糖酵解的中间物为生物合成提供原料,是某些特殊细胞在氧供应正常情况下的重要获能途径。

糖酵解可分为二个阶段,活化阶段和放能阶段。大致过程如下:

糖酵解过程

(图片来源于网络)

 

糖酵解可算是最基础的新陈代谢过程了,有研究显示糖酵解与肿瘤有非常紧密的关系,我们一起来了解下:

癌症在全球范围内发病率和致死率高,已经严重威胁到人类的健康。

癌症危害之大且难以攻克,源于其自身恶性肿瘤细胞所有的特征,即自给自足生长信号、抗生长信号的不敏感、抵抗细胞死亡、潜力无限的复制能力、持续的血管生成、组织浸润和转移、避免免疫摧毁、促进肿瘤的炎症、细胞能量异常、基因组不稳定和突变共计十大特征。其中能量异常受到越来越多的关注,成为肿瘤治疗的新靶点。

正常细胞体内,葡萄糖会维持一个平衡状态,在缺氧状态时,葡萄糖会转变丙酮酸进而转变为乳酸,当氧含量正常时,丙酮酸会进入三羧酸(TCA)循环。而肿瘤细胞的一个普遍特点是即使在氧含量正常的情况下,葡萄糖摄取量和乳酸的积累量也会逐渐升高,利用糖酵解作为主要能量代谢的来源,这种现象我们称为Warburg效应。

1924年,德国生理学家Otto Warburg发现,与正常细胞相比,癌细胞的生长非常依赖糖酵解,这个过程会产生大量的“代谢废物”,乳酸。

Warburg效应代表着肿瘤细胞对葡萄糖利用方式由氧化磷酸化到糖酵解的转变,现在被认为是肿瘤一大特征。这种能量代谢的改变受复杂因素的调控,包括肿瘤微环境的压力和基因的改变等。肿瘤细胞糖酵解增强主要是由于糖酵解关键酶的表达或者活性增强。

近年来,人们正在探求通过抑制肿瘤糖酵解通路关键酶的活性来靶向治疗肿瘤。一些研究显示,抑制肿瘤糖酵解途径能够有效抑制肿瘤细胞的增殖甚至可以起到杀伤肿瘤细胞的作用。已糖激酶2(HK2)、磷酸果糖酶(PFK)、M2型丙酮激酶(PKM2)等糖酵解关键酶已经成为肿瘤标志物,它们的表达与活性可以影响肿瘤的糖酵解,进而影响肿瘤的增殖。

肿瘤细胞能量代谢较正常细胞发生了异常,是一个复杂的过程,尤其糖代谢过程虽然已经有了大量研究,但是其中各关键点依然还有很多疑问亟待解决。此外,糖酵解酶的活性可能会受肿瘤微环境的影响而产生变化,对单一靶点的抑制可能不足以抑制肿瘤增殖,甚至可能引起耐药性,对多个糖酵解酶靶点的联合治疗值得特别重视。

这是前些年研究的大致总结,今年这个研究领域又有新的突破癌细胞“利用”糖酵解产生的乳酸喂养调节T细胞,使其具备更强免疫抑制能力。

癌细胞调节T细胞

(图片来源于网络)

癌细胞明明需要大量的能量消耗,为什么会放弃氧化磷酸化,反而选择糖酵解呢?

这个被我们称作Warburg效应的现象至今都是未能完全解开的谜团。研究人员已经发现糖酵解实际上能过够为癌细胞的生长壮大提供非常多的方便,比如说糖酵解营造的酸性环境会有助于癌细胞逃避免疫系统的追杀;乳酸可以通过表观遗传修饰促进巨噬细胞向抗炎、促癌的M2型转变;糖酵解的过程还与促进癌细胞的增殖转移有关。

近期,发表在《自然》杂志上的一篇论文又发现了癌细胞的新花招。原来,调节T细胞(Treg)的功能受代谢影响很大,Treg虽然对免疫稳态至关重要,但也是抗癌免疫的主要障碍,因为肿瘤微环境(TME)促进这些细胞的募集,分化和活性。肿瘤细胞表现出失调的代谢,导致代谢物耗尽,缺氧和酸性肿瘤微环境,其使浸润的效应T细胞与肿瘤竞争代谢物并损害其功能。同时,Treg细胞在肿瘤微环境内维持对效应T细胞的强烈抑制。

Treg会通过摄取乳酸来避免高葡萄糖环境对功能的损害。也就是说,在癌细胞营造的高乳酸环境中,效应T细胞被抑制的时候,Treg的功能仍可正常发挥,由此削弱了抗肿瘤免疫。有意思的是,这种机制很有可能为免疫治疗的应用增加空间。

癌细胞选择糖酵解,绝对另有图谋。此前科学家们已经发现,肿瘤的代谢重编程与效应T细胞的功能下降有关。抗癌先锋受到粮草限制,那么免疫天平的另一端,抑制免疫的Treg功能是否也会受到糖酵解的影响呢?研究者从糖酵解增强的肿瘤模式小鼠中收集了Treg,发现如同预期,Treg在肿瘤中富集,功能上并没有受到代谢的抑制,反而表现出活跃的增殖状态

实际上,研究者用荧光示踪剂追踪了它们对葡萄糖的摄取,发现Treg摄取葡萄糖显著减少了。进一步分析不同组织中的Treg,研究者发现了一个奇怪的现象,来自不同组织的Treg对葡萄糖的偏好差异非常大,来自B16黑色素瘤和炎症皮肤组织中的Treg明显更不喜欢糖。而传统T细胞对糖的偏好就没这么大区别。

不同组织的Treg葡萄糖摄取量差异极大那么,对葡萄糖偏好不同的Treg,在功能上是否有区别呢?

研究者分别纯化的低偏好和高偏好的Treg,并对功能进行了测量。不考虑它们来源的组织,对糖偏好高的Treg,在免疫抑制上的能力显著低于低偏好的Treg。这在动物研究中也得到了证实。可以认为,Treg对糖的偏好与免疫抑制能力差有关。进一步分析这两个不同Treg群体的基因表达,研究者发现低偏好Treg表现出了丰富的糖酵解酶表达,尤其是Ldha编码的乳酸脱氢酶和一种介导乳酸摄取的单羧酸转运体MCT1。

很显然,这些Treg放弃了对葡萄糖的喜爱,转向了糖酵解产生的乳酸。可见糖偏好不同的Treg基因表达差异极大。

我们知道,在高糖酵解的肿瘤中,肿瘤微环境里含有大量乳酸,这已被证实具有免疫抑制作用。不过这里抑制的主要是那些起到抗肿瘤作用的T细胞,比如说效应T细胞。相对的,Treg不仅在高乳酸环境中悠然自得,甚至还能够吸收利用乳酸,表现得活力非常。

有意思的是,高糖环境会抑制Treg的功能,但是当研究者向环境中添加相当于肿瘤微环境水平的乳酸的时候,Treg功能得到了恢复。由此来看,Treg选择乳酸,更像是一种对有害环境的自我保护,而这种机制,就恰好被肿瘤利用来发展自身了!

CTLA-4阻断驱动糖酵解低肿瘤中Treg稳定性的丧失

前面我们已经说到癌细胞“利用”糖酵解产生的乳酸让TregTreg免疫抑制功能的增强。那么其分子机制是什么呢?

万万想不到,关键竟然落在了免疫治疗家族中,最不起眼的CTLA-4上。

近期,发表在《自然》杂志上的一项研究显示,CTLA-4阻断可通过CD28信号传导对Treg功能进行干扰,从而增强抗肿瘤免疫。这种作用在糖酵解水平较低的肿瘤中更显著,结合糖酵解抑制剂或可增强CTLA-4抑制剂疗效。

由于先前的研究表明Treg细胞具有与效应T细胞不同的代谢特征,我们假设肿瘤微环境的代谢改变和肿瘤内Treg细胞活性增加是相关的。限制肿瘤微环境(TME)中的代谢竞争可以增加免疫疗法的有效性。由于其在活化T细胞的葡萄糖代谢中的关键作用,已经提出CD28信号传导作为T细胞代谢生物传感器。相反,已显示CTLA-4参与下调T细胞糖酵解。

研究人员调查了CTLA-4阻断对肿瘤内T细胞代谢适应性与肿瘤糖酵解能力的关系,发现CTLA-4阻断促进免疫细胞浸润和代谢适应性,特别是在糖酵解低的肿瘤中。因此,抗CTLA-4在携带糖酵解缺陷肿瘤的小鼠中实现了更好的治疗结果。

有趣的是,肿瘤特异性CD8+T细胞应答与肿瘤浸润调节性T细胞(Tregs)对糖酵解缺陷肿瘤中产生IFN-γ和TNF-α的细胞的表型和功能去稳定化相关。通过在体外模拟富含和较少的糖酵解肿瘤微环境,显示CTLA-4阻断促进Treg细胞降解的作用依赖于Treg糖酵解和CD28信号传导。这些发现表明降低肿瘤对葡萄糖的竞争可以促进CTLA-4阻断的治疗活性,从而支持其与肿瘤糖酵解抑制剂的组合。此外,这些结果揭示了在葡萄糖存在下抗CTLA-4干扰Treg功能的新机制。

 

(参考文献:https://www.nature.com/articles/s41586-020-03045-2, https://www.nature.com/articles/s41586-021-03326-4)

 

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