“代谢重编程”（Metabolic reprogramming）是指在多个代谢途径中发生的集体变化，这种现象在癌细胞中尤为明显。这种生物能量学的变化通过调整能量代谢来推动细胞的快速生长和增殖，被认为是癌症的一个新兴标志。代谢重编程主要由与细胞增殖相关的基因的突变驱动，同时，由代谢酶的改变导致的细胞代谢变化也会促进癌症的发展。
丙酮酸激酶同工酶（PKM）
丙酮酸激酶同工酶M1/M2（PKM1/PKM2）在代谢重编程中起着关键的作用，它调控糖酵解产生能量的限速性步骤，因此被视为癌症发展的重要调节因子。PKM1和PKM2均由PKM基因编码，PKM基因中的9号和10号外显子在Pre-mRNA剪切时互斥，导致其通过选择性剪切分别生成包含第9号外显子的PKM1 mRNA和包含第10号外显子的PKM2 mRNA [1]。PKM1中9号外显子的存在使得该酶能够持续地以四聚体形式活跃，主要在大脑和肌肉等能量需求旺盛组织的分化终末细胞中表达。相比之下，10号外显子的存在使PKM2活性受到营养供应的调节以平衡能量和合成需求，因此主要在胚胎细胞、干细胞和癌细胞等对合成代谢需求较强的细胞中表达。
图1. PKM基因通过选择性剪切分别生成PKM1和PKM2 [1]
PKM2的功能
PKM2通过催化糖酵解的最终步骤来调节葡萄糖代谢以支持细胞增殖，在胚胎细胞、干细胞和癌细胞中表达水平较高，还具有调控基因表达的能力。具体而言，PKM2主要以四聚体（酶效率高）和二聚体（酶效率低）形式存在。四聚体PKM2具有较高PK酶活性，而二聚体PKM2进入细胞核调节基因表达。PKM2通过两种形式的转化在肿瘤细胞能量供应、上皮-间质转化（EMT）、侵袭和转移以及细胞增殖中起着重要作用 [2-3]。
图2. PKM2的多种调控作用 [2-3]
靶向PKM2的肿瘤新疗法
PKM2在癌细胞中的高表达及其在代谢重编程和基因调控中的作用，使其成为肿瘤代谢的关键调节因子，密切联系代谢和炎症功能障碍，尤其是在癌症和免疫细胞功能的背景下。因此，PKM2被视为多种癌症和其它代谢性疾病的潜在治疗靶点。研究普遍认为，PKM2在肿瘤细胞中发挥双重作用：一是作为丙酮酸激酶发挥代谢功能，控制癌细胞的代谢；二是作为转录激活因子，促进癌细胞增殖所需基因的表达。这种机制表明PKM2活性必须保持一定的灵活性才能以最佳方式调控细胞增殖，将PKM2完全维持在单一的低活性二聚体形式或高活性四聚体形式，都可能影响肿瘤的生长。因此，根据PKM2在不同肿瘤中发挥的主要功能的不同，靶向抑制或激活PKM2的肿瘤新疗法均有研发 [4-5]。
图3. 靶向PKM2的代谢疗法用于抑制肿瘤发展 [6]
此外，通过使用ASO小核酸药物调节PKM Pre-mRNA的剪切模式，使其生成PKM1以替代癌细胞中PKM2，可以有效抑制细胞增殖并延缓肿瘤形成，表明PKM1可能具有抑制肿瘤活性的功能。这些证据表明，下调癌细胞中PKM2表达的同时上调PKM1表达可能是一种有效的癌症治疗策略 [7]。
图4. PKM剪切替代疗法可降低PKM2表达并抑制肿瘤发展 [7]
PKM2基因敲除小鼠
敲除Pkm2会导致小鼠血浆总胆固醇水平升高，这表明PKM2在脂质代谢中同样发挥重要作用。此外，抑制PKM2可以减缓肿瘤生长和转移，但在某些情况下，敲除PKM2甚至会加速异种移植肿瘤的生长 [8-10]。这些发现揭示了PKM2在脂质稳态和癌变过程的细胞自主和系统效应。总的来说，PKM2是一种特殊的糖酵解酶，在癌细胞的新陈代谢、存活和凋亡中发挥重要作用。因此，PKM2可以作为肿瘤代谢疗法的有效靶点。
图5. Pkm2基因敲除小鼠血浆总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平升高 [8]
PKM1功能及PKM1基因敲除小鼠
PKM1主要在终末分化的非增殖细胞中表达，与PKM2相比，与PKM1相关的研究相对较少。与PKM2可以在四聚体和二聚体之间进行转换不同，PKM1不存在二聚体形式，不具备基因表达调控功能，因此只在心脏、大脑和肌肉等需要大量能量供应的组织中高表达 [11]。研究表明，心肌细胞特异性Pkm1敲除会导致心肌细胞的生长缺陷并加剧心脏功能障碍和纤维化，从而对压力过载产生反应 [12]。在某些肿瘤中，PKM1发挥着和PKM2相反的作用，PKM1的敲除会导致PKM2表达的上调并加速前列腺肿瘤的发生，而PKM2的缺失会导致PKM1表达增加而抑制肿瘤的发展 [13]。
图6. 前列腺癌小鼠模型在PKM1基因被敲除（Pkm1;Ptenpc-/-）后的肿瘤发展显著恶化 [12]
不同的PKM基因敲除策略
考虑到PKM1和PKM2在能量代谢中都发挥着重要的作用，且两者似乎存在排斥和代偿的现象，敲除两者之一都会导致另一亚型表达的上调。通过不同的策略对PKM基因进行修饰，调控不同组织中PKM1和PKM2的表达，将有助于研究两者各自的机制。在上述研究中，多种类型的Pkm基因敲除小鼠被广泛使用，包括敲除Pkm1基因（保留Pkm2表达）、敲除Pkm2基因（保留Pkm1表达）以及同时敲除Pkm1和Pkm2基因的模型。
图7. Pkm1或Pkm2基因敲除小鼠的构建策略 [10, 13]
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模型名称 |
敲除区域 |
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Pkm1/Pkm2-KO (cKO) |
Pkm1/Pkm2 Exon 4-6 |
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Pkm1-KO (cKO) |
Pkm1 Exon 9 |
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Pkm2-KO (cKO) |
Pkm2 Exon 9 |
参考文献
[1] Luo W, Semenza GL. Emerging roles of PKM2 in cell metabolism and cancer progression. Trends Endocrinol Metab. 2012 Nov;23(11):560-6.
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