PKM2的O-GlcNAc修饰对肿瘤细胞增殖的作用及机制研究

发布时间：2020-09-24 04:49

　　肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下,也要消耗大量的葡萄糖进行糖酵解代谢,并产生大量的乳酸,为其快速增殖提供能量和物质保证,这种代谢重编程的表型被称为有氧糖酵解或Warburg效应。已知多种代谢酶参与调节有氧糖酵解的发生,其中,M2型丙酮酸激酶(Pyruvate kinase M2,PKM2)是公认的关键调节酶。PKM2催化糖酵解途径中的最后一步限速反应,其活性和功能受到多种共价修饰的调控,如磷酸化、乙酰化等。最新的研究发现,PKM2还可以发生O-GlcNAc修饰,这是一种能够灵敏感受细胞微环境中营养波动的蛋白质翻译后修饰,但其功能及作用机制并不清楚。在本研究中,我们发现PKM2的O-GlcNAc修饰在多种人乳腺癌细胞系和肿瘤组织中均有显著升高;随后,鉴定了Thr405和Ser406为PKM2的主要OGlcNAc修饰位点,且该位点修饰受微环境中的葡萄糖及谷氨酰胺浓度的灵敏调节。晶体结构分析表明,Thr405和Ser406位于PKM2的α螺旋Loop区,并很可能直接调控PKM2活性四聚体亚基间的相互作用。进一步的实验证明,这两个位点的O-GlcNAc修饰干扰了稳定PKM2四聚体的关键作用力,致使PKM2的四聚体-二聚体-单体的动态平衡向二聚体及单体方向移动。PKM2四聚体的减少,一方面降低了其代谢酶活性,使糖酵解的上游中间产物积累,并流入代谢支路,促进了脂类和核酸的生物合成,以满足肿瘤细胞快速增殖对生物大分子合成的需要;另一方面,PKM2四聚体的解聚导致核定位序列的暴露,在Importinα5的协助下向细胞核易位,并结合于c-Myc基因的启动子区,提高了c-Myc依赖的Glut1和LDHA基因表达,促进了肿瘤细胞对葡萄糖的摄取及乳酸的生成,进一步提高了肿瘤细胞的合成代谢。此外,小鼠的荷瘤实验证明,去除PKM2 Thr405和Ser406的O-GlcNAc修饰可以显著抑制肿瘤生长。至此,我们提出了一个新的调控PKM2功能以促进肿瘤细胞快速增殖的分子机制,即作为感受微环境营养状态的O-GlcNAc修饰,通过影响PKM2的寡聚状态,同时改变其代谢酶和非代谢酶功能,赋予肿瘤细胞快速增殖优势。更重要的是,特异性表达于快速增殖细胞中的PKM2是由PKM基因经可变剪切而来,而发生O-GlcNAc修饰的Thr405和Ser406两个氨基酸残基正是由PKM2独有的外显子10所编码,因此,本研究也深化了对基因可变剪切、蛋白质翻译后修饰和代谢重编程之间关系的理解。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R730.2
【部分图文】：

肿瘤细胞,基本特征,策略,能量代谢

(一) 肿瘤细胞代谢重编程截止到 2014 年，全球的癌症患者高达近 4000 万例，平均五年致死率接近30%，寻找肿瘤的共性作为治疗靶点是历代科研工作者们孜孜以求的目标。最初肿瘤的靶向疗法主要集中在特异性地阻断对肿瘤的形成和发展起重要作用的致癌基因及相关分子信号通路[1]，从而抑制肿瘤的增殖、促进肿瘤的凋亡及分化、抗肿瘤新血管生成等。然而长期抑制致癌基因会导致多种代偿机制的出现从而大幅度削弱治疗效果。2011 年，Weinberg 实验室提出肿瘤细胞具有十大共有特性，其中包括能量代谢的异常（图 1.1）[2]。能量代谢是细胞最基本的特性，为细胞一切生命活动提供能量和物质。针对肿瘤细胞能量代谢的异常，寻找相应的药物靶点，将为肿瘤靶向药物的开发提供一个新的方向。肿瘤细胞可在多种分子机制的共同作用下，对糖、蛋白质、脂类和核酸等代谢进行重编程[3]，以满足肿瘤细胞快速分裂过程中对能量、物质及还原力的需求[4]。

无氧糖酵解,氧化磷酸化,葡萄糖

. Warburg 效应糖代谢的异常是发现最早也是存在最普遍的代谢重编程现象。正常细胞受到生长信号刺激时才会大量摄取葡萄糖并进入快速分裂状态，随后进行分。已分化的细胞在 O2充足时其摄取的葡萄糖最终进入线粒体，经氧化磷酸成 CO2、H2O 及大量 ATP；在 O2缺乏时，葡萄糖在细胞质内经糖酵解生成及少量 ATP（图 1.2）。这种均衡的葡萄糖代谢可精密地调节营养摄取，避免不受控地增殖，保证细胞正常的生长与分化[4, 5]。然而肿瘤细胞在发生发展程中可摆脱对生长因子的依赖，可大量摄取葡萄糖从而导致细胞不受控地增是人们对肿瘤代谢改变的最初认知。1924 年，德国科学家 Warburg 发现，与化的细胞相比，快速增殖的肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下，也要消耗大葡萄糖进行糖酵解代谢，并产生大量的乳酸（图 1.2）。他将这种现象称为糖酵解”，后人也将其称为“Warburg 效应”[4, 6, 7]。

磷酸,核糖,糖酵解,糖酵解代谢

3图 1.3 有氧糖酵解代谢中间产物可用于合成代谢糖酵解代谢主要的分支途经如图 1.3 所示：（1）糖酵解启动后，6-磷酸-葡萄糖进入第一个支路磷酸戊糖途径（PPP），并生成 5-磷酸-核糖和 NADPH，5-磷酸-核糖可参与核酸合成[11]；（2）糖酵解中首次从 6 碳裂解成的 3 碳代谢中间产物二羟丙酮磷酸可转化生成 3-磷酸-甘油，作为磷脂的合成前体，可用于细胞快速分裂时细胞膜的合成[9]；（3）3-磷酸-甘油酸可进入丝氨酸合成途径（SSP），这是目前被研究得最深入、和肿瘤生长关系最密切的糖酵解支路[12]。SSP 途径中可产生丝氨酸和甘氨酸两种非必须氨基酸用于蛋白质合成，而丝氨酸向甘氨酸转化过

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