不同细胞亚定位的PKM2在肿瘤细胞中发挥作用的研究进展

卢晓梅

(新疆医科大学第一附属医院临床医学研究院, 省部共建中亚高发病成因与防治国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011)

M2型丙酮酸激酶(Pyruvate kinase M2)在肿瘤细胞内参与多种生物活动,包括有氧糖酵解、核信号转导、蛋白质合成和蛋白质相互作用等[1]。既往有关PKM2在肿瘤中的作用的研究都是围绕其对肿瘤细胞代谢的影响或与蛋白激酶相关的作用展开的[2]。随着对PKM2研究的深入,PKM2也具有一些非代谢功能[3],包括RNA结合蛋白、免疫调节剂、高尔基体的维护等。为更好理解PKM2在肿瘤病理生理环境中所发挥的生物学作用,本综述将从PKM2的非代谢作用角度,主要围绕RNA结合蛋白、PKM2的核转位、免疫调节、线粒体PKM2等方面,加深对PKM2的认识。此外,尽管已有多篇综述论文涉及PKM2在癌症中的非代谢作用[2,4-6],但本综述主要从PKM2在细胞内和细胞外均可跨界游走的角度来铺陈内容,阐述PKM2为适应癌症微环境而发挥不同作用的游走,以及PKM2在细胞内或细胞外可能到达的所有位置,以帮助读者更好地理解游走的PKM2在肿瘤细胞中的作用。

1 核糖核酸结合蛋白(RBP)

RBP是一种与RNA结合的蛋白质。功能性RNA具有多种结构和催化作用,与蛋白质相互作用,在细胞内发挥加工、运输、翻译、RNA稳定、修饰和定位等功能[7-9]。研究发现,RNA直接与蛋白质相互作用,形成核糖核蛋白颗粒(RNPs)。RNPs需要识别RNA中存在的特定序列元素,以控制RNA发挥的功能,其生物发生[10]RNP必须高保真,由于RNP的错误形成或RBP的异常表达会导致基因表达异常,进而引发疾病如癌症等。因此,RBP在癌症发病机制中对RNA的调控起着关键作用。同样,一些功能性RNA对RBPs的作用、稳定性和维持也是不可或缺的。对细胞质PKM2的研究表明,PKM2是一种RBP,其代谢功能需要一些RNA的相互作用和参与。

2 细胞质PKM2

越来越多的证据表明,PKM2可以作为RBP,在肿瘤细胞中发挥一定的作用。目前能与PKM2直接结合的RNA,其中大部分被确定为长非编码RNA(lncRNA)。从功能上看,这些lncRNAs要么是稳定PKM2的“脚手架”,要么是介导PKM1和PKM2剪接切换的PKM2剪接调节因子。Lan等[11]的研究将PKM1/2鉴定为一种RNA结合蛋白,并利用质谱法和平行反应监测测定法,将PKM1/2鉴定为可直接与lncRNA GACAT2结合的RBP。其功能实验表明,GACAT2的上调导致PKM2的表达增加,最终导致丙酮酸激酶活性增强和PKM2转位至线粒体的增加[12]。另一项针对肝细胞癌的研究发现,lncRNA MNX1-AS1可作为支架支持PKM2与导入素α5之间的相互作用[13],从而促进PKM2转位到细胞核内,助长沃伯格效应。尽管上述研究大致确定了能与PKM2结合的RNA,但多数研究并不能详细绘制或给出PKM2的确切相互作用的结构域。由于缺少相互作用的细节,因此对于PKM2如何与这些RNA相互作用仍不清楚。此外,上述研究也未能明确说明PKM2和lncRNA的亚定位关系,但从其结论中,我们推断PKM2的亚定位可能在胞质,因为胞质中的PKM2(四聚体形式)发挥着新陈代谢的作用。通过采用高通量方法,如RBP免疫沉淀、RNA测序和质谱分析,可以对RBPs进行更高通量和全转录组的分析。因此,在不同类型的癌症中,未来可以筛选出更多能与PKM2直接结合的RNA。

PKM2除本身是一种RBP外,还有少量证据表明它能直接与RBP相互作用。一项关于人类胶质瘤的研究支持了这一观点。Mukherjee 等[14]的研究发现PKM2可以直接与胶质瘤细胞核中的RNA结合蛋白HuR结合,从而调节HuR亚细胞定位、p27水平、细胞周期进展和胶质瘤细胞生长,可以看出,PKM2可能与RBPs的胞内分布有关。

3 核PKM2

一般来讲,核PKM2是一种转录因子,可与组蛋白H3,HIF-1α[15]或NF-κB p65[16]相互作用从而增强参与糖酵解基因的转录。随着PKM2转位至细胞核,糖酵解显著增强[17]。PKM2转位入核的内在机制可归纳为以下三个方面:第一,依赖或不依赖磷酸化细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2);第二,依赖于组蛋白去甲基化酶(JMJD5),JMJD5可改变PKM2的同/异配体重组;第三,在代谢压力下,PKM2可主动进入细胞核,以促进肿瘤细胞在不利环境中生存。最早观察到PKM2磷酸化后发生核转位依赖于ERK1/2磷酸化的证据来自Yang等[18]的研究。研究发现,作为β-catenin诱导原癌基因(c-Myc)表达的辅助激活剂,核PKM2在正反馈循环中导致葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)和乳酸脱氢酶A(LDHA)的上调。这项研究强调了核PKM2在无氧糖酵解和肿瘤发生中的关键作用。

另有研究表明,PKM2入核与磷酸化的ERK1/2无关[19]。DDX39B可招募输入蛋白α5,加速PKM2的核转位,而与ERK1/2介导的PKM2磷酸化无关。除了DDX39B外,一定还有其他分子在介导PKM2的核转位。在另一项肿瘤研究中,JMJD5被确定为PKM2的新型相互作用分子[15]。研究表明,JMJD5对PKM2进入细胞核的核转位有重大影响。由于JMJD5物理性地阻碍了PKM2四聚体的组装,从而阻止了PKM2进入细胞核。研究证明,一旦进入细胞核,核PKM2就会与JMJD5和HIF-1α复合,从而特异性地增强HIF-1α与LDHA基因座的结合。

回顾上述文献,可以发现PKM2第37位丝氨酸的磷酸化[18]是PKM2核转位所必需的[15]。除了第37位丝氨酸外,Yu等[20]的研究中补充了另一个新的磷酸化位点Thr454。该位点被证明对PKM2的核转位至关重要。除了PKM2某些氨基酸的磷酸化外,乙酰化似乎也参与了PKM2向核内的转位。一份来自急性髓性白血病(AML)的报告揭示[21],含约瑟芬域2(JOSD2)诱导的PKM2在K433处的乙酰化减少能够抑制PKM2的核定位,明确表明PKM2的乙酰化也能促进核转位。因此,如果没有ERK1/2介导的磷酸化,PKM2也能在缺氧和营养限制等代谢压力下主动转位到细胞核内,作为转录因子诱导癌症干细胞相关基因的表达,从而帮助肿瘤细胞在不利的病理生理环境中存活下来[22]。核PKM2是否参与其他生物活动仍有待进一步研究。

4 调节免疫检查点

PKM2作为一种检查点调节剂可以调节免疫检查点,如有关细胞程序性死亡-配体1(PD-L1)的研究鲜有关注。Palsson-McDermott等[23]的研究显示,PKM2是肿瘤细胞和免疫细胞中PD-L1表达不可或缺的原始证据。PKM2调控PD-L1的基本分子机制是PKM2和HIF-1α可直接与PD-L1启动子上的缺氧反应元件结合。因此,PKM2或许可作为肿瘤微环境中的炎症或免疫调节剂。研究证实[24],PD-L1的表达需要PKM2以信号转导和转录激活因子(STAT)1依赖性方式表达。另一项研究[25]表明,PKM2通过激活STAT1调控PD-L1的过表达。既然PKM2能直接影响PD-L1的表达,这里自然提出了一个假设,即PKM2也可能影响细胞毒性T细胞(如CD8+T细胞)对肿瘤组织的浸润。Li等[26]的研究支持了这一假设,他们证实了PKM2表达与肝癌淋巴细胞浸润之间存在统计学上的相关性。PKM2调控CD8+T细胞向肿瘤组织浸润的分子机制尚不清楚,但STAT通路可能有参与。目前,关于PKM2调节CD8+T细胞在癌症中浸润的调控机制的研究报道还较少,因此需要进行更多的研究。

5 外泌体PKM2

PKM2分布广泛,可以存在于细胞核、细胞质和外泌体,也可以在细胞内释放,发挥不同的作用。外泌体含有生产细胞的DNA、RNA、蛋白质、脂类和代谢产物,在生理和病理情况下都会释放到细胞外空间。人们对外泌体在癌症和心血管疾病等多种病理生理状况下的作用进行了广泛研究。Buschow等[27]首次提出了外泌体中可含有PKM2的证据,并利用定量质谱方法从B细胞的外泌体中鉴定出了一小部分与主要组织相容性复合体II类(MHC II)发生特异性共沉淀的蛋白质。在这些蛋白质中,发现了PKM2。之后的研究分析了外泌体PKM2的生物学作用,发现从癌细胞外泌的PKM2可重塑转移前肿瘤微环境,从而促进癌细胞的转移[28]。

除了促进转移外,还有证据表明[29]外泌体PKM2可以重塑肿瘤微环境,在肝细胞癌的环境中使单核细胞向巨噬细胞分化。此外,在非小细胞肺癌中,外泌体PKM2被证明在很大程度上参与了顺铂耐药性的产生[30]。本课题组前期研究发现[31],从食管鳞状细胞癌(ESCC)患者外周血提取的外泌体中也发现了PKM2,外泌的PKM2可促进食管癌细胞在体外的增殖、迁移和侵袭。从机制上讲,外泌体PKM2可激活ESCC细胞中的STAT3信号通路,这与外泌体PKM2在ESCC中的作用机制有关。即外泌体的分泌受PKM2本身的控制。该项研究对于了解肿瘤细胞外泌体的物理形成具有重要意义。PKM2不仅可以通过肿瘤细胞的外泌体分泌,还可以反过来调节外泌体的物理形成。

6 线粒体PKM2

除了细胞核和细胞外,线粒体中也存在PKM2。最初确定 PKM2表达与线粒体之间关系的发现是由Wu等人[32]报道的,其研究发现,PKM2的升高会导致线粒体融合。该研究仅探讨了PKM2与线粒体融合之间的先导相关性,并未给出太多有关PKM2如何导致线粒体融合的生化细节。Li等[33]的实验表明,PKM2与线粒体融合的关键调节因子mitofusin 2(MFN2)相互作用,加速线粒体融合和线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)。即PKM2能促进线粒体融合,但没有提供任何其他证据表明PKM2是否能转运到线粒体中。Liang等[34]的研究显示,PKM2可在氧化应激下转入线粒体。作者深入分析了PKM2转位进入线粒体的过程,发现PKM2与线粒体中的B淋巴细胞瘤-2基因(Bcl2)相互作用,并能够使Bcl2蛋白的第69位苏氨酸发生磷酸化。这种磷酸化稳定了Bcl2蛋白,从而阻止了胶质瘤细胞的凋亡。关于线粒体PKM2在肺缺血再灌注损伤环境中的调解作用的研究也完全支持这一发现,该研究认为线粒体PKM2参与了癌细胞抗凋亡的调控[34]。以上的研究发现有助于更好地了解线粒体PKM2的生物学作用。

7 高尔基体PKM2

目前,尚未有研究表明PKM2可以在高尔基体中存在,但有研究表明PKM2可以维持肿瘤细胞内高尔基体的完整性[35]。Taguchi等[35]利用HeLa和ME-180宫颈癌细胞进行研究发现,沉默PKM2可导致维持高尔基体功能和结构所需的三个关键蛋白(包括GM130、巨蛋白和 p115蛋白)下调,转录因子TFE3是GM130、giantin和p115蛋白表达的调控因子。PKM2与TFE3 mRNA的5′非翻译区结合,从而促进了翻译。从该项研究中可知,PKM2在肿瘤细胞中具有维持高尔基体完整性的新功能。

8 总结与展望

PKM2参与了肿瘤细胞发展所必需的许多关键活动。作为代谢酶(四聚体)和蛋白激酶(二聚体)的双重角色,游荡的PKM2可以在细胞内和细胞外进行跨界活动。核PKM2是一种转录因子,可以调节一些与代谢物和细胞周期有关的重要基因的转录。重要的是,细胞质中的PKM2是RNA结合蛋白,可与不同的长非编码RNA结合,从而加强自身作为代谢酶的作用。线粒体PKM2直接参与线粒体融合,因此参与了肿瘤细胞的抗凋亡。值得注意的是,PKM2可以保护肿瘤细胞中高尔基体的完整性和结构。外泌体PKM2甚至可以远程协助重塑微环境,使肿瘤细胞能够适应不利环境,从而得以生存和发展。就肿瘤的生物标志物而言,循环或血浆中的PKM2作为预测标志物的可能性较小,主要由于PKM2不具备成为理想生物标志物所需的特异性和敏感性。未来,随着新型技术和设备平台的出现,将进一步揭示PKM2的未知功能,以及鉴定出更多可与PKM2相互作用的分子(包括RNA和蛋白质)。