了解Warburg效应：细胞增殖的代谢需求

摘要

对于微生物等单细胞生物来说，当营养物质可用时，存在着尽快繁殖的进化压力。他们的新陈代谢控制系统已经进化到能够感知足够的营养物质供应，并将必需的碳、氮和自由能引导到产生产生新细胞所需的构建块中。当营养素缺乏时，细胞停止生物量生产并适应新陈代谢，从可用资源中提取最大自由能量，以度过饥饿期(图1). 反映了代谢需求的这些基本差异，已经进化出不同的调节机制来控制增殖细胞和非增殖细胞的细胞代谢。

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图1

微生物和多细胞生物的细胞在相似的环境条件下具有相似的代谢表型。经历指数增长的单细胞生物通常通过将葡萄糖发酵成乙醇等小有机分子来生长。这些有机体和多细胞有机体中的增殖细胞都主要通过糖酵解代谢葡萄糖，以乙醇、乳酸或其他有机酸（如乙酸或丁酸）的形式排出大量碳。缺乏营养的单细胞生物主要依赖于氧化代谢，而多细胞生物中的细胞也不受刺激增殖。这种进化保守性表明，营养限制期间的氧化代谢和细胞增殖期间的非氧化代谢具有优势。

在多细胞生物中，大多数细胞都暴露在不断供应的营养物质中。当营养物质的可用性超过支持细胞分裂所需的水平时，生物体的生存需要控制系统来防止个体细胞异常增殖。由于哺乳动物细胞通常不会从环境中吸收营养物质，除非受到生长因子的刺激，否则无法控制增殖。癌细胞通过获得基因突变来克服这种生长因子依赖性，这些基因突变在功能上改变了受体启动的信号通路。越来越多的证据表明，其中一些途径组成性地激活营养素的吸收和代谢，从而促进细胞存活和燃料电池生长(1,2). 致癌突变可导致摄入营养物质，尤其是葡萄糖，这些营养物质满足或超过细胞生长和增殖的生物能量需求。1924年，奥托·沃伯格（Otto Warburg）观察到癌细胞代谢葡萄糖的方式不同于正常组织中的细胞，这一认识再次引起了人们的关注(三,4). 通过研究路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）关于葡萄糖发酵为乙醇的观察结果如何适用于哺乳动物组织，沃伯格（Warburg）发现，与大多数正常组织不同，即使在有足够氧气支持线粒体氧化磷酸化的情况下，癌细胞也倾向于将葡萄糖“发酵”为乳酸。对Warburg的观察结果的明确解释仍然难以捉摸，至少部分原因是，乍一看，通过线粒体氧化磷酸化使葡萄糖完全分解代谢，以最大限度地增加腺苷5′-三磷酸（ATP）的生成，似乎可以更好地满足细胞增殖的能量需求。

在这篇综述中，我们探讨了细胞增殖的代谢需求，试图了解为什么增殖细胞通过有氧糖酵解代谢葡萄糖。了解增殖细胞产生生物质所需的能量将有助于阐明驱动细胞生长的信号通路与细胞代谢调节之间的联系。

哺乳动物增殖细胞表现出合成代谢

我们目前对代谢途径的理解主要基于对分化组织中非增殖细胞的研究。在有氧的情况下，大多数分化细胞主要通过线粒体三羧酸（TCA）循环中糖酵解丙酮酸的氧化将葡萄糖代谢为二氧化碳。该反应产生NADH[烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺)，减少]，从而促进氧化磷酸化，以最大限度地增加ATP的生成，同时减少乳酸的生成(图2). 只有在厌氧条件下，分化细胞才能产生大量乳酸。相比之下，大多数癌细胞产生大量的乳酸，而不考虑氧气的可用性，因此它们的代谢通常被称为“有氧糖酵解”Warburg最初假设癌细胞在线粒体中形成缺陷，导致有氧呼吸受损，继而依赖糖酵解代谢(4). 然而，随后的研究表明，大多数癌细胞的线粒体功能没有受损(5–7)这为癌细胞有氧糖酵解提供了另一种解释。

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图2

氧化磷酸化、厌氧糖酵解和需氧糖酵化之间差异的示意图（Warburg效应）。在有氧的情况下，非增殖（分化）组织首先通过糖酵解将葡萄糖代谢为丙酮酸，然后将线粒体中的大部分丙酮酸完全氧化为CO₂在氧化磷酸化过程中。因为氧气是葡萄糖完全氧化的最终电子受体，所以氧气对这一过程至关重要。当氧气受到限制时，细胞可以通过产生乳酸（厌氧糖酵解）将糖酵解产生的丙酮酸从线粒体氧化磷酸化中转移出来。厌氧糖酵解过程中乳酸的生成允许糖酵分解继续进行（通过NADH循环回到NAD⁺)但与氧化磷酸化相比，产生的ATP最少。Warburg观察到，无论是否有氧气存在（有氧糖酵解），癌细胞都倾向于将大多数葡萄糖转化为乳酸。正常增殖组织具有这种特性。在癌细胞和正常增殖细胞中，线粒体仍具有功能，一些氧化磷酸化仍在继续。然而，有氧糖酵解在生成ATP方面不如氧化磷酸化有效。在增殖细胞中，约10%的葡萄糖被转移到丙酮酸生产上游的生物合成途径。

为什么增殖细胞会转换为低效代谢？

如上所述，许多单细胞生物通过发酵繁殖，发酵是微生物有氧糖酵解的等效物，类似于人类癌细胞，即使氧气充足，也优先发酵葡萄糖(图1). 这表明有氧糖酵解代谢可以为细胞增殖提供足够的能量。葡萄糖代谢为乳酸时，每个葡萄糖分子仅产生2个ATP，而氧化磷酸化在一个葡萄糖分子完全氧化后产生多达36个ATP(8). 这就提出了一个问题，为什么在增殖细胞中会选择效率较低的代谢，至少在ATP生成方面如此。

一种可能的解释是，只有在资源稀缺的情况下，ATP生产效率低下才是一个问题。哺乳动物细胞的增殖情况并非如此，它们暴露在循环血液中持续供应的葡萄糖和其他营养物质中。最近才对活跃增殖细胞中的代谢途径及其调控进行了研究，有证据表明ATP可能从未在这些细胞中受到限制。无论细胞受到多少分裂刺激，使用有氧糖酵解的细胞也表现出较高的ATP/ADP（5′-二磷酸腺苷）和NADH/NAD比率⁺(2,9). 此外，即使ATP/ADP比率中的微小扰动也会影响生长。ATP缺乏的细胞经常发生凋亡(10,11). 当正常增殖细胞从葡萄糖中产生ATP的能力受到损害时，它们也会经历细胞周期停滞并重新激活分解代谢(12,13)，并且存在感知能量状态的信号通路。其中最具特征的是腺苷酸激酶的活性，它通过将两个ADP转化为一个ATP和一个AMP（5′-单磷酸腺苷）来缓冲降低的ATP生成。随着ATP产量的下降，这有助于维持一个可行的ATP/ADP比率，但AMP的积累会激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）。这种激活依赖于肿瘤抑制蛋白LKB1，并导致几个靶点磷酸化，以改善细胞内的能量电荷(14). LKB1最初被鉴定为一种抑癌基因，这表明感知能量应激的能力可能是防止某些细胞类型恶性转化的重要检查点。

下文详细讨论了转换为有氧糖酵解的第二种可能解释是，增殖细胞具有超越ATP的重要代谢需求。

压缩数字——增殖细胞的代谢需求是什么？

要在有丝分裂时产生两个可存活的子细胞，增殖细胞必须复制其所有细胞内容物。这对核苷酸、氨基酸和脂质提出了很大的要求。在生长过程中，葡萄糖被用来产生生物量和ATP。虽然ATP水解为负责生物量复制的一些生化反应提供了自由能，但这些反应有额外的要求。例如，棕榈酸盐是细胞膜的主要成分，合成棕榈酸盐需要7个ATP分子，16个碳来自8个乙酰辅酶a分子，28个电子来自14个NADPH分子[烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP⁺)，减少](8). 同样，氨基酸和核苷酸的合成也比ATP消耗更多的碳和NADPH当量。一个葡萄糖分子可以产生多达36个ATP，或者30个ATP和2个NADPH（如果转移到磷酸戊糖分流中）(8,15)]或提供6个碳用于大分子合成。因此，要合成16碳脂肪酰链，一个葡萄糖分子可以提供所需ATP的五倍，而生成所需NADPH需要7个葡萄糖分子。这种35倍的不对称性只能通过在乙酰辅酶A生产中消耗3个葡萄糖分子来部分补偿，以满足酰基链本身的碳需求。很明显，为了使细胞增殖，大部分葡萄糖不能进行碳分解代谢以产生ATP。此外，如果是这样，ATP/ADP比率的升高将严重影响通过糖酵解中间体的流量，限制大分子合成所需的乙酰辅酶A和NADPH的生成。

对于培养中的大多数哺乳动物细胞来说，仅有两种可明显分解的分子是葡萄糖和谷氨酰胺。这意味着葡萄糖和谷氨酰胺提供了支持细胞生长和分裂所需的大部分碳、氮、自由能和还原当量。从这个角度来看，很明显，将所有葡萄糖转化为一氧化碳₂通过线粒体中的氧化磷酸化来最大限度地产生ATP与增殖细胞的需求背道而驰。一些葡萄糖必须转移到大分子前体中，例如脂肪酸的乙酰辅酶A、非必需氨基酸的糖酵解中间体以及核苷酸的核糖。这可能至少部分解释了Warburg效应所提供的选择优势，这一假说最近得到了支持¹³C-核磁共振波谱测量显示，培养中的胶质母细胞瘤细胞将其获得的90%的葡萄糖和60%的谷氨酰胺转化为乳酸或丙氨酸(16). 虽然大多数乳酸和丙氨酸是作为废物从细胞中排出的，但它们产生的一个“副产品”是NADPH的大量产生(图3). 除了通过转氨反应为非必需氨基酸提供氮外，谷氨酰胺分解为乳酸还通过NADP的活性产生NADPH⁺-特异性苹果酸脱氢酶（苹果酸酶）。生长因子信号传导还调节糖酵解酶丙酮酸激酶的活性，并通过糖酵分解的后期调节碳的流量(9,17). 丙酮酸激酶的这种调节可能促进葡萄糖代谢物重新定向到戊糖磷酸分流以及核苷酸和氨基酸生物合成途径。葡萄糖和谷氨酰胺转化为乳酸涉及乳酸脱氢酶（LDH）。抑制LDH活性损害细胞增殖(6)可能通过干扰细胞分泌多余碳的能力。为了产生足够的NADPH来支持细胞增殖，可能需要消除多余的碳。

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图3

增殖细胞中活跃的代谢途径直接受涉及已知致癌基因和抑癌基因的信号通路控制。该示意图显示了我们目前对糖酵解、氧化磷酸化、戊糖磷酸途径和谷氨酰胺代谢如何在增殖细胞中相互关联的理解。这种代谢线路允许NADPH的产生和乙酰辅酶A向胞浆的流动以进行脂质合成。这些代谢途径中的关键步骤可能受到已知对细胞增殖重要的信号通路的影响。生长因子受体的激活导致酪氨酸激酶信号和PI3K激活。通过AKT，PI3K激活刺激葡萄糖摄取和通过糖酵解早期的流动。酪氨酸激酶信号通过糖酵解的后期步骤负向调节流量，使糖酵化中间体可用于大分子合成以及支持NADPH的生成。Myc促进谷氨酰胺代谢，也支持NADPH的产生。LKB1/AMPK信号和p53通过糖酵解降低细胞应激反应中的代谢流量。LKB/AMPK或p53引起的糖酵解流量减少可能是在低能量利用或氧化应激期间阻断增殖代谢的适应性反应。抑癌基因显示为红色，致癌基因显示为绿色。关键代谢途径用白色方框标记为紫色，控制这些途径中关键步骤的酶用蓝色表示。其中一些酶有望成为癌症的新治疗靶点。苹果酸酶指NADP⁺-特异苹果酸脱氢酶[系统名称（S）-苹果酸：NADP⁺氧化还原酶（草酰乙酸脱羧）]。

脂肪酸合成所需的碳大多来自葡萄糖。在此过程中，葡萄糖首先在线粒体基质中转化为乙酰辅酶A，并在TCA循环中用于合成柠檬酸盐。在高ATP/ADP和NADH/NAD条件下⁺大多数增殖细胞都表现出这种柠檬酸盐，这种柠檬酸盐被排泄回胞质溶胶中，在胞质溶胶中产生脂质。在胞浆中，乙酰辅酶A从柠檬酸盐中被重新捕获，并用作不断增长的酰基链的碳源。从柠檬酸盐合成乙酰辅酶A需要ATP柠檬酸裂解酶（ACL），ACL的破坏会阻碍肿瘤生长(18). 谷氨酰胺的摄取似乎对脂质合成也至关重要，因为它以线粒体草酰乙酸的形式提供碳，以维持TCA循环第一步中柠檬酸的生成(16). 因此，谷氨酰胺和葡萄糖的代谢被协调，以支持脂肪酸合成所需的乙酰辅酶A和NADPH的生成。代谢产物进入核酸和氨基酸合成的其他合成途径的流量必须类似地平衡。

伴随Warburg效应产生的过量乳酸似乎是对细胞资源的低效利用。从细胞中排出的每一个乳酸都会浪费三个碳，而这些碳可能会被用于ATP的生产或大分子前体的生物合成。可能将多余的碳作为乳酸倾倒是有效的，因为它可以更快地将碳并入生物量，从而促进细胞快速分裂。对于大多数增殖细胞来说，营养物质没有限制，因此没有选择性压力来优化ATP产量的代谢。相反，新陈代谢率确实存在选择性压力。免疫反应和伤口修复取决于效应细胞增殖扩张的速度。为了生存，生物体必须向反应细胞发出信号，使其合成代谢生长速度最大化。最有效地将葡萄糖和谷氨酰胺转化为生物量的细胞增殖速度最快。对于生物体来说，营养物质可能是稀缺的，并且在专门的非增殖组织中有活跃的途径来回收增殖细胞快速细胞生长过程中排出的多余乳酸和丙氨酸。肝脏中的Cori循环可以将活跃增殖组织产生的乳酸循环为葡萄糖，并且存在类似的途径来循环“低效”谷氨酰胺代谢产生的丙氨酸(8). 这种在免疫反应或伤口修复过程中回收细胞增殖产生的有机废物的能力对整个生物体的能量储备影响最小。此外，有新的证据表明肿瘤内的细胞代谢可能是异质的，一些细胞利用产生的过量乳酸作为线粒体氧化磷酸化的燃料(19).

代谢调节是细胞生长机制的组成部分

磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）信号通路与生长控制和葡萄糖代谢有关。除了通过mTOR将可用氨基酸引导到蛋白质合成中的明确作用外，PI3K途径还调节葡萄糖的摄取和利用(图3). 即使在非胰岛素依赖性组织中，通过AKT的PI3K信号也可以调节葡萄糖转运蛋白的表达，通过己糖激酶增强葡萄糖捕获，并刺激磷酸果糖激酶活性(2). PI3K通路激活使细胞依赖于高水平的葡萄糖流量(20). 干扰PI3K信号传导的小分子导致肿瘤对葡萄糖的摄取减少¹⁸脱氧葡萄糖正电子发射断层扫描（FDG-PET）以及抑制肿瘤摄取FDG的能力与肿瘤消退相关(21). 葡萄糖戒断诱导细胞死亡的方式与生长因子信号转导的戒断无法区分，这一现象可能导致“癌基因成瘾”(22). 事实上，在癌症患者中进行检测时，通过FDG-PET测定的破坏葡萄糖代谢的能力来预测治疗的反应(23) (图4).

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图4

PET和葡萄糖类似物FDG显示肿瘤葡萄糖代谢减少，预测抗癌治疗的反应。图示为一种恶性肉瘤（胃肠道间质瘤）患者在接受酪氨酸激酶抑制剂（舒尼替尼）治疗前后输注FDG后，在混合PET/CT扫描仪上获得的FDG-PET和计算机断层扫描（CT）的冠状融合图像。治疗前，通过FDG-PET/CT很容易看到肿瘤（T）(左边). 治疗4周后(正确的)尽管CT上持续出现异常，但肿瘤没有摄取FDG。多余的FDG通过尿液排出，因此肾脏（K）和膀胱（B）也显示为标记。[图片由波士顿达纳-法伯癌症研究所A.D.Van den Abbeele提供]

越来越多的证据表明代谢酶可以直接促进致癌。TCA循环酶琥珀酸脱氢酶和富马酸水合酶的种系突变已在某些形式的人类肾细胞癌、副神经节瘤和嗜铬细胞瘤中被鉴定(24,25). 这些突变的一个作用是激活Hif1α介导的葡萄糖利用(26). 最近对人类多形性胶质母细胞瘤（一种侵袭性脑癌）的分析显示，高达12%的肿瘤在编码胞浆异柠檬酸脱氢酶-1（IDH1）的基因中存在相同的点突变(27). IDH1中相同残基或相关酶IDH2中类似残基的单等位基因突变是胶质瘤的一个常见特征，因为80%以上的惰性胶质瘤都有这种突变(28,29). IDH1和IDH2偶联NADP中胞浆异柠檬酸和α-酮戊二酸的相互转化⁺/NADPH依赖反应。这种突变对细胞代谢有什么影响尚不清楚；然而，考虑到NADPH在大分子合成和氧化还原控制中的重要需求，NADPH产生的改变可能会影响细胞增殖或突变率(30). 或者，这种突变可能有利于α-酮戊二酸盐作为大分子合成的碳前体生成柠檬酸盐。

许多致癌基因是酪氨酸激酶。与细胞增殖相关的酪氨酸激酶信号的一个共同特征是葡萄糖代谢的调节。与分化细胞相比，增殖细胞选择性表达糖酵解酶丙酮酸激酶（PK-M2）的M2亚型(9). 与其他丙酮酸激酶亚型不同，PK-M2由酪氨酸磷酸化蛋白调节(17). 多种细胞生长信号下游的磷酸酪氨酸信号具有负调节PK-M2活性的共同能力(17). 作为对磷酸酪氨酸蛋白结合的反应，PK-M2被诱导进入低活性状态。这种酶活性的调节可能构成一个分子开关，允许细胞通过糖酵解代谢葡萄糖，这种方式只有在存在生长信号时才符合增殖细胞代谢(图3). 尽管与直觉相反，但PK-M2的低活性形式是细胞增殖所必需的。这种调节允许PK-M2充当守门人，控制碳流向生物合成途径，而不是ATP生产的完全分解代谢。为了支持这一观点，体内增殖需要PK-M2(9).

人类肿瘤细胞的生长受MYC公司癌基因对谷氨酰胺戒断特别敏感(31)和参与谷氨酰胺代谢的基因似乎受到MYC蛋白的直接和间接转录控制(32,33). 谷氨酰胺消耗MYC公司-转化细胞导致TCA循环中间产物的快速丢失和细胞死亡(31). 此外，这种对谷氨酰胺的生存依赖与谷氨酰胺代谢产生ATP无关。

肿瘤抑制途径也可以调节细胞代谢，并可能起到协调营养利用与细胞生理学的作用。例如，p53表达控制代谢基因并改变葡萄糖利用。的表达式TIGAR公司p53诱导的基因，导致磷酸果糖激酶的抑制，葡萄糖向磷酸戊糖分流的重新定向，以及NADPH的产生(34). 这可能是一种保护细胞免受氧化应激的适应性反应，因为NADPH需要生成还原型谷胱甘肽，谷胱甘苷是细胞内抵抗活性氧物种（ROS）介导的损伤的主要防御物。

线粒体氧化磷酸化是活性氧产生的主要细胞来源。营养摄入过多但未转化为有氧糖酵解的细胞，其氧化磷酸化和活性氧生成将增加。这种不适应的代谢状态可能是在活性氧增加的情况下诱导细胞凋亡和/或衰老的进化选择的基础。由于一些癌基因驱动葡萄糖摄取，这一假设可能解释了癌基因诱导的衰老。例如，致癌Ras导致葡萄糖代谢的改变(35)但在没有协同癌基因的细胞中表达时会导致衰老(36). 进一步支持这一假设的观察结果是，稳定期酵母在暴露于高水平葡萄糖且没有额外营养素的情况下会丧失活力(37). 酵母研究还表明，氧化磷酸化在S期停止，以限制ROS介导的DNA损伤，强调了限制增殖细胞中氧化磷酸化和ROS生成的重要性(38).

是什么触发了从氧化磷酸化到好氧糖酵解的转变？

对Warburg的观察提出的一个解释是，肿瘤缺氧会选择依赖厌氧代谢的细胞(39). 然而，癌细胞似乎在暴露于缺氧条件之前使用糖酵解代谢。例如，白血病细胞高度糖酵解(40,41)然而，这些细胞在血流中的氧张力高于大多数正常组织中的细胞。同样，即使这些肿瘤细胞在肿瘤发生过程中暴露于氧气中，发生在气道中的肺肿瘤也表现出需氧糖酵解(9,42). 因此，尽管肿瘤缺氧对癌症生物学的其他方面显然很重要，但现有证据表明，这是一种迟发事件，可能不是癌细胞转化为有氧糖酵解的主要原因。

新陈代谢的经典观点是一个自我纠正、自我平衡的系统，其中一组核心内务酶使细胞能够对不断变化的生物能量需求作出反应。然而，如上所述，不断发展的证据反而指向一个动态调节的系统，该系统被编程为适合细胞增殖的要求或适当地满足每个分化组织的特定需求。对于正常增殖组织，如发育中的胚胎或成人免疫反应期间，生长因子的信号允许细胞利用营养物质进行生长(41,43). 致癌途径的一个功能可能是驱动细胞自主营养吸收和编程增殖代谢，而抑癌途径的一项功能是阻止营养素在合成代谢过程中的利用。在这个模型中，癌症的发生需要突变，使细胞能够获得营养并协调调节代谢途径以支持增殖。这种代谢控制的改变可能是由于恢复到胚胎程序，或进化出以支持细胞生长的方式改变现有细胞代谢的能力。

细胞代谢与人类癌症

原则上，癌细胞的代谢依赖性可以用于癌症治疗。例如，很大一部分人类癌症依赖于通过PI3K/Akt途径的异常信号，针对PI3K和各种下游信号分子的药物目前正在临床试验中。越来越多的证据表明，PI3K的激活导致对糖酵解的依赖性增加，这表明这些药物可能通过干扰葡萄糖代谢发挥部分作用。靶向有氧糖酵解关键代谢控制点的药物，如PK-M2或LDH-A，也可能作为潜在的癌症治疗手段进行研究。此外，针对代谢性疾病（如2型糖尿病）开发的药物可能用于治疗癌症。许多回顾性临床研究发现，广泛使用的糖尿病药物二甲双胍在预防癌症方面可能会带来益处，与其他癌症治疗方法一起使用也可能会改善疗效(44). 二甲双胍和更有效的相关化合物芬福明激活细胞中的AMPK，这表明芬福明或其他AMPK活化剂也可能用作癌症治疗的辅助药物。这些药物的最佳使用将需要更好地了解癌细胞代谢，并识别代表细胞增殖或生存阿基里斯之踵的信号通路。

哺乳动物的代谢组织将摄入的食物转化为葡萄糖、谷氨酰胺和脂质的近恒定供应，以平衡分化组织和增殖组织的代谢需求。与营养素利用有关的燃料和/或信号转导途径的适当平衡发生变化，可能是糖尿病和肥胖等代谢性疾病相关的癌症易感性的基础(45,46). 更好地了解全身代谢如何与肿瘤代谢相互作用，可以更好地确定这些风险，并确定潜在的治疗干预点。此外，与许多癌症相关的恶病质可能因肿瘤过度消耗营养而加剧，这将影响全身代谢调节。为此，膳食补充剂和严格控制血糖作为癌症治疗辅助手段的潜在作用是一个活跃的研究领域。

未来展望

基本上，细胞所做的一切都与代谢直接或间接有关。在所研究的每一种多细胞生物中，有越来越多的证据表明信号通路和代谢控制之间存在相互作用。关于增殖细胞新陈代谢是如何调节的，还有很多要学。尽管有着悠久而丰富的研究历史，但新陈代谢和增殖之间的复杂联系仍是一个令人兴奋的研究领域。事实上，新的代谢途径早在20世纪80年代就被发现了(47)可能还有其他途径尚未描述。理解生物学的这一重要方面可能会对我们理解细胞增殖控制和癌症产生重大影响。

鸣谢

参考文献和注释