Warburg效应：它对癌细胞有何益处？

摘要

葡萄糖代谢与Warburg效应

葡萄糖是一种重要的宏观营养素，葡萄糖的新陈代谢允许能量通过碳键的氧化以ATP的形式被利用。这个过程对维持所有哺乳动物的生命至关重要。在哺乳动物中，最终产物可以是乳酸，或者在线粒体中通过呼吸将葡萄糖完全氧化后，CO₂在肿瘤和其他增殖或发育中的细胞中，即使在有氧和功能完全的线粒体存在的情况下，葡萄糖吸收率也会急剧增加，并产生乳酸。这一过程被称为Warburg效应，已被广泛研究(图1). 然而，经过仔细检查，它对细胞生长和存活的益处尚未得到解决。本分析将重点关注其功能的几个建议，在每种情况下，我们都会讨论它们的吸引力和缺点。在讨论每一项提案之前，我们首先在历史背景下介绍Warburg效应，重点介绍其概念发展中不太受重视的方面。我们希望这次回顾能为癌症新陈代谢的当前观点带来更多的背景。

在单独的窗口中打开

图1

20世纪20年代至2010年代关于Warburg效应的出版物频率

自20世纪20年代以来，随着2000年代到今天出版数量的激增，人们对华伯格效应进行了广泛的研究。Warburg效应的许多拟议功能也重新引起了人们的极大兴趣。虽然能量（ATP）、生物合成和活性氧已在Warburg效应的背景下进行了复杂的研究，但酸化和乙酰化只是最近才引起注意。

华伯格效应的历史透视

20世纪20年代，奥托·沃伯格（Otto Warburg）及其同事观察到，与周围组织相比，肿瘤吸收了大量葡萄糖。此外，即使在有氧的情况下，葡萄糖也会发酵产生乳酸，因此称为有氧糖酵解[1,2]. 然而，也有人指出，单靠呼吸就可以维持肿瘤的生存能力。因此，可以得出结论，为了通过剥夺肿瘤细胞的能量来杀死肿瘤细胞，必须消除葡萄糖和氧气[三]. 随后，1929年，英国生物化学家赫伯特·克拉布特里（Herbert Crabtree）扩展了沃伯格（Warburg）的工作，研究了肿瘤类型中糖酵解的异质性。他证实了Warburg的发现，但进一步发现肿瘤的呼吸强度是可变的，许多肿瘤表现出大量的呼吸[4]. 因此，Crabtree得出结论认为，肿瘤细胞不仅表现出需氧糖酵解，而且发酵过程也可能因环境或遗传影响而发生变化。

与这些先前工作的发现相反，由于这些作者不清楚的原因，Warburg后来提出功能失调的线粒体是有氧糖酵解的根源[5]. 沃伯格进一步推测，这一事件是癌症的主要原因。20世纪70年代初，Efraim Racker将这种现象称为Warburg效应，他还指出，以前的数据表明肿瘤具有呼吸能力。Racker发展了他自己关于Warburg效应起源的理论，从细胞内pH值的不平衡到ATP酶活性的缺陷[6]. Racker、Jeffrey Flier和Morris Birnbaum后来观察到，有氧糖酵解是一个可控的过程，可以通过生长因子信号直接调节。到那时，癌基因的发现导致了以下结论：生长因子信号的异常调节是肿瘤发生的起始事件。因此，他们的观察为Warburg的癌症生物学假说带来了新的意义[7-10]. 然而，直到最近，遗传和药理学研究最终表明肿瘤生长需要Warburg效应，Warburge效应是否是癌症发病机制的旁观者仍不清楚[11,12]. 回到肿瘤代谢的最初发现，现在很明显，可能需要同时针对有氧糖酵解和线粒体代谢[13-16]. 在整个历史中，它的功能一直存在争议。在这里，我们讨论了几个主要建议，并认为即使在今天，Warburg效应对肿瘤生长的作用仍然未知。

Warburg效应与快速ATP合成

与线粒体呼吸获得的ATP相比，每单位葡萄糖的有氧糖酵解是一种低效的生成ATP的方法[17,18]. 然而，通过有氧糖酵解进行的葡萄糖代谢速率更高，因此葡萄糖产生乳酸的速度比线粒体中葡萄糖完全氧化的速度快10-100倍。事实上，当任何一种形式的葡萄糖代谢被利用时，在任何给定时间段内合成的ATP量都是相当的[19]. 因此，关于癌症采用有氧糖酵解的原因的合理假设应该解释这种内在动力学差异。

使用进化博弈论的理论计算支持，ATP生成速率较高但产量较低的细胞在竞争共享和有限的能源时可能会获得选择性优势(图2，关键数字）[20,21]. 事实上，肿瘤微环境对葡萄糖的利用有限，并与基质细胞和免疫细胞竞争营养素[22,23]. 最近的一项研究表明，当细胞环境发生变化，通过改变依赖ATP的膜泵的需求，导致ATP需求大幅增加时，有氧糖酵解迅速增加，氧化磷酸化保持不变[24]. 这一发现为Warburg效应的功能支持ATP的快速生产提供了额外的理论依据，该功能可以快速调整以支持ATP合成的需求。

在单独的窗口中打开

图2

Warburg效应的拟议功能概述

Warburg效应被定义为葡萄糖摄取率的增加和乳酸的优先生成，即使在有氧气的情况下也是如此。这些函数中的每一个都被假设为Warburg效应的函数。

尽管这项提议很有吸引力，但仍有困难。简单的经验计算表明，细胞生长和分裂所需的ATP量可能远低于正常细胞维持所需的量[18,25]. 因此，在肿瘤细胞生长期间，ATP需求可能永远不会达到极限值。此外，肿瘤细胞中也存在其他类型细胞在快速ATP需求情况下可用的机制。例如，在激素变化下，运动肌肉中的肌酸激酶或腺苷酸激酶快速合成ATP，大多数肿瘤细胞中都存在，应该能够满足ATP需求。因此，需要进一步的研究来证明这种机制能否解释有氧糖酵解的作用。

Warburg效应与生物合成

Warburg效应被认为是一种适应机制，支持不受控制的增殖的生物合成需求(图2，关键数字）。在这种情况下，增加的葡萄糖消耗被用作支持细胞增殖所需的合成代谢过程的碳源[17,26-32]. 这些多余的碳用于核苷酸、脂质和蛋白质的从头生成，并可被转移到糖酵解产生的多个分支途径。一个例子是通过磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）将糖酵解通量转移到从头合成丝氨酸中[18]. 除了将葡萄糖代谢增强产生的额外碳用于细胞构建块外，一个现在著名的论点是，增殖细胞更需要以NADPH的形式减少当量，而不是对ATP的速率限制需求。葡萄糖摄取增加允许在戊糖磷酸途径的氧化分支中更多地合成这些还原当量，然后用于还原性生物合成，最显著的是在从头开始的脂质合成中[17,33].

另一个被提议的解释Warburg效应生物合成功能的机制是NAD的再生⁺从丙酮酸中的NADH到完成有氧糖酵解的乳酸步骤。在这种情况下，必须消耗甘油醛磷酸脱氢酶（GAPDH）产生的NADH才能再生NAD⁺保持糖酵解活性。这种高糖酵解速率使得供应线保持开放，例如，可以将3-磷酸甘油酯（3PG）虹吸成丝氨酸，用于单碳代谢介导的NADPH和核苷酸的生成[17,25]. 这些建议共同得出结论，Warburg效应支持代谢环境，允许快速生物合成以支持生长和增殖。

此外，其他人提出有氧糖酵解是支持生物合成的一种权衡[34,35]. 在这些情况下，制造ATP的低效方式是通过合成代谢途径维持高通量的代价。这些途径需要增加生物合成基因的表达，例如那些参与核苷酸和脂质代谢的基因，而在蛋白质数量有限的情况下，为了保持生物合成酶的高表达，通过限制线粒体的使用来进行权衡。这种权衡的另一种情况来自于这样一种观点，即每个细胞可用的物理体积可能会限制线粒体的数量，因此任何超过有限线粒体容量的能量和生物量都需要通过有氧糖酵解产生[36-38]. 这个概念被称为溶剂容量约束。在这两种情况下，Warburg效应是一种适应，在ATP生成选项有限的情况下支持生物质生产。

该建议的吸引力部分来自于它能够简单解释有氧糖酵解与细胞生长和增殖之间的明显相关性。此外，一些人似乎很直观地认为，由于糖酵解速率更大，在这种情况下乳酸的产生将有助于NAD的再生，因此在Warburg效应期间，糖酵分解产生的分支路径将在更大程度上被使用⁺允许糖酵解继续。此外，NADPH对脂质生成的需求可以用一个非常简单的化学方程式来概括，表明NADPH的需求高于ATP对生物合成的需求[17].

然而，Warburg效应的这一拟议功能存在重大局限性。首先，在有氧糖酵解过程中，大多数碳不会被保留，而是以乳酸的形式排出[25]. 事实上，1个葡萄糖分子转化为2个乳酸分子的总方程式没有NAD的总增益或损失⁺NADH没有给生物量留下空间。也就是说，由于糖酵解的化学计量比，生物量的产生与乳酸的生成相互排斥，NAD的再生是不可能的⁺仅通过乳酸来解释生物合成。因此，导致葡萄糖生物合成的途径发生在完全不产生乳酸的情况下，而乳酸是Warburg效应的标志。此外，现在人们普遍认为线粒体是生物合成程序的关键组成部分，其在TCA循环中的底物用于核苷酸、氨基酸和脂质的生物合成[39,40]. 根据这一证据，很难理解华伯格效应如何直接促进生物合成。

关于将Warburg效应定义为促进生物合成的权衡的建议，最近定量蛋白质组学的估计表明，进行有氧糖酵解的蛋白质生产成本巨大。事实上，细胞将其全部蛋白质组的10%和代谢基因的一半用于生产参与糖酵解的蛋白质[41]. 相反，细胞中的生物合成程序需要的蛋白质量要低得多。因此，生产好氧糖酵解蛋白质的成本与生产生物合成蛋白质的成本一样大（如果不是更大的话）。有证据表明，线粒体功能与Warburg效应同时发生，因此限制线粒体活性似乎在Warburge效应期间没有发生，这进一步挑战了这些建议。最终，需要进一步研究来阐明Warburg效应是否支持生物合成程序。

Warburg效应与肿瘤微环境

与前面章节中描述的细胞内在功能相反，沃伯格效应可能对多细胞环境中的细胞生长具有优势。微环境酸化和其他代谢串扰是有趣的可能性。由于乳酸分泌，葡萄糖代谢升高会降低微环境中的pH值(图2，关键数字）[42]. 酸中毒对癌细胞的潜在益处是多方面的。酸介导的侵袭假说表明H⁺癌细胞分泌的离子扩散到周围环境中，改变瘤瘤界面，从而增强侵袭力[42,43]. 最近的一项研究表明，肿瘤衍生乳酸是M2组织相关巨噬细胞（TAM）极化的促成因素[44]. 如前所述，葡萄糖的可用性似乎是肿瘤和肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）之间直接竞争的结果[22,23]. 糖酵解的高速度限制了TIL的葡萄糖可用性，因为TIL需要足够的葡萄糖来实现其效应器功能。支持这一建议的直接证据表明，靶向肿瘤中的有氧糖酵解具有增加TIL葡萄糖供应的额外益处，从而增强其主要功能，即消除肿瘤细胞。总之，这组证据表明，肿瘤细胞可以与免疫系统中的细胞进行通信，以支持原癌免疫。

Warburg效应可能提供了一种整体益处，支持有利于癌细胞增殖的肿瘤微环境。然而，Warburg效应被认为是致癌的早期事件，是初始致癌突变的直接后果，例如KRAS公司胰腺癌或BRAF公司在细胞侵袭之前发生的黑色素瘤中，以及在良性和早期病变中[45,46]. 另一个问题是，在与环境完全隔离的条件下，例如在单细胞酵母的生长阶段，Warburg效应仍然是从葡萄糖中选择能量代谢[38]. 总之，这些数据表明，华伯格效应的非细胞内在功能不足以完全解释其功能。

Warburg效应与细胞信号转导

我们和其他人已经提出，Warburg效应赋予肿瘤细胞直接的信号功能[18,39,47-49]. 这一建议特别有吸引力，因为它确定了葡萄糖代谢改变通过影响其他细胞过程的信号转导在促进肿瘤发生中的直接因果作用。信号功能的两个领域是活性氧（ROS）的产生和调节以及染色质状态的调节。其他研究已经确定了其他可能的信号机制[23,50].

保持ROS的适当平衡至关重要[51]. 过量的活性氧会破坏细胞膜、核酸，并产生其他有害影响。活性氧不足会干扰有利于细胞增殖的信号传递过程，例如通过失活磷酸酶和张力蛋白同系物（PTEN）和酪氨酸磷酸酶。Warburg效应导致线粒体氧化还原电位的改变，最终改变活性氧的生成[18].

细胞氧化还原电位的一个重要决定因素是线粒体中用于电子传输的NADH。当糖酵解速率波动时，维持氧化还原稳态的细胞机制已经就位。在一定程度的糖酵解中，苹果酸天冬氨酸穿梭于线粒体中，能够恢复NADH失衡[18]. 然而，当糖酵解速度快于苹果酸-天冬氨酸穿梭器所能容纳的速度时，丙酮酸通过乳酸脱氢酶（LDH）转化为乳酸能够再生NAD⁺这一过程还可能通过影响线粒体中还原当量的浓度来影响ROS生成的体内平衡(图2，关键数字）[18,52]. Warburg效应的这种结果可能直接参与了肿瘤诱导衰老（OIS）[53]. OIS具有肿瘤抑制细胞功能，最近的一项研究报告称，通过丙酮酸脱氢酶（PDH）增加葡萄糖氧化可以调节OIS。这一发现表明，NADH的氧化还原平衡可能有助于瓦堡效应的直接信号作用。

此外，刺激氧化还原稳态的代谢途径与Warburg效应一起上调。例如，来自糖酵解的戊糖磷酸途径生成NADPH。从头开始的丝氨酸代谢进入单碳代谢，产生NADPH和谷胱甘肽，调节活性氧水平[54,55]. 这些发现共同提供了有氧糖酵解和活性氧可用性之间的直接生物化学联系，而活性氧可反过来影响无数信号传递过程。

除了通过活性氧传递细胞信号外，葡萄糖代谢和组蛋白乙酰化之间的信号联系也有很好的记录[56-59]. 染色质结构的状态负责调节不同的细胞功能，包括DNA修复和基因转录。已经确定组蛋白乙酰化的底物乙酰辅酶A可以由葡萄糖流量调节[59]. 研究表明，细胞代谢和生长基因调控之间存在直接联系，细胞内乙酰辅酶a水平可能代表促进这一重要联系的广泛保守机制[60]. ATP-柠檬酸裂解酶（负责将柠檬酸转化为乙酰辅酶A的酶）的活性可以影响组蛋白乙酰化水平[47]. 乙酰辅酶A水平升高可能足以通过组蛋白乙酰化将细胞推入生长期[56]. 葡萄糖的去除或ATP-柠檬酸裂解酶的减少会导致一些组蛋白的乙酰化丢失，并导致参与葡萄糖代谢的基因转录降低。这表明葡萄糖代谢和组蛋白乙酰化之间存在一些相互作用。支持这一观点的是，已经发现糖酵解代谢会影响染色质结构[58].

除了组蛋白乙酰化反应细胞中葡萄糖的可用性外，脱乙酰化也会受到营养物质可用性的影响[39]. 由于NAD调节多种脱乙酰酶的活性，因此脱乙酰作用在营养感知和信号传导中起着重要作用⁺水平。更具体地说，NAD的比率⁺/营养缺乏条件下NADH增加[39,56,57]. 因此，乙酰化和脱乙酰化都会受到营养物质有效性的影响，这表明它们的状态可能是Warburg效应的结果。这些多重证据表明糖酵解具有细胞信号功能。

然而，困难也限制了这一建议成为通过有氧糖酵解使癌细胞受益的一般机制。一个这样的局限性是，很难想象分子特异性是如何通过这样一个总的全球信号机制产生的。例如，与生长因子信号传递相比，配体结合到底物诱导构象和酶活性变化，从而影响特定的细胞过程，糖酵解状态信号传递到其他细胞过程的机制缺乏明显的特异性来源。另一个限制是，此类提案通常缺乏可伪造性。这意味着很难设计实验来最终证明特定的信号机制，例如染色质结构调节，直接来自葡萄糖代谢状态，这是有氧糖酵解的关键益处。其中一个原因是，生化相互作用发生得很快，但细胞表型的改变会在更长的时间内进化，从而导致沿途发生许多混杂因素。能够测试这些假设的遗传模型很难设想，而其他实验缺乏测试特定细胞结果是否通过这种信号机制而不是通过间接手段发生的能力。这些一般特征，如ROS信号稳态和染色质结构组织，在肿瘤发生中是关键事件的程度也不清楚[61]. 未来，如其他信号转导研究所示，这种特异性和实验测试这些假设的能力可能来自于观察机制的定量方面。能够精确控制乙酰辅酶A和活性氧水平的实验可以使沃堡效应的许多下游效应解耦。

结束语

对Warburg效应及其在癌细胞中的功能的广泛研究，提高了我们对其原因和肿瘤细胞增殖要求的理解[29,52]. 然而，我们认为，它给我们留下了一个关于其本体论的令人惊讶的缺乏清晰度的问题。这些不确定性应该挑战我们更好地理解它在促进肿瘤生长方面的作用。如果要在利用代谢中的饮食和药物干预治疗和预防癌症，以及利用葡萄糖代谢操纵免疫系统方面取得治疗进展，我们可能需要更好地了解Warburg效应的生物学，这是目前备受关注的课题。

致谢

词汇表

脚注

工具书类