肿瘤细胞中相关代谢产物调控PKM2产生的丙酮酸代谢去向的分子机制

Warburg effect is one of the important characteristics of the tumor, and the overexpression of pyruvate kinase M2 (PKM2) directly related to the Warburg effect. PKM2 catalyze phosphoenolpyruvic acid to pyruvate, while there are many contrversy about the metabolism trace of pyruvate. To increase the matebolism efficiency, correlated metabolism enzymes always constitute metabolic enzyme complex, and the fate of pyruvate is correlated with metabolic enzyme complex constituted by PKM2 and other metabolic enzyme. In our previous experiment, we found that there was a significant correlation between the localization of PKM2 and the trace of pyruvate, and 2-Deoxy-D-Glucose could promote the lactate production. Our results suggested that the different metabolic enzyme complexes containing PKM2 dicside the metabolism trace of pyruvate, which controled by relevant metabolites. In this project, we will detect the effect of relevant metabolites on the activity of PKM2, and the relationship with lactate dehydrogenase (LDH) and the mitochondrial pyruvate carrier (MPC), to resolve the regulation mechanisms of PKM2 in pyruvate metabolism. Solving these problems will contribute to the understanding of the Warburg effect specific mechanisms, and provide new ideas for molecular diagnosis and targeting therapy of tumor.

Warburg 效应是肿瘤的重要特征之一，其中丙酮酸激酶M2（PKM2）起关键作用。PKM2催化磷酸烯醇式丙酮酸生成丙酮酸，但丙酮酸代谢去向及调控机制目前存在较多争议，这也是产生Warburg效应的关键因素。相关代谢酶通常组成代谢酶复合体以提高合成目的产物的效率，丙酮酸去向可能取决于PKM2和相关代谢酶形成的复合体。我们在前期实验中发现乳酸的产生与PKM2的定位有关，而且葡萄糖类似物二脱氧葡萄糖可提高乳酸的产生，显示PKM2可能形成不同代谢酶复合体决定丙酮酸代谢去向，而这一过程可能受相关代谢产物的调控。在本课题，我们将从细胞、动物和临床三个层面检测相关代谢产物对PKM2活性的影响，及对PKM2与乳酸脱氢酶（LDH）及线粒体丙酮酸载体（MPC）的相互关系的影响，以明确PKM2调控丙酮酸代谢去向的分子机制。解决这些问题有助于Warburg效应具体机制的理解，为肿瘤靶向治疗及分子诊断提供新思路。

Warburg 效应是肿瘤细胞的重要特征之一，但是其发生的机制一直得不到合理的解释。越来越多的研究发现丙酮酸激酶PKM2可能与Warburg 效应有关，但是具体机制依然不明朗。PKM2的活性是如何调控的，催化生成的丙酮酸的去向受哪些因素影响，目前对PKM2的研究结果存在众多矛盾之处。在本课题组前期研究中，我们发现PKM2的活性可能受葡萄糖代谢中间产物的影响。在本项目中，我们检测了PKM2在正常乳腺以及乳腺癌中的表达水平及定位的变化，同时观察乳腺癌组织中PKM2和乳酸脱氢酶LDH及线粒体丙酮酸载体MPC的定位关系，为探索PKM2作用机制提供线索。同时，重点检测葡萄糖代谢类似物对PKM2生成的丙酮酸代谢去向的影响，以及PKM2定位的变化，进而明确PKM2发挥作用可能的机制。结果我们发现乳腺癌组织中PKM2和LDH的表达水平显著高于相对应的正常乳腺组织，而且PKM2和LDH在乳腺癌组织中存在显著的共定位和共表达现象，相反PKM2和MPC的共定位现象不明显，该结果提示我们PKM2与LDH的共定位可能更有利于Warburg效应的产生。另外，1,6-二磷酸果糖类似物TEPP-46可以显著提高PKM2的活性、减少乳酸的产生，同时减弱PKM2和LDH的相互作用；相反，葡萄糖类似物2-DG减弱了PKM2的活性、增加乳酸的产生，同时增强PKM2和LDH的相互作用。小鼠动物实验也证明了这一点，瘤周注射TEPP-46可以提高PKM2的活性、减少乳酸的产生，2-DG的结果则相反。因此，我们认为PKM2的活性以及丙酮酸的代谢去向可以受葡萄糖代谢中间产物的影响。在此项目的支持下，我们拓展了肿瘤细胞中糖代谢的探索，对PKM2调控的Warburg效应有了新的认识，为我们以后的研究打下基础，同时为临床治疗肿瘤提供新的思路。