肿瘤细胞物质代谢和酶学的改变.doc

成都西部肿瘤研究所肿瘤细胞物质代谢和酶学的改变恶性肿瘤细胞的最基本的生物学特征是增殖失控、分化异常，并具有侵袭和转移的能力。癌变是从致癌因素引起靶细胞的基因改变开始的，继而导致基因表达异常所引起细胞中蛋白质和酶谱的变化。酶是物质代谢的催化剂，所以当酶活性发生变化对，必然出现代谢的改变。因此，核酸、蛋白质、糖等改变与酶活性的改变有紧密的联系。酶活性的改变在物质代谢中起主要作用。(一)恶性肿瘤物质代谢及酶活性改变的一般特征1合成代谢和分解代谢恶性肿瘤是一种生长迅速的组织，为满足瘤细胞快速增长和分裂的需要，其物质代谢发生一系列特征性改变，表现为细胞基本结构成分如蛋白质、脂类和核酸的合成增强，甚至核酸合成的原料核苷酸的生物合成也明显加强。相反，氨基酸和核苷酸的分解代谢则显著降低，使合成和分解代谢的平衡失调，因为合成代谢需要能量供应，因此体内糖类等能源物质被肿瘤细胞消耗也就明显加强，而糖类的合成则减少，出现与蛋白质或核酸代谢相反的代谢不平衡情况。2增殖相关酶和分化相关酶增殖相关酶系指与细胞增殖有关的酶类，也即有关核酸和蛋白质合成的酶，包括DNA聚合酶、核苷酸和脱氧核苷酸合成类以及有关氨基酸活化和蛋白质生物合成有关的酶系。这些酶组成各种合成代谢通路中的一些关键酶，一般在增殖迅速的组织如胚胎和恶性肿瘤中增高，其中不少已成为肿瘤标志。分化相关酶系指组织分化后才出现的那些特殊途径的酶。这些代谢途径体现该组织特异的生理功能，是个体发育和组织分化的指标。这类分化相关酶一般在恶性肿瘤中均见减少，是组织去分化的标志，其中有些可成为肿瘤的负标志。3转化相关酶和演进相关酶转化相关(transformation-linked)酶：是细胞恶变的指标，只要正常细胞发生转化，一般总可出现此类酶活性的改变，但改变的程度与肿瘤的恶性程度成正比。有时在分化较好的肿瘤中显著增高或降低，而在分化差的肿瘤中改变反而不明显。演进相关(Progressionlinked)酶：指酶活性与肿瘤恶性程度呈平行相关的酶。这类酶在分化差、恶性程度高的肿瘤，酶活性的改变也越明显。在一些分化良好、恶性程度低的肿瘤中，酶活性可保持正常。由此可见，细胞的恶变或肿瘤的恶性程度与一些代谢关键酶的活性变化密切相关。酶的改变既可作为恶变和衡量分化程度的指标，又是恶性肿瘤生长的分子基础。(二)恶性肿瘤中几种重要的酶学改变1糖代谢中酶的改变(1)糖酵解：肿瘤组织的糖代谢和正常组织不同。正常组织在有氧时氧化抑制酵解，产牛CO2和水，缺氧时才产生大量乳酸，此现象称为Pasteur效应。恶性肿瘤的糖代谢则是酵解抑制氧化，即Crabtree效应。无论在有氧或无氧的条件下均有活跃的糖酵解，肿瘤合成代谢所需的能量(ATP)，在很大程度上来自糖酵解。例如，肝癌细胞糖酵解的增强主要是糖酵解的三个关键酶的活性增强，己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的活性可增高25倍。一般情况下，正常肝脏中由氧化供能约占99，而糖酵解供能只占，但肝癌组织中由于糖酵解旺盛，由酵解供能可达50。关于Crabtree效应的分子机制：通过腹水型肝癌研究发现，胞液中糖酵解关键酶内酮酸激酶的活性升高及其同工酶谱的改变是导致Crabtree效应的主要原因。PyK以二磷酸腺苷(ADP)为底物，即糖酶解必须ADP通过底物磷酸化而合成ATP，而ADP也是线粒体中刺激细胞氧化和氧化磷酸化的主要因素。故胞液中的PyK与线粒体之间存在着竞争ADP的作用。(2)糖异生：正常肝脏可以将非糖物质如乳酸甘油等转变成葡萄糖，称为糖异生作用。肝细胞癌变后，糖异生作用通路中的4个关键酶丙酮羧化酶(PCase)、磷酸烯醇式丙酮羧激酶(PEPCK)、果糖二磷酸酶(FDP ase)和葡萄糖-6-磷酸酶(C6pase)的活性显著下降，可降至正常的1以下，致使糖异生作用几乎消失，肝脏不能由非糖物质生成葡萄糖或糖原，肝糖原含量更为减少。即使在糖皮质激素存在下，这些糖异生关键酶的活性仍不能像正常肝中那样升高。(3)糖原代谢：正常肝脏可利用葡萄糖、果糖的半乳糖合成糖原，在肝细胞癌变后，因参与果糖和半乳糖代谢的特异酶类，如果糖激酶，醛缩酶B和半乳糖激酶等活性降低，利用果糖和半乳糖的能力减弱，加上从葡萄糖合成糖原的有关酶类的活性减少，故由各单糖合成糖原的能力全部下降。另一方面在有关糖原分解的酶系中，糖原磷酸化酶和葡萄6磷酸酶的活性也降低，血糖的生成更为不足，难于维持正常的血糖浓度，此乃某些晚期肝癌患者出现低血糖的重要原因。2氨基酸代谢中酶的改变一般说来，凡属细胞增殖的标志蛋白或酶，其合成均增加，属于细胞分化的标志蛋白或酶，其合成往往降低。肿瘤组织中蛋白质合成代谢增强，氨基酸的分解代谢减弱。体外实验表明，14C标记的氨基酸渗入肝癌切片的速度较正常组织为快，证明蛋白质合成旺盛、同时氨基酸分解代谢下降，催化氨基酸分解代谢的酶活性如谷氨酸脱氨酶、谷氨酸草酰乙酸转氨酶、酪氨酸转氨酶等在肝癌组织中显著降低。癌组织中氨基酸分解代谢减弱，可使氨基酸重新用于蛋白质合成，此种“再循环”作用，可促使肿瘤生长。由于肿瘤细胞从宿主血液中夺取氨基酸用于肿瘤组织蛋白质的合成，使机体由于氨基酸大量消耗，可引起肌肉蛋白质的分解以补充血中的氨基酸，此乃造成患者消瘦的原因之一。另一方面，因氨基酸代谢的主要倾向是合成蛋白质，加上肿瘤中不少氨基酸分解代谢的酶类均降低，使氨基酸分解减少，通过糖异生作用在肝中转变成葡萄糖也降低。由于氨基酸分解减少程度远不及氨基酸合成蛋白质增强的程度，故血中氨基酸浓度并不增高3核苷酸代谢中酶的改变(1)嘧啶核苷酸代谢：嘧啶核苷酸的牛物合成有两条途径：即从头(de novo)合成通路和补救(salvage)合成通路。在两条通路中，从头合成通路中酶活性增高更为普遍，特别是有关胸腺嘧啶核苷酸合成的酶以及核糖核苷酸还原酶的升高更为显著，可为正常肝的数十至数百倍。在Morris肝癌中测定这些酶的活性，发现其活性与肝癌的生长速度正相关。提示肿瘤的恶性程度越大，酶活性越高。(2)嘌呤核苷酸代谢：嘌呤核苷酸也有从头合成和补救合成两条通路，在恶性肿瘤中，从头合成通路中不少酶活性增高，次黄嘌呤核苷酸和腺嘌呤核苷酸相互转变的酶以及次黄嘌呤核苷酸氧化成黄嘌呤核苷酸的酶也明显升高。由核糖核苷二磷酸ADP和GDP转变成dADP和dGDP同样由核糖核苷酸还原酶催化，而由dATP和dGTP合成DNA的酶也是DNA聚合酶，这两种酶在肿瘤中成倍地上升。4核酸代谢中重要酶的改变DNA聚合酶在恶性肿瘤中明显增高。在真核细胞中参与DNA复制过程的DNA聚合酶不止一种，其中DNA聚合酶三起主要作用。(1)拓扑异构酶：在DNA复制时，除DNA聚合酶外，还需要解链酶和拓扑异构酶(topoisomerase)参与，前者能解开DNA双链，后者能通过单链断裂、解旋、重新连接等机制解开DNA的超螺旋，从而克服解链时的打结和缠绕。两种酶都有利于DNA复制。拓扑异构酶有一、两型，其相对分子质量、氨基酸顺序和空间结构均不相同，对DNA超螺旋的作用机制不同，分别由不同染色体的DNA片段编码。一型在肺癌、结-直肠癌、前列腺癌、卵巢癌和恶性淋巴瘤中表达增高；u型在乳腺癌、卵巢癌和淋巴瘤中明显表达。(2)端粒酶：细胞核染色体的末端DNA形成的微区结构，称为端粒(telomere)。人类端粒结构为染色体末端TYAGGG上千次重复。随着细胞不断分裂，染色体复制次数增加，端粒DNA序列呈进行性缩短，导致细胞老化和死亡。后来发现有一种酶能使端粒延长，即端粒酶(telomerase)。端粒酶是一种核糖核蛋白酶，由具有模板功能的RNA组分和催化活性蛋白质组分构成。在体细胞(生殖细胞除外)中绝大多数不表达端粒酶，在许多恶性肿瘤以及转化细胞中却能表达端粒酶(80-90阳性率)，以维持端粒DNA长度而致细胞存活。不少学者认为端粒酶的表达是细胞恶变的重要原因，端粒酶抑制剂可能成为一种能专一杀伤肿瘤而不影响正常细胞的抗癌药。5蛋白激酶的蛋白磷酸酶的改变(1)蛋白激酶：蛋白激酶是一类使蛋白质(包括酶)发生磷酸化的酶，磷酸基团的来源是ATP的末端磷酸。如磷酸化位于蛋白质丝氨酸或苏氨酸残基的羟基上，称为丝氨酸蛋白激酶，丝氨酸蛋白激酶主要包括依赖35环磷酸腺苷的蛋白激酶A(PKA)、依赖于甘油二酯、磷脂和钙离子的蛋白激酶C(PKC)以及依赖于钙调蛋白和钙离子的蛋白激酶(CMPK)。如磷酸化位于蛋白质酪氨酸残基的酚羟基上，即称为酪氨酸蛋白激酶(TPK)。蛋白激酶中PKA主要存在于胞液中，而PKC和TPK主要位于细胞膜性部分。蛋白激酶在细胞对激素、神经递质、细胞因子和生长因子等细胞外信息向细胞内传递过程起着重要作用。如很多肽类激素通过细胞膜上的相应受体激活膜内侧的腺苷酸环化酶，使ATP转变成cAMP，后者激活PKA，引起一系列蛋白质因磷酸化而被活化或抑制，体现了这些肽类激素的生理功能。cAMP被称为这些激素的第二信使。又如某些生长冈子也可通过受体的膜外部分激活膜内层的TPK，TPK通过自身磷酸化再将生长因子信号传递至下游分子，如SFC、磷脂酶；另一些细胞增殖因子也可通过C蛋白而激活PLC，PLC使肌醇磷脂水解，生成第二信使甘油二酯和三磷酸肌醇，再在丝氨酸磷脂和钙离子配合下，激活PKC。TPK和PKC各自可使一类蛋白质发生磷酸化，即引起级联效应，对生长因子等细胞外信号做出生理反应。近年来，发现蛋白激酶还和细胞的增殖和分化有密切关系，如PKA、PKC和TPK3种蛋白激酶活化后，都可通过间接的机制促进蛋白质和DNA的合成以及某些细胞基因如c-myc、c-fos的转录。但PKA的活性增加常在细胞分化性增殖即良性增殖时发生，而去分化性增殖或恶性增殖则往往伴有TPK和PKC的活性上升。如在人肝癌中，PKC在胞液和颗粒组分中的含量可分别为正常肝中的85倍和5.9倍，胞液PKA也明显升高。作为肝癌变的良好指标，膜性TPK实际上就是一些生长因子受体的胞内结构域，包括表皮生长因子(EGF)受体、胰岛素和类胰岛素生长因子受体以及集落刺激因子1(CSR1)受体等。这些受体的胞外结构域与生长因子结合，信号通过跨膜结构转至胞内结构域的TPK，从而激活膜性TPK。现已了解到，很多生长因子受体是癌基因的产物，如EGF受体是癌基因erbB的产物，CSF1受体是癌基因c-fms的产物。有些生长因子本身也与癌基因和蛋白激酶有关，如血小板源生长因子(PDGF)的p链与癌基因sis的表达产物有高度同源性。PDGF也可作用于细胞的肌醇磷脂系统，间接激活PKC。细胞类胰岛素生长因子(1GF)可通过自分泌或旁分泌机制刺激其受体酪氨酸蛋白激酶，促进细胞增殖，故有人将IGF的编码基因也视为癌基因。其他一些恶性肿瘤，如乳腺癌、卵巢癌、恶性胶质瘤等中也可见到受体型TPK的表达增强。由于PKC和TPK与恶性肿瘤增殖密切相关，其抑制剂有可能成为新的抗癌药物，特别是抗TPK药物，如抑制非受体型TPK(癌基因产物)的抑制受体型TPK的作为ATP拮抗剂而对PKC和TPK均有抑制作用等。(2)蛋白磷酸脂酶：蛋白磷酸脂酶是一组使磷酸化蛋白脱磷酸的酶类。其生理作用恰好和使蛋白质磷酸化的蛋白激酶相反，也可分成磷酸丝(苏)氨酸蛋白磷酸脂酶(PS/TP)和磷酸酪氨酸蛋白磷酸脂酶(PTP)两大类。分别水解连接在丝(苏)氨酸和酪氨酸上的磷基团。PTP可以减少蛋白质中酪氨酸残基的磷酸化，鉴于它与TPK作用相反，TPK在肿瘤组织中高表达，PTP理应在肿瘤中表达降低，但事实正好相反，已发现结肠癌和胰腺癌中的一种受体型PTP活性增高。将neu基因(受体TPK基因)转化人乳腺上皮细胞，再将细胞植入裸鼠，可发现TPK活性和乳癌平行增长。一种称为LAR(CD45，LCA相关蛋白)的PTP和1a型PTP的表达也明显增高，但非neu转化的乳腺癌则无此现象。人们对这一TPK和PTP同时增高的矛盾现象作了解释，即PTP升高是对TPK过量表达的对抗，使蛋白质酪氨酸的磷酸化不致过多。有人先将PTPI。转染3T3细胞，待细胞过量表达PTPI。后，转入Hell基因则发现PTPI。的表达可抑制nell基因的致癌能力，证明PTP基因对TPK基因确实有拮抗作用。(三)恶性肿瘤中同工酶谱的改变1同工酶的概念和分类同工酶是指同一种属中能催化相同反应而具有不同结构(氨基酸顺序)和理化性质的酶蛋白：；不同的氨基酸顺序来源于不同基因位点，也可来源于同一基因转录后的原始RNA经不同剪接加工而生成不同的mRNA，或由不同启动子对同一基因转录后产生的不同mRNA。由不同基因或不同mRNA衍生的同工酶，可以是单体，也可以是寡聚体。一般由2个或4个亚基组成。如果这些亚基的氨基酸顺序是相同的，即由同一基因或同一mRNA编码，就称为纯聚体；如果组成酶蛋白的亚基是不同的，来源于不同的基因或不同的mRNA就称为杂交体。如乳酸脱氢酶(LDH)是一个多基因位点的同工酶，由4个亚基组成四聚体，亚基有A(或M)和B(或H)两类，这两种亚基聚合成四聚体时就可能形成B：、AB、A，B，、乙B和A：5种同工酶，按电泳速度的快慢依次称为LDH，LDH，其中LDH和LDHs(Ad)为纯聚体，而LDH，(AB，)、LDH，(A：B：)、LDH：(A真B)为杂交体。同样肌酸激酶(CK)也由M、B两个不同基因编码的亚基组成二聚体，故有MM、MB、BB3种同工酶。在个体发育过程中各组织的同工酶谱随着组织代谢的分化而变化，胎儿期、新生儿期和成年动物中同一组织的同工酶谱常有很大区别。有些同工酶在胎儿较早期即有明显活性，出生前后在某些组织中的活性随