PKM2 x PDHK1

▎药明康德肿瘤代谢，一个始于百年前的研究领域，但人们至今对其知之甚少。上世纪20年代，德国生理学家Otto Warburg发现，与健康细胞依靠线粒体氧化糖类分子释放大量能量不同，大多数肿瘤细胞是通过糖酵解作用为自身供能，这一现象后来被称作Warburg效应，打开了肿瘤代谢领域的大门。Warburg后来因为发现细胞呼吸氧化转移酶在1931年获得诺贝尔生理学或医学奖。然而，Warburg效应乍听起来有违常理：糖酵解方式产生能量的效率远低于线粒体氧化磷酸化，健康细胞只有在缺氧的情况下才会选择糖酵解，为什么能够快速增殖的肿瘤细胞会选择效率更低下的代谢方式？肿瘤细胞的糖代谢机制是什么？与正常细胞的糖代谢有没有区别？如今已是浙江大学转化医学院院长的吕志民回忆，正是这些原始的问题和好奇，驱动着自己在肿瘤代谢领域持续不断地探索。二十余年来，他在找寻答案的过程中，层层穿透肿瘤代谢奥秘，让肿瘤细胞内外部盘根交错的调控机制逐渐明晰。吕志民的多个研究颇具开创性，其率先证明了多种代谢酶具有蛋白激酶活性、蛋白磷酸酶活性，证明了许多代谢酶有着调控基因表达等重要的非代谢功能，并系统性地阐明了肿瘤代谢领域的奠基理论Warburg 效应的调控机制。这些基础研究为肿瘤精准治疗提供了众多新的代谢标记物和靶点。在今日揭晓的2022年第十六届药明康德生命化学研究奖中，吕志民因在肿瘤代谢领域机制研究方面的卓越贡献，获得了本届“杰出成就奖”。吕志民教授现任浙江大学转化医学研究院院长、欧洲科学院（Academia Europaea）外籍院士，原任美国M.D.安德森癌症中心杰出讲席终身教授、肿瘤代谢中心创始主任。吕志民教授是肿瘤代谢研究领域国际知名杰出科学家，先后在世界一流杂志Nature、Cell、Nature Cell Biology、Cancer Discovery、PNAS 等发表论文100 多篇。其原创性、里程碑式的发现深刻影响了业界对肿瘤代谢的认识，同时也对开拓新的肿瘤诊治方法提供了创新理论支持。“旧瓶装新酒”：代谢酶竟能调控表观遗传吕志民曾在本科毕业后做过5年医生，但当时始终为肿瘤患者没有太多治疗手段而苦恼，后来毅然决定“转型”，投身肿瘤基础科研。那是80年代末，肿瘤代谢领域正在经历沉寂。由于Warburg效应的因果论中存在一定错误，很长一段时间里，肿瘤代谢研究的重要性并未受到科学界的广泛认可。“新理论的提出，总要有一个被逐步认知和验证的过程。”吕志民在此后发表了众多开创性研究，也让他更理解了这种“孤独”的时刻。他始终相信的是，肿瘤治疗的革命性进展还是需要理论的突破，如果能把肿瘤代谢研究清楚，一定能为临床提供更多干预和治疗手段。1999年，吕志民在美国Salk Institute癌症研究中心读博士后，师从有“激酶之王”之称的Tony Hunter教授，后者是细胞信号转导领域最为权威的专家之一，其研究成果直接推动了酪氨酸激酶抑制剂、白血病药物格列卫（Gleevec）等十余种重要抗癌药物的成功。结束博后生涯后，吕志民开始在肿瘤领域享富盛名的M.D.安德森癌症中心“大展拳脚”。研究之初，其“瞄准”的是与Warburg效应相关的肿瘤细胞糖酵解过程，这是机体产生能量的基础过程之一，指的是细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程中，伴有少量ATP能量产生。但吕志民逐渐发现，肿瘤代谢的过程远比其预想的复杂。在研究肿瘤转移的过程中，一次偶然的机会，吕志民发现原本应存在于细胞浆中的糖代谢酶出现在了细胞核内。他突然意识到，这些酶可能还有未被发现的功能。2011年，一篇Nature杂志上发表的论文引发业界高度关注。吕志民团队发现，当细胞受到生长因子EGF信号刺激时，会诱导M2型丙酮酸激酶（PKM2）易位进入细胞核。PKM2是在Warburg效应中发挥关键性作用的酶，但在细胞核中，其可以通过非代谢机制调控周期蛋白cyclin D1的表达，最终促进细胞增殖和肿瘤形成。这一研究让细胞代谢与细胞周期进程这两大肿瘤调控机制因一个代谢酶而产生关联。传统认为，调节糖代谢是代谢酶的“本职工作”，但吕志民发现，许多代谢酶实际上能够调控基因表达，影响表观遗传；有些酶并不直接参与葡萄糖代谢，而是通过反馈式的调节机制来调节葡萄糖代谢。“葡萄糖代谢过程中几个重要的酶，会跑到细胞核里进行基因转录，转录形成的正是葡萄糖代谢酶本身。”吕志民说，通过反馈式调节机制，葡萄糖代谢链条上的许多酶最终实现高表达，进而导致Warburg效应。此外，今年10月，吕志民团队在Nature Cell Biology杂志上发表的论文揭示，代谢酶不仅可以作为蛋白激酶，还可以作为蛋白磷酸酶，行使非代谢功能。研究发现，糖酵解的逆反应-糖异生过程的限速酶1，6-二磷酸果糖磷酸酶1（FBP1）可易位进入细胞核，作为蛋白磷酸酶使组蛋白H3的T11位点去酸化，抑制基因转录。而肿瘤细胞中FBP1的缺失或低表达去除了其抑癌功能，促进了肿瘤的发生发展。继PKM2和FBP1之后，吕志民团队陆续发现，包括果糖激酶A（KHK-A）、磷酸葡萄糖酸激酶（PGK1）、磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶1（PCK1）、胆碱激酶（CHKα）、己糖激酶2（HK2）等在内的重要蛋白，都能够调控肿瘤细胞的基因表达、细胞有丝分裂、包括胞浆分裂等，促进肿瘤的发生发展，这些非代谢的“兼职”功能，是一片未知的汪洋。▲在糖酵解和糖异生通路中，代谢酶能够调控基因表达和表观遗传2021年，吕志民曾到西湖大学做报告，在报告题目中，他用“旧瓶装新酒”（Cancer metabolism, an old bottle with new wine）形容肿瘤代谢领域的发展，“肿瘤代谢的概念已经有了近百年的历史了，这是我们说的old bottle，但里面的认知内容一直在不断丰富。”揭示多维立体的代谢机制网络更意外的是，伴随着对“新酒”的探索，吕志民对“旧瓶”的认识也不断深入。传统上，科学家们已经认识到生长因子和肿瘤的形成密切相关，肿瘤表面的生长因子受体一直以来是抗肿瘤靶向药研发的热门靶点，比如针对ErbB受体酪氨酸激酶家族中的表皮细胞生长因子受体（EGFR）、HER2、HER3等靶点，都已经诞生了一批疗效显著的里程碑式抗癌药，但激活这些受体为什么能够促进肿瘤，更深层次的机制始终不清晰。吕志民针对那些会“跑进”细胞核的代谢酶的偶然发现，揭开了生长因子受体激活如何导致Warburg效应、进而导致肿瘤发生机制的一角——在关于PKM2的研究中，糖代谢酶会因受到生长因子受体激活而异构化，从细胞浆易位到细胞核，宏观调控基因表达，这就提示了Warburg效应能够通过细胞核的反馈性调节转录完成。更令人惊讶的是，当激活EGFR、KRAS和B-Raf一系列生长因子受体，另一种代谢酶PGK1则会“易位”到细胞的线粒体中——PGK1在那里发挥了蛋白质激酶作用，激活了一个抑制线粒体利用丙酮酸能力的关键酶PDHK1，阻碍糖代谢产物在线粒体中的使用，进而导致Warburg效应，促进肿瘤增殖和形成。这意味着，代谢酶可以通过丰富的结构变化和功能发挥同时参与糖酵解与线粒体三羧酸循环两大能量产生过程，促进Warburg效应。吕志民一边系统性还原Warburg效应复杂的调控机制，一边将肿瘤的多种代谢方式交织起来。▲代谢酶在基因表达、DNA修复、细胞周期、细胞增殖、凋亡和肿瘤微环境重塑中具有众多“兼职”（moonlighting）功能伴随着他的研究，肿瘤细胞在体内代谢的机制图景愈发广阔和清晰。在糖代谢之外，吕志民目前也正探究肿瘤细胞特殊的脂质代谢机制，以及糖脂代谢之间的关联，“更广一点说，代谢不只是细胞本身的代谢，肿瘤的代谢也会影响到它周边的细胞，也就是肿瘤微环境的代谢，包括免疫系统的代谢。”吕志民说。今年8月，吕志民团队在Cell Metabolism上发表论文，报道了Warburg效应会影响肿瘤免疫细胞的逃逸，影响细胞程序性死亡-配体1（PD-L1）的高表达，进而导致肿瘤细胞不再受到免疫细胞攻击。肿瘤代谢自此也与免疫逃逸建立了联系，并为目前研发火热的PD-1/PD-L1疗法带去了更多联合用药的启示。从糖代谢，到脂代谢，再到微环境代谢，乃至与其他肿瘤特性产生关联，吕志民的研究已经逐步形成了一个立体、多维的肿瘤代谢活动交织的网络，“我们一步步，做出了肿瘤代谢从点、到线、到面、到网络的研究。”调节肿瘤代谢，找到精准治疗的突破口肿瘤基础研究，绝不只是停留在实验室里的工作。吕志民希望，理论上的突破能带给人们更多临床诊疗启示。他的研究为肿瘤精准治疗提供了一系列具有潜力的分子靶点和抑制肿瘤增殖转移的新思路，比如，通过了解糖代谢酶能够直接调控基因表达，研究者可以尝试阻断代谢酶核转位的信号通路，可以设计能够特异性靶向细胞核代谢酶的抑制剂，可以考虑阻断细胞核内代谢酶与转录复合物的结合，抑或是尝试“精准”抑制代谢酶的蛋白激酶活性，而不影响其本身催化代谢反应的活性。“我们期待可以调节肿瘤代谢，而不影响正常代谢，找到精准治疗肿瘤的突破口。”吕志民说。▲通过抑制代谢酶非经典功能治疗人类疾病的策略肿瘤代谢领域已经有过成功转化的里程碑案例。2017至2018年，美国生物制药公司Agios的两款靶向药先后在美国上市，用于治疗异柠檬酸脱氢酶-1/2（IDH-1/2）突变的成人复发或难治性急性髓系白血病（AML）患者。但除此之外，其他基于代谢的药物研发进展并不算快。有一定特殊性的肿瘤代谢酶听起来是颇具吸引力的“精准”靶点，但实际研究发现，肿瘤细胞的代谢途径常与正常细胞交织，微环境往往“牵一发而动全身”，如何在消灭肿瘤细胞的情况下不抑制自身免疫功能，不伤害正常细胞，成为巨大的难题。“IDH1/2靶点之所以能够快速成药，是因为他存在变异，有特异性，因此可以精准地针对变异来做药，但是肿瘤代谢酶的变异相对来说是比较少的，这就给大家提出挑战。”吕志民说，对于不存在特异性基因突变的肿瘤患者，想要基于代谢机制对其进行治疗，需要复杂的动态分析。他解释道，比如同样是胰腺癌患者，其变异的基因和发病机制可能完全不同，即使是同一个病人，在疾病的早期、中期和晚期，在肿瘤增殖、侵袭和转移过程中，其代谢表现都有可能不一样，研究者必须能从患者的动态变化中找到特异性结构或特异性状态，针对治疗患者的“命门”设计出特定的药物或复合式的治疗方案，既能抑制肿瘤代谢，也不影响正常细胞的运转。吕志民始终相信，“没有理论突破，临床转化研究也就是无源之水。”肿瘤代谢，这个百年前就被开启的研究领域，如今依然隐藏着众多未解之谜，吕志民期待着，针对这些谜团的不懈探索，能够孕育出更多患者生命的希望。有奖问答你对获奖者的科学贡献了解有多深？即刻扫码答题，我们将抽取5位医药产业同仁，随机赠送好书盲盒一份！吕志民的研究发现，以下哪种代谢酶具有非代谢的“兼职”功能？A. PKM2B. FBP1C. PGK1D. 以上都对注：文中配图来自吕志民团队提供。分享，点赞，在看，聚焦全球生物医药健康创新