PKM基因敲除小鼠在揭示癌細胞生長機制中的應(yīng)用

“代謝再塑”（Metabolic Reprogramming）是指在多個代謝途徑中發(fā)生的整體變革，尤其在癌細胞中顯著表現(xiàn)。這種生物能量學(xué)的變化通過調(diào)整細胞能量代謝，驅(qū)使細胞快速生長和增殖，被視為癌癥的新興特征。代謝再塑主要由與細胞增殖相關(guān)的基因突變驅(qū)動，同時代謝酶的改變也會促進癌癥的發(fā)展。

乙酮酸激酶同工酶（PKM）

乙酮酸激酶同工酶M1/M2（PKM1/PKM2）在代謝再塑中扮演關(guān)鍵角色，調(diào)節(jié)糖酵解的能量生產(chǎn)限速步驟，因此被認為是癌癥發(fā)展的重要調(diào)控因子。PKM1和PKM2由PKM基因編碼，PKM基因的9號和10號外顯子在Pre-mRNA剪切時相互排斥，導(dǎo)致通過選擇性剪切分別生成包含第9號外顯子的PKM1 mRNA和包含第10號外顯子的PKM2 mRNA[1]。PKM1中9號外顯子的存在使得該酶能夠持續(xù)地以四聚體形式活躍，主要在大腦和肌肉等高能需組織的分化終末細胞中表達。相比之下，10號外顯子的存在使PKM2活性受到營養(yǎng)供應(yīng)的調(diào)節(jié)以平衡能量和合成需求，因此主要在胚胎細胞、干細胞和癌細胞等對合成代謝需求較強的細胞中表達。
 

PKM基因通過選擇性剪切分別生成PKM1和PKM2[1]

PKM2的功能

PKM2通過催化糖酵解的最終步驟來調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，支持細胞增殖，其在胚胎細胞、干細胞和癌細胞中表達水平較高，同時還具有調(diào)控基因表達的能力。具體而言，PKM2主要以四聚體（酶效率高）和二聚體（酶效率低）形式存在。四聚體PKM2具有較高PK酶活性，而二聚體PKM2進入細胞核調(diào)節(jié)基因表達。PKM2通過兩種形式的轉(zhuǎn)化，在腫瘤細胞的能量供應(yīng)、上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）、侵襲和轉(zhuǎn)移以及細胞增殖中發(fā)揮著重要作用[2-3]。
 

PKM2的多種調(diào)控作用[2-3]

靶向PKM2的腫瘤新療法

PKM2在癌細胞中的高表達及其在代謝再塑和基因調(diào)控中的作用，使其成為腫瘤代謝的關(guān)鍵調(diào)控因子，密切聯(lián)系代謝和炎癥功能障礙，尤其是在癌癥和免疫細胞功能的背景下。因此，PKM2被視為多種癌癥和其他代謝性疾病的潛在治療靶點。研究普遍認為，PKM2在腫瘤細胞中發(fā)揮雙重作用：一是作為乙酮酸激酶發(fā)揮代謝功能，控制癌細胞的代謝；二是作為轉(zhuǎn)錄激活因子，促進癌細胞增殖所需基因的表達。這種機制表明PKM2活性必須保持一定的靈活性，才能以最佳方式調(diào)控細胞增殖，將PKM2完全維持在單一的低活性二聚體形式或高活性四聚體形式，都可能影響腫瘤的生長。因此，根據(jù)PKM2在不同腫瘤中發(fā)揮的主要功能的不同，靶向抑制或激活PKM2的腫瘤新療法均有研發(fā)[4-5]。
 

靶向PKM2的代謝療法用于抑制腫瘤發(fā)展[6]

此外，通過使用ASO小核酸藥物調(diào)節(jié)PKM Pre-mRNA的剪切模式，使其生成PKM1以替代癌細胞中PKM2，可以有效抑制細胞增殖并延緩腫瘤形成，表明PKM1可能具有抑制腫瘤活性的功能。這些證據(jù)表明，下調(diào)癌細胞中PKM2表達的同時上調(diào)PKM1表達可能是一種有效的癌癥治療策略[7]。
 

PKM剪切替代療法可降低PKM2表達并抑制腫瘤發(fā)展[7]

PKM2基因敲除小鼠

敲除Pkm2會導(dǎo)致小鼠血漿總膽固醇水平升高，這表明PKM2在脂質(zhì)代謝中同樣發(fā)揮重要作用。此外，抑制PKM2可以減緩腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，但在某些情況下，敲除PKM2甚至?xí)�加速異種移植腫瘤的生長[8-10]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了PKM2在脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)和癌變過程的細胞自主和系統(tǒng)效應(yīng)�？偟膩碚f，PKM2是一種特殊的糖酵解酶，在癌細胞的新陳代謝、存活和凋亡中發(fā)揮著重要作用。因此，PKM2可以作為腫瘤代謝療法的有效靶點。
 

Pkm2基因敲除小鼠血漿總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇水平升高[8]

PKM1功能及PKM1基因敲除小鼠

PKM1主要在終末分化的非增殖細胞中表達，與PKM2相比，與PKM1相關(guān)的研究相對較少。與PKM2可以在四聚體和二聚體之間進行轉(zhuǎn)換不同，PKM1不存在二聚體形式，不具備基因表達調(diào)控功能，因此只在心臟、大腦和肌肉等需要大量能量供應(yīng)的組織中高表達[11]。研究表明，心肌細胞特異性Pkm1敲除會導(dǎo)致心肌細胞的生長缺陷并加劇心臟功能障礙和纖維化，從而對壓力過載產(chǎn)生反應(yīng)[12]。在某些腫瘤中，PKM1發(fā)揮著和PKM2相反的作用，PKM1的敲除會導(dǎo)致PKM2表達的上調(diào)并加速前列腺腫瘤的發(fā)生，而PKM2的缺失會導(dǎo)致PKM1表達增加而抑制腫瘤的發(fā)展[13]。
 

前列腺癌小鼠模型在PKM1基因被敲除（Pkm1;Ptenpc-/-）后的腫瘤發(fā)展顯著惡化[12]

不同的PKM基因敲除策略

考慮到PKM1和PKM2在能量代謝中都發(fā)揮著重要的作用，且兩者似乎存在排斥和代償?shù)默F(xiàn)象，敲除兩者之一都會導(dǎo)致另一亞型表達的上調(diào)。通過不同的策略對PKM基因進行修飾，調(diào)控不同組織中PKM1和PKM2的表達，將有助于研究兩者各自的機制。在上述研究中，多種類型的Pkm基因敲除小鼠被廣泛使用，包括敲除Pkm1基因（保留Pkm2表達）、敲除Pkm2基因（保留Pkm1表達）以及同時敲除Pkm1和Pkm2基因的模型。