正常细胞的能量代谢特点是使用葡萄 糖在线粒体内进行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)，这种代谢方式既经 济，效率也高。肿瘤细胞能量代谢的特点表现 在活跃地摄取葡萄糖，进行有氧糖酵解 (aerobic glycolysis)。这种看上去很不经济的能量供给方 式对肿瘤细胞却是必需的，它既为肿瘤细胞的不 断生长提供能量，也为它们提供了生物合成的原 料。肿瘤细胞这种能量代谢方式早在20 世纪 20 年 代就被德国科学家Otto Warburg观察到，故又称 Warburg效应^[1]。有氧糖酵解是恶性肿瘤细胞独特 的能量代谢特点,葡萄糖的摄取和糖酵解处于增高 状态是肿瘤细胞的生物学特征之一。肿瘤干细胞 (cancer stem cells,CSCs或tumor stem cells,TSCs) 是肿瘤组织中少量的致瘤能力强、有自我更新和 分化潜能的细胞，是近年来肿瘤学研究的热点之 一。研究表明，低氧的微环境与肿瘤细胞的干性 维持密切相关^[2,3,4]，而低氧也可以迫使细胞进行糖 酵解，由此推测，糖酵解可能是肿瘤细胞维持其 干性特性的重要途径。而丙酮酸脱氢酶作为细胞 进入三羧酸循环的关键限速酶，在调节糖酵解和 糖氧化磷酸化中起重要作用，因此丙酮酸脱氢酶 的活性可能与肿瘤细胞的干性维持相关。 1 丙酮酸脱氢酶基因结构、染色体定位和复合体

丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）， 是由丙酮酸脱氢酶 E1α亚单位（PDHA1）和E1β 亚单位（PDHB）基因编码的α和β亚基组成的结 合硫胺素焦磷酸盐（TPP）的异四聚体^[5]。Koike 等^[6]首先克隆和测序了编码人类PDHE1α和E1β亚 单位的cDNA序列。PDHA1的基因组DNA全长 15.92kB，含有11个外显子，位于X染色体短臂 上（Xp22.1~22.2）。其中含有保守的硫辛酸焦 磷酸盐结合区，位于外显子6的编码195氨基酸残 基和外显子7的编码255氨基酸残基之间。此外， 在4号染色体上有一段与PDHA1同源的无内含子 的序列，主要在睾丸组织表达。PDHB基因位于 3p13~q23，全长1.5kB，含有10个外显子。

丙酸酸脱氢酶复合体（pyruvate dehydrogenase complex,PDHc）是定位在线粒体中的多酶复合 物，PDHc包含3个催化酶和2个调节酶，以及3个 辅因子和1个结合蛋白。催化酶分别是丙酮酸脱氢 酶（E1）、二氢硫辛酰胺转乙酰酶E2和二氢硫辛 酸脱氢酶E3。E3不是PDHc特定的，但是被其他两 个丙酮酸脱氢酶复合物组份共享，从而E3活性不 足通常有超越预期分离的丙酮酸脱氢酶复合体缺 乏的后果。丙酮酸脱氢酶复合体的所有蛋白均是 核编码的。

高等生物中丙酮酸脱氢酶复合体的快速调 节主要是由PDH激酶（pyruvate dehydrogenase kinase,PDK）和磷酸酶（pyruvate dehydrogenase phosphatase,PDP）介导E1α亚基可逆性磷酸化实现 的，丙酮酸脱氢酶E1α亚基存在三个磷酸化位点。 而细菌的PDHc活性主要是通过别构效应来调节, PDHc缺陷导致代谢障碍，组织受损^[7]。 2 丙酮酸脱氢酶的功能

PDHc是一组限速酶,催化丙酮酸不可逆氧 化脱羧转化成乙酰辅酶A(Aacetyl CoA)，同时将 NAD+还原为NADH，使糖的有氧氧化与三羧酸循 环和氧化磷酸化连接起来,在细胞线粒体呼吸链能 量代谢中起着重要的作用。丙酮酸脱氢酶复合体 广泛存在于微生物、哺乳动物及高等植物中，该 复合体在有线粒体的任何生物细胞中的能量产出 方面都非常重要，PDHc缺陷将导致一系列复杂的 病理生理变化。

PDHc缺陷是导致线粒体能量代谢障碍最常见 的原因之一，同时也是儿童乳酸酸中毒和早发性 退行性神经变性病的最常见病因。脑内乙酰辅酶A 几乎都来源于丙酮酸，所以PDHc的缺乏常导致多 种神经系统损害，如大脑发育不全、Leigh’s脑病 和间歇性共济失调^[8]。Brown等^[9]首先在2个患者中 发现E1β亚单位缺乏。该基因缺陷的临床表现相对 轻微，主要表现为乳酸酸中毒和肌张力低下。

虽然PDHc缺乏的临床表现谱很广，主要的临 床表现包括神经系统及神经肌肉退行性变性，神 经影像学表现为结构病变，生化方面的异常主要 为乳酸性酸中毒和血乳酸丙酮酸比值≤2.0。 3 肿瘤组织中丙酮酸脱氢酶的作用

瓦伯格效应是肿瘤细胞能量代谢的一个特 征，形成了肿瘤细胞依赖细胞质糖酵解生成ATP 代替了线粒体氧化磷酸化的作用。虽然糖酵解是 一种产能效率较低的过程，但对于肿瘤细胞来说 却是一个有益的权衡，可能是肿瘤细胞对化疗和 放射治疗抵抗的基础；同时使肿瘤细胞突变率增 加，从而使肿瘤细胞的侵袭和转移能力也增强^[10]。

肿瘤细胞偏向于糖酵解获取能量，部分是由 于肿瘤细胞中PDK活性上调而抑制了PDH的活 性。研究显示通过二氯乙酸（DCA）靶向抑制 PDK促进了肿瘤细胞的代谢形式由糖酵解转化为 氧化磷酸化并且抑制了肿瘤的生长。这一发现显 示PDK/PDH轴可能对肿瘤细胞的代谢生长起一定 的作用^[11]。另一研究显示与癌旁组织相比，PDK3 在结肠癌组织中的表达极大的增加，且PDK3的表 达与缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的表达呈正相关， 其表达水平的高低与肿瘤的严重性和无疾病进展 生存具有相关性。同时体外研究发现，结肠癌细 胞系PDK3的表达是由HIF-1α控制且对缺氧诱导细 胞耐药起到一定作用，这也解释了为什么PDK3 过表达的患者容易出现治疗失败。而下调PDK3的 表达减低了细胞在缺氧条件下的生存率并且减弱 了缺氧诱导的乳酸产生和药物耐药^[12]。这均说明 了在肿瘤组织及细胞中丙酮酸脱氢酶激酶活性增 高或降低与肿瘤的恶性表型具有一定的相关性。 另一项研究也提示缺氧调节的PDK3的过表达极大 抑制了细胞的凋亡并增加了对顺铂或紫杉醇的耐 药。而敲除PDK3抑制了缺氧诱导的糖酵解且增加 了肿瘤细胞对顺铂、紫杉醇、奥沙利铂等抗癌药 物的敏感度^[13]。这些结果显示PDK3或PDH与缺氧 诱导的药物耐药相关并且可能是一个潜在的新的 提高化疗疗效和克服药物耐药的靶点。

有氧糖酵解与肿瘤的恶性表型及较差临床 预后的相关性国内外文献已有不少报道，但它 们之间的机制联系却鲜有报道。缺氧诱导因子 （hypoxia-inducible factors，HIFs ）被认为在调 节肿瘤细胞的糖代谢代谢转换中起一定作用。 McFate等^[14]发现在头颈部鳞癌中，使用shRNA下 调PDK-1，恢复PDHc的活性，能够减低肿瘤的生 长和侵袭能力，同时HIF-1α的表达也降低。PDK-1 可能是HIF-1α的调节蛋白，HIF-1α与肿瘤细胞的 干性程度具有一定相关性^[15,16]，因此我们推断丙酮 酸脱氢酶缺乏或活性降低可能与肿瘤的恶性表型 及干性程度相关。Zhao等^[17]同样研究了HIF-1α与 PDK及PDH之间的相互关系。该研究显示缺氧通 过上调HIF-1α诱导了PDK3的表达，从而促进了代 谢从线粒体氧化呼吸向糖酵解的方式转变。而PDK 作为PDHc活性的主要调节者，间接表明了PDH与 HIF-1α和肿瘤干细胞可能具有潜在的相关性。

肿瘤组织中PDK-1的过表达引起了代谢由有氧 氧化向糖酵解的转换，而对于正常高表达PDK的 组织，却未出现这种代谢的转换^[18]。

综上研究表明高水平或者低水平的丙酮酸脱 氢酶可能是细胞通过加强糖酵解维持其干细胞特 性的重要途径。其机制可能在于其大量糖酵解产 生的中间代谢产物的特殊调控功能。 4 丙酮酸脱氢酶与其他疾病

丙酮酸脱氢酶缺乏症是儿童乳酸酸中毒和早 发性、退行性神经变性病的最常见病症^[19,20]。它是 由于先天的PDHc中E1、E2和E3的基因突变所造成 的糖代谢阻碍,导致机体内丙酮酸大量积累,被乳 酸脱氢酶催化转化为大量的乳酸,从而引起乳酸中 毒，主要表现为乳酸酸中毒和脑发育不全，严重 时甚至出现新生儿期死亡。

丙酮酸脱氢酶复合体是一个年龄相关疾病的 治疗靶点。这些年龄相关的疾病包括肌肉减少 症、葡萄糖不耐症、神经退行性疾病和癌症^[21]。 通过抑制PDK激活PDHc已经成为了一个有效的避 免心肌疾病的治疗靶点，尤其是在心脏手术和局 部缺血时。另外，糖尿病及肥胖患者的PDHc活性 降低，葡萄糖有氧氧化也下降。丙酮酸脱氢酶缺 乏引起了脑、心肌、骨骼肌和其他组织的分化功 能障碍。PDHc严重缺乏时在胚胎期影响了脑的发 育导致了大脑的结构性发育异常和癫痫症；中等 缺乏时引起了认知障碍、共济失调和轻度的癫痫 发作^[19]。另外一项最新的通过代谢谱检测和功能 干预的研究，确定了PDH在癌基因BRAF V600E 诱导的细胞衰老中起关键作用。BRAF V600E诱导 的衰老同时伴随着PDK1的抑制和丙酮酸脱氢酶磷 酸酶2（PDP2）的诱导激活，而通过激活PDK1或 失活PDP2抑制了PDH并清除了OIS，因此沉默了 BRAF V600E驱动的黑色素瘤的发展。这些结果揭 示了OIS与一个关键的代谢信号途径PDK1-PDP2- PDH机制联系，可以作为治疗的靶点^[22]。因此我们 假设：丙酮酸脱氢酶活性增加，葡萄糖进入三羧 酸循环进行有氧氧化的程度提高，细胞得以正常 的分化；而丙酮酸脱氢酶的活性降低，细胞的干 性维持较高，细胞难以分化，形成相关的组织/器 官的功能障碍。 5 抑制丙酮酸脱氢酶的途径 5.1 化学抑制剂

4个丙酮酸脱氢酶激酶的异构体和2个丙酮酸 磷酸化酶异构体控制了PDHc的活性状态。两者联 合作用的磷酸化-去磷酸化循环决定了激活的、非 磷酸化丙酮酸脱氢酶的比例。通过抑制PDK的活 性来增加PDHc复合体的活性是糖尿病、心脏疾病 治疗的药物靶点，最近也应用到了肿瘤中^[23]。目 前丙酮酸脱氢酶激酶1、2、3被鉴定为肿瘤抗糖酵 解治疗的潜在靶点。

丙酮酸脱氢酶主要是在丙酮酸脱氢酶复合体 中存在，通过直接靶向该酶以改变其活性是比较 困难的，目前的研究主要集中在PDHc的直接调 节者PDK上。直接靶向丙酮酸脱氢酶复合体的抑 制剂也逐渐出现。丁酸是结肠细菌发酵产生的短 链脂肪酸，在结肠癌细胞中丁酸可以靶向PDC的 活性。丁酸治疗后肿瘤细胞的特征是乳酸产生减 少并且肿瘤细胞增殖抑制^[23]。目前发现苯基丁酸 （phenylbutyrate），应用于尿素循环缺陷和肿瘤 患者中的药物，导致了纤维母细胞和小鼠中磷酸 化的E1a亚单位的减少和酶活性的增加^[24]。 5.2 小分子抑制剂二氯乙酸钠与肿瘤治疗的新进展

令人关注的是，Bonnet等^[25]报道采用二氯乙 酸(DCA)处理肿瘤细胞，可以显著地抑制其存活及 移植瘤的生长。DCA是一种小分子丙酮酸脱氢酶 激酶抑制剂，目前被批准用于先天性乳酸中毒症 的治疗。DCA能通过抑制PDK去磷酸化激活丙酮 酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase,PDH），促进 葡萄糖的氧化磷酸化，这一过程中释放大量的活 性氧（reactive oxygen species,ROS）和细胞色素 C，上调K+通道电位，导致K+外流和caspase凋亡通 路的活化，而进一步促进凋亡、抑制肿瘤细胞生 长。基于这一原理，DCA作为抗癌药物的临床应 用与开发将具有一定前景。Cao等^[26]报道了DCA增 加了野生型和Bcl-2过表达的前列腺癌细胞对放疗 的敏感度，这种作用是通过与Bcl-2相互作用增强 了凋亡机制。Fiebiger等^[27]也报道了DCA在体外能 增加部分铂类药物卡铂、赛特铂及其代谢物JM118 对化疗耐药的肺癌细胞株的敏感度。总之，通过 DCA靶向PDK能增加肿瘤细胞对化疗、放疗的敏 感度并且能克服药物耐药。但是DCA具有肝脏和 外周神经毒性。 5.3 siRNA设计

国内一项研究采用干扰质粒降低结肠癌细胞 LS174T的PDK-1表达，检测了在不同浓度5-Fu作 用下该组细胞和对照细胞的半数抑制浓度，结果 表明PDK-1干扰的LS174T细胞的IC50数值显著低于 对照组细胞。说明抑制PDK-1后结肠癌LS174T对 5-Fu治疗更敏感，使结肠癌细胞在较低的药物浓 度下达到较高的凋亡率^[28]。 6 丙酮酸脱氢酶与肿瘤细胞的干性

胚胎干细胞、造血干细胞、成体干细胞以及 体外诱导的多能干细胞的能量代谢特征之一也 是偏向糖酵解的方式获取能量，这些细胞中糖 酵解活性也增强^[29,30]。而对前列腺癌、食管癌和 卵巢癌细胞系体外不同氧浓度下干细胞特性的研 究发现，肿瘤细胞在低氧情况下可以相应上调缺 氧诱导因子，从而上调上述干细胞相关因子。随 着这些干细胞相关因子的上调，细胞的克隆形成 能力、球形生长能力、多药耐药因子三磷酸腺苷 结合盒转运体成员ABCG2（ATP-binding cassette superfamily G member2）以及细胞表面干细胞相关 分子CD133和CD44high等的表达也相继大大提高， 肿瘤细胞的干性程度增加^[2]。低氧的微环境与肿瘤 细胞的干性维持密切相关，而低氧的条件也迫使 细胞通过糖酵解的方式产生能量。据此推测迫使 肿瘤细胞进行糖酵解可能会增加肿瘤细胞的干性 水平。通过靶向三羧酸循环与糖酵解代谢转换的 关键酶丙酮酸脱氢酶，通过RNA干扰或基因敲除 等办法降低或者消除丙酮酸脱氢酶活性可能是获 得肿瘤干细胞的途径之一。有效的办法是通过体 外实验在细胞系中敲除丙酮酸脱氢酶基因，观察 细胞的生物学特性及干细胞特性变化的规律，并 进一步对稳定的丙酮酸脱氢酶基因敲除的细胞系 进行动物实验，观察其成瘤能力，进一步研究丙 酮酸脱氢酶活性与肿瘤干细胞的关系,从而研究肿 瘤干细胞的干性调节将具有积极的意义。

某些细胞如Beta细胞中大约50%的葡萄糖来 源的丙酮酸是通过丙酮酸脱氢酶复合物转化成 乙酰辅酶A而进入三羧酸循环进行有氧代谢， 其余的50%则可通过丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase）所催化的补偿途径草酰乙酸进入三羧 酸循环。等量的丙酮酸通过这两种途径进入三羧 酸循环^[31]。另外一项动物试验表明肝细胞中丙酮酸 经补偿途径进入三羧酸循环可以是经丙酮酸脱氢 酶途径的7倍，说明细胞的丙酮酸进入三羧酸循环 的补偿途径可以有很大的细胞特异性^[32]。因此可 以推断丙酮酸脱氢酶基因敲除后某些细胞可以通 过代偿作用增强丙酮酸羧化酶途径来增强丙酮酸 进入三羧酸循环，其确切作用仍需要一定的体内 外实验研究证实。 7 结论

丙酮酸脱氢酶作为葡萄糖有氧氧化的主要限速 酶之一，在肿瘤细胞的糖代谢中起到了关键的作 用。肿瘤细胞的瓦伯格效应使肿瘤细胞倾向于糖酵 解的方式获得能量，且肿瘤细胞中糖代谢由氧化磷 酸化转化为糖酵解方式的比例变化与肿瘤细胞的 恶性程度相关。先天性丙酮酸脱氢酶缺乏引起的 乳酸酸中毒症状和脑发育不全等都与细胞的分化 障碍相关，提示丙酮酸脱氢酶的正常活性是细胞 正常分化的保证。从一定意义上讲，肿瘤是细胞分 化障碍性疾病，而肿瘤干细胞之所以可以维持其很 高的干性特性，极有可能与其高度的有氧糖酵解能 力相关。推测肿瘤细胞糖酵解过程中的某些中间产 物可能是维持肿瘤细胞干性的重要调节因子，而通 过敲除丙酮酸脱氢酶这一糖酵解过程的关键酶迫 使细胞主要通过糖酵解的方式获取能量可能是获 取肿瘤干细胞的途径之一。