葡萄糖转运蛋白及其信号通路在垂体腺瘤的研究进展

梅涛 张建鹤 王守森

(福建医科大学福总临床医学院神经外科，福建 福州 350025)

葡萄糖转运蛋白(glucose transporters, GLUT)是一种糖转运载体，是细胞能量代谢不可或缺的膜蛋白。葡萄糖分子能够通过其介导，穿过细胞膜的脂质双分子层，实现细胞对葡萄糖的摄取和利用[1]。增殖的肿瘤细胞需要更多的能量以维持增殖过程，然而，由于有限的氧供应，肿瘤细胞必须转移其代谢模式以适应相应的微环境。肿瘤细胞可通“Warburg效应”[2]加快无氧酵解，这就需要更多的葡萄糖进入细胞，通过葡萄糖转运蛋白的介导，肿瘤细胞对葡萄糖的摄取和利用明显增强。因此，GLUT往往表达上调，以满足肿瘤快速生长对能量的需求；GLUT的调控作用，也关系到肿瘤的预后[3]，这使GLUT作为肿瘤的靶向治疗成为可能。垂体腺瘤是良性肿瘤，但常表现出侵袭性[4]。研究GLUT与垂体腺瘤的大小、类型的关系，及在有无囊变、侵袭与非侵袭性病变中的表达的差异，有助于垂体腺瘤的诊断、预后评估以及研发新的靶向治疗药物。

一、GLUT的生物学特性

细胞摄取葡萄糖，必须在细胞膜上葡萄糖转运蛋白的协助下完成。GLUT含有跨膜糖蛋白和12个跨膜结构域，单个N-糖基化位点，和面向细胞质的N-和C-末端[5]。目前已发现葡萄糖转运蛋白的14个家族成员，它们在各组织中表达不同，并表现出不同的底物特异性。根据其同源性以及共同序列的特征，可将其分为三个亚家族：家族 1(GLUTs 1～4, 14)、家族 2(GLUTs 5, 7, 9, 11)及家族 3(GLUTs 6, 8, 10, 12, HMIT)[1]。

二、GLUT在脑内的分布

葡萄糖是人类大脑的主要的能量来源，神经元不能合成和储存葡萄糖，因此，葡萄糖的摄取是神经元维持功能所必需的。到目前为止，在中枢神经系统以及外周神经中已经鉴定了10种葡萄糖转运蛋白的存在，其中GLUT1和GLUT3在大脑的葡萄糖摄取中起主要作用[5]。GLUT1是脑中最丰富的葡萄糖转运蛋白，根据其糖基化水平的不同，可分为45 kDa和55 kDa两种同工型，高度糖基化的55 kDa同工型主要在微血管内皮细胞中表达，而低糖基化的45 kDa同工型则位于星形胶质细胞和少突胶质细胞中，不存在于小胶质细胞中[6]。脑的葡萄糖的摄取与GLUT1在微血管中的表达水平相关。GLUT3是除GLUT1之外脑内最丰富的葡萄糖转运蛋白，其转运能力比GLUT1高7倍。它存在于轴突和树突中，其密度和分布与局部葡萄糖需求相关[6]，胰岛素可刺激GLUT3转运到质膜，增加神经元对葡萄糖的摄取。GLUT5是体内的主要果糖转运蛋白，果糖可以通过血脑屏障，脑细胞有可能能够利用果糖作为能量来源[5]。上述分布在病理状态下会有所改变，在缺血缺氧性脑病时，神经元为了提高对缺血缺氧的耐受，可上调GLUT的表达，尤其是GLUT3，从而增加对葡萄糖的摄取[7]。目前，关于GLUT在垂体腺瘤中表达的相关研究较少有报道，但其信号通路在垂体腺瘤的发生和进展中有着重要意义。

三、GLUT表达的信号传导通路与垂体腺瘤

目前关于GLUT介导肿瘤能量代谢的分子机制，已有许多研究，GLUT的表达和分布由不同的信号分子和通路调节，其中较为重要的有以下几种：低氧诱导因子1(hypoxia-inducible factor-1, HIF-1)信号通路、磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3- kinase/protein kinase B, PI3K/Akt)信号通路、腺苷酸活化蛋白激酶/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(AMP-activated protein kinase/mammalian target of rapamycin 1, AMPK/mTOR1)信号通路、肿瘤抑制基因p53的调控[1,8]。

1.HIF-1的调控：HIF-1不仅在正常的葡萄糖代谢中发挥重要作用，同时也能在缺氧环境下保持局部环境的氧稳态。有研究认为，实体瘤中的缺氧微环境与肿瘤的进展及药物抗性相关，因而HIF-1对肿瘤细胞的生长有重要的调节作用，同时它也是GLUT1和GLUT3最主要的调节剂[9]。HIF-1是由α和β亚基(分别为HIF-1α和HIF-1β)组成的异二聚体转录因子，其中HIF-1α可被缺氧诱导。在缺氧情况下，HIF-1α积累，易位至细胞核并结合HIF-1β以形成活性转录因子HIF-1。HIF-1被认为通过刺激多个介导糖酵解的基因，促进“Warburg效应”，在其启动子中包含低氧反应元件(hypoxic response elements, HRE)，包括GLUT1和GLUT3。HIF-1复合物结合HRE序列，以启动葡萄糖转运蛋白基因表达[10]。

垂体腺瘤的生长，跟其他肿瘤一样，必须依赖于氧供应。在缺氧微环境中，肿瘤细胞具有较强的适应能力，缺氧可诱导HIF-1α表达，导致肿瘤血管生成，糖酵解酶和葡萄糖转运蛋白(GLUT)合成加速。同时，缺氧还上调血管生成因子，例如血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)[11]。然而，与其他恶性肿瘤相比，垂体腺瘤微血管密度(microvascular density, MVD)和VEGF表达较少，血管化程度明显小于正常的腺垂体。这表明垂体腺瘤的局部氧饱和度低于正常腺垂体，血管生成在垂体腺瘤的生长中发挥的作用可能较小，这种血管生成的缺乏可能与垂体腺瘤的缓慢生长有关[12]。血管密度和肿瘤亚型之间没有明显相关性，血管和肿瘤细胞中HIF-1α的表达在ACTH腺瘤中最低，在催乳素瘤中最高[12]。垂体腺瘤的侵袭性受许多因素的影响，其中血管重塑是重要因素之一，研究表明HIF-1α/VEGF通路在这一过程中有重要作用[13]。在对垂体腺瘤侵袭性的评估中，VEGF的作用目前还不清楚，证据表明VEGF可能影响肿瘤发生的途径，包括介导侵袭或增加肿瘤体积。有作者认为VEGF在侵袭性垂体腺瘤的表达增加，表明靶向VEGF受体的酪氨酸激酶抑制剂，如索拉非尼或舒尼替尼[14]，可用于治疗侵袭性垂体腺瘤。VEGF在垂体腺瘤的发生和进展中的作用的证据仍然有争议，并且VEGF的表达还不能用作侵袭性垂体腺瘤的生物学标志物。

2.PI3K/Akt信号通路的调控：3-磷酸肌醇激酶(phosphoinositide3-kinase, PI3K)及其下游靶标Akt(又名蛋白激酶B, PKB)组成的信号通路PI3K-Akt，已在细胞增殖、细胞分化、血管生成中广泛研究[15]，并且PI3K/Akt信号通路也是调节葡萄糖摄取和代谢的经典途径之一。许多酪氨酸激酶受体，包括表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor 1, IGF-1)和胰岛素受体(insulin receptor, IR)，通过该途径参与葡萄糖转运蛋白的表达。生长因子通过结合细胞膜表面的受体，将PI3K寡集到膜的表面，从而激活受体或衔接蛋白上酪氨酸的磷酸基团，最终导致Akt的构象发生变化。研究表明，PI3K- Akt信号通路可增加GLUT1、GLUT3和以及果糖转运蛋白GLUT5的表达[1]。人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源物(phosphatase and tensinhomolog deleted on chromosome ten, PTEN)是一种肿瘤抑制基因，能够负向调节PI3K-Akt信号通路。它位于Akt序列的上游，作为磷酸酶，可阻断第二信使磷脂酰肌醇-3, 4, 5-三磷酸(phosphatidylinositol-3, 4, 5-triphosphate, PIP3)(一种PI3K的酶产物)的形成，从而抑制PI3K/Akt介导的信号传导[16]。PI3K-Akt参与调节GLUT，表明由PIK3或PTEN的紊乱引起的不受控制的Akt活化可能增加葡萄糖在肿瘤细胞的摄取[1]。

PI3K-Akt信号通路已被证明与垂体腺瘤的发生和发展有重要联系[17]。在Lin等研究中，评估了353个垂体肿瘤中PIK3CA(phosphatidylinositol 3-kinase catalyticalpha)基因的突变，9%的侵袭性垂体腺瘤中有PIK3CA基因突变，在20%～40%的侵袭性和非侵袭性肿瘤中观察到基因组PIK3CA扩增，认为侵袭性垂体腺瘤的发生与PI3-Akt信号通路有密切关系[17]。

3.AMPK/mTOR1通路的调控：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白，是mTOR, PI3K相关激酶家族的非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它与几种蛋白质相互作用，形成两种不同的复合物：mTOR复合物1(mTORC1)和2(mTORC2)。mTORC1的功能是调节细胞生长和能量代谢，肿瘤糖酵解与mTORC1相关[8]。它通过增强HIF-1的活性而影响糖酵解表达，参与肿瘤对缺氧环境的适应性转录程序。mTORC1的活性由营养物(葡萄糖和氨基酸)或能量(ATP与AMP)调节。这种调节主要通过AMP依赖的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)介导，它位于mTORC1基因序列的上游，并对其有重要调节作用。活化的AMPK磷酸化，可导致mTORC1的抑制[18]。肿瘤蛋白p53通过增加包括AMPK的调节性β亚基在内的几种蛋白的表达来调节该途径，进而抑制mTORC1。反过来，AMPK/mTORC1通路调节p53活性：在细胞内葡萄糖水平较低时，AMPK可激活p53蛋白，而mTORC1激活细胞蛋白磷酸酶2A(protein phosphatase 2A, PP2A)，抑制p53蛋白[19]。

mTOR信号通路常也被称作PI3K/Akt/mTOR，但除了其最常见的激活剂Akt之外，还有一系列其他激酶位于mTOR的上游，包括RSK激酶、Ras/MEK/ERK途径、AMPK。而在Sajjad等[20]研究中发现，在其选取的53例垂体腺瘤中，mTOR都有不同程度的表达上调，其中GH腺瘤中的mTOR激活频率最高(71%)。mTOR与垂体腺瘤的生长、侵袭及分期显著相关，在垂体腺瘤患者中具有诊断和预后推测价值。

4.p53基因的调控：肿瘤抑制基因P53在维持基因组稳定性和防止肿瘤形成中发挥关键作用。p53蛋白抑制糖酵解促进基因的表达，包括GLUT1、GLUT3和GLUT4。它增加TIGAR(Tp53诱导的糖酵解及凋亡调控子)的表达，阻断糖酵解，将葡萄糖-6-磷酸转向戊糖磷酸盐，提高了还原型辅酶Ⅱ(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)的细胞内含量，进而提高了谷胱甘肽(reduced glutathione, GSH)还原当量，从而清除活性氧物质，使细胞损伤最小化。肿瘤蛋白P53还增加细胞色素c氧化酶2复合体(synthesis of cytochrome C oxidase 2, SCO2)的装配合成和表达，增强线粒体呼吸[19]。但同时，p53也是最常发生突变的抑癌基因，突变后的P53能够刺激细胞生长，促进肿瘤的发生。研究表明，p53在侵袭性垂体腺瘤中的表达明显高于非侵袭性垂体腺瘤，并且，p53的表达与垂体腺瘤Knosp分级呈正相关，p53基因在对提高垂体腺瘤侵袭性判断的特异性及预后有重要价值[21]。

四、垂体腺瘤的代谢

通过正电子发射计算机断层扫描显像(positron emission tomography, PET)和肿瘤细胞培养实验证实[22]，垂体腺瘤的肿瘤细胞是高代谢的。然而，垂体腺瘤没有较高的血管生成活力，垂体腺瘤中的VEGF表达也没有显着高于正常垂体组织[22]。通过测定垂体腺瘤中的微血管密度(microvascular density, MVD)评估垂体腺瘤中血管发生，VEGF阳性和VEGF阴性的垂体腺瘤之间，MVD并无显著差异，而在VEGF阳性不同类型的垂体腺瘤中观察到血管直径的差异，泌乳激素型垂体腺瘤血管直径和周长显著大于其它激素分泌型和无功能型垂体腺瘤。因此，VEGF在垂体腺瘤的血管结构和血管发生中的作用是有限的，肿瘤通过调节血管结构，而并非增加血管生成，实现自身代谢的增加[23]。由于血管结构和功能异常，肿瘤氧供减少，垂体腺瘤高代谢生长，使得肿瘤组织处于缺血缺氧状态，而所有这些因素是否可诱导肿瘤细胞GLUT的表达，使葡萄糖大量流入肿瘤细胞，以满足其生长、代谢的需要，成为调节垂体腺瘤代谢途径中的重要环节，具有潜在的研究意义。

五、展望

垂体腺瘤的病理生物学、生物化学、分子生物学研究受到了广泛的关注，并逐步得到开展，但更精确的机制也有待更深一步的研究，探索垂体腺瘤的潜在标志物也有着深远的意义。葡萄糖转运蛋白及其信号通路在不同垂体腺瘤中的表达或许存在差异，进一步的研究将有助于发现新的治疗靶标及潜在的药物制剂。

参 考 文 献

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