丙酮酸激酶是糖酵解途径中的关键酶，能催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为烯醇式丙酮酸并产生三磷酸腺苷，因此具有重要的生理功能。丙酮酸激酶在人体内广泛分布，有四种同工酶，分为左旋、右旋、M1和M2。l型仅存在于肝实质、肾和小肠粘膜中，r型仅存在于成熟红细胞中，M1型存在于脑和肌肉中，M2型广泛分布于除骨骼肌外的各种组织中，尤其是肾和恶性肿瘤细胞。在正常成人中，肝脏主要是L形，而在胎儿中，它主要是R形。

丙酮酸激酶活性在急性肝炎中增加，但在急性肝坏死患者中降低。近年来，已经发现丙酮酸激酶同工酶在肝细胞癌的诊断中起重要作用。肝细胞癌中，L型同工酶活性降低，而K型同工酶活性升高。与L型同工酶相比，K型同工酶能与线粒体呼吸系统竞争腺苷二磷酸，产生丙酮酸，促进糖酵解。即使给氧，它也不能像正常细胞一样被消除。【丙酮酸激酶的临床意义】因此，细胞生长失控，表现出肿瘤的特征，尤其是M2型。M2-丙酮酸激酶在消化道肿瘤患者的血浆中也升高，因此认为M2-丙酮酸激酶可以用作肿瘤学标记。近年来，研究人员发现M2-丙酮酸激酶与华宝效应的维持和肿瘤的发生密切相关。敲除肿瘤细胞中的M2-丙酮酸激酶，并用其同工酶M1-丙酮酸激酶替代，可以逆转沃伯格效应，减少乳酸产生，增加氧消耗，抑制细胞生长。在胚胎发育过程中，M2丙酮酸激酶逐渐消失，但在肿瘤组织中重新表达。因此，M2-丙酮酸激酶可能是抑制肿瘤组织发生和发展的靶点。然而，M2-丙酮酸激酶维持肿瘤细胞有氧糖酵解的机制仍不清楚。

【丙酮酸激酶的临床意义】丙酮酸激酶的作用

1.M2-丙酮酸激酶间接调节癌基因激活

近年来，肿瘤代谢越来越受到人们的重视。最初，基于对癌基因RAS和SRC的研究，科学家发现癌基因与肿瘤细胞的糖代谢有一定的关系。其中，活化的RAS可以促进葡萄糖转运体信使RNA的转录，从而促进细胞对葡萄糖的摄取，而SRC激酶可以磷酸化烯醇酶和乳酸脱氢酶，调节糖酵解过程。进一步研究发现，SRC可以激活缺氧诱导因子1的表达，缺氧诱导因子1的表达可以引起无氧糖酵解。【丙酮酸激酶的临床意义】M2-丙酮酸激酶不仅受到肿瘤信号通路的精细调控，还制约着肿瘤信号通路的调控，这与M2-丙酮酸激酶能够调节肿瘤相关信号通路和转录因子的活性，并且其在细胞中的定位受肿瘤相关信号通路的调控密切相关。当用白细胞介素-3刺激小鼠时，发现M2-丙酮酸激酶从细胞质转移到细胞核，这一现象通过蛋白质印迹得到证实。此外，生长抑素及其类似物已被证明能促进M2-丙酮酸激酶进入细胞核。然而，其具体机制仍不清楚。同时，M2-丙酮酸激酶可以将磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移到ADP，伴随着能量和丙酮酸的形成，从而稳定细胞中的能量电荷([ATP] 1/2 [ADP]/[amp] [ADP] [ATP])，这意味着消耗M2-丙酮酸激酶将导致上述反应的破坏并降低细胞中ATP的产生水平。

2.转录调控参与肿瘤代谢

缺氧诱导因子-1主要在缺氧中发挥作用，调节机体对缺氧的适应性。其主要功能是诱导缺氧基因和恢复细胞内环境中的氧含量。据报道，缺氧诱导因子-1在许多肿瘤细胞中高表达，这可能与其调节糖酵解相关基因表达有关。M2丙酮酸激酶可以提高缺氧诱导因子-1的转录水平，缺氧诱导因子-1和M2丙酮酸激酶之间存在正反馈调节。【丙酮酸激酶的临床意义】此外，M2-丙酮酸激酶也可以定位在细胞核中，参与蛋白质的转录调节和翻译后修饰。发现具有蛋白激酶活性的M2-丙酮酸激酶可以磷酸化细胞核中的转录因子3，促进转录因子3靶基因的表达，激活丝裂原/细胞外信号调节激酶5基因的转录，在肿瘤细胞增殖中发挥重要的代谢作用。有学者报道，在缺氧条件下，双加氧酶5可以与M2-丙酮酸激酶的C端结合，阻碍其转化为四聚体，促进其向细胞核的移位，并促进乳腺癌细胞MCF-7中缺氧诱导因子-1的转录，从而调节乳腺癌细胞的代谢和增殖。由于细胞质中存在一系列催化糖酵解的酶，整个糖酵解过程都发生在细胞质中，所以M2-丙酮酸激酶主要在细胞质中起催化作用，而细胞核中的M2-丙酮酸激酶与细胞质中的作用不同。蛋白质芯片实验表明，M2-丙酮酸激酶作为一种蛋白激酶在细胞核中促进肿瘤细胞的增殖。

3.调节肿瘤信号通路

异常信号转导导致许多疾病，尤其是肿瘤。M2-丙酮酸激酶参与的糖酵解途径的异常传导对肿瘤相关分子的调控是当前的研究热点之一。研究表明，M2-丙酮酸激酶信号通路的调节、转录和选择性切割之间存在协同效应。【丙酮酸激酶的临床意义】发现M2-丙酮酸激酶是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)下游的一个重要靶点，受体酪氨酸激酶-磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B-MTOR的过度激活可上调M2-丙酮酸激酶的表达，从而导致肿瘤细胞中沃伯格效应增强和乳酸产量增加。同时，mTOR还可以通过c-mym介导的选择性切割和HIF-1介导的PKM基因转录上调M2-丙酮酸激酶的表达，并促进Warburg效应，从而促进肿瘤细胞的发育。这一发现为肿瘤的临床机制研究和靶向治疗提供了新的思路，如联合抑制M2-丙酮酸激酶途径和mTOR功能可能抑制肿瘤的发生和发展。

4.诱发线粒体损伤

线粒体是一种动态的双层膜结构细胞器，保持分裂和融合的动态平衡。生命活动的重要代谢如氧化磷酸化、谷氨酰胺代谢和三磷酸腺苷合成都是在线粒体中进行的。线粒体功能异常会破坏细胞的正常生命活动，在严重的情况下会导致细胞癌变。在肿瘤细胞的代谢中，糖酵解和氧化磷酸化之间的动态平衡决定了肿瘤细胞的代谢方向。糖酵解的限速酶M2丙酮酸激酶和线粒体损伤之间也可能有密切的关系。【丙酮酸激酶的临床意义】研究表明，M2-丙酮酸激酶过表达引起的线粒体功能障碍表现为三磷酸腺苷水平降低、线粒体基因拷贝数增加和线粒体融合蛋白2(mfn2)增加。敲除M2-丙酮酸激酶可以降低mfn2蛋白的表达，减弱M2-丙酮酸激酶介导的线粒体融合，恢复线粒体功能。M2-丙酮酸激酶在体外的过表达表明线粒体明显伸长并聚集在细胞核周围，这证实了M2-丙酮酸激酶的异常高表达增加了线粒体融合并破坏了融合和分解之间的平衡，导致线粒体功能障碍。上述研究表明，体内和体外M2-丙酮酸激酶的过表达可诱导线粒体损伤。此外，调节因子包括mfn2、miR-106b、HIF、p53等。倾向于负调节线粒体的结构和功能，导致有氧糖酵解并促进M2-丙酮酸激酶的过表达，这将进一步抑制线粒体的正常功能。

丙酮酸激酶主要参与两种主要代谢的调节，一种是糖酵解途径，催化磷酸烯醇式丙酮酸产生丙酮酸并释放两种在生理条件下不可逆的三磷酸腺苷分子；其次，它参与遗传物质代谢的调节并催化磷酸基团的交换。蓖麻胚的稳定同位素标记证明90%的葡萄糖通过糖酵解转化为丙酮酸，这证实了糖酵解途径在植物中的重要性。研究人员发现，存在于叶片中的丙酮酸激酶C在调节夜间呼吸中起着重要作用，特别是当可用的光同化库减弱和叶片呼吸较低时。对蓖麻种子的研究表明，糖酵解途径对拟南芥和油料作物的产油非常重要，但没有证据表明丙酮酸激酶与淀粉合成有关。此外，在拟南芥丙酮酸激酶P突变体中，碳流由油合成变为淀粉积累。在高等植物中，淀粉来自叶绿体中合成的光合产物。这一合成过程将与叶绿体中的碳代谢密切相关。

主要参考文献[1]临床肝病的实验诊断学

[2]M2丙酮酸激酶在肿瘤形成中的作用

[3]丙酮酸激酶在高等植物中的作用