上海交通大學醫學院藥理學與化學生物學系研究員。2001 年本科畢業于南京大學生物工程制藥專業，2006 年在中科院上海藥物研究所獲得藥理學博士學位，2009 年至今任職于上海交通大學醫學院，2012 年至 2013 年 5 月在美國加利福尼亞大學圣地亞哥分校（UCSD）作訪問學者和博士后。主要從事腫瘤分子分型和靶向藥物精準治療研究，聚焦肺癌代謝調控，基于靶向藥物耐藥機制篩選新的抗腫瘤靶點、創新型抗腫瘤藥物及相關機制研究。已作為通訊作者在 Cell Metabolism、Theranostics 等國際雜志發表重要成果。

梁倩 ^1,2，陳紅專 ^2,3，沈瑛 ^1,2*

（1. 上海交通大學醫學院藥理學與化學生物學系，上海 200025；2. 上海市轉化醫學協同創新中心，上海 200025；3. 上海中醫藥大學，上海 201203）

[摘要]糖酵解通路關鍵代謝酶磷酸甘油酸變位酶 1（PGAM1）催化 3-磷酸甘油酸（3-PG）轉化為 2-磷酸甘油酸（2-PG），參與生物大分子合成和維持細胞內氧化還原穩態，同時具有非酶依賴的蛋白-蛋白相互作用功能，促進腫瘤生長和轉移。研究發現，PGAM1 在多種惡性腫瘤中普遍高表達且與患者的不良預后密切相關，在腫瘤的發生發展中起著至關重要的作用。PGAM1 作為極具潛力的抗腫瘤新靶標，其抑制劑的研發也受到越來越多的關注。綜述 PGAM1 在腫瘤中的作用以及 PGAM1 抑制劑的最新研究進展。

腫瘤細胞在有氧環境下提高糖酵解率和乳酸產量以滿足快速增殖的能量需求方式被稱為 Warburg效應。磷酸甘油酸變位酶 1（phosphoglyceratemutase 1，PGAM1）是糖酵解通路中的代謝酶之一，其可催化 3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate，3-PG）轉化為 2-磷酸甘油酸（2-phosphoglycerate，2-PG），調控底物和產物的轉化平衡，進而影響糖酵解通路速率及其他代謝通路，促進腫瘤生長。研究發現，PGAM1 不僅通過其代謝酶活性參與腫瘤的發生發展，還可以通過非代謝酶功能介導腫瘤轉移。PGAM1 有望作為抗腫瘤治療的新靶點，其抑制劑也成為研究熱點。

1 磷酸甘油酸變位酶 1 的結構和催化機制

編 碼 PGAM1 基因位于染色體 10 q25.3， 其cDNA 長度為 1 709 bp，編碼 254 個氨基酸長度的蛋白，相對分子質量為 28 784。研究發現，His11、Arg62和 His186均位于PGAM1活性位點。PGAM2 與 PGAM1 約有 80% 的同源性，在人類基因組中 PGAM2 僅有一個基因拷貝，PGAM1 則是多拷貝基因，因此認為 PGAM2 基因可能來源于PGAM1 。PGAM3 和 PGAM4 最初被認為是假基因，隨著研究的深入發現，PGAM3 活動中心的必需氨基酸序列與 PGAM1 相同，表明 PGAM3 可能與 PGAM1 有相似的酶活性，PGAM4 則主要在睪丸中表達，與男性不育有關。PGAM5 定位在線粒體外膜，雖然在結構上屬于磷酸甘油酸變位酶家族，卻缺乏酶活性，可作為一種特殊的絲 / 蘇氨酸磷酸酶參與細胞凋亡。 

PGAM1 通過“乒乓機制”來催化 3-PG 到 2-PG之間的可逆轉化（見圖 1）。在反應開始階段，PGAM1 的 His11 氨基酸殘基被磷酸化，PGAM1 處于激活狀態。當 3-PG 進入反應口袋，PGAM1 的His11 殘基上的磷酸根轉移到 3-PG 上形成 2，3-二磷酸 甘 油 酸（2，3-diphosphoglycerate，2，3-BPG）；而去磷酸化后的 PGAM1 發生構象改變，促進2，3-BPG 上 3 位的磷酸根轉移到 PGAM1 的 His11殘基上，PGAM1 恢復其開始的激活狀態并生成2-PG。

Hitosugi 等解析了更高分辨率的人源 PGAM1的晶體結構（PDB: 4GPI，2.02 ?；4GPZ，1.65 ?），這 2 個 PGAM1 結構分別是 His11 未磷酸化的原始狀態和 His11 被磷酸化的激活狀態（見圖 2）。對比 2 個結構發現，在 His11 磷酸化的 PGAM1 中，靠近 His11 的 loop（12-23）有較大的構象改變，控制著活性口袋的開關（見圖 2a）。在 His11 未被磷酸化的原始狀態中，Tyr26 與 Trp16 相互堆疊，帶負電的 Glu19 占據著帶正電的底物結合口袋，阻止了 2，3-BPG 和 3-PG 進入活性口袋，且 Glu19 與Ser14 和 Ser23 形成氫鍵，進一步穩定了該原始狀態PGAM1 的構象（見圖 2b）。而在 His11 磷酸化的PGAM1 中，Glu19 不再占據底物結合口袋，磷酸化的 His11 的帶負電的磷酸根進入活性反應區，并且，磷酸化的 His11 通過磷酸根與周圍的 Arg10、Arg62和 Glu89 形成很強的氫鍵，這些氫鍵相互作用也穩定了 His11 磷酸化的激活狀態 PGAM1 的結構（見圖 2c）。

2 磷酸甘油酸變位酶 1 與腫瘤的關系

PGAM1在多種腫瘤中普遍高表達，如乳腺癌、膽管癌、腎透明細胞癌、前列腺癌和膠質瘤等。臨床數據結果統計發現，PGAM1 表達水平與腫瘤患者預后呈負相關，與腫瘤組織分級和嚴重程度呈正相關，如肺癌、口鱗狀細胞癌、泌尿道上皮膀胱癌、結直腸癌、肝癌、胰腺癌等，在腫瘤的發展進程中扮演重要角色。 

Cortesi 等通過雙向凝膠電泳和質譜法檢測了乳腺癌患者的組織液，發現 PGAM1 在腫瘤間質液中顯著高表達。另有研究發現雌激素受體陰性/黃體酮受體陰性乳腺癌患者中，PGAM1表達明顯高于類固醇受體陽性乳腺癌患者。Ishikawa 等發現原代培養的乳腺癌細胞中不僅 PGAM1 增加，而且表現出與癌癥相關的成纖維細胞樣特性。Shen 等通過 western blot 證實PGAM1 在膽管癌患者的膽汁樣本中顯著上調。研究表明，PGAM1 可能是膽管癌的一種潛在的生物標志物。免疫組化結果表明，腎透明細胞癌中PGAM1 表達高于正常腎組織，并且與患者年齡、腫瘤大小和 T 分期有顯著的相關性。Wen 等檢測發現 PGAM1 在前列腺癌組織和細胞系中表達上調，PGAM1 表達與 Gleason 評分和 T 分期相關；下調 PGAM1 能夠抑制前列腺癌細胞的增殖、遷移和侵襲，誘導癌細胞發生凋亡，提示 PGAM1 在前列腺癌的進展和侵襲過程中發揮重要作用，可能是預后不良的有價值的標志物和潛在的治療靶點。Gao等發現膠質瘤病人樣本中 PGAM1 的表達量顯著高于正常腦組織，并且 PGAM1 的表達量與膠質瘤患者的分級及生存相關。當 siRNA 敲除 PGAM1 后，顯著抑制膠質瘤細胞增殖，促進細胞凋亡，誘導 S期細胞周期阻滯，抑制細胞遷移和侵襲。Sanzey等通過全基因組測序發現，缺氧條件下膠質瘤中PGAM1 水平明顯升高。 

Huang 等通過逆轉錄-聚合酶鏈反應（reversetranscription-polymerase chain reaction，RT-PCR）發現非小細胞肺癌病人腫瘤組織中 PGAM1 明顯高于癌旁組織， PGAM1 的異常高表達與肺癌病人的不良預后密切相關。Zhang 等通過對口腔鱗狀細胞癌患者組織標本進行分析，發現 PGAM1 的表達與病人年齡、淋巴轉移和腫瘤復發相關，并且高表達 PGAM1 的病人總生存期和無病生存期較短。Turhani 等發現 PGAM1 可作為口腔鱗癌中潛在的診斷標志物，具有臨床意義。Usuba 等研究發現 PGAM1 在結腸直腸癌患者中顯著高表達，Liu 等發現 PGAM1 能夠與 T 細胞淋巴瘤的侵襲和轉移誘導蛋白 1 相互作用，激活 Rac 介導的結直腸癌轉移。分子機制探究和病理分析表明 PGAM1與結直腸癌的轉移潛能密切相關。臨床病理分析表明，肝癌中 PGAM1 蛋白過表達，且與低分化、低生存率密切相關。敲低 PGAM1 導致肝癌細胞的生長受到明顯抑制。研究發現，PGAM1 在肝癌發生過程中起著重要的作用，是一種潛在的診斷性生物標志物。Liu 等研究發現，PGAM1 的過表達與胰腺導管腺癌患者的轉移、臨床晚期、生存率低呈正相關，敲低 PGAM1 抑制胰腺導管腺癌細胞增殖，表明 PGAM1 與胰腺癌的臨床轉移及不良預后密切相關。

3 磷酸甘油酸變位酶 1 在腫瘤發生發展中的作用

PGAM1 在糖酵解通路中催化 3-PG 轉化為2-PG，不僅能調控糖酵解速率，而且還通過調控底物和產物的濃度來影響其他代謝酶活性，進而影響整個代謝網絡，在腫瘤生長中發揮著重要作用。Hitosugi 等研究發現，3-PG 在細胞內的積累會競爭性抑制 6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶活性，影響磷酸戊糖途徑，降低核苷酸等物質的生成；2-PG 的積累則增強糖酵解通路向絲氨酸合成通路轉變的起始關鍵酶磷酸甘油酸脫氫酶的活性，促進絲氨酸的生成，因此，PGAM1 能同時調控有氧糖酵解、磷酸戊糖途徑和絲氨酸合成通路，實現對能量代謝和氨基酸、核苷等生物大分子合成的諸多調控（見圖 3）。其中，Tyr26 殘基對于 PGAM1 至關重要，PGAM1 Tyr26 磷酸化促使 Glu19 從活性中心釋放，His11 進而與 2，3-BPG結合穩定 PGAM1 結構，增強酶活性。

Ren 等對 PGAM1 調控腫瘤細胞增殖的機制提出一種新的可能性：PGAM1 活性的改變影響了 ATP 的合成，AMP 依賴的蛋白激酶 [adenosine5'-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK] 在感受到 AMP/ATP 的變化后信號通路隨之激活，哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian targetof rapamycin，mTOR）下游的信號分子主要調控細胞的增殖、凋亡和自噬，進而影響肝癌生長。并且，AMPK 還會影響乙酰輔酶 A 羧化酶，進一步調控細胞內脂肪酸的合成（見圖 3）。Qu 等報道了PGAM1 對腫瘤細胞 DNA 損傷應答的調控機制。研究揭示，PGAM1 通過酶活功能調控磷酸戊糖旁路，維持細胞內 DNA 合成元件——脫氧核糖核苷三磷酸池（deoxyribonucleoside triphosphates pool，dNTPpool）的水平。細胞內 dNTP 失衡，能激活 p53/p73依賴的 APC/C-Cdh1 E3 泛素連接酶活性，下調 DNA同源重組修復（homologous recombination，HR）核心蛋白羧基末端結合蛋白反應蛋白（C-terminalbinding protein interacting protein，CtIP）的穩定性，進而影響 HR 修復通路功能（見圖 3）。

Liu 等發現敲低胰腺癌細胞中 PGAM1 后β-catenin 磷酸化水平增加，表明 PGAM1 可能通過激活 Wnt/β-catenin 信號通路進而促進細胞發生上皮細胞-間充質轉化。進一步的研究發現，使用磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3K）/蛋白激酶 B（Akt）或 mTOR抑制劑后，PGAM1 總蛋白水平降低，表明 PGAM1可能處于 mTOR 下游并且受到 PI3K/Akt 信號通路調控。Shen 等研究發現，S1P/S1PR3 信號通路通過調控 Yes 相關蛋白 1-骨髓細胞瘤病毒癌基因（Yesassociated protein 1-cellular-myelocytomatosis viraloncogene，YAP-c-MYC）復合物進而促進 PGAM1轉錄，增強有氧糖酵解，有利于腫瘤增殖。 

PGAM1 不僅通過其代謝酶功能參與腫瘤的發生發展，還存在非酶活功能介導腫瘤運動。已有文獻報道通過小干擾 RNA（small interfering RNA，siRNA）敲低胰腺癌細胞中的 PGAM1，缺氧誘導因子 1α（hypoxia inducible factor 1α，HIF-1α）蛋白總量明顯下調，反向敲低 HIF-1α 后 PGAM1 蛋白水平也隨之降低，表明兩者之間可能存在直接的相互作用。Zhang 等發現乳腺癌細胞中 PGAM1 通過其 201-210 位氨基酸，直接與 α-平滑肌肌動蛋白（α-smooth muscle actin，ACTA2）相互作用，進而調控肌動蛋白絲組裝和腫瘤細胞運動。Huang 等報道了一種新型的 PGAM1 變構抑制劑，當其結合在變構位點后能夠拉近氨基酸殘基 Arg191 與 Leu208之間的距離，使 201-210 段氨基酸的構象發生改變，從而減弱 PGAM1 與 ACTA2 之間相互作用，抑制腫瘤細胞的轉移。抑制 PGAM1 能夠顯著提高細胞內活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平，激活c-Jun 氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK/c-Jun）信號通路，并抑制 Akt 和細胞外調節蛋白激酶（extracellular regulated protein kinases，ERK）活性，表明 PGAM1 能通過代謝酶活性和非代謝酶依賴的蛋白 - 蛋白相互作用，調控腫瘤生長和轉移。

4 現已報道的磷酸甘油酸變位酶 1 抑制劑 

PGAM1 是一個前景良好的抗腫瘤新靶標，研究與開發新的 PGAM1 抑制劑已引起越來越多研究者的關注。2005年，Evans 等報道了 PGAM1抑制劑 MJE3（1），課題組首先構建了包含能與PGAM1 反應的活性基團的天然產物化合物庫，通過細胞增殖實驗篩選發現化合物 MJE3 可以抑制乳腺癌細胞生長，原位蛋白反應譜顯示 MJE3 共價連接到 PGAM1 上，并降低 PGAM1 的活性。進一步通過質譜、構建突變蛋白和進行蛋白-小分子復合物結構模擬等方法確定 MJE3 上的環氧基團共價連接到 PGAM1 的 Lys100 位點。Li 等報道了天然產物來源的PGAM1抑制劑EGCG[(－)-epigallocatechin3-gallate，2。EGCG 是綠茶提取物中兒茶酚的主要成分，在分子水平表現出對PGAM1較強的抑制活性，IC50 約為 0.49 μmol· L^-1。但 EGCG 為多酚結構，其通過細胞膜效率較低，對腫瘤細胞的抑制活性較弱，并且呈現多靶標作用，選擇性有待進一步提高。

2012 年，Hitosugi 等報道了蒽醌類 PGAM1抑制劑，通過高通量的酶聯測活方法，對一個包含2 000個美國FDA批準的小分子化合物庫進行篩選，鑒定出茜素紅（Red S，3）。但茜素紅結構含有磺酸基團，導致該化合物很難通過細胞膜，將其磺酸基團替換成磺酰胺并進行一系列化學修飾，最終發現化合物 PGMI-004A（4），細胞水平檢測的 IC50為 25.6 μmol· L^-1，具有抗腫瘤效果，但是 PGMI004A 如何與 PGAM1 結合以及 PGMI-004A 的靶向性的驗證等問題仍有待進一步探究。 

同樣以 PGMI-004A 為先導化合物，Wang 等通過骨架躍遷發現了呫噸酮類 PGAM1 抑制劑，其中活性最好的化合物 12r （5）對 PGAM1 和腫瘤細胞 H1299 的 IC50 分別為 2.7 μmol· L^-1 和 5 μmol· L^-1左右。但其溶解性較差并且藥物代謝性質不理想，應用受到限制。

Huang 等通過解析 PGMI-004A 與 PGAM1的共晶復合物結構，發現 PGMI-004A 位于鄰近底物結合口袋的變構位點，通過疊合該共晶復合物結構與底物 3-PG 發現，PGMI-004A 與 3-PG 有部分碰撞。基于結構進一步優化，將 PGMI-004A 中的磺酰胺反轉、引入含氮飽和脂肪環，發現了新型 PGAM1 變構抑制劑 HKB99（6）。對接研究發現，新化合物HKB99 與先導化合物 PGMI-004A 位于同一變構位點，但磺酰胺翻轉后，HKB99 巧妙地避開了與底物3-PG 的碰撞，成為非底物競爭型的變構抑制劑，大大提高了抗腫瘤活性。藥理學研究表明，HKB99 通過變構結合 PGAM1 后，降低了 PGAM1 的酶活，抑制 3-PG 向 2-PG 的轉化，進而抑制細胞增殖。同時，HKB99 結合在 PGAM1 變構位點后，拉近了 PGAM1 的 Arg191 與 Leu208 之間的距離，穩定了 201-210 位氨基酸的構象，進而阻斷 PGAM1 與ACTA2 的結合，抑制細胞的運動和腫瘤轉移。進一步分子機制表明，HKB99可以提高細胞內ROS水平、激活 JNK/c-Jun 通路誘導細胞凋亡并降低磷酸化蛋白激酶 B（phosphorylated protein kinase B，p-AKT）和磷酸化細胞外調節蛋白激酶（phosphorylatedextracellular regulated protein kinase，p-ERK）的水平，從而抑制細胞增殖。簡言之，通過變構調節PGAM1，HKB99 突破了其先導化合物 PGMI-004A的局限，實現了對PGAM1的代謝酶功能和基于蛋白蛋白相互作用的非代謝酶功能的雙重抑制作用，從而全方位阻斷 PGAM1 促進腫瘤生長和腫瘤轉移的作用，并能克服靶向藥物耐藥。

與此同時，Wen 等報道了 PGMI-004A 的另一個衍生物 KH3（7），通過晶體學、體外酶學研究發現，KH3 也是 PGAM1 變構抑制劑。他們分析了 50 例臨床胰腺癌患者的病理標本，發現腫瘤組織中 PGAM1 的活性明顯高于癌旁組織，并且 PGAM1的表達量與患者的預后相關，提示 PGAM1 可以作為胰腺癌治療的潛在靶標。KH3 在多種胰腺癌模型中，例如臨床病人原代腫瘤細胞、原代植入模型以及病人腫瘤異種移植瘤中均表現出較好的抑制腫瘤生長的效果。進一步的轉錄組學研究發現，KH3 還可以抑制脂質代謝通路和 Hedgehog 等重要通路，并且其抑制程度與藥效相關。該研究說明了胰腺癌中代謝重編程的重要性，并提供了以調控代謝為策略的治療胰腺癌的新思路。

5 結語

PGAM1 作為經典的糖酵解通路代謝酶，在催化 3-PG 生成 2-PG 的同時也發揮著非代謝酶功能，它可以與 ACTA2 蛋白相互作用，調控肌動蛋白的組裝從而影響腫瘤運動。并且，臨床公共數據庫顯示 PGAM1 在多種腫瘤中普遍高表達，與病人的不良預后相關，在腫瘤的發生發展中起著重要的作用。因此 PGAM1 是抗腫瘤治療中極具潛力的靶標，其抑制劑的研發也成為熱點。

目前，針對 PGAM1 抑制劑的研發已經做了大量的工作，但是仍然有一些問題未被解決。例如，天然化合物 EGCG 在細胞水平具有良好的抗腫瘤活性，但因其具有多靶點性質，需要進一步提高其特異性和選擇性；新型的變構抑制劑 HKB99，具有高活性和低毒性等優點，在抑制非小細胞肺癌增殖和轉移的同時能否作用于更多類型的腫瘤；KH3 和HKB99 能否進一步優化，制備成合適的劑型并應用于臨床等。總之，PGAM1 作為抗腫瘤治療的新靶標，其抑制劑的研發值得進一步探究。

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