Warburg-effekten är de flesta cancercellers tendens att producera energi främst genom mycket aktiv glykolys följt av bildning av mjölksyra [1] snarare än genom långsam glykolys och pyruvatoxidation i mitokondrier med syre som i de flesta normala celler [2] [ 3] [4 ] ] . I cellerna i en snabbt växande malign tumör är nivån av glykolys nästan 200 gånger högre än i normala vävnader . Samtidigt förblir glykolys att föredra även under förhållanden när syre är i överskott.
Effekten upptäcktes av Otto Heinrich Warburg på 1920-talet. Uppkallad efter honom av Ephraim Raker 1974 [1] .
Otto Warburg trodde att dessa förändringar i ämnesomsättningen är den grundläggande orsaken till cancer ( Warburg-hypotesen ) [5] . Idag är det känt att de främsta orsakerna till malign transformation av celler är mutationer i onkogener och tumörsuppressorgener , och Warburg-effekten anses endast vara en konsekvens av dessa mutationer [6] [7] .
På 1920-talet upptäckte Otto Warburg och kollegor cancerceller som tog upp stora mängder glukos jämfört med de omgivande cellerna. Dessutom fermenterades glukos till laktat , medan det fanns tillräckligt med syre (en aerob glykolys ). Det påpekades också att cellandning kunde hålla cellen vid liv. Slutsatsen från detta var att för att döda en cell genom att beröva den sin energi, är det nödvändigt att ta både glukos och syre från den. Senare, 1929, fortsatte den engelske biokemisten Herbert Crabtree Warburgs arbete och studerade glykolysens heterogenitet i cancerceller. Han bekräftade vad Warburg hade hittat, men såg också att andelen cellandning varierar och att många tumörer visar betydande mängder. Av detta drog Crabtree slutsatsen inte bara att cancertumörer använder anaerob glykolys, utan att de också har en viss variation i fermenteringen, förmodligen på grund av miljömässiga eller genetiska influenser.
I motsats till resultaten av tidigare arbete, och av skäl som är oklara för dessa författare, föreslog Warburg senare att dysfunktionella mitokondrier är roten till anaerob glykolys. Warburg föreslog också att denna händelse är grundorsaken till cancer. Detta fenomen kallades Warburg-effekten i början av 1970-talet av Ephraim Racker , som också påpekade att tidigare bevis visade tumörers förmåga till cellandning. Wrecker utvecklade sina egna teorier om ursprunget till Warburg-effekten, allt från obalanser i intracellulärt pH till defekter i ATPas- aktivitet. Senare observerade Racker, Jeffrey Fliehr och Morris Birnbaum att anaerob glykolys är en kontrollerad process som direkt kan regleras av tillväxtfaktorsignalering. Vid den tiden ledde upptäckten av onkogener till slutsatsen att avvikande reglering av tillväxtfaktorsignalering är en utlösande händelse i onkogenes. Sålunda gav deras observationer ny betydelse för Warburgs hypotes i cancertumörernas biologi. Tills nyligen förblev det dock oklart om Warburg-effekten var en bieffekt i patogenesen av cancer. Nyligen genomförda genetiska och farmakologiska studier har övertygande visat att Warburg-effekten krävs för tumörtillväxt. För att återgå till de primära studierna av tumörmetabolism är det nu klart att både anaerob glykolys och mitokondriell metabolism kan krävas. Under hela denna historia har Warburg-effektens funktioner varit kontroversiella. [åtta]
Warburg-effekten kan helt enkelt vara resultatet av skador på mitokondrier under malignitet, anpassning till låga syrenivåer eller resultatet av att mitokondriella gener stängs av, eftersom många av dem är involverade i att utlösa apoptos , vilket annars skulle leda till cancercellsdöd. Kanske är effekten helt enkelt en konsekvens av snabb celldelning. Eftersom glykolys tillhandahåller de flesta av de byggstenar som behövs för celldelning och tillväxt, har det föreslagits att cancerceller (och normala prolifererande celler) aktiverar glykolys trots närvaron av syre för att kunna föröka sig framgångsrikt [9] . Bevis är upptäckten av aktiv anaerob glykolys i celler med ökat uttryck av mitokondrierelaterat hexokinas [10] , som är ansvarigt för stimuleringen av glykolys. Vid njurcancer kan samma effekt uppträda på grund av närvaron av mutationer i Hippel-Lindau-tumörsuppressorn , som aktiverar generna av glykolytiska enzymer, inklusive M2-splitsisoformen av pyruvatkinas [11] .
I mars 2008 tillkännagav Lewis K. Cantley och kollegor att pyruvatkinas M2-PK, en isoform av pyruvatkinas, är det enzym som är ansvarigt för Warburg-effekten. M2-RK finns i alla snabbt delande celler och gör det möjligt för cancerceller att konsumera glukos i en accelererad hastighet; om celler tvingas byta till den normala formen av pyruvatkinas, vilket hämmar syntesen av tumör M2-RK, så sjunker deras tillväxthastighet avsevärt. Forskarna medgav att den exakta kemin av glukosmetabolism sannolikt skulle skilja sig åt i olika former av cancer, men PKM2 var närvarande i alla testade cancerceller. Denna form av enzymet finns normalt inte i frisk vävnad, även om det uppenbarligen krävs för snabb cellreproduktion, såsom vid sårläkning eller hematopoiesis [12] [13] .
Många ämnen som hämmar glykolys är för närvarande[ när? ] är föremål för intensiv forskning som anticancermedel [14] , inklusive SB-204990, 2-deoxi-D-glukos , 3-bromopyruvat , 5-tioglukos och diklorättiksyra . Kliniska prövningar pågår för 2-deoxi-D-glukos och diklorättiksyra [15] .
Alfa-cyano-4-hydroxikanelsyra, en liten molekylhämmare av monokarboxylattransportörer (förhindrar ackumulering av mjölksyra i tumörer), har framgångsrikt använts för att behandla hjärntumörer i prekliniska studier [16] [17] [18] [19] . Inhibitorer med hög affinitet för monokarboxylattransportörer har utvecklats. För närvarande[ när? ] genomgår de kliniska prövningar på AstraZeneca [20] .
Diklorättiksyra, en liten molekylhämmare av mitokondriellt pyruvatdehydrogenaskinas, "undertrycker" glykolys in vitro och in vivo . Forskare vid University of Alberta föreslog 2007 att diklorättiksyra kan ha en terapeutisk effekt mot många typer av cancer [21] [22] .
Det har visat sig in vitro att en hög nivå av glukos påskyndar spridningen av cancerceller, medan brist på det leder till apoptos. Dessa resultat initierade ytterligare studier av effekten av glukos på tumörtillväxt. Kliniska data visar att en minskning av blodsockernivåerna vid avancerad cancer är korrelerad med bättre patientöverlevnad [23] .
Per glukosmolekyl är anaerob glykolys en ineffektiv metod för ATP-syntes jämfört med mängden som produceras av mitokondriell andning. Hastigheten för glukosmetabolism genom anaerob glykolys är dock högre, så att produktionen av laktat från glukos sker 10-100 gånger snabbare än den fullständiga oxidationen av glukos i mitokondrier. Faktum är att mängden ATP som syntetiseras under en given tidsperiod är jämförbar med någon form av glukosmetabolism. Således måste en rimlig hypotes att cancer använder anaerob glykolys förklaras av skillnaden i kinetik.
Teoretiska beräkningar med evolutionär spelteori bekräftar att celler med högre hastigheter men lägre ATP-produktion kan få en selektiv fördel när de konkurrerar om delade och begränsade energiresurser. Faktum är att tumörmikromiljön har begränsad glukostillgänglighet och konkurrerar om näringsämnen med stroma- och immunceller. Studien visade också att när förändringar i den cellulära miljön orsakade en signifikant ökning av behovet av ATP genom att ändra behovet av ATP-beroende membranpumpar, ökade anaerob glykolys snabbt och oxidativ fosforylering förblev konstant. Detta ger ytterligare skäl att Warburg-effektens funktion är att stödja snabb ATP-produktion, som snabbt kan justeras för att bibehålla den önskade ATP-nivån.
Trots att förslaget är attraktivt finns det svårigheter. Enkla empiriska beräkningar visar att mängden ATP som krävs för celltillväxt och celldelning kan vara mycket mindre än vad som krävs för normalt cellunderhåll. Således kan efterfrågan på ATP aldrig nå sin gräns under tillväxten av tumörceller. Dessutom finns mekanismer som är tillgängliga för andra celltyper i fall av snabb efterfrågan på ATP också närvarande i tumörceller. Till exempel är den snabba syntesen av ATP från kreatinkinaser i tränad muskel- eller adenylatkinas under hormonella förändringar närvarande i de flesta tumörceller och bör kunna möta efterfrågan på ATP. Därför behövs ytterligare studier för att visa om denna mekanism kan förklara rollen av anaerob glykolys. [åtta]
Warburg-effekten antas vara en anpassningsmekanism för att stödja de biosyntetiska kraven för okontrollerad tillväxt. I detta scenario används ökat glukosintag som en kolkälla för de anabola processer som behövs för att stödja celldelning. Detta överskott av kol används för att generera nukleotider, lipider och proteiner och kan dirigeras genom flera förgreningsvägar som härrör från glykolys. Ett exempel är läckage av glykolytiskt flöde till serinbiosyntes av enzymet fosfoglyceratdehydrogenas (PHGDH). Förutom att använda ytterligare kol från glukosmetabolism för cellulära byggstenar, finns det nu också ett argument att istället för att begränsa hastigheten för ATP-syntes, är prolifererande celler mer i behov av att återvinna ekvivalenter i form av NADPH .
En annan föreslagen mekanism för att redogöra för den biosyntetiska funktionen av Warburg-effekten är regenereringen av NAD+ från NADH i steget pyruvat till laktat, vilket fullbordar anaerob glykolys. I detta scenario måste NADH, som produceras av glyceraldehydfosfatdehydrogenas (GAPDH), konsumeras för att regenerera NAD+ för att bibehålla glykolysaktiviteten. Denna höga glykolyshastighet möjliggör processer som till exempel kan pumpa 3-fosfoglycerat (3PG) till serin för produktion av NADPH och nukleotider genom enkolsmetabolism. Dessa antaganden drar slutsatsen att Warburg-effekten upprätthåller en metabolisk miljö som tillåter snabb biosyntes för att stödja tillväxt och spridning.
Dessutom har andra föreslagit att anaerob glykolys är en kompromiss för att stödja biosyntes. I dessa scenarier uppstår ett ineffektivt sätt att skapa ATP från behovet av att förse de anabola vägarna med de nödvändiga materialen. Dessa vägar kräver ökat uttryck av biosyntetiska gener, såsom de som är involverade i nukleotid- och lipidsyntes, och som ett resultat sker detta genom att begränsa användningen av mitokondrier för att upprätthålla högt uttryck av biosyntetiska enzymer på grund av den begränsade mängden tillgängligt protein. Ett annat scenario är att den tillgängliga fysiska volymen per cell kan begränsa antalet mitokondrier, och därför måste all energi och biomassa som överstiger den begränsade mitokondriella kapaciteten erhållas från anaerob glykolys. Detta koncept har kallats lösningsmedelskapacitetsbegränsning. I båda dessa fall är Warburg-effekten en anpassning för att stödja biomassaproduktion inför begränsade möjligheter för ATP-generering.
Överklagandet av detta förslag beror delvis på dess förmåga att ge en enkel förklaring till den uppenbara korrelationen mellan anaerob glykolys och cancercelltillväxt. Det verkar också intuitivt för vissa att förgreningsvägar från glykolys skulle utnyttjas mer under Warburg-effekten eftersom glykolyshastigheten är högre och laktatproduktion i detta fall skulle tjäna till att regenerera NAD+ för att tillåta glykolysen att fortsätta. Dessutom kan kravet på NADPH för lipidbildning sammanfattas i en mycket enkel kemisk ekvation som visar att kravet på NADPH är högre än för ATP för biosyntes.
Det finns dock allvarliga begränsningar för denna föreslagna funktion av Warburg-effekten. För det första, under anaerob glykolys, hålls inte det mesta av kolet kvar utan frigörs istället som laktat. Faktum är att den allmänna ekvationen för att omvandla 1 molekyl glukos till 2 molekyler laktat utan en total ökning eller förlust av NAD+ och NADH lämnar inget utrymme för biomassa. Det vill säga, på grund av glykolysens stökiometri, är biomassaproduktion ömsesidigt uteslutande med laktatproduktion, och biosyntes kan inte förklaras för NAD+-regenerering av enbart laktat. Således sker de vägar som leder till glukosbiosyntes i fullständig frånvaro av laktatproduktion, vilket är kännetecknet för Warburg-effekten. Även för närvarande[ när? ] tros det allmänt att mitokondrier är nyckelkomponenter i det biosyntetiska programmet, vars substrat i TCA-cykeln används för biosyntes av nukleotider, aminosyror och lipider. I ljuset av dessa bevis är det fortfarande svårt att förstå hur Warburg-effekten direkt kan främja biosyntes.
Nya uppskattningar av kvantitativ proteomik indikerar att kostnaden för att producera ett protein för att utföra anaerob glykolys är enorm. Faktum är att celler donerar upp till 10 % av hela sitt proteom och hälften av sina metaboliska gener för produktion av proteiner involverade i glykolys. Däremot kräver biosyntetiska program i celler mycket mindre mängder protein. Således är kostnaden för att producera proteiner för anaerob glykolys lika stor, om inte mer än kostnaden för att producera proteiner för biosyntes. Förslaget om att Warburg-effektens funktion är i biosyntes utmanas också av det faktum att mitokondriella funktioner uppträder samtidigt med Warburg-effekten, och därför verkar begränsning av mitokondriell aktivitet inte inträffa under Warburg-effekten. I slutändan behövs ytterligare forskning för att ta reda på om Warburg-effekten fungerar för att stödja biosyntesprogram. [åtta]
I motsats till de cellulära funktionerna som beskrivits ovan kan Warburg-effekten representera en fördel för celltillväxt i en multicellulär miljö. Försurning av mikromiljön och andra metabola störningar är spännande möjligheter. Ökad glukosmetabolism sänker pH i mikromiljön på grund av laktatsekretion . De potentiella fördelarna med försurning för cancerceller är enorma. Den syramedierade invasionshypotesen föreslår att H+-joner som frigörs från cancerceller diffunderar in i miljön och förändrar gränsytan för tumörstroman, vilket möjliggör ökad invasivitet. En nyligen genomförd studie visade att laktat som härrör från tumörer bidrar till polariseringen av makrofager associerade med M2-vävnader. Tillgängligheten av glukos verkar också vara resultatet av direkt konkurrens mellan tumören och tumörinfiltrerande lymfocyter. Höga nivåer av glykolys begränsar tillgängligheten av glukos till lymfocyter, som kräver tillräckligt med glukos för sina funktioner. Stöd för detta förslag är ett direkt bevis på att inriktning på anaerob glykolys i tumörer har den extra fördelen att det minskar glukosupptaget av lymfocyter och därför undertrycker deras primära funktion att döda tumörceller. Sammantaget antyder detta faktum att tumörceller kan kommunicera med celler i immunsystemet för att stödja antitumörimmunitet.
Det är troligt att Warburg-effekten ger en övergripande fördel som upprätthåller en tumörmikromiljö som främjar cancercelltillväxt. Emellertid tros Warburg-effekten vara en tidig händelse i onkogenes som är en direkt följd av en initial onkogen mutation såsom KRAS i pankreascancer eller BRAF vid melanom, vilket alltså inträffar före cellinvasion och i godartade och tidiga cancerformer. Ett annat problem är att under förhållanden helt isolerade från omgivningen, såsom i tillväxtfasen av encellig jäst, förblir Warburg-effekten valet av energimetabolism från glukos. Sammantaget tyder dessa data på att Warburg-effektens icke-cellulära funktioner är otillräckliga för att fullständigt förklara dess funktioner. [åtta]
Det antas att Warburg-effekten ger funktionen av direkt signalering till tumörceller. Detta förslag är särskilt attraktivt eftersom det identifierar en direkt orsaksroll för förändrad glukosmetabolism för att främja tumörbildning genom denna signaltransduktion som påverkar andra cellulära processer. De två domänerna för signalfunktion är generering och modulering av reaktiva syreämnen (ROS) och modulering av kromatintillstånd. Andra studier har identifierat ytterligare möjliga signalmekanismer.
Att upprätthålla en korrekt balans mellan ROS är viktigt. För stora mängder ROS skadar cellmembran, nukleinsyror och har andra skadliga effekter. Otillräckliga nivåer av ROS stör signaltransduktionsprocesser som är fördelaktiga för cellproliferation, såsom inaktivering av fosfatas- och tensinhomolog (PTEN) och tyrosinfosfataser. Warburg-effekten inducerar förändringar i redoxpotentialen hos mitokondrier, vilket i slutändan förändrar ROS-genereringen.
En viktig faktor som bestämmer redoxpotentialen i celler är NADH, som finns tillgängligt i mitokondrier för elektrontransport. Cellulära mekanismer för att upprätthålla redoxhomeostas äger rum när glykolyshastigheten fluktuerar. Till en viss grad av glykolys kan malat-aspartat-skytteln genom mitokondrierna återställa NADH-obalansen. Men när glykolyshastigheterna är högre än de som kan uppnås med malat-aspartat-skytteln, kan omvandlingen av pyruvat till laktat via laktatdehydrogenas (LDH) regenerera NAD+. Denna process kan också påverka homeostasen av ROS-generering genom att påverka koncentrationen av reducerande ekvivalenter i mitokondrier.Denna konsekvens av Warburg-effekten kan vara direkt involverad i onkogeninducerat åldrande (OR). SIR har en tumörhämmande cellulär funktion, och en nyligen genomförd studie har visat att ökad glukosoxidation via pyruvatdehydrogenas (PDH) kan reglera SVR. Detta fynd visar att redoxbalansen för NADH kan bidra till direkta signaleringsroller i Warburg-effekten.
Dessutom förstärks metaboliska vägar som stimulerar redoxhomeostas tillsammans med Warburg-effekten. Till exempel genererar pentosfosfatvägen härledd från glykolys NADPH. Serinmetabolism, som är involverad i enkolsmetabolism, producerar NADPH och glutation, som modulerar ROS-nivåer. Tillsammans ger dessa resultat direkta biokemiska kopplingar mellan anaerob glykolys och ROS-tillgänglighet, vilket i sin tur kan påverka en mängd olika signaleringsprocesser.
Förutom signalering genom ROS har signaleringssambandet mellan glukosmetabolism och histonacetylering varit väl dokumenterat. Statusen för kromatinstrukturen är ansvarig för att reglera olika cellulära funktioner, inklusive DNA-reparation och gentranskription. Det har visat sig att acetyl-CoA, ett substrat för histonacetylering, kan regleras av glukosflöde. Forskning har visat att det finns ett direkt samband mellan cellulär metabolism och tillväxtgenreglering och att intracellulära nivåer av acetyl-CoA kan representera en brett konserverad mekanism som bidrar till denna viktiga länk. Aktiviteten hos ATP-citratlyas, enzymet som ansvarar för omvandlingen av citrat till acetyl-CoA, kan påverka histonacetyleringsnivåerna. Förhöjda nivåer av acetyl-CoA kan vara tillräckliga för att föra celler in i tillväxtfasen via histonacetylering. Avlägsnande av glukos eller minskning av ATP-citratlyas resulterar i förlust av acetylering på flera histoner och orsakar en minskning av transkription av gener involverade i glukosmetabolism. Detta indikerar att det finns ett visst samband mellan glukosmetabolism och histonacetylering. Till stöd för denna idé har glykolytisk metabolism visat sig påverka kromatinstrukturen.
Förutom histonacetylering, som svarar på tillgängligheten av glukos i celler, kan deacetylering också påverkas av näringstillgänglighet. Deacetylering spelar en viktig roll i näringsupptag och signalering eftersom aktiviteten hos vissa deacetylaser moduleras av NAD+-nivåer. Mer specifikt ökar NAD+/NADH-förhållandet under näringsbristförhållanden. Därför kan acetylering och deacetylering påverkas av tillgången på näringsämnen, vilket indikerar att deras status kan vara konsekvenser av Warburg-effekten. Dessa många bevis pekar på att glykolys har cellulära signalfunktioner.
Men svårigheter begränsar också denna spekulation till att vara en allmän mekanism som gynnar cancerceller genom att genomgå anaerob glykolys. En sådan begränsning är att det är svårt att föreställa sig hur molekylär specificitet uppstår genom en så grov global signalmekanism. Till skillnad från till exempel tillväxtfaktorsignalering, där bindningen av en ligand till ett substrat inducerar förändringar i konformationell och enzymatisk aktivitet som påverkar specifika cellulära processer, har mekanismen där tillståndet för glykolyssignalering för andra cellulära processer inga uppenbara källor till specificitet. En annan begränsning är att sådana erbjudanden vanligtvis inte är falsifierbara. Detta innebär att det är extremt svårt att designa experiment för att definitivt visa att en specifik signalmekanism, såsom modulering av kromatinstruktur, är direkt beroende av statusen för glukosmetabolism som en nyckelfördel med anaerob glykolys. En anledning till detta är att den biokemiska interaktionen är snabb, men de fenotypiska förändringarna i celler utvecklas under mycket längre tid, vilket resulterar i många av de störande faktorer som uppstår längs vägen. Genetiska modeller som skulle kunna testa dessa hypoteser är svåra att föreställa sig, och andra experiment saknar förmågan att testa om specifika cellulära utfall uppstår genom sådana signalmekanismer snarare än indirekta medel. I vilken utsträckning dessa gemensamma egenskaper, såsom ROS-signalering av homeostas och organisering av kromatinstruktur, är nyckelhändelser i onkogenes är också oklart. I framtiden kan sådan specificitet och förmågan att experimentellt testa dessa hypoteser komma från att observera kvantitativa aspekter av mekanismen, vilket har visats i andra signaltransduktionsstudier. Experiment som exakt kan kontrollera acetyl-CoA- och ROS-nivåer skulle kunna göra det möjligt för många av de efterföljande effekterna av Warburg-effekten att separeras. [åtta]
Det finns också den så kallade reversibla Warburg-effekten . I detta fall får inte tumörceller energi från glykolys, utan stimulerar istället glykolys i intilliggande stromala fibroblaster , och tumörceller själva får energi genom oxidativ fosforylering och import av metaboliter från fibroblaster. Även om denna upptäckt inte eliminerar möjligheten att Warburg-effekten kan uppstå i vissa typer av tumörer, väckte den återigen behovet av att titta närmare på tumörmetabolismen [24] [25]
Metabolisk omprogrammering observeras också vid neurodegenerativa sjukdomar, Alzheimers och Parkinsons sjukdomar. Den består i att förstärka oxidativ fosforylering - den så kallade omvända Warburg-effekten .
Näringsutnyttjandet förändras dramatiskt när celler får signalen att föröka sig. Förändringar i ämnesomsättningen gör det möjligt att möta de stora biosyntetiska krav som är förknippade med att säkerställa celltillväxt och -delning. Ändring av de hastighetsbegränsande glykolytiska enzymerna omdirigerar metabolismen för att stödja tillväxt och proliferation. Metabolisk omprogrammering i cancerceller beror till stor del på onkogen aktivering av signaltransduktionsvägar och transkriptionsfaktorer. Epigenetiska mekanismer bidrar också till regleringen av metaboliskt genuttryck i cancer. Det omvända är också sant, med ackumulerande bevis som tyder på att metabola förändringar kan påverka epigenetik. Att förstå sambandet mellan cancercellsmetabolism och epigenetik kan öppna nya vägar för utveckling av anticancerstrategier [26] .