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肿瘤细胞即使在氧气充足的条件下,也要消耗大量的葡萄糖进行糖酵解代谢,并产生大量的乳酸,为其快速增殖提供能量和物质保证,这种代谢重编程的表型被称为有氧糖酵解或Warburg效应。已知多种代谢酶参与调节有氧糖酵解的发生,其中,M2型丙酮酸激酶(Pyruvate kinase M2,PKM2)是公认的关键调节酶。PKM2催化糖酵解途径中的最后一步限速反应,其活性和功能受到多种共价修饰的调控,如磷酸化、乙酰化等。最新的研究发现,PKM2还可以发生O-GlcNAc修饰,这是一种能够灵敏感受细胞微环境中营养波动的蛋白质翻译后修饰,但其功能及作用机制并不清楚。在本研究中,我们发现PKM2的O-GlcNAc修饰在多种人乳腺癌细胞系和肿瘤组织中均有显著升高;随后,鉴定了Thr405和Ser406为PKM2的主要OGlcNAc修饰位点,且该位点修饰受微环境中的葡萄糖及谷氨酰胺浓度的灵敏调节。晶体结构分析表明,Thr405和Ser406位于PKM2的α螺旋Loop区,并很可能直接调控PKM2活性四聚体亚基间的相互作用。进一步的实验证明,这两个位点的O-GlcNAc修饰干扰了稳定PKM2四聚体的关键作用力,致使PKM2的四聚体-二聚体-单体的动态平衡向二聚体及单体方向移动。PKM2四聚体的减少,一方面降低了其代谢酶活性,使糖酵解的上游中间产物积累,并流入代谢支路,促进了脂类和核酸的生物合成,以满足肿瘤细胞快速增殖对生物大分子合成的需要;另一方面,PKM2四聚体的解聚导致核定位序列的暴露,在Importinα5的协助下向细胞核易位,并结合于c-Myc基因的启动子区,提高了c-Myc依赖的Glut1和LDHA基因表达,促进了肿瘤细胞对葡萄糖的摄取及乳酸的生成,进一步提高了肿瘤细胞的合成代谢。此外,小鼠的荷瘤实验证明,去除PKM2 Thr405和Ser406的O-GlcNAc修饰可以显著抑制肿瘤生长。至此,我们提出了一个新的调控PKM2功能以促进肿瘤细胞快速增殖的分子机制,即作为感受微环境营养状态的O-GlcNAc修饰,通过影响PKM2的寡聚状态,同时改变其代谢酶和非代谢酶功能,赋予肿瘤细胞快速增殖优势。更重要的是,特异性表达于快速增殖细胞中的PKM2是由PKM基因经可变剪切而来,而发生O-GlcNAc修饰的Thr405和Ser406两个氨基酸残基正是由PKM2独有的外显子10所编码,因此,本研究也深化了对基因可变剪切、蛋白质翻译后修饰和代谢重编程之间关系的理解。