Глюкоза является основным нутриентом раковых клеток. Чтобы глюкоза оставалась в клетке, она должна быть конвертирована в глюкозо-6-фосфат под действием гексокиназы. Среди четырех изоформ гексокиназы 1 (HK1) и 2 (HK2) занимают особое место, поскольку они могут перемещаться на митохондриальную мембрану, где они используют вновь синтезированный АТФ для катализа этой реакции. Митохондриальная транслокация гексокиназы необходима для предотвращения апоптоза в раковых клетках, а генетическая делеция HK2 блокирует инициацию и прогрессирование опухоли в моделях рака, включая K-Ras-зависимую аденокарциному легких.
Помимо включения в гликолитический каскад, глюкозо-6-фосфат также может участвовать в синтезе гликогена или вступать в пентозофосфатный путь (PPP). Следовательно, первая скорость-лимитирующая гликолитическая реакция — это фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат с помощью фосфофруктокиназы 1 (PFK1), фермента, который строго контролируется несколькими аллостерическими регуляторами. Высокий уровень цитрата, субстрата для биосинтеза липидов, или АТФ, индикатора уровня клеточной энергии, снижает активность PFK1. Напротив, фруктозо-2,6-бисфосфат, продукт активности клеточной фосфофруктокиназы 2 (PFK2), является сильным аллостерическим активатором PFK1. Кристаллическая структура PFK1 млекопитающих подтвердила, что протеин представляет собой тетрамерный комплекс, в котором субъединицы связывают фруктозо-6-фосфат кооперативным образом.
Активность PFK1 часто повышена в раковых клетках, вероятно, за счет повышенной экспрессии и активации 6-фосфофруктокиназы/фруктозо-2,6-бисфосфатазы (PFKFB). Эти бифункциональные ферменты контролируют количество фруктозо-2,6-бифосфата в клетке, доступного для аллостерической активации PFK1 (Yalcin et al., 2009). Во многих типах раковых клеток экспрессия PFKFB3, одной из четырех изоформ PFKFB млекопитающих, увеличивает гликолитический поток (Clem et al., 2013). Однако неограниченная активность PFK1 может ограничивать доступность метаболитов для других путей биосинтеза, особенно для PPP, который необходим для регенерации NADPH и синтеза рибозы в биосинтезе нуклеотидов (Ros and Schulze, 2013). Гликозилирование PFK1 по серину 529 в ответ на гипоксию снижает активность фермента, тем самым обеспечивая перенаправление метаболитов через PPP (Yi et al., 2012). Ингибирование гликозилирования увеличивает активность PFK1, серьезно ограничивая выживание раковых клеток и опухолевый рост (Yi et al., 2012). Подобно, PFKFB4, изоформа PFKFB с более низкой относительной активностью PFK2, необходима для поддержания биосинтеза антиоксидантов и выживания клеток рака предстательной железы как in vitro, так и in vivo (Ros et al., 2012). Наконец, некоторые из зарегистрированных соматических мутаций в изоформе PFKP связаны со сниженной активностью фермента, что указывает на то, что ограничение потока через этот метаболический узел может дать раковым клеткам преимущество в росте (Webb et al., 2015).
Следующим этапом гликолиза является расщепление фруктозо-2,6-бисфосфата на глицеральдегид-3-фосфат (Ga3P) и дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ) под действием альдолазы. Повышенная экспрессия альдолазы А (ALDOA) является частью транскрипционного ответа, опосредованного гипоксия-индуцибельными факторами HIF-1ɑ (HIF1A) и HIF-2ɑ (HIF2A; см. Semenza et al., 1996), для повышения гликолиза в гипоксических клетках. Совсем ALDOA активируется ниже в пути фосфоинозитид-3-киназы (PI3K) в раковых клетках. Это опосредовано перестройкой актинового цитоскелета, которое высвобождает активный фермент (Hu et al., 2016). Кроме того, лечение мышей ингибиторами PI3K вызывает снижение генерации нескольких гликолитических интермедиатов, включая DHAP, в опухолевой ткани (Hu et al., 2016). Поскольку один из продуктов альдолазы может также использоваться в качестве субстрата для синтеза рибозы посредством неокислительного PPP, контроль доступности этих метаболитов может быть важен для поддержки биосинтеза нуклеотидов во время пролиферации и репарации ДНК повреждений.
Другим гликолитическим ферментом, которому уделяется значительное внимание в контексте метаболического перепрограммирования в канцере, является пируваткиназа. Этот фермент катализирует превращение фосфоенолпирувата (PEP) в пируват (PYR) в реакции с образованием АТФ. Сплайсинговый вариант М2 мышечной изоформы пируваткиназы высоко экспрессируется в раковых клетках и других высокопролиферативных тканях (Mazurek, 2011). Включение экзона 10, специфичного для PKM2, контролируется гетерогенным рибонуклеопротеиновыми (hnRNP) протеинами PTB, hnRNPA1 и hnRNPA2 (David et al., 2010). Поскольку экспрессия этих hnRNP контролируется протоонкогеном c-MYC (David et al., 2010), многие раковые клетки преимущественно экспрессируют M2 изоформу. В отличие от М1 изоформы, которая всегда образует высокоактивный тетрамер, PKM2 также может переключаться на димерную форму с меньшей активностью (Mazurek, 2011). Это позволяет перенаправить гликолитические метаболиты в биосинтетические пути, включая синтез фосфолипидов, серина и нуклеотидов (Chaneton and Gottlieb, 2012). М1 и М2 изоформы также различаются по способу регуляции. PKM2 связывается с полипептидами, фосфорилированными по тирозину, что вызывает высвобождение аллостерического активатора фруктозо-1,6-бисфосфата (Christofk et al., 2008).
Другим аллостерическим регулятором PKM2 является серин, который связывается с и активирует фермент (Chaneton et al., 2012). Это гарантирует, что активность PKM2 блокируется, когда уровень клеточного серина падает ниже определенного порога, и позволяет точно настроить биосинтетические процессы с энергетическими потребностями раковых клеток.
Сложная роль PKM2 в регуляции гликолиза в раковых клетках дополнительно осложнена наблюдением, что селективная делеция экзона 10 в генетической модели рака молочной железы приводит к увеличению, а не уменьшению опухолевого роста (Israelsen et al., 2013). Однако это вызвано генетической селекцией в полную утрату обеих изоформ или в вариабельную экспрессию М1 изоформы, обе из которых выгодны для опухолевого роста. Остаточная экспрессия PKM1 ограничена областями опухоли с низким уровнем пролиферации, подтверждая, что PKM2 способствует анаболическому росту. Эти результаты также предполагают, что способность переключаться между высокой и низкой активностью дает раковым клеткам способность адаптироваться к условиям микросреды, и что заключение в одном из этих состояний может ограничивать канцерный рост.
