深度解析PKM基因敲除小鼠研究在代谢重编程中的关键角色【每周一鼠】

丙酮酸激酶同工酶M1/M2（PKM1/PKM2）在代谢重编程中起着关键的作用，它调控糖酵解产生能量的限速性步骤，因此被视为癌症发展的重要调节因子。PKM1和PKM2均由PKM基因编码，PKM基因中的9号和10号外显子在Pre-mRNA剪切时互斥，导致其通过选择性剪切分别生成包含第9号外显子的PKM1 mRNA和包含第10号外显子的PKM2 mRNA^[1]。PKM1中9号外显子的存在使得该酶能够持续地以四聚体形式活跃，主要在大脑和肌肉等能量需求旺盛组织的分化终末细胞中表达。相比之下，10号外显子的存在使PKM2活性受到营养供应的调节以平衡能量和合成需求，因此主要在胚胎细胞、干细胞和癌细胞等对合成代谢需求较强的细胞中表达。

PKM基因通过选择性剪切分别生成PKM1和PKM2^[1]

PKM2通过催化糖酵解的最终步骤来调节葡萄糖代谢以支持细胞增殖，在胚胎细胞、干细胞和癌细胞中表达水平较高，还具有调控基因表达的能力。具体而言，PKM2主要以四聚体（酶效率高）和二聚体（酶效率低）形式存在。四聚体PKM2具有较高PK酶活性，而二聚体PKM2进入细胞核调节基因表达。PKM2通过两种形式的转化在肿瘤细胞能量供应、上皮-间质转化（EMT）、侵袭和转移以及细胞增殖中起着重要作用^[2-3]。

PKM2的多种调控作用^[2-3]

PKM2在癌细胞中的高表达及其在代谢重编程和基因调控中的作用，使其成为肿瘤代谢的关键调节因子，密切联系代谢和炎症功能障碍，尤其是在癌症和免疫细胞功能的背景下。因此，PKM2被视为多种癌症和其它代谢性疾病的潜在治疗靶点。研究普遍认为，PKM2在肿瘤细胞中发挥双重作用：一是作为丙酮酸激酶发挥代谢功能，控制癌细胞的代谢；二是作为转录激活因子，促进癌细胞增殖所需基因的表达。这种机制表明PKM2活性必须保持一定的灵活性才能以最佳方式调控细胞增殖，将PKM2完全维持在单一的低活性二聚体形式或高活性四聚体形式，都可能影响肿瘤的生长。因此，根据PKM2在不同肿瘤中发挥的主要功能的不同，靶向抑制或激活PKM2的肿瘤新疗法均有研发^[4-5]。

靶向PKM2的代谢疗法用于抑制肿瘤发展^[6]

敲除Pkm2会导致小鼠血浆总胆固醇水平升高，这表明PKM2在脂质代谢中同样发挥重要作用。此外，抑制PKM2可以减缓肿瘤生长和转移，但在某些情况下，敲除PKM2甚至会加速异种移植肿瘤的生长^[8-10]。这些发现揭示了PKM2在脂质稳态和癌变过程的细胞自主和系统效应。总的来说，PKM2是一种特殊的糖酵解酶，在癌细胞的新陈代谢、存活和凋亡中发挥重要作用。因此，PKM2可以作为肿瘤代谢疗法的有效靶点。

Pkm2基因敲除小鼠血浆总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平升高^[8]

PKM1主要在终末分化的非增殖细胞中表达，与PKM2相比，与PKM1相关的研究相对较少。与PKM2可以在四聚体和二聚体之间进行转换不同，PKM1不存在二聚体形式，不具备基因表达调控功能，因此只在心脏、大脑和肌肉等需要大量能量供应的组织中高表达^[11]。研究表明，心肌细胞特异性Pkm1敲除会导致心肌细胞的生长缺陷并加剧心脏功能障碍和纤维化，从而对压力过载产生反应^[12]。在某些肿瘤中，PKM1发挥着和PKM2相反的作用，PKM1的敲除会导致PKM2表达的上调并加速前列腺肿瘤的发生，而PKM2的缺失会导致PKM1表达增加而抑制肿瘤的发展^[13]。

前列腺癌小鼠模型在PKM1基因被敲除（Pkm1;Pten^pc-/-）后的肿瘤发展显著恶化^[12]

考虑到PKM1和PKM2在能量代谢中都发挥着重要的作用，且两者似乎存在排斥和代偿的现象，敲除两者之一都会导致另一亚型表达的上调。通过不同的策略对PKM基因进行修饰，调控不同组织中PKM1和PKM2的表达，将有助于研究两者各自的机制。在上述研究中，多种类型的Pkm基因敲除小鼠被广泛使用，包括敲除Pkm1基因（保留Pkm2表达）、敲除Pkm2基因（保留Pkm1表达）以及同时敲除Pkm1和Pkm2基因的模型。

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