做科研除了扎实的基本功，创新对于每一个科研汪来说都非常重要。创新有时候需要我们“不走寻常路”，才能看到别处的风景。代谢作为最近几年越来越火的研究方向，受到了广大科研汪的关注，而关于代谢酶的非代谢功能也被很多大佬们所关注，把握好这个方向，可以为大家的研究带来一些有意思的灵感，从而做出有创新的研究工作来。2021年1月5日，浙江大学的吕志民教授和许大千博士在著名期刊 Cell Metabolism（IF=21.567）上发表了题为《The Evolving Landscape of Noncanonical Functions of Metabolic Enzymes in Cancer and Other Pathologies》的综述，系统性地阐述了代谢酶在肿瘤和其他疾病中的非经典功能。吕志民教授对肿瘤细胞代谢的研究取得了开创性的、系统性的重要成果，是肿瘤代谢研究领域国际知名杰出科学家。先后在世界一流杂志Nature、Cell、Nature Cell Biology、Molecular Cell、Cancer Cell、Cancer Discovery、Nature Reviews Molecular Cell Biology、 PNAS等著名杂志发表了一系列论文。他主要成果体现在：1. 国际上首次系统性的阐明了生长因子受体促进 Warburg 效应的调控机制；2. 国际上首次发现多种重要的代谢酶同时具有蛋白激酶活性；3. 国际上首次证实多种代谢酶在肿瘤细胞活动调控中具有重要的非代谢功能。为了帮助大家更好的吸收综述的内容，榨干其每一滴精华，本工在阅读综述的时候，也给大家翻译了遍，希望能给大家带来有真正价值的“学术营养”。包括致癌性信号通路在内的关键病理性信号通路可调节满足细胞代谢需要的代谢酶的经典功能。重要的是，这些信号通路也赋予大量的代谢酶以非经典或非代谢的功能，这些功能被称为“兼职（moonlighting）”功能。在本综述中，我们重点关注具有这种活性的异常调节的代谢酶如何在大量重要的细胞活动中发挥关键作用，包括基因表达、细胞周期、DNA修复、细胞增殖、生存、细胞凋亡和肿瘤微环境重塑，从而促进包括癌症在内的疾病发生病理进展。
为了应对病理性信号而发生代谢重编程可使细胞发生异常的过程，从而导致疾病的发展。对于癌症来说，这些信号可引起失控性的增殖，以及使肿瘤细胞适应肿瘤微环境中营养物质和氧气含量的波动，这种适应可在致癌性生长和转移期间发生。
通过调节代谢酶的活性来进行代谢重编程，不仅是满足细胞生物合成和生物再生所需要的过程，而且在肿瘤的发展中也起着因果作用（causal role）。例如，癌代谢物通过其调节细胞信号和表观遗传通路的作用来促进恶性肿瘤的发生。因此，在疾病进展过程中，代谢可以通过异常调节的代谢酶及其代谢产物与多种细胞过程发生错综复杂的联系。
代谢酶的功能调节不仅源于它们在某些通路中的经典活性的调节，而且也来自于它们的非经典或非代谢活动。糖酵解途径中酶的经典活性的增强和线粒体中的代谢酶的调节，无论氧气的可用性如何，都会导致Warburg效应，这是癌症细胞所具有的独特代谢特征。
代谢酶也可以获得非经典的功能。例如，发生在髓性恶性肿瘤和实体瘤中（如胶质瘤）异柠檬酸脱氢酶（IDH）1和IDH2的热点突变，可赋予IDH突变体新的酶活性，在这种情况下产生的是D-2-羟戊二酸（D-2-HG）而不是α-酮戊二酸（α-KG）。D-2-HG可竞争性地抑制能参与组蛋白和DNA去甲基化和低氧诱导因子（HIF）稳定性的α-KG依赖性的双加氧酶，从而调节大量基因的表达，包括代谢基因。除了突变之外，代谢酶可以在空间和时间上受到调节，从而通过其非经典或非代谢功能来调节疾病的病理进展，调节各种重要的细胞活动。
我们在文中总结和讨论了目前对代谢酶（图1）在基因表达、DNA修复、细胞周期、细胞增殖、生存、细胞凋亡和肿瘤微环境重塑中的所具有的兼职功能的理解和进展，并讨论了抑制代谢酶这些兼职功能（表1）在治疗癌症方面的潜力。
基因的转录受染色质结构改变的调控，染色质结构的改变可由DNA在胞嘧啶和腺嘌呤残基上的甲基化和组蛋白修饰引起，如甲基化、酰化、磷酸化、泛素化、羟基化、糖基化、丝氨酸化、糖基化、SUMO化和ADP-核糖基化。通常定位于细胞质或线粒体的各种代谢酶可以转入细胞核，在组蛋白和DNA的修饰中发挥关键作用，包括甲基化、乙酰化、琥珀酰化、巴豆酰化、磷酸化和O-GlcNAcylation，从而改变染色质结构，直接调节基因的转录（图2A）。
此外，代谢酶还可以通过调节转录因子及其辅助因子的功能和mRNA的稳定性来调节基因表达。
蛋氨酸腺苷转移酶（MAT，也称为SAM合成酶），在哺乳动物中有三种不同的异构体（MATI、MATII和MATIII），可将蛋氨酸转化为S-腺苷蛋氨酸（SAM），这是一种甲基的供体，可被DNA甲基转移酶（DNMT）和蛋白质甲基转移酶分别用于DNA中胞嘧啶残基以及蛋白质中精氨酸和赖氨酸残基的甲基化。在酵母中，MAT与Set1甲基转移酶复合物可为Set1介导的H3K4me3合成SAM。
MAT2A（MATIIα）是MATII的催化亚单位，可在细胞核中被检测到，并与染色质修饰和重塑蛋白或复合物的成员发生相互作用，包括Polycomb repressive complex（PRC）、NuRD complex、Swi/Snf complex、poly (ADP-ribose) polymerase（PARP）和DNA结合的癌蛋白MafK。MAT2A还可上调H3K4me2和H3K9me2水平，从而抑制基因的表达。以上这些结果表明，MATII可作为转录调节因子通过与染色质调节因子发生相互作用，并为随后的组蛋白甲基化提供SAM。
MAT2A本身也会受到SAM水平的调节。耗竭SAM后可减少MAT2A的3’UTR中的N6-甲基腺苷（m6A）修饰，稳定mRNA并上调MAT2A的表达。MAT2A mRNA的甲基化是由甲基转移酶16（METTL16，这是一种U6 m6A甲基转移酶）所介导的，并被YTHDC1阅读蛋白所识别，通过SAM来调节MAT2A的表达，从而为维持SAM水平提供反馈性调节。METTL16的缺失可抑制SAM耗竭所诱导的MAT2A表达，METTL16的缺乏可降低16细胞胚胎中的Mat2a mRNA，并导致~64细胞囊胚中大量转录组失调，而使胚胎发育停滞。
在人的非小细胞肺癌（NSCLC）中，MAT2A会在高级别原发肿瘤或转移灶中显著表达。蛋氨酸饥饿或MAT2A在NSCLC肿瘤起始细胞中的耗竭会抑制组蛋白甲基化、肿瘤细胞增殖和肿瘤生长，而这些变化可被补充SAM所拯救（rescued），这也表明了蛋氨酸和MAT2A产生的SAM在组蛋白甲基化和肿瘤发展中的重要作用。组蛋白甲基化可以通过代谢酶和甲基转移酶之间的直接相互作用来调节（图2B，左）。
端粒沉默破坏因子1-like（DOT1L）是一种非SET域的甲基转移酶，可催化H3K79发生甲基化。在HPV16阳性的宫颈癌细胞中，E7诱导的细胞内活性氧（ROS）可破坏乳酸脱氢酶A（LDHA）的四聚体，并诱导其转入细胞核，在那里，LDHA可将细胞质中的丙酮酸转化为乳酸，并通过将α-酮丁酸（α-KB）转化为α-羟基丁酸（α-HB）而发挥其非经典功能。α-HB又通过促进DOT1L和LDHA之间的相互作用来诱导H3K79高甲基化，这一过程中可能会激活DOT1L。这一调节作用可上调抗氧化基因和Wnt靶基因的表达，从而促进宫颈肿瘤的生长。代谢控制同样也发生在 DNA 和组蛋白的去甲基化过程中（图2B，左）。
α-KG依赖的双加氧酶，如TET甲基胞嘧啶羟化酶和Jumonji C（JMJC）家族成员，可结构上被与α-KG相关的代谢物所抑制，包括琥珀酸、延胡索酸和IDH1/2突变体产生的D-2G。琥珀酸脱氢酶（SDH）和延胡索酸酶（FH，也被称为延胡索酸水合酶）基因中与肿瘤相关的功能缺失性突变可分别诱导高水平的琥珀酸和延胡索酸，以抑制TET依赖的DNA去甲基化和JMJC依赖的组蛋白去甲基化，从而促进肿瘤的发展。研究表明，细胞内琥珀酸盐水平的增加可通过抑制α-KG依赖性的染色质5-羟甲基胞嘧啶而弱化p53驱动的抑癌功能。FH可以与转录因子结合，通过对局部延胡索酸盐水平的微调来发挥其基因的特异性调节作用。在葡萄糖剥夺的条件下，AMPK可磷酸化后的FH（pS75）与转录因子ATF2结合，并转移到ATF2调控的基因启动子区域，在那里，延胡索酶所催化延胡索酸盐抑制KDM2A脱甲基酶，导致组蛋白H3K36me2并表达能使细胞生长停止的基因。这种调节可被高葡萄糖和O-GlcNAc转移酶（OGT）所诱导的FH在S75处发生的O-GlcNAcylation修饰所抑制，从而导致胰腺癌细胞增殖。同样，在应对TGF-β信号时，p38所磷酸化的FH（pT90）与p21启动子的转录因子CSL/p53复合物相结合，可抑制组蛋白H3K36的去甲基化，以增强p21转录和细胞生长停滞。FH的这种核功能又可被PAK4所介导的在FH S46处的磷酸化所抑制，后者可将FH保留在细胞质中，从而促进NSCLC的生长。这些发现都强调了FH翻译后修饰的动态调节以及细胞质-细胞核间的FH穿梭在肿瘤发生过程中对肿瘤微环境因素的反应中调节组蛋白甲基化和选择性基因表达的意义。因此，代谢酶，如MAT2A、LDHA、IDH、SDH和FH（图1），可以通过动态调节转录因子和甲基转移酶的相互作用以及对SAM和与α-KG结构相关的代谢物水平，直接影响组蛋白和DNA甲基化及随后的基因转录（图2B，左）。
组蛋白乙酰化依赖于代谢物乙酰-CoA，它由乙酰-CoA合成酶的短链家族成员（ACSS）、ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）和丙酮酸脱氢酶复合物（PDC）分别通过催化醋酸、柠檬酸和丙酮酸而产生（图1）。
此外，脂肪酸的β-氧化以及氨基酸和酮体的代谢也产生乙酰CoA。按照惯例，乙酰-CoA由线粒体和细胞质中的这些代谢酶所产生，主要用于TCA循环和脂质合成。然而，这些酶也会转移到细胞核中来调节基因的表达。
核ACSS2介导的乙酰CoA合成是组蛋白乙酰化的限速因素。缺乏ACSS2的小鼠在饮食诱导的肥胖模型中，由于脂质代谢基因的表达减少，体重和肝脂肪变性也会明显减轻。在代谢压力下，胶质母细胞瘤细胞中激活的AMPK可在S659处磷酸化ACSS2，以暴露其核定位信号（NLS）并随后进行核转移。然后，核ACSS2与转录因子EB（TFEB）（溶酶体和自噬基因的主要调节因子），并将组蛋白去乙酰化酶（HDAC）介导的组蛋白去乙酰化作用所产生的醋酸转化为乙酰辅酶，并导致TFEB靶基因启动子中的局部组蛋白H3乙酰化，使其基因发生表达并随后发生溶酶体生物生成和脑瘤生长所需的自噬（图2C）。
此外，ACSS2 S659的磷酸化水平与人类星形细胞瘤和胶质母细胞瘤的侵袭性呈正相关，与NSCLC患者的总生存时间呈反相关，这也进一步支持了核ACSS2依赖性的组蛋白H3乙酰化在特定基因表达中对肿瘤生长的关键作用。
在神经元中，组蛋白的乙酰化也受染色质所结合的ACSS2调节。有意思的是，酒精在肝脏中的分解会迅速增加血液中的乙酸盐水平，并以ACSS2依赖的方式促进大脑中组蛋白的快速乙酰化。在海马中，核ACSS2与乙酰化转移酶CBP复合，可调节记忆相关神经元基因启动子区域的组蛋白乙酰化，这对海马介导的长期记忆巩固和酒精相关的联想学习至关重要（图2C）。
海马背侧ACSS2的耗竭会损害小鼠的物体识别能力，从而可以将ACSS2依赖的基因表达失调与神经精神疾病联系起来。
ACSS2还可以通过增强HIF-2α的乙酰化来控制基因表达，促使HIF-2α-CBP复合物形成以增加EPO的表达（图2C）。
醋酸盐的补充增加了小鼠的EPO表达和血细胞比容水平，为治疗贫血提供了一种潜在的治疗方法。在缺氧或低糖条件下，ACSS2-HIF-2α信号很活跃，并且是肿瘤细胞增殖所必需的。因此，核ACSS2可直接调节组蛋白或转录因子的乙酰化，并引起其对不同基因组的转录调节，而这也取决于细胞信号传导的类型和ACSS2蛋白复合物的组成。
在生长因子的刺激下和脂肪细胞分化的过程中，在丰富的营养和氧气条件下，核ACLY是乙酰辅酶A的主要来源，可增加组蛋白乙酰化和糖酵解基因表达。由mTORC2依赖性的AKT活性所磷酸化的ACLY可促进组蛋白乙酰化和碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）β依赖性的糖酵解和脂肪生成基因的表达，以驱动小鼠的棕色脂肪生成和新的脂肪生成。
ACLY的缺失会诱导ACSS2的补偿性表达，并在细胞中从使用葡萄糖转换为使用乙酸盐来合成乙酰辅酶。这些结果表明，葡萄糖和醋酸盐的代谢对乙酰辅酶的产生有互补性的调节作用。此外，ACLY与β-catenin相互作用并使其稳定，能促进β-catenin依赖性的结肠癌细胞发生迁移和侵袭，而ACLY依赖性的乙酰-CoA生成则通过增加活化T细胞核因子1（NFAT1）所介导的基因表达来促进胶质母细胞瘤的迁移（图2D，左）。
线粒体PDC多酶复合体在受到生长因子处理、致癌信号和线粒体应激等刺激时可转入细胞核，核PDC在胚胎发育的不同阶段都能被检测到。核PDC通过H3K9和H3K18的乙酰化促进S期的进入和细胞周期的进展，从而上调E2F、cyclin A和CDK2的表达以及视网膜母细胞瘤蛋白的磷酸化。
在脂肪细胞和脂肪组织中，PDC亚单位与STAT5靶基因启动子中磷酸化的STAT5发生相互作用，这表明了PDC在调节STAT5依赖性的基因表达中所起的作用。在前列腺癌细胞中，核丙酮酸脱氢酶A1（PDHA1），即PDC的一个亚单位，可促进H3K9的乙酰化和随后SREBP依赖性的脂质合成基因的表达，进而调节线粒体PDC所提供的细胞质柠檬酸盐用于脂质合成，最终导致肿瘤细胞增殖和肿瘤生长。这些结果突出了线粒体和核PDC在调节脂质生物合成、维持前列腺肿瘤发生等方面的重要作用。
与ACSS2类似，核PDC可以通过蛋白复合物的形成引起基因的特异性调节。核PDC与p300和PKM2的复合物会以AhR依赖性的方式被招募到芳烃受体（AhR）靶基因的增强子区域，并乙酰化H3K9以驱动基因表达。这一结果表明，可通过核代谢酶、HATs和转录因子的相互作用来实现对基因的综合调控，通过这种方式，AhR靶基因中PKM2所产生的丙酮酸会被PDC转化为乙酰CoA，从而用于p300介导的组蛋白乙酰化（图2E）。
因此，为了应对不同的细胞外或细胞内输入，细胞核转运的ACSS2、ACLY和PDC可与不同转录因子和调节因子结合，通过特定基因启动子区域的选择性组蛋白的乙酰化以及转录机制成分的乙酰化来调节基因表达，从而影响生理和病理过程。
组蛋白赖氨酸琥珀酰化是一种常见的组蛋白修饰，在人类胶质母细胞中已经报道了超过7000个H3K79琥珀酰化的基因启动子，这意味着这种修饰在调控基因转录过程中具有关键作用。组蛋白琥珀酰化取决于琥珀酰-CoA的水平。虽然琥珀酰-CoA可以由α-KGDH复合体转化而成，该复合体由酮戊二酸脱氢酶（OGDH）、二氢脂酰琥珀酰转移酶（DLST）和二氢脂酰脱氢酶（DLD）所组成，但在胶质母细胞瘤线粒体中，α-KGDH也以DLST依赖的NLS方式分布在细胞核中。在细胞核中，α-KGDH也与KAT2A（也被称为GCN5）结合。值得注意的是，α-KGDH产生的琥珀酰-CoA，与乙酰-CoA一样，可在其共晶体结构中与KAT2A结合。
此外，KAT2A的24个单体可形成一个八面体的超分子组合，继而可能弥补了琥珀酰-CoA相对较低的核浓度，有利于琥珀酰-CoA的结合。KAT2A的Y645可与琥珀酰-CoA形成氢键，选择性地与琥珀酰-CoA结合，而不是与乙酰-CoA结合。α-KGDH偶联的KAT2A作为组蛋白琥珀酰转移酶，能诱导H3K79琥珀酰化，以表达参与胶质母细胞瘤生长过程中许多细胞活动的关键基因（图2A）。
在人类胰腺导管腺癌（PDAC）组织中，KAT2A发生高表达，并与PDAC的晚期分期和患者较短的生存时间呈正相关。此外，KAT2A能诱导YWHAZ（编码14-3-3ζ）启动子区域的H3K79发生琥珀酰化，以促进14-3-3ζ的表达，从而抑制β-catenin的降解，并在随后增强cyclin D1、c-Myc、GLUT1和LDHA的表达，以促进PDAC细胞的糖酵解、增殖、迁移和侵袭。以上这些发现表明了核α-KGDH复合物在KAT2A介导的组蛋白琥珀酰化中可对肿瘤发展起关键作用。
ACSS2能合成乙酰CoA，它也能将巴豆酸转化为巴豆酰CoA。巴豆酰-CoA的核浓度对组蛋白巴豆酰化的水平至关重要，而组蛋白巴豆酰化的水平可显著正向地反映了基因表达水平。与H3K18巴豆酰化共同定位的p300，具有巴豆酰转移酶和乙酰转移酶的活性，能催化组蛋白巴豆酰化以促进基因转录（图2A）。
ACSS2的耗竭会减少脂多糖（LPS）诱导的基因启动子发生H3K18巴豆酰化，从而降低这些基因在巨噬细胞中的表达。此外，人类免疫缺陷病毒（HIV）感染会诱导ACSS2在肠粘膜中的表达，而ACSS2的耗竭可减少组蛋白巴豆酰化诱导的HIV复制和再激活。有趣的是，通过耗竭ACLY或PDC来减少乙酰辅酶，可以减少伴随着H3K18巴豆化而增加的H3K18乙酰化。
这些结果表明，不同的酰基-CoA基团会竞争酰基转移酶的活性，组蛋白酰化的类型和水平取决于由其代谢酶生成基因所控制的酰基-CoA在细胞核的可用性。另外，确定同一Lys残基的不同酰化类型，如H3K18乙酰化和H3K18巴豆酰化，对染色质结构和随后基因转录的不同影响是一个非常关键的科学问题，值得大家关注。
糖酵解酶丙酮酸激酶（PKM）作为限速酶可催化磷酸基团从磷酸烯醇丙酮酸（PEP）转移到二磷酸腺苷，并产生丙酮酸和三磷酸腺苷。PKM mRNA前体的选择性剪接可产生包含10号外显子的PKM2或包含9号外显子的PKM1，并且在许多类型的癌症中表现为PKM2表达上调。
在不同类型的癌细胞中，当表皮生长因子受体（EGFR）和血小板衍生生长因子受体（PDGFR）被激活时，PKM2的S37可被激活的ERK磷酸化，从而导致发生PIN1介导的PKM2异构化，PKM2从四聚体转化为单体，并暴露其NLS以用于核转位。此外，通过与双加氧酶JMJD5的相互作用或通过p300介导的PKM2 K433乙酰化抑制PKM2与1,6-二磷酸果糖结合来阻碍PKM2发生四聚体化，从而促进其发生核易位（图3）。
核PKM2也可与β-catenin分子上被c-Src磷酸化的Y333发生结合，从而将PKM2引导至β-catenin/TCF/LEF下游基因的启动子区域，如CCND1和MYC，其中PKM2会以PEP作为磷酸基团的供体，来作为蛋白激酶在T11位点处磷酸化组蛋白H3。这种磷酸化会促进HDAC3从启动子区域移除，组蛋白H3 K9的乙酰化，以及基因表达。然后，Cyclin D1的高表达会推动G1/S期转换，而上调的c-Myc表达又可促进Warburg效应的糖酵解基因表达，从而导致肿瘤的快速生长（图3）。尽管关于PKM2的蛋白激酶活性的结果不一致，这可能是由于不同实验设置所造成的，但后续的研究表明，PKM2的酵母同源物（Pyk1）与Set1 H3K4甲基转移酶一起可在T11位点处磷酸化组蛋白H3，并随后在基因启动子区域上调H3K4me3。此外，在肝细胞癌（HCC）细胞中，PKM2依赖性的H3T11磷酸化对EGF诱导的PD-L1转录起关键作用。这些发现表明，代谢酶PKM2可以直接修饰组蛋白，从而以表观遗传的方式调控基因表达。PKM2还可作为一种蛋白激酶，磷酸化并激活STAT3和SLC5A12介导的乳酸摄取进入CD4+T细胞，诱导PKM2-STAT3信号依赖的IL17产生、脂肪酸合成和CD4+T细胞滞留在会促进关节炎的慢性炎症部位。T细胞特异性的PKM2缺失或阻断PKM2核转位会抑制STAT3所调控的Th17和Th1细胞分化，并通过减轻Th17细胞介导的炎症和脱髓鞘改善自身免疫性脑脊髓炎的症状。以上这些发现也都强调了PKM2在调节自身免疫性炎症中的非代谢作用。除了具有催化活性，核PKM2还能调节基因的表达。它可与HIF-1α发生相互作用，促进癌细胞摄取葡萄糖和产生乳酸；也可与OCT4相互作用，促进胶质瘤球体的分化；也可与c-Rel相互作用，促进IL-12p35表达以促进Th1细胞分化；还可与NRF2相互作用，促进GSH的合成，减少帕金森病小鼠模型中多巴胺能神经元的丢失（图3）。以上这些研究阐明了核PKM2除了其催化活性外作为蛋白激酶或转录辅助因子在调节基因表达和癌症、自身免疫性疾病和帕金森病的进展中的重要作用。蛋白质Ser和Thr残基上的O-GlcNAcylation修饰依赖于尿苷二磷酸N-乙酰葡萄糖胺（UDP-GlcNAc）的产生，它是O-GlcNAcylation修饰的供体底物，来源于包含整合了葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和核苷酸代谢的己糖胺生物合成途径（HBP）。所有四种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）的广泛O-GlcNAcylation修饰也被发现可与其他组蛋白修饰相互关联，如磷酸化、甲基化、乙酰化或泛素化，从而调节基因表达。TET2在转录起始位点可与OGT直接发生相互作用，这种相互作用会提高与基因转录调节有关的OGT依赖性的组蛋白2B S112 GlcNAc修饰标记。此外，OGT（可O-GlcNAcylate修饰TET1、TET2和TET3）可被TET蛋白靶向到染色质上，OGT和O-GlcNAcylation共同调节5-甲基胞嘧啶向5-羟甲基胞嘧啶的转化。除了调节组蛋白的O-GlcNAcylation修饰和DNA甲基化外，OGT还可直接调节其他表观遗传调节因子。OGT介导PRC2中EZH2的S75发生O-GlcNAcylation修饰并稳定EZH2，随后提高H3K27me3以抑制潜在抑癌基因中的特定基因。O-GlcNAc修饰的CARM1可调节H3R17的精氨酸甲基化，而O-GlcNAcylation修饰的组蛋白H3K4三甲基化酶MLL5会抑制组蛋白H3.3的表达并促进胶质母细胞瘤细胞增殖。此外，O-GlcNAcylation修饰的SIRT1和HDAC1会导致SIRT1的抑制和HDAC1的激活，并分别促进乳腺癌和HCC的进展。因此，OGT可通过调节组蛋白O-GlcNAcylation修饰、DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化来调控基因的表达。除了组蛋白和转录因子的磷酸化外，代谢酶还通过磷酸化转录调节因子来调节基因的转录。PCK1是葡萄糖生成过程的限速酶，将草酰乙酸和GTP转化为PEP和CO2。最近的研究发现，HCC细胞中的PCK1可以激活SREBP，这是一个脂肪生成的关键转录因子。在正常的肝细胞中，SREBP会被高浓度的甾醇/氧甾醇水平所抑制，并被降低的甾醇/氧甾醇水平所激活。然而，在癌细胞中，即使在甾醇/氧甾醇水平足够的条件下，SREBP依赖性的脂肪生成过程仍然活跃，这一特点体现了SREBP的脂质非依赖性调节。在HCC细胞中，由生长因子刺激或受体酪氨酸蛋白激酶发生致癌突变后诱导活化的AKT在S90处磷酸化胞质PCK1，会导致PCK1的葡萄糖生成活性受到抑制，促使有氧糖酵解发生并将其转移到内质网（ER）。在ER膜上，PCK1作为蛋白激酶，以GTP为磷酸供体，在S207处磷酸化INSIG1，在S151处磷酸化INSIG2，从而减少氧甾醇与Insig1/2的结合，导致SREBP发生核转位并激活以及下游脂肪生成基因的转录，从而支持肿瘤细胞的增殖和小鼠肝肿瘤的生长。此外，PCK1介导的INSIG磷酸化与人类HCC和食道癌标本中SREBP1的激活相关，还与这些癌症患者的预后不良有关。癌症特异性的基因调控还表现为已酮糖激酶（KHK，也被称为果糖激酶-A）的蛋白激酶活性。KHK通过磷酸化果糖产生1-磷酸果糖来催化果糖代谢途径中的第一个反应。KHK基因的相邻外显子3C和3A的互斥剪接调节可导致KHK-C和KHK-A异构体发生选择性表达。高活性的KHK-C主要在肝脏中表达，而低活性的KHK-A则在正常肝细胞中低水平表达。之前的研究结果表明，c-Myc诱导的核异质性核糖核蛋白（hnRNP）H1和H2的表达可将HCC细胞中KHK-C的表达转换为KHK-A，从而减少果糖代谢以避免ATP的过度消耗和ROS的产生。在非应激和营养充足的条件下，KHK-A作为一种蛋白激酶，可磷酸化和激活PRPS1，从而促进HCC生长所需的核酸从头合成。然而，在氧化刺激的条件下，KHK-A会与PRPS1解离，并降低其对PRPS1的磷酸化作用。相反，被AMPK在S80处磷酸化的KHK-A又可在S28处磷酸化p62，阻断p62的泛素化，增强p62与Keap1发生聚集，从而促进小鼠NRF2激活依赖性的抗氧化应激基因发生表达、细胞存活和HCC进展。在乳腺癌细胞中，果糖刺激可诱导KHK-A转位到细胞核中，KHK-A会在S25处磷酸化14-3-3η，并招募SLUG到cadherin 1启动子区，导致cadherin 1表达减少，进而增强肿瘤细胞迁移和侵袭。以上这些发现揭示了在HCC和乳腺癌细胞中，为了应对肿瘤微环境的改变，KHK-A蛋白激酶功能的差异调控，可动态调节对核酸从头合成的调控、NRF2-和SLUG介导的基因转录。与PCK1和KHK-A类似，PFKFB4也是一个有调节转录共激活因子功能的蛋白激酶。PFKFB4可分别利用独立的激酶结构域和磷酸酶结构域，在糖酵解途径中催化果糖-2,6-二磷酸的合成和降解。PFKFB4可与SRC-3的S857发生结合并使其磷酸化，从而发挥其非经典功能，SRC-3包含有几个核受体相互作用的结构域、固有的组蛋白乙酰转移酶活性，和可调节雌激素的受体。磷酸化的SRC-3可与转录因子ATF4结合，促进磷酸戊糖途径和嘌呤合成的基因表达，从而促进小鼠的乳腺肿瘤生长和肺部转移。因此，这些发现强调了代谢酶（如PCK1、KHK-A和PFKFB4）的蛋白激酶活性，及其在促进肿瘤进展的转录机制中所起的关键作用。代谢酶也可以作为转录因子在基因表达的调节中发挥作用。在鸟嘌呤核苷酸的从头合成中，肌苷5′单磷酸（IMP）脱氢酶（IMPDH）催化IMP为黄嘌呤单磷酸（XMP），然后由GMP合成酶（GMPS）转化为鸟苷5单磷酸（GMP），以用于DNA和RNA的合成。IMPDH1和IMPDH2异构体在人类肿瘤中高表达，IMPDH2还可促进胶质母细胞瘤的进展。果蝇IMPDH可在细胞周期的G2期或复制或氧化应激后在细胞核中积累，并作为转录因子与单链中富含CT的DNA元件结合，且并不依赖其催化活性，从而降低组蛋白基因和E2f的表达，抑制细胞增殖。色素性视网膜炎相关的IMPDH1突变会抑制其与富含CT的ssDNA的结合，而不影响其酶活性，这也体现了IMPDH1的核功能失调在疾病发展中的作用。与IMPDH相似，GMPS也可以通过与核USP7形成复合物来抑制转录，USP7可将p53和组蛋白H2B去泛素化，并通过PRC以表观遗传的方式沉默下游基因。最近的研究也发现了果糖-1,6-二磷酸酶（FBP）的转录抑制功能，FBP是葡萄糖生成的限速酶，它能催化1,6-二磷酸果糖水解为6-磷酸果糖，并抑制糖酵解通量，从而限制能量供应和细胞生长。脊椎动物都拥有两个FBP同工酶，序列相同度为76.6%。FBP1主要在肝脏和肾脏中表达，而FBP2的表达则更为广泛。FBP1可与PRC2中的EZH2发生相互作用，并使PRC2分离，导致肿瘤进展所需的由PRC2介导的表观遗传学变化受到抑制。用基因毒素处理后，如二乙基亚硝胺（DEN），会使EZH2在FBP1启动子上富集并抑制其表达，推动肝脏和肾脏肿瘤的糖异生衰减，从而通过反馈性地方式增强EZH2功能。在透明细胞肾细胞癌（ccRCC）中经常发生染色体9q22上FBP1位点的缺失。在有VHL突变的ccRCC细胞中，FBP1也存在于细胞核中，并抑制HIF-1α和HIF-2α，从而以不依赖于FBP1催化活性的方式进一步抑制糖酵解和细胞增殖。与FBP1类似，FBP2在肉瘤中经常缺失。此外，FBP2与c-Myc共定位于线粒体转录因子A（TFAM）的基因座，并可抑制c-Myc依赖性的TFAM表达及随后的线粒体生物生成和呼吸，而不依赖于其酶的活性。因此，FBP 分别通过酶促和非酶促活性依赖性方式在糖酵解的胞质抑制和基因表达的核转录调控而具有双重肿瘤抑制作用。Enolase-1是另一种抑制基因转录的糖酵解酶。在自身免疫性疾病的模型中，如复发性多发性硬化症（RRMS）或1型糖尿病，调节性T细胞（Treg细胞）的糖酵解功能受损表现为糖酵解酶烯醇化酶（enolase）-1的核定位升高，并增加烯醇化酶-1对转录因子FOXP3启动子的招募，以抑制FOXP3外显子2剪接变异体（FOXP3-E2）的表达和Treg细胞的分化。以上这些发现将烯醇酸酶-1的非经典转录抑制功能与自身免疫联系起来了。此外，作为全长烯醇化酶-1 mRNA可变翻译的较短形式，Myc启动子结合蛋白-1（MBP-1）位于细胞核内。MBP-1和烯醇化酶-1都可与激活的Notch1受体相互作用，并与MYC基因启动子相结合，从而抑制Notch1受体诱导的c-Myc表达。烯醇酸酶-1基因在人类癌症中经常发生缺失，说明烯醇化酶-1/MBP1是潜在的肿瘤抑制因子。代谢酶能够与组蛋白乙酰化reader蛋白协调，以促进基因转录。组蛋白乙酰化reader ——BRD4被称为转录激活因子，可诱导癌基因的表达，如MYC。叶酸代谢过程中的MTHFD1基因，它所编码的蛋白质具有三种不同的酶活性，即亚甲基四氢叶酸脱氢酶、环化水解酶和甲酰四氢叶酸合成酶1，可用于蛋氨酸、胸苷酸和嘌呤从头合成。MTHFD1可在MCF-7乳腺癌细胞和HeLa宫颈癌细胞的S期转入细胞核，以合成核内胸苷酸。在细胞核中，MTHFD1还与BRD4相互作用，BRD4又将MTHFD1招募到H3K27乙酰化富集的不同启动子和增强子区域来调节基因转录。尽管与染色质相关的MTHFD1的确切作用尚不清楚，但BET溴结构域抑制剂可与抗叶酸剂协同作用以抑制小鼠的肿瘤生长。代谢酶也可以直接与转录因子相互作用，调节基因表达。GAPDH可将甘油醛-3-磷酸转化为1,3-二磷酸甘油酯，再与OCT-1和转录调节因子NPAT直接作用。GAPDH在S期可选择性地被招募到H2B启动子上，也是S期特异性H2B转录所必需的。3-羟基-3-甲基戊二酰-CoA合成酶（HMG-CS）是胆固醇合成和生酮过程中生成HMG-CoA的限速酶，它可与细胞核中的PPARα结合并作为共激活因子，可自动调节自身的基因转录。在葡萄糖缺乏的条件下，苹果酸脱氢酶-1（MDH1）通过与下游基因启动子中的p53反应元件结合，以稳定并反式激活p53，以非催化活性的方式促进p53依赖性的细胞周期停滞和凋亡。在乳腺癌细胞中，磷酸果糖激酶-1（PFK1）是一种可将6-磷酸果糖转化为1,6-二磷酸果糖的限速糖酵解酶，它能直接与TEAD转录因子结合，促进TEAD与YAP/TAZ转录共激活因子协作，诱导基因表达，从而促进癌细胞增殖。在mRNA水平上调节基因的表达是代谢酶发挥其非经典功能的另一种方式。人类肺癌细胞中EGFR的激活可磷酸化UDP-葡萄糖6-脱氢酶（UGDH）的Y473，这是糖醛酸途径中的一个关键酶。磷酸化的UGDH可与RNA结合蛋白Hu抗原R（HuR）相互作用，从而与许多短寿命mRNA的3′UTR区域结合并增加其稳定性。UGDH也将UDP-葡萄糖转化为UDP-葡萄糖醛酸，从而降低了UDP-葡萄糖介导的对HuR与SNAI1 mRNA结合的抑制作用。随后SNAI1 mRNA的稳定性增加，并可促进小鼠肺癌细胞的转移。因此，代谢酶作为转录因子或通过其蛋白激酶活性可影响其转录和翻译调节；或转录因子的直接相互作用和调节；影响转录核心调节因子的功能，包括激活剂、抑制剂和组蛋白标记reader；以及调节mRNA稳定性，从而调控癌症和自身免疫性疾病的进展。DNA复制的启动和完成标志着细胞周期S期的开始和结束。DNA复制是由激酶细胞分裂周期7（CDC7）与其调节性激活亚基—S期激酶激活剂（ASK）共同启动的，通过磷酸化MCM2-MCM7螺旋酶复合物的MCM2和MCM4亚基来激活复制起始处的DNA螺旋酶。在正常细胞中，CDC7介导的MCM磷酸化所产生的ADP与CDC7的变构区域结合，可破坏CDC7-ASK的相互作用，并以反馈性的方式抑制CDC7-ASK活性。然而，致癌性EGFR信号可诱导CK2α介导的核定位的PGK1在S256处发生磷酸化，PGK1是糖酵解途径中第一个ATP生成酶，可将1,3-二磷酸甘油酯（1,3-BPG）和ADP转化为3-磷酸甘油酯（3-PG）和ATP。磷酸化的PGK1可与CDC7结合，将CDC7产生的ADP转化为ATP，从而降低ADP对CDC7-ASK活性的抑制作用，促进DNA螺旋酶招募到复制起始位置、DNA复制、细胞增殖和脑肿瘤的发生。DNA复制依赖于足够的核苷酸作为积木。肿瘤细胞可以利用从头合成的核苷酸来支持DNA复制。在HCC细胞中，KHK-A在变构区的T255处使PRPS1磷酸化，并阻止核苷酸在该区域的结合，从而取消了来自DNA合成终产物核苷酸的反馈抑制，并导致PRPS1被激活，从而导致持续的DNA合成和HCC生长。在有丝分裂过程中，PKM2与纺锤体检查点蛋白Bub3结合并在Y207处发生磷酸化。这种磷酸化会促进Bub3-Bub1复合物被招募到着丝点上与Blinkin相互作用，从而调控正确的着丝点-微管附着、有丝分裂/纺锤体组装性检查点和准确的染色体分离，以增强细胞增殖和激活的EGFR所诱导的脑肿瘤发生（图3）。除了调节有丝分裂外，PKM2还促进细胞的细胞分裂。在细胞分裂过程中，PKM2的T45位点可被Aurora B磷酸化，在有丝分裂细胞的收缩环区与肌球蛋白轻链2（MLC2）相互作用，PKM2在Y118位点将MLC2磷酸化。这种磷酸化为随后的ROCK2依赖性MLC2 S15磷酸化提供了条件，从而组装一个肌球蛋白复合物，并在裂隙沟处启动收缩功能。EGFRvIII、K-Ras G12V和B-Raf V600E突变体的表达会促进PKM2介导的MLC2磷酸化、细胞分裂、细胞增殖和肿瘤发生。代谢酶在细胞分裂的终端步骤即脱落中也起作用。为了应对分裂细胞之间异常存在的滞后染色质，MSRB2将蛋氨酸亚砜催化还原为蛋氨酸，然后被募集到中间体，在细胞分裂间桥（ICB）内发挥作用以促进F-肌动蛋白聚合，从而稳定ICB，防止由不稳定桥引起的双核。因此，MSRB2是作为细胞分裂检查点的一个关键组成部分，并防止四倍体的发生，这也是肿瘤发生的起点。以上这些发现强调了代谢酶在调节癌细胞的细胞周期进展中所起的作用，其方式依赖于致癌信号所诱导的代谢酶的异常细胞定位，但不依赖于它们的典型代谢功能。代谢酶可参与同源重组（HR）介导的DNA双链断裂（DSB）修复。在电离辐射和氧化应激下，在胶质母细胞瘤细胞中，ATM可磷酸化PKM2的T328，导致其在核内积累。在细胞核中，PKM2又磷酸化CtBP-interacting protein（CtIP）的T126，后者可与Mre11/Rad50/Nbs1（MRN）复合物相结合，促进DSB的末端切除。CtIP的磷酸化增加了在DSBs处CtIP的招募和对DNA末端的切除，促进HR介导的DNA DSB修复（图3）。除了受到磷酸化的调节外，CtIP还可被PGAM1所稳定，PGAM1可在糖酵解过程中催化3-磷酸甘油酯（3-PG）转化为2-PG，而且其表达量在许多癌症类型中也常常发生上调。PGAM1的耗竭会减少磷酸戊糖途径依赖性的脱氧核苷酸三磷酸（dNTP）合成，从而促进p53/p73的核转位，并提高p21性依赖的APC/Cdh1 E3泛素连接酶的活性以降解CtIP。破坏PGAM1或PKM2依赖性的CtIP调节可以使癌细胞对DNA损伤剂和PARP1抑制所诱导的细胞凋亡敏感。此外，在DNA修复过程中，PFKFB3和谷氨酰胺合成酶提高的dNTP产生和PFKFB3介导的核苷酸结合也会促进DNA修复。电离辐射时，ACLY也在DNA的损伤反应中发挥作用，并在S和G2细胞周期阶段的细胞核中积累，这一期间有利于HR的修复。被ATM所激活的AKT可在S455处磷酸化ACLY，并增加ACLY的催化活性，导致DSB区域侧翼的组蛋白H4K16发生乙酰化，以促进53BP1的排除和BRCA1的招募，从而促进HR修复（图2D，右）。
除了通过代谢酶直接调节HR修复外，由IDH1/2、FH和SDH基因突变体分别产生的2-HG、延胡索酸和琥珀酸等代谢物水平也增加了，还会抑制HR修复途径。这些代谢物会抑制赖氨酸脱甲基酶KDM4B，导致DNA断裂处周围的H3K9发生异常超甲基化，进而会抑制TIP60和ATM的招募，末端切除减少，下游修复因子的募集也减少。这些发现为肿瘤代谢物诱导的HR修复抑制提供了机制基础，这种修复抑制会使得胶质瘤和肾细胞癌细胞对PARP抑制剂非常敏感。代谢酶还参与非同源末端连接（NHEJ）的DNA修复。电离辐射可诱导延胡索酸酶易位到细胞核中，在那里DNA依赖性蛋白激酶（DNA-PK）可将延胡索酸酶磷酸化并促进其与组蛋白变异体H2A.Z结合并在DSB区富集延胡索酸酶。在这些区域中，延胡索酸酶产生的延胡索酸盐可抑制组蛋白去甲基化酶KDM2B，并提高组蛋白H3K36二甲基化和DNA-PK复合物在DNA损伤区域的积累，以用于NHEJ DNA的修复和细胞生存（图2B，右）。
延胡索酸酶的缺乏之所以会促进肿瘤的发生，部分是由于DNA修复过程受到破坏。综上所述，代谢酶可通过修饰关键DNA修复调节因子CtIP和为核苷酸并入（incorporation）提供dNTPs，并通过动态调节DNA断裂区域的组蛋白乙酰化和甲基化以及招募BRCA1和DNA-PK复合物来调控DNA修复。代谢酶可直接调节细胞增殖和生存的关键信号通路，如PI3K-AKT-哺乳动物雷帕霉素（mTOR）通路、Raf-MEK-ERK通路、IKK-NF-κB通路（图4）和TGF-β通路。胶质母细胞瘤细胞中的EGFR激活后，PFKP的K395可被KAT5乙酰化并转移到质膜上，在那里PFKP的Y64会被EGFR磷酸化。磷酸化的PFKP会与p85αN端SH2结构域相结合，并将p85α招募到质膜上，导致PI3K被激活。PI3K依赖性的AKT激活又可通过两种不同机制反馈性激活PFK1。AKT依赖性的PFK2激活可产生PFK1的激活剂，即果糖-2,6-二磷酸，AKT所介导的PFKP在S386位点的磷酸化，则通过抑制TRIM21 E3连接酶与PFKP的结合来稳定PFKP（图4A）。
PFKP Y64磷酸化后又增强了PI3K/AKT依赖性的PFK1激活、GLUT1表达和β-catenin反式激活，从而促进Warburg效应、肿瘤细胞增殖和脑肿瘤的发生。这些发现体现了PFKP在PI3K激活中的重要作用，并通过PI3K/AKT依赖性和PFK1的正反馈调节来增强糖酵解。PI3K的激活也可以通过肌动蛋白细胞骨架的Rac依赖性破坏来促进糖酵解，以释放和激活与F-肌动蛋白结合的糖酵解酶醛缩酶A，该酶可抑制WASP蛋白/Arp2/3依赖性肌动蛋白的聚合，从而以非醛缩酶活性的方式促进细胞运动和扩散。在CD8+T细胞中，T细胞抗原受体（TCR）和CD28刺激的PTEN被招募到质膜上，促进脂质激酶AGK-PTEN的相互作用和AGK引发的PTEN在S80、T382和T383位点的磷酸化，从而导致PTEN失活，然后增强PI3K-mTOR信号，以促进CD8+T细胞的糖酵解和抗肿瘤活性。mTOR的活性也会受到GAPDH和己糖激酶（HK）2的直接调节，后者可将葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，从而作为糖酵解的第一步。在低浓度的葡萄糖条件下，GAPDH与mTOR激活剂Rheb发生相互作用，可阻碍HEK293细胞或小鼠胚胎成纤维细胞中Rheb与mTOR的结合，从而抑制mTOR。GAPDH和Rheb之间的相互作用又可因为GAPDH底物3-磷酸甘油醛或高糖酵解通量而变得不稳定，进而导致mTORC1的激活。在葡萄糖缺乏的心肌细胞中，HK2可结合并抑制mTOR复合体1（mTORC1），从而降低mTORC1对自噬的抑制作用（图4A）。
此外，由HK2催化活性所产生的葡萄糖-6-磷酸是抑制HK2诱导自噬的重要因素。因此，mTOR可感知糖酵解水平，并在不同组织和细胞类型中受不同糖酵解酶的调节。
Raf-MEK-ERK途径对肿瘤细胞的很多活动都至关重要。HMGCL可催化HMG-CoA裂解为乙酰乙酸和乙酰CoA，这是生酮作用和亮氨酸分解作用的最后一步，可在表达BRAF V600E的人类黑色素瘤和毛细胞白血病细胞中以OCT-1依赖性的方式被上调。HMGCL产生的乙酰乙酸盐可选择性地增强BRAF V600E（而不是野生型BRAF）与MEK1的结合，以促进MEK-ERK信号的激活（图4B）。
抑制HMGCL可特异性地减缓表达BRAF V600的黑色素瘤细胞增殖和肿瘤生长，这一结果也突出了其独特的代谢特征及其对表达BRAF V600的肿瘤细胞中主要致癌信号通路的影响。Raf-MEK-ERK途径也可被非经典功能的代谢酶所抑制。NME1（又称NDPK-A）可催化核苷二磷酸盐（NDP）转化为核苷三磷酸盐（NTP），也可作为一种蛋白激酶来磷酸化Ras的激酶抑制因子（KSR），这是一种对Raf/MEK/ERK复合物结构很重要的支架蛋白。NME1的过表达会降低MAPK的活性。与NME1相似，NME2也可以作为组氨酸激酶，使G蛋白β亚基中的H266发生磷酸化，促进G蛋白激活以影响许多下游途径，包括MAP激酶途径。IKK-NF-κB通路对在压力条件下细胞的生存中起着重要的作用。葡萄糖剥夺可诱导谷氨酸脱氢酶1（GDH1）S384处发生磷酸化，该酶可把谷氨酸转化为α-KG。磷酸化的GDH1可与IKKβ和RelA相互作用，产生的α-KG可结合并激活IKKβ和NF-κB介导的基因表达（图4C），如GLUT1，以促进葡萄糖吸收、肿瘤细胞生存和胶质瘤生长。
与上述的关键致癌通路相比，TGF-β则具有双重作用，它既是肿瘤早期生长的抑制因子，又是肿瘤转移的驱动因素。TGF-β通常以复合物的形式分泌，其中TGF-β同源二聚体可与潜TGF-β结合蛋白（LTBPs）发生共价作用。在缺氧情况下，AMPK可使6-丙酮酰四氢蝶呤合成酶（PTPS）磷酸化，而PTPS参与了四氢生物蝶呤（BH4）的从头合成，BH4是一氧化氮（NO）合成酶（NOS）的辅助因子，产生的NO作为蛋白质S-亚硝基化的底物。磷酸化的PTPS与LTBP1相互作用，促进NOS介导的LTBP1 S-亚硝基化和蛋白酶体依赖性的LTBP1降解，从而抑制TGF-β的分泌，促进结肠癌细胞生长。除了调节细胞信号传导中的中心通路，糖酵解酶还可以通过调节自噬和线粒体功能来影响细胞的生存和凋亡。之前的研究发现，PGK1作为一种蛋白激酶，不仅在其磷酸酶PTEN表达不足的肿瘤细胞中可自磷酸化并激活自身以增强有氧糖酵解，而且还能在S30处磷酸化Beclin1。这种磷酸化通过促进磷脂酰肌醇与VPS34的结合，增强ATG14L相关的PI3K VPS34的活性，使得在谷氨酰胺剥夺和缺氧条件下也能增强其自噬，以支持肿瘤细胞的生存和脑肿瘤的发生。在EGFR激活和K-Ras G12V和B-Raf V600E表达所诱导的致癌信号刺激下，ERK依赖性的PGK1 S203磷酸化和随后PIN1介导的顺反异构化暴露了PGK1的线粒体前序，使其转位到线粒体中。在线粒体中，PGK1磷酸化并激活丙酮酸脱氢酶激酶1（PDHK1），导致PDH复合物介导的线粒体丙酮酸利用和ROS的产生受到抑制，从而促进乳酸的产生和脑肿瘤的生长。与PGK1一样，PKM2也存在于线粒体中，热休克蛋白（HSP）90α1可介导PKM2发生构象变化，导致PKM2依赖性地使Bcl-2的T69发生磷酸化。T69的磷酸化阻断了BTB-CUL3-RBX1（BCR）E3连接酶与Bcl-2的结合，从而稳定Bcl-2，并增强肿瘤细胞对氧化应激诱导凋亡的抵抗力（图3）。此外，被CARM1甲基化的线粒体PKM2与肌醇-1,4,5-三磷酸受体（InsP3R）相互作用并抑制其表达，从而降低钙从ER流入线粒体和线粒体氧化磷酸化水平，导致有氧糖酵解增加和乳腺癌细胞增殖（图3）。HK2 是另一种可调节线粒体依赖性细胞凋亡的糖酵解酶。HK2在癌细胞中常上调，它可与电压依赖性阴离子通道（VDAC）结合，VDAC是一种线粒体外膜蛋白，是调节线粒体膜间促凋亡蛋白（如细胞色素c）释放速率的关键通道。HK2与VDAC的结合可抑制VDAC的功能，从而保护肿瘤细胞免于凋亡，为肿瘤细胞提供生存优势。因此，代谢酶可通过调节中枢性通路、自噬和线粒体功能中的信号分子，在细胞增殖、生存和凋亡中发挥着重要作用。PKM2可通过调节肿瘤细胞外泌体的分泌来参与肿瘤微环境的重塑（图3）。SNARE复合物可调节外泌体的胞吐释放。PKM2可磷酸化SNAP-23蛋白的Ser95，这又反过来会形成SNARE复合物，并促进NSCLC细胞的外泌体释放。PKM2本身是由外泌体分泌的。在前列腺癌细胞中，外泌体分泌的PKM2会被转运到骨髓基质细胞（BMSCs）中，在这其中PKM2又会激活HIF-1α依赖性的CXCL12的产生。BMSC分泌的CXCL12又可与前列腺癌细胞中的受体CXCR4相结合，促进前列腺癌细胞在骨髓中的种植和生长，从而建立转移灶。此外，前列腺癌患者血清中外泌体PKM2水平的增加与转移有关，靶向外泌体诱导的CXCL12-CXCR4轴可减少前列腺癌的骨转移。除了通过外泌体来分泌外，PKM2还通过微泡（ectosomes，也称为大囊泡）来分泌，微泡的体积比外泌体大得多，是直接从质膜脱落的细胞外囊泡的一种亚型。在HCC细胞中，PKM2的SUMO化可诱导其质膜靶向，并通过与质膜定位蛋白ARRDC1的相互作用以微泡的方式进行分泌，后者又可调节蛋白和胞外囊泡的释放。HCC衍生的外泌体PKM2转入单核细胞后，不仅可通过HIF-1α依赖的糖酵解基因表达来激活单核细胞的糖酵解，而且还会诱导细胞核中STAT3的磷酸化，上调分化相关的转录因子，导致单核细胞分化并极化为M2样巨噬细胞。巨噬细胞分泌的CCL1可在HCC细胞中与其受体CCR8结合，诱导由AKT激活所增强的PKM2和ARRDC1之间的相互作用，以进一步促进PKM2从HCC细胞中泌出，从而形成肿瘤发生的前馈调节回路。外泌体PKM2还可促进HCC肿瘤的生长，HCC患者血浆外泌体中的PKM2水平也明显高于健康捐赠者的血浆外泌体。因此，肿瘤细胞中的PKM2可以促进外泌体和微泡的分泌，其中肿瘤细胞过表达的代谢酶，如PKM2，可通过激活转录因子，包括HIF-1α和STAT3，来重编程受体细胞，如基质细胞和免疫细胞的代谢和转录机制。肿瘤细胞调节的代谢和周围正常细胞的转录组重塑不仅会以有利于肿瘤细胞的方式影响这些细胞的生长和分化，而且还会促进这些细胞分泌必需的物质或因子，进而促进肿瘤在原发器官中生长并在远处组织中建立转移灶。过去十年中关于代谢酶的研究进展深刻地改变了我们对其功能的理解，传统上认为代谢酶主要只催化代谢反应的一个步骤，并严格局限于与代谢有关的途径。然而，为应对/响应细胞内和细胞外信号，代谢酶所表现的空间性和时间性调控赋予了代谢酶多种不同的功能，这些功能在本质上与它们原来被发现的代谢功能有着明显的不同。1. 代谢酶具有兼职功能，它可以作为蛋白激酶而使各种不同的蛋白底物发生磷酸化，并通过每个不同的蛋白底物磷酸化来大大放大它们的功能。越来越多的这些代谢酶，包括PKM2、PGK1、KHK-A、PCK1、HK、PFKFB4、NME1/2和AGK，它们都参与了调节Warburg效应、基因表达、细胞周期进展和增殖、细胞凋亡、自噬、外泌体分泌、T细胞激活和其他许多基本细胞功能。2. 重新分布了亚细胞定位的代谢酶可通过其代谢底物或依赖于其代谢酶活性的产物来发挥兼职功能。这些酶的代谢产物，如酰基CoA、SAM、延胡索酸、琥珀酸和2-HG，可直接作为修饰DNA、组蛋白和其他信号分子的底物，也可调节DNA和组蛋白修饰酶或其他蛋白底物的活性，以调节基因表达以及其他关键细胞过程。3. 代谢酶可通过蛋白质与蛋白质的相互作用来发挥其非经典功能，而不涉及该酶的功能，但这可能会改变结合蛋白的构象、稳定性、活性、修饰或细胞定位，从而导致结合蛋白的后续功能发生改变，调节中枢信号通路，以及不同细胞器的功能，包括细胞核、线粒体和ER。重要的是，代谢酶的时空调节往往是其自身翻译后修饰的结果，包括磷酸化、乙酰化、顺反异构化等，这些修饰往往会导致其构象的改变和在细胞内的重新分布，从而使其无法执行常规的代谢功能，而能够在结构上胜任兼职功能。通过反馈调节，代谢酶的代谢功能和非代谢功能往往又是相互依赖和相互联系的。例如，PFKP依赖性的PI3K-AKT激活可稳定并激活PFKP以增强Warburg效应，而核转位的PKM2反过来又上调自身的基因表达和糖酵解活性及有氧糖酵解，从而突出了代谢酶的兼职功能对大规模基因组范围内的代谢和其他细胞活动的整合和放大性调节作用。由病理性，特别是致癌性通路或基因突变所引出的代谢酶兼职功能促进了疾病的发展，这一发现揭示了疾病发展的新机制，同时也强调了这些酶作为治疗干预新靶标的潜力，特别是在人类肿瘤中。例如，从表达KHK-C到表达KHK-A的HCC特异性转换，以及随后KHK-A介导的用于细胞增殖的核苷酸从头合成和抗氧化基因表达用于促进细胞存活时所需的NRF2激活，都使得KHK-A的兼职功能成为了干预HCC生长和进展的肿瘤特异性靶标。除了可在癌症治疗中靶向IDH1和IDH2突变体外，PTEN缺失所诱导的PGK1自磷酸化、随后上调的有氧糖酵解、致癌信号所诱导的PCK蛋白激酶活性依赖性的脂肪生成和PKM2依赖性功能在癌症治疗中都成为了治疗的潜在新靶标。目前，科学家们在理解代谢酶发生异常调节的非经典功能方面取得了前所未有的进展，这将为疾病预后提供新的生物标志物，并为这些疾病提供独特的治疗新方法。
