一项研究表明，就算在氧气充足的条件下，癌细胞以及一些细菌也倾向于发酵过程。
By Bret Stetka on December 15, 2015
当微生物将糖转化为乙醇、气体或者酸类，葡萄酒、啤酒以及酸奶就生产出来了。细菌、真菌以及其他快速生长的细胞在缺氧条件下利用这样的发酵过程来产生能量，然而比起有氧呼吸来说这是一种效率十分低下的途径。
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1931年德国内科医生，生理学家以及生物化学家Otto Heinrich Warburg被授予诺贝尔奖，原因是他发现癌细胞——不像众多健康细胞那样利用氧通过呼吸产生能量——而是倾向于无氧的发酵过程，或者说将糖转化成酸类、气体或者乙醇，它们甚至在氧气充足的情况下也是如此行事。从那以来科学家们就一直很困惑，因为比起有氧呼吸，发酵确实是一种远算不上有效率的能量生产方式，因此也被蔑称为“浪费型代谢”。
但是一个来自加州大学圣地亚哥分校（University of California, San Diego）的科学家团队发现，虽然基于氧的代谢是一种更有效率的能量生产方式，但是合成推动有氧呼吸的酶及其他蛋白质所需要的能量是发酵（葡萄糖）途径相应所需的两倍。他们的这一工作可能对于发现癌症治疗的潜在靶标有着启示作用。
这个团队检测了蛋白质组资源分配——细胞内总体蛋白质在不同代谢任务中的分配——来确定细菌（大肠杆菌）中分别用于能量生产和细胞生长这两个途径的代谢消耗。这些促进有氧呼吸（人体细胞生存的基础途径）的酶都很大，笨拙并且需要维持较高的数量来保证我们自身以及我们体内稳定生长的细胞的正常工作。换句话来说，快速生长细胞中的很大一部分蛋白质被用来生长，而只有很小一部分能为其他细胞过程所用，包括能量生产。
领导这项研究的是加州大学圣地亚哥分校的物理学及生物学教授Terry Hwa，他将自己的这一发现（最近发表在《自然》杂志（Nature）上）比作煤炭和核能之间的对比。火电厂相比于核电厂来说每单位碳的产能效率要低，但是他们只需要较少的花费就能建造起来。而快速生长的细胞“发现”发酵是一种较为廉价的生长途径。在这个意义上发酵对于细胞就像煤炭能源。
细胞的代谢和生长可能是基于能量生产和细胞生长这两个途径所需合成蛋白质的成本效益平衡来决策，这一设想最初是由丹麦的一个理论生物学家团队在2009年提出的。Hwa的发现证实了这些设想。而且虽然人们普遍认为癌症的发生是由于基因方面的紊乱——或者说实际上是由不计其数可能的突变导致的复合紊乱——一些研究人员开始相信，最终的病理损害可能发生于能量生产过程的损伤或者改变。
Thomas Seyfried是一位来自波士顿学院（Boston College）的生物学家，他并未参与这一研究，但他认为癌症是一种代谢紊乱，并且引用了大量的证据暗示在癌症中存在线粒体功能失调。线粒体——或者说我们细胞的“能量工厂”——是细胞内生产能量的地方。“现在有大量的来自多学科的证据表明，在所有的肿瘤细胞中线粒体的数量、结构和功能都有一定程度的减少和损坏。这些线粒体缺陷导致了我们在癌细胞中观察到的葡萄糖摄入增加和发酵代谢行为，”Seyfried解释说。
在2014年Seyfried和同事发表在《肿瘤学》（Carcinogenesis）杂志的论文中，他引用了大量的证据来支持这一观点，包括向人们展示如果被移植入正常的线粒体，一个细胞发展为肿瘤的潜质就会被抑制；并且反之，将来自肿瘤细胞的线粒体转移到正常细胞的胞质中则将会增加这些细胞癌变的几率。大量结果从病原学的角度指向一个观点：许多于癌症相关的基因突变看起来像是通过损坏细胞呼吸过程来达到它们的效果。Seyfried深信，这也可能是细胞从有氧呼吸到发酵的转变所产生的自由基引起了与癌症相关的基因突变。
Seyfried也为癌细胞倾向于走发酵代谢途径提出了一个可能的进化解释。他引用了来自塔夫茨大学（Tufts University）的Carlos Sonnenschein 和 Ana Soto的工作，这一工作表明细胞的默认目标是增殖，就像癌细胞一样，而线粒体中的有氧呼吸则会帮助约束这种生长。“由发酵代谢推动的不受控制的增殖是在大约20亿年前，大气层中还没有氧气时大多数细胞的生存状态，”他解释到。“逐渐丧失有氧呼吸的控制并且转而通过发酵途径来补偿（能量生产）共同导致了癌症的发生。”
理解癌症与能量生产之间的关系任重而道远，虽然Hwa指出自己并不是一位癌症生物学家，但他却认为在调整细胞代谢这一点上寻找治疗癌症的方法绝对是很有希望的。“我认为干扰代谢是一种有效的拖缓肿瘤生长的策略，”他说，“既然缓慢生长的细胞更依赖有氧呼吸来产生能量——那么，原则上，这种治疗策略自然会对快速生长的癌细胞（相对于正常细胞）更具破坏性。”
现在的癌症治疗都强调干扰那些可以导致细胞生长不受控制的信号通路。“但是从这项研究，”Hwa说，“[我们发现]可能我们并不需要这么关心信号而是可以转而在放慢发酵过程的效率方面做工作。我们之后能寄希望于癌症细胞转向有氧呼吸的同时能放慢生长。”
随着多种多样与癌症有关的基因突变被揭示，发展癌症治疗方法看起来似乎是一个不可能完成的任务。但是一个单一的病理——它可能导致了和癌症有关的突变——可以使发展有效的癌症治疗简单很多。
就像几乎一个世纪前Otto Warburg的工作所暗示的那样，可能这仅仅需要我们“鼓励癌症细胞来呼吸一口新鲜空气”。
翻译：王晶璇
校审：冯薇
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