It has been observed that both cancer tissue cells and normal proliferating cells (NPCs) have the Warburg effect. Our goal here is to demonstrate that they do this for different reasons. To accomplish this, we have analyzed the transcriptomic data of over 7000 cancer and control tissues of 14 cancer types in TCGA and data of five NPC types in GEO. Our analyses reveal that NPCs accumulate large quantities of ATPs produced by the respiration process before starting the Warburg effect, to raise the intracellular pH from ～6.8 to ～7.2 and to prepare for cell division energetically. Once cell cycle starts, the cells start to rely on glycolysis for ATP generation followed by ATP hydrolysis and lactic acid release, to maintain the elevated intracellular pH as needed by cell division since together the three processes are pH neutral. The cells go back to the normal respiration-based ATP production once the cell division phase ends. In comparison, cancer cells have reached their intracellular pH at ～7.4 from top down as multiple acid-loading transporters are up-regulated and most acid-extruding ones except for lactic acid exporters are repressed. Cancer cells use continuous glycolysis for ATP production as way to acidify the intracellular space since the lactic acid secretion is decoupled from glycolysis-based ATP generation and is pH balanced by increased expressions of acid-loading transporters. Co-expression analyses suggest that lactic acid secretion is regulated by external, non-pH related signals. Overall, our data strongly suggest that the two cell types have the Warburg effect for very different reasons.
人体细胞产生能量（ATP）的过程由两部分组成：糖酵解及有氧呼吸。前一部分将1分子葡萄糖转化为2分子ATP及2分子丙酮酸；后一部分丙酮酸将进入三羧酸循环进行氧化，最终产生30个ATP。一般情况下，我们的细胞使用两种方式，将一个葡萄糖转化为32个ATP。在有些特殊条件下，如缺氧，丙酮酸将不进入三羧酸循环，而是转化为乳酸的形式排除细胞。1927年，德国生化学家奥托?瓦博格发现：肿瘤细胞无论是否缺氧，都以糖酵解为主要方式产生ATP，然后将乳酸排除细胞。这一现象称为瓦博格效应。后来的研究发现，所有的肿瘤都有不同程度的瓦博格效应。1967年，瓦博格进一步称：在表层上，肿瘤可能有无数种成病原因，但其根本原因只有一种，那就是糖酵解替代了有氧呼吸来产生ATP。由于使用低效的方式产生能量，导致肿瘤对糖的需求为正常细胞的几十倍，大幅上升的糖代谢也是PET/CT用于肿瘤诊断的基础。但为什么快速增殖的肿瘤细胞选择使用低效的方式产生能量，这一问题已困惑了肿瘤学界90年之久。在过去二十年，很多****试图解释造成这一现象的原因，但都没能得到肿瘤学界的普遍认可。2009年，有****提出：瓦博格效应是所有增殖细胞，包括正常增殖细胞共有的现象［1］，这一观点受到很多的****认可。在本文工作中，通过对大量、多种类肿瘤组织转录数据进行统计分析，统计结果说明：虽然肿瘤细胞与正常增殖细胞都使用糖酵解方式产生ATP并将乳酸排除细胞，但产生这一现象的根本原因在两种细胞中完全不同。 为了理解它们的异同，我们以细胞浆pH为切入点，其原因是正常细胞浆的pH为6.8，但当细胞增殖时，其pH需要上升到7.2-7.4，并维持在这一水平。以往的文献认为细胞是通过排出乳酸，来提升其内部的pH；而细胞从有氧呼吸转为糖酵解来产生ATP是为了其它代谢的需求［1］。我们知道：糖酵解产生ATP的化学反应可写成：glucose + 2 ADP3- + 2 HPO42- -> 2 lactate- + 2 ATP4-，即这一反应过程是pH 中性；而有氧呼吸产生ATP的过程消耗一个氢离子：ADP3- + HPO42- -> ATP4- + OH-。另外，ATP水解将释放一个氢离子：ATP4- + H2O = ADP3- + HPO42- + H+。因而，整体上使用糖酵解方式产生的ATP, 当使用后，将释放一个氢离子，而有氧呼吸产生的ATP，当使用后是pH中性。我们的模型如下：正常增殖细胞在准备增殖时，开始储存由有氧呼吸产生的ATP，因而导致细胞内pH上升。当ATP的储存达到一定程度、同时pH也上升到一定程度（如7.2-7.4）时，细胞开始增殖。这时细胞产生ATP的方式从有氧呼吸转为糖酵解，并开始使用储存的ATP。每消耗一个有氧呼吸产生的ATP，将伴随产生一个氢离子。而每一个由糖酵解产生的ATP,将伴随产生一个乳酸盐。细胞将 “乳酸盐＋氢离子 = 乳酸“排除，这样维持了细胞浆的pH不变。这一过程一直持续到储存的有氧呼吸产生的ATP用光，也完成了细胞增殖，能量代谢的方式又重新回到有氧呼吸。因而我们认为：正常细胞在增殖时，将有氧呼吸转化为糖酵解是为了提升及保持细胞浆的pH。另一点值得注意：正常增殖细胞还通过增加摄入碱性物质，抑制酸性物质的摄入来帮助提上其细胞浆pH。有关肿瘤细胞，其细胞浆pH的变化方式在以下几个方面不同于正常增殖细胞：（1）肿瘤细胞浆的pH一直维持在7.4左右，而不像正常增殖细胞的pH在6.8到7.4之间变化；（2）肿瘤细胞排除乳酸的速率与乳酸合成的速率基本是独立的，而这一速率与细胞的免疫反应成强相关；（3）肿瘤细胞摄入与排除酸、碱性物质的方式与正常增殖细胞正好相反（除乳酸排除外），即增加酸性物质的摄入，而抑制碱性物质的摄入;（4）肿瘤使用大量的代谢重编程来酸化其细胞浆［3］。另外，我们以前的工作发现:所有肿瘤组织细胞浆都有芬顿反应：?O_2^- + H2O2 -> ?OH + OH- ＋O2 （以〖Fe〗^(2+)为催化剂），其不断产生碱性物质，导致pH上升。综合以上，本文的总体模型为：由于肿瘤细胞浆发生了持续的芬顿反应，且其产生OH-的速率能很快饱和细胞的pH缓冲器，进而导致了一系列的代谢重编程，来酸化其细胞浆，使其pH保持在正常范围。瓦博格效应是其中的一项代谢重编程，目的也是酸化细胞浆。而肿瘤细胞排除乳酸的主要目的是为肿瘤细胞提供保护，免受免疫细胞的攻击［5］。参考文献1.Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science 2009;324:1029-33.2.Damaghi M, Wojtkowiak JW, Gillies RJ. pH sensing and regulation in cancer. Front Physiol 2013;4:370.3.Huiyan Sun, Yi Zhou, Michael Skaro, Yiran Wu, Zexing Qu, Fenglou Mao, Suwen Zhao, Ying Xu. Stress-Induced Metabolic Reprogramming in Cancer, submitted. 4.Huiyan Sun Chi Zhang Sha Cao Tao Sheng Ning Dong Ying Xu. Fenton reactions drive nucleotide and ATP syntheses in cancer, JMCB, 10(5), 448–459, 2018.5.Franziska Hirschhaeuser, Ulrike G.A. Sattler, Wolfgang Mueller-Klieser. Lactate: A Metabolic Key Player in Cancer. Cancer Research, 2011, 71(22):6921-6925.





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