PI3K/AKT/mTOR細胞信號傳導通路在細胞調控中的作用

李鵬 王靜怡 李曉燕 秦連菊

·綜述與講座·

PI3K/AKT/mTOR細胞信號傳導通路在細胞調控中的作用

李鵬 王靜怡 李曉燕 秦連菊

PI3K/AKT/mTOR；細胞信號傳導；細胞調控；腫瘤

惡性腫瘤是一種嚴重危害人類健康的疾病，2012年我國惡性腫瘤的發病率285.91/10萬，病死率180.54/10萬，大約13%，呈上升趨勢[1-3]。腫瘤的發病機制尚不十分明確，目前腫瘤的分子發病機制多被概括為：由于各種原因導致基因點突變、基因擴增及染色體易位等使原癌基因活化、抑癌基因失活，同時DNA修復基因亦失活，進而導致相關蛋白合成、信號傳導過程及調控等出現障礙，使細胞增殖及凋亡的平衡狀態被打破，促進了腫瘤發生發展。近些年來對于PI3K(磷脂酰肌醇 3-激酶)/AKT(v-akt murine thymoma viral oncogene homolog)/mTOR(哺乳動物雷帕霉素靶蛋白) 信號傳導通路的研究，發現其在各系統腫瘤的發生發展中，包括細胞生存和凋亡、細胞周期調控、腫瘤轉移及腫瘤血管生成等，起著重要作用[1-3]。

1 PI3K、AKT、mTOR結構和活化

在生物體中，細胞之間的相互識別和作用，是通過細胞通訊和細胞信號傳導來實現的。細胞信號傳導是外源性的信息傳入細胞內同時引起細胞應答反應的過程，它是通過細胞外信號分子作用于靶細胞表面或內部的受體傳入細胞內，經過細胞內的信號轉導分子(第二信使、各種酶分子及調節蛋白)的作用，使細胞功能發生變化，對外界環境做出合適反應。在細胞內，細胞信號轉導存在多種通路，如細胞內受體、離子通道型受體、G蛋白耦聯受體及蛋白激酶聯受體等介導，PI3K/AKT則屬于蛋白激酶耦聯受體介導的信號轉導通路。

1.1 PI3K 是磷酸化肌醇磷脂3位羥基的激酶家族，同時具有磷脂激酶及蛋白激酶的活性，它是由一個調節亞基(P85)和一個催化亞基(P110)組成的異源二聚體。調節亞基P85含有兩個SH2結構域(Src homology 2 domain)和一個SH3結構域(Src homology 3 domain)，其中SH2結構域可以識別并結合蛋白分子中的磷酸化的酪氨酸及與其相鄰的3～6個氨基酸殘基，SH3結構域可以識別和結合蛋白分子中富含脯氨酸的序列。各種生長因子(PDGF、IGF、EGF等)及胰島素受體的胰島素受體亞單位1(IRS1)和胰島素受體亞單位2(IRS2)多為PI3K/AKT信號傳導通路的細胞外信號分子，它們與相應G 蛋白耦聯受體、蛋白酪氨酸激酶受體等相應受體結合[1]，使相應受體的酪氨酸殘基磷酸化，這些磷酸化的位點識別并結合P85的SH2結構域，從而解除P85對催化亞基P110的抑制作用，使PI3K激活并催化磷脂酰肌醇(PI)使其磷酸化而生成：3-磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3-phosphate，PI-3P)(PIP)、3，4-二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli- nositol 3，4-bisphosphate，PI-3，4-P2)(PIP2)、3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3，4，5-P3)(PIP3)[2]，其中PIP3作為第二信使激活下游AKT。另外，Ras激酶亦能使PI3K激活。PI3K家族有三種不同的亞型為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，Ⅲ型 PI3K 以 PI 為底物，Ⅱ型以 PI 及 PIP 為底物，Ⅰ型以 PI、PIP 及 PIP2 為底物[1]，其中Ⅰ型研究的最為廣泛，分為ⅠA、ⅠB兩型，目前研究發現只有ⅠA型參與造血系統的調控，在造血干細胞的分化過程中發揮著重要的調節作用[3]，其本身組分的缺失及負調控障礙會導致血液系統腫瘤的發生。

1.2 AKT 是一種蛋白激酶，它是PI3K信號傳導通路下游重要的一個激酶。AKT具有三種亞型：AKT1、AKT2和 AKT3，從氨基端到羧基端的結構依次是PH 結構域、催化結構域和調節結構域3部分[4]。其中血小板白細胞C激酶底物同源結構域(PH結構域)位于AKT的氨基端，它能與活化后PI3K的產物PIP3相互識別和相互作用，使AKT由靜息狀態下的胞漿轉位至胞膜上，研究表明，PH結構域的缺失或突變會導致AKT活性喪失或降低，它在AKT激活過程中的膜轉位問題上有著重要作用[4]。另外，在催化結構域及調節結構中分別有著308 位蘇氨酸(Thr308)及473位的絲氨酸(Ser473)兩個識別位點，故AKT同時具有蘇-絲氨酸激酶活性，兩個位點的磷酸化在AKT的活化過程中發揮著的極其重要的作用。在生理狀態下，AKT位于細胞的細胞漿內。在各種生長因子、胰島素受體等刺激因子的作用下，使PI3K激活，活化的PI3K生成PIP3進一步激活AKT。PIP3含有與AKT相同的PH結構域，兩者相互識別并結合，將AKT由胞漿轉位至胞膜，同時使AKT的構象發生變化，暴露Thr308位點，Thr308的磷酸化需要磷脂酰肌醇依賴的蛋白激酶1(PDK1)參與，PDK1亦含有與PIP3相同的PH結構域，PIP3與PDK1結合使其激活，活化的PDK1進一步使暴露的Thr308位點磷酸化，但單獨的Thr308磷酸化是不能使AKT活化，它需要Ser473位點同樣磷酸化后才能激活AKT。PDK1是不能直接激活Ser473，有報道指出Ser473的活化其有可能通過PDK2或整合素連接蛋白(ILK)間接使其磷酸化[5]，從而使AKT活化。另外，AKT不僅可以通過PI3K激活，還可通過HSP27、cAMP-PKA等來激活。活化的AKT進一步激活其下游的因子，如E2F、叉頭轉錄因子(forkhead-related tran-scription factor，FKHR)、bcl-2、家族糖原合成酶3(glycogen syn-thase kinase 3，GSK3)等，對細胞周期、凋亡和新生血管等產生調節作用[6]。

1.3 mTOR 是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸激酶，mTOR又稱FRAP ( FKS06-bindingp- roteinl2 and rapamycin associatedprotein)，由于它的羧基末端與 PI3K 的催化區有高度同源性，故其屬于PI3K蛋白激酶家族。mTOR存在兩種復合體mTORC1和mTORC2，這兩種蛋白復合物在結構及功能上卻是完全不同，mTORC1包括mTOR、mLST8(mammalian ortholog of LST8)和raptor(regulatory-associated protein of mTOR);mTOR2則包括mTOR、mLST8、mSIN1(mitogen-activated protein kinase-associated protein 1)及rictor(rapamycin insensitive companion of mTOR)[7]。mTOR在參與PI3K/AKT/mTOR細胞信號傳導途徑中，它是AKT的下游因子，活化的AKT直接激活mTORC1或通過TSC1/2復合物進一步激活其下游分子MtorC1[6]，而且mTORC2可在活化的AKT中Ser473位點上完全被活化。活化的mTOR進一步使它的兩個下游分子磷酸化，即翻譯抑制分子 elF-4E 結合蛋白1(4E-BP1)和核糖體蛋白p70s6k，從而滅活翻譯抑制蛋白或增強mRNA的轉錄和翻譯，參與細胞周期的調控、增殖和凋亡。

2 PI3K/AKT/mTOR的細胞調控

2.1 對細胞周期的調控 真核細胞的分裂經歷一系列具有固定發生順序的事件，這一過程被稱為細胞周期。細胞增殖是通過細胞周期來實現的。細胞周期分為：G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)及M期，其中G1期、S期及G2期為間期，M期為分裂期。細胞周期是按照一定順序固定向前進行的，呈現出單向性和不可逆性，其中細胞周期中存在著三個關鍵點：G1-S期轉折點(限制點或檢查點)、G2-M期轉折點及M后期-胞質分裂。細胞周期精密的調控是通過細胞周期蛋白(cyclin)、細胞周期蛋白激酶(CDK)及細胞周期蛋白激酶抑制蛋白(CKI)的作用來實現。Cyclin和CDK單獨存在是不表現活性的，當兩者結合后才表現出相應的活性，而CKI在細胞周期中則是起到負調節作用。PTEN 蛋白屬于蛋白酪氨酸磷酸磷脂酶家族，它可以使磷酸化的絲/蘇氨酸和酪氨酸的蛋白或肽類底物脫磷酸化，它作用于PI3K的底物PIP3，能夠特異性使其脫磷酸，使PIP3的濃度下降，從而抑制AKT的活化，上調細胞周期依賴蛋白抑制物P27，使細胞阻滯于 G1期。cyclinD1靜息狀態下不表達，當受到生長因子的刺激，cyclinD1被激活，其中AKT在兩者之間起到橋梁作用[8]，因為AKT作用于GSK-3，使由GSK-3介導的cyclinD1降解，加快G1-S期的進程，促進細胞增殖。cyclinD1和CDK4、CDK6結合而活化，同時與cyclinE和CDK2結合的復合物，一起作用于視網膜母細胞瘤抑制蛋白(retinoblastoma tumor sup-pressor protein，pRb)，使其磷酸化而失活，pRb本身對參與G1-S周期進程的轉錄基因有抑制作用，當pRb被磷酸化失活后，釋放出E2F，啟動S期相關基因的轉錄，縮短G1期時間，促進細胞由G1期向S期轉換[8]。Li等[9，10]研究均表明cyclinD1水平的升高，使pRb磷酸化失活，兩者形成負反饋，加快細胞周期進展，促進腫瘤細胞的增殖。很多重要的與細胞周期相關的大部分基因受p53調節，p53主要是在細胞處于異常情況下在細胞周期中起到負性調節作用，把細胞滯留于G1期，延緩或阻止細胞有絲分裂的進行，抑制細胞的增殖。P53受到泛素連接酶(mdm2)的調節，mdm2使p53失活或降解，促進細胞的增殖，AKT可直接作用于mdm2，上調其活性，從而加快P53的失活，促進細胞周期的進行。另外，AKT也可以直接抑制p21，p21可以廣泛抑制細胞周期蛋白激酶復合物，進而通過調節pRb的作用，促進細胞周期的進行，其轉錄活性也受到p53的正性調節。同時AKT直接活化其下游分子mTOR，活化的mTOR激活下游分子4E-BP1和p70s6k，兩者均能加快細胞周期發展所需mRNA的轉錄。

2.2 對血管生成的影響 新生血管的生成是腫瘤生長的一個重要條件，對腫瘤的生長、轉移起著重要的作用。PI3K與血管的生成密切相關，據研究發現，PI3K中的p110α亞基能直接促進內皮細胞的遷移，影響血管的生成[11]。AKT能直接作用于內皮型一氧化氮合酶(endothe-lialNO synthase，eNOS)，eNOS能刺激內皮細胞的增殖，增加血管的通透性，促進血管的生成[8，11]。另外PI3K/AKT途徑，能激活其下游的mTOR使p70S6K1活化，以及HDM2均能調控血管內皮生長因子(VEGF)和缺氧誘導因子1(hypoxia inducible factor1，HIF-1)的表達[12，13]，增加血管的通透性，促進血管的生成。同時AKT還可通過調節環氧化物合酶COX-2而促進新生血管的生成[14]。

2.3 對腫瘤細胞的轉移和侵襲的影響 腫瘤細胞的轉移和侵襲主要依靠腫瘤細胞的運動能力增強、細胞間黏附能力的下降及細胞外基質的降解等。PI3K/AKT/mTOR/p70S6k通路，使p70S6k活化，促進肌動蛋白的細絲重構，使細胞運動能力增強[15]。AKT能夠激活上皮細胞-間充質細胞轉換(epithelial-mesenchymal transition，EMT)，并通過下調E-鈣黏蛋白及β-連環蛋白和上調間充質細胞波形蛋白，降低細胞之間的黏附能力，促進腫瘤細胞的轉移和侵襲[16]。也曾有報道指出，經PI3K/AKT/mTOR細胞信號傳導途徑，可以上調基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)的mRNA和蛋白質表達，降解細胞外基質，促進腫瘤細胞的轉移和侵襲。另外，PI3K/AKT通路還可通過對eNOS、核轉錄因子(NF-κB)及生長因子受體的調節，加快腫瘤細胞的轉移和侵襲[5]。

2.4 對細胞凋亡的調控 細胞凋亡是細胞在一定的生理或病理條件下，遵循自身的程序，自己結束其生命的過程，最后細胞脫落離體或裂解為若干凋亡小體，而被其他細胞吞噬。AKT可調控多個與細胞凋亡有關的家族從而抑制細胞凋亡。如促凋亡因子Bcl-2家族中的Bad，Casepase-9，Forkhead 轉錄因子家族成員以及p53，NF-кB，mdm2等。Bad是凋亡 Bcl-2 家族成員的之一，它可與Bcl-2或Bcl-xl形成復合物，促進凋亡，當其被磷酸化后，不能與Bcl-2或Bcl-xl形成二聚體，而抑制凋亡，AKT能夠使Bad磷酸化而抑制細胞凋亡。Caspase-9 是促細胞凋亡因子，它是啟動細胞凋亡的主要因子之一，AKT 能使 Caspase-9的Ser196 位點磷酸化而失活，抑制其促凋亡作用。同時AKT還可抑制Forkhead家族轉錄因子的活性，正調節核轉錄因子NF-κB，下調Fas/FasL而誘導凋亡過程及通過磷酸化mTOR激活其下游分子p70S6K、4E-BP1，增強轉錄和翻譯，從而抑制不依賴p53的細胞凋亡，加快細胞的凋亡[8，17]。

PI3K/AKT/mTO信號傳導通路在目前的初步研究發現其在肺癌、消化系統腫瘤、泌尿系統腫瘤及婦科腫瘤的發病機制中均有所參與，已成為目前研究的熱點之一，PI3K/AKT/mTOR信號傳導通路的基本作用是促進細胞的增殖、抑制細胞的凋亡，其活化對細胞增殖、分化、轉移、侵襲及血管生成的各個環節有著重要的作用，但目前對此信號傳導通路的認知還是尚不完善的，通過進一步對其深入研究和了解及對此通路抑制劑的研究，將成為治療惡性腫瘤的靶點藥物，對惡性腫瘤的治療提供新的研究方向。

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10.3969/j.issn.1002-7386.2014.09.052

050051 河北省石家莊市第二醫院神經外科(李鵬)，導管室(秦連菊)；石家莊市醫學高等專科學校(王靜怡)；河北醫科大學第一醫院心內科(李曉燕)

R 349.54

A

1002-7386(2014)09-1389-04

2013-12-11)