淺談FAK與mTOR信號通路關系研究進展

李蓓

（內蒙古大學 生命科學學院，內蒙古 呼和浩特010021）

1 FAK及其信號通路

1.1 FAK的結構

粘附斑激酶（Focal adhesion kinase，FAK）是一種胞質非受體蛋白酪氨酸激酶，是粘附斑復合物家族（focal adhesion complex family）的一員。20世紀90年代早期，Kanner等人在v－src轉染雞胚成纖維細胞后，發現并命名了FAK。分離得到了與PTK相關的FAK，分別是細胞粘附激酶β（CAKβ），蛋白酪氨酸激酶2（PYK2），相關粘附班酪氨酸激酶（RAFTK），鈣依賴的賴氨酸激酶（CADTK）和黏著斑激酶2（FAK2）。FAK有3個主要的結構域，包括FERM區域的N端結構域、C末端結構域和介于兩者之間的催化結構域。FAK的激活至少需要6個酪氨酸位點（Tyr－397，－407，－576，－577，－861and－925）的磷酸化。其中位點576和577位于激酶活化環中；位點861和925位于C末端結構域。生長因子或整合素可以促進FAK在酪氨酸397位點快速的磷酸化，從而招募Src家族的PTKs，PTKs又激活活化環中576和577酪氨酸位點，最后激活FAK。

1.2 FAK信號通路

研究表明FAK在細胞的生長、增值、存活、遷移過程中起重要的作用。在細胞生長周期中最關鍵的是整合素介導的細胞在胞外基質附著，而FAK是整合素信號的中介蛋白。FAs是基于整合素的巨大的多蛋白復合物，可以以雙向的方式在胞外分子和細胞質之間介導以細胞為底物的附著和信息運輸［1］。研究報道，FAK和腫瘤抑制基因p53在功能上相互聯系，FAK的N末端直接與p53的N末端反式激活結構域相互作用，抑制p53介導的細胞凋亡并且抑制p53的轉錄活性［2］。幾個FAK介導的信號通路還與細胞遷移有關，一個是FAK/CAS信號通路，Crk相關的底物蛋白由于Src與FAK的結合而激活，導致Crk家族接頭分子GTP酶的激活，隨后促進膜的突起和細胞遷移；另一個信號分子PI3K在FAK介導的細胞遷移中起作用，并且推測Src、p130Cas與PAK的結合對細胞遷移可能遠遠不夠［3］。

2 mTOR及其信號通路

大量研究發現mTOR作為細胞生長的中心調節器，在感受營養信號、調節細胞存活、生長和增殖中發揮著重要的作用。雷帕霉素（rapamycin）作為mTOR的特異性抑制劑是一種產自鏈霉菌的抗真菌、抗腫瘤的大環內酯類抗生素。

2.1 mTOR的結構

mTOR是一個含有多個結構域，分子量為280KDa的蛋白。其C－末端含有一個與PI3K（磷脂酰肌醇3－激酶相關激酶）具有高度同源性的約234個氨基酸激酶結構域；而它的N－末端擁有一系列串聯的HEAT（for Huntignton，EF3，A subunit of PP2A，TOR1）重復結構用來介導蛋白質間的相互作用。HEAT重復序列的下游，即mTOR的中間結構為另外一個PIKK家族成員所共有的結構域，即FAT（for FRAP，ATM，TRAP）結構域，大量研究證明它涉及與其他蛋白的相互作用。FAT與mTOR C－末端激酶結構域之間為FRB，即FKBP12－rapamycin復合物與mTOR的結合區域，它被包含于FKBP38結合區域（FKB）的內部，在雷帕霉素特異作用mTOR時起著重要的作用。mTOR C－末端30個氨基酸為受胞質氧化還原勢的調節的FATC，即由一個二硫鍵和一個α螺旋組成的另一個FAT結構域［4，5］。

2.2 mTOR信號通路

mTOR作為細胞生長的核心調節器，以mTORC1和mTORC2兩個復合物的形式接受上游各種因子的信號刺激，并通過其下游效應器調節轉錄及蛋白質合成［6］。上游的信號刺激包括：營養因素（如氨基酸）、環境壓力（如缺氧）、能量（如ATP/ADP）及生長因子與胰島素等。

mTOR的一個上游調節物為由TSC1（the tuberous sclerosis complex 1）、TSC2（the tuberous sclerosis complex 2）兩個腫瘤抑制基因組成的TSC1/TSC2復合物，其中TSC2是GTP酶激活蛋白。TSC－mTORC1（Mammalian Target of Rapamycin Complex1）信號通路是細胞內的一條重要通路，該通路通過感受生長因子、胰島素及各類環境脅迫來調控細胞乃至全身的代謝和生長發育以及組織細胞生長、增值和分化。因此，TSC－mTOR信號通路的失調，往往導致TSC、腫瘤或其他代謝疾病，如糖尿病、肥胖等。而TSC1/2復合體是TSC－mTORC1信號通路上游的一個關鍵抑制性信號整合器。能量信號經由LKB1－AMPK－TSC通路、胰島素信號經由IGFR/GFR－PI3K－AKT－TSC、生長因子信號經由IGFR/GFR－Ras－ERK－TSC通路、氧含量信號經由HIF1－REDD1－REDD1－TSC通路、腫瘤壞死因子信號經由TNFα－IKKβ－TSC通路，而環境應力（FAK－TSC）和光［7］目前研究的不很清楚。mTOR另一個上游調節物Rheb（Ras homolog enriched in brain）具有GTP酶活性，在哺乳動物中的活性狀態為Rheb－GTP，是mTOR的的正調節物。有活性的TSC1/2復合體可以特異性的促進mTORC1直接上游激活因子Rheb－GTP向Rheb－GDP轉換，從而抑制mTORC1的激酶活性，進而引起細胞內合成代謝（同化作用）的減慢，異化作用隨之適當增強，從而抑制細胞生長增值，發揮其腫瘤抑制功能。

mTOR的兩個典型的下游效應器為S6Ks（ribosomal protein S6kinases）和4E－BP1（the eIF4E－binding protein 1）。S6Ks是屬于AGC激酶家族的Ser/Thr激酶，在哺乳動物中包括分別編碼兩種基因編碼的S6K1、S6K2蛋白。mTOR通過磷酸化兩種蛋白而影響著蛋白的合成和細胞的生長；4E－BP1（the eIF4E－binding protein 1）作為eIF4E的抑制蛋白，對翻譯的起始和蛋白翻譯起著重要的作用。

2.3 mTOR信號通路與細胞生長調控

mTORC1信號通路基本功能是感受營養狀況進而調控細胞生長，近年的研究已將mTORC1與干細胞［8］，胚胎及幼體發 育與生長［9］，進食、營養與肥胖［10～12］，免疫細胞分化［13］，衰老［14］等動物生理和病理過程聯系在一起，mTOR蛋白激酶作為在進化上保守的協調器調節著基本的生物加工過程［6，15］。

細胞生長調控是一個受多因素影響的復雜過程，它不僅受到時間和空間的限制，還受到營養條件和細胞內外環境條件的影響。盡管目前對細胞生長和細胞周期是如何協調的機制了解得還很少，但它已經成為了現代細胞生物學的研究重點，同時也取得了許多重大進展。

3 TSC2和mTOR信號通路

許多研究表明，TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）/mTOR（mammalian TOR）級聯信號通路在細胞生長調控中發揮重要作用。TOR（target of rapamycin）首先在酵母中發現，在胞內作為Ser/Thr激酶而起作用。隨后在哺乳動物中也發現了酵母TOR的同源物，分別命名為FRAP（FKBP－rapamycin－associated protein）、RAFT（rapamycin and FKBP target）和 RAPT（rapamycin target），現統稱為mTOR（mammalian target of rapamycin）。在哺乳動物細胞中，rapamycin處理可使細胞形態變小，而mTOR信號的重建可以拯救這種縮小的細胞形態表型［16］。

TSC2是一種GTPase激活蛋白（GTPase－activating protein，GAP），在細胞內與TSC1形成穩定的功能復合體TSC1/TSC2而發揮作用，是細胞生長的負調節因子，和Rheb（Ras homolog enriched in brain）一起共同調節mTOR信號通路的活性，進而調節下游S6K1和4EBP1兩個效應分子，調控細胞生長。TSC1/TSC2復合物可以整合來自營養及能量等多種刺激的信號，是一個重要的信號匯聚點。TSC2本身具有多個潛在的絲氨酸和酪氨酸磷酸化位點，提示它可以被絲/蘇氨酸激酶或者酪氨酸激酶磷酸化，已證明多種絲/蘇氨酸激酶均可將其磷酸化［17］然而，卻鮮見TSC2被酪氨酸激酶磷酸化的報道。近年的研究表明，在TSC2/TSC1復合體中還存在有其它蛋白，對TSC2/TSC1復合體的成分和功能研究取得了新進展。

4 FAK和TSC2/mTOR的關系

FAK參與了包括經典的整合素介導的通路在內的多條信號轉導途徑，它是胞內外信號轉導的中樞。目前已經證明，FAK在大腦等多種成體組織中都有表達并具有重要的作用，同時影響胚胎發育。在整個胚胎發育過程中都有FAK表達，缺失了FAK基因的小鼠在早期胚胎時便可致死。FAK－/－的中胚層細胞的遷移速率只有正常胚胎細胞的一半。近年來的研究已經表明FAK可以調控細胞的錨定、遷移、惡變、凋亡等過程，且與腫瘤的發生密切相關［18～22］。然而，FAK對于細胞生長的調控卻并不清楚。因此，對FAK及其信號通路的深入研究有助于對細胞生長、增殖等機制的了解。

FAK信號通路和mTOR信號通路都在細胞的生長、增殖、遷移和凋亡中發揮著重要作用，并且都能感知胰島素、生長因子及環境脅迫等信號刺激，兩條信號通路之間可能存在著相互聯系。FAK和mTOR信號通路的關系，目前有兩種模式：1）已經證明，FAK可以通過PI3K/AKT通路與mTORC1相關聯并在腫瘤的發生發展中發揮重要作用，FAK作為重要的胞質酪氨酸激酶，可以與多個蛋白分子形成多聚體，介導信號傳遞過程；2）FAK可能通過與TSC2的相互作用激活mTOR信號通路。TSC2是胞內信號通路網絡中的重要蛋白分子，可以整合多種上游信號的傳遞，FAK與TSC2二者之間存在形成多聚體，通過相互作用傳遞上游信號，進而調節細胞生理的可能性。2006年，Boyi Gan等人通過細胞內共表達和免疫共沉淀技術證明了這種可能，即FAK與TSC2可以形成蛋白多聚體，進而通過mTOR信號通路激活S6K1［23］。這是迄今為止國內外唯一關于FAK與TSC2相互作用并激活mTOR信號通路的報道。

5 展望

盡管目前對于FAK與mTOR信號通路的研究取得了重要的進展，但仍還存在著許多亟待解決的有關信號傳導途徑的科學疑問。FAK和mTOR信號通路在細胞的生長、增殖、遷移和凋亡中發揮著怎樣的作用，又怎樣感知胰島素、生長因子及環境脅迫等信號刺激，兩條信號通路之間又存在著什么聯系，這些可能是不久的將來該領域所要面臨的主要挑戰。

［1］Cukierman E，Pankov R，Stevens DR，Yamadakm：Taking cellmatrix adhesions to the third dimension［J］.Science，2001（294）：1708～1712.

［2］Golubovskaya VM，Finch R，Cance WG.Direct interaction of the N－terminal domain of focal adhesion kinase with the N－terminal transactivation domain of p53［J］.Biol Chem，2005（280）：25008～25021.

［3］Reiske HR，Kao SC，Cary LA，et al：Requirement of phosphatidylinositol 3－Kinase in focal adhesion kinase－promoted cell migration［J］.Biol Chem，1999（274）：12361～12366.

［4］Yang Q，Guan KL.Expanding mTOR signaling［J］.Cell research，2007，17（8）：666～681.

［5］Hara K，Maruki Y，Long X，et al.Raptor，a binding partner of target of rapamycin（TOR）［J］.mediates TOR action.Cell，2002（110）：177～189.

［6］Wullschleger S，Loewith R，Hall MN.TOR Signaling in Growth and Metabolism［J］.Cell，2006，124（3）：471～484.

［7］Lingling Zhang，Da Xing，Xuejuan Gao，Shengnan Wu.Low－Power Laser Irradiation Promotes Cell Proliferation by Activating PI3K/Akt Pathway［J］.J Cell Physiol.Jun，2009，219（3）：553～62.

［8］Easley CA 4th，Ben－Yehudah A，Redinger CJ，et al.mTOR－mediated activation of p70S6Kinduces differentiation of pluripotent human embryonic stem cells［J］.Cell Reprogram，2010，12（3）：263～273.

［9］Murakami M，Tomoko I，Maeda M，et al.mTOR is essential for growth and proliferation in early mouse embryos and embryonid stem cells［J］.Mol Cll Biol，2004，24（15）：6710～6718.

［10］Cota D，Proulx K，Smith K A，et al.Hypothalamic mTOR signaling regulates food intake［J］.Science，2006，312（5775）：927～930.

［11］Kahn BB，Myers MG Jr.mTOR tells the brain that the body is hungry［J］，Nat Med.2006，12（6）：615～617.

［12］Um SH，Frigerio F，Watanabe M，et al.Absence of S6K1protects against age－and diet－induced obesity while enhancing insulin sensitivity［J］.Nature.2004，431（7005）：200～205.

［13］Araki K，Turner AP，Shaffer VO，et al.mTOR regulates memory CD8T－cell differentiation［J］.Nature，2009，460（7251）：108～112.

［14］Kapahi P，Chen D，Rogers AN，et al.With TOR，less is more：a key role for the conserved nutrient－sensing TOR pathway in aging［J］.Cell Metab，2010，11（6）：453～465.

［15］Caron E，Ghosh S，Matsuoka Y，et al.A comprehensive map of the mTOR signaling network［J］.Mol Syst Biol，2010（6）：453.doi：10.1038/msb.2010.108

［16］Wullschleger S，Loewith R，Hall MN.TOR signaling in growth and metabolism［J］.Cell.2006（124）：471～484.

［17］Ma，L，Chen，Z，Erdjument－Bromage，H，et al.Phosphorylation and functional inactivation of TSC2by Erk implications for tuberous sclerosis and cancer pathogenesis［J］.Cell，2005（121）：179～193.

［18］Plotnikov SV，Pasapera AM，Sabass B，et al.Force fluctuations within focal adhesions mediate ECM－rigidity sensing to guide directed cell migration［J］.Cell，2012，151（7）：1513～27.

［19］Ashton G.H，Morton J.P，Myant K，et al.Focal adhesion kinase is required for intestinal regeneration and tumorigenesis downstream of Wnt/c－Myc signaling.Developmental［J］Cell，2010（19）：259～269.

［20］Fan H，Zhao X，Sun S，Luo M，et al.Function of focal adhesion kinase scaffolding to mediate endophilin A2phosphorylation promotes epithelial－mesenchymal transition and mammary cancer stem cell activities in vivo［J］.Biol Chem，2013，288（5）：3322～33.

［21］Ritt M，Guan JL，Sivaramakrishnan S.Visualizing and manipulating focal adhesion kinase regulation in live cells［J］.Biol Chem，2013（10）.

［22］Mitra S.K，Hanson D.A，Schlaepfer D.D，et al.Focal adhesion kinase：in command and control of cell motility.Nat.Rev.Mol［J］.Cell Biol，2005（6）：56～68.

［23］Gan B.Y，Yoo Y.D，Guan J.L.Association of Focal Adhesion Kinase with Tuberous Sclerosis Complex 2in the Regulation of S6Kinase Activation and Cell Growth［J］.Biol.Chem，2006（281）：37321～37329.