淺談FAK與mTOR信號(hào)通路關(guān)系研究進(jìn)展

李蓓

摘要：指出了FAK是一種胞質(zhì)非受體蛋白酪氨酸激酶，而mTOR （the mammalian target of rapamycin）是一種進(jìn)化上十分保守的蛋白激酶，屬于PIKK （the phosphatidylinositol kinase-related kinase）超家族，作為 Ser/Thr 激酶而起作用。FAK信號(hào)通路和mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、遷移和凋亡中的作用，探討了感知胰島素、生長(zhǎng)因子及環(huán)境脅迫等信號(hào)刺激，提出了兩條信號(hào)通路之間可能存在著相互聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：粘附斑激酶；mTOR；TSC2；細(xì)胞生長(zhǎng)；調(diào)控

1FAK及其信號(hào)通路

1.1FAK的結(jié)構(gòu)

粘附斑激酶（Focal adhesion kinase，F(xiàn)AK）是一種胞質(zhì)非受體蛋白酪氨酸激酶，是粘附斑復(fù)合物家族（focal adhesion complex family）的一員。20世紀(jì)90年代早期，Kanner等人在v-src轉(zhuǎn)染雞胚成纖維細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)并命名了FAK。分離得到了與PTK相關(guān)的FAK，分別是細(xì)胞粘附激酶β（CAKβ），蛋白酪氨酸激酶2（PYK2），相關(guān)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(gè)主要的結(jié)構(gòu)域，包括FERM區(qū)域的N端結(jié)構(gòu)域、C末端結(jié)構(gòu)域和介于兩者之間的催化結(jié)構(gòu)域。FAK的激活至少需要6個(gè)酪氨酸位點(diǎn)（Tyr-397，-407，-576，-577，-861 and -925）的磷酸化。其中位點(diǎn)576和577位于激酶活化環(huán)中；位點(diǎn)861和925位于C末端結(jié)構(gòu)域。生長(zhǎng)因子或整合素可以促進(jìn)FAK在酪氨酸397位點(diǎn)快速的磷酸化，從而招募Src家族的PTKs，PTKs又激活活化環(huán)中576和577酪氨酸位點(diǎn)，最后激活FAK。

1.2FAK信號(hào)通路

研究表明FAK在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增值、存活、遷移過(guò)程中起重要的作用。在細(xì)胞生長(zhǎng)周期中最關(guān)鍵的是整合素介導(dǎo)的細(xì)胞在胞外基質(zhì)附著，而FAK是整合素信號(hào)的中介蛋白。FAs是基于整合素的巨大的多蛋白復(fù)合物，可以以雙向的方式在胞外分子和細(xì)胞質(zhì)之間介導(dǎo)以細(xì)胞為底物的附著和信息運(yùn)輸[1]。研究報(bào)道，F(xiàn)AK和腫瘤抑制基因p53在功能上相互聯(lián)系，F(xiàn)AK的N末端直接與p53的N末端反式激活結(jié)構(gòu)域相互作用，抑制p53介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡并且抑制p53的轉(zhuǎn)錄活性[2]。幾個(gè)FAK介導(dǎo)的信號(hào)通路還與細(xì)胞遷移有關(guān)，一個(gè)是FAK/CAS信號(hào)通路，Crk相關(guān)的底物蛋白由于Src與FAK的結(jié)合而激活，導(dǎo)致Crk家族接頭分子GTP酶的激活，隨后促進(jìn)膜的突起和細(xì)胞遷移；另一個(gè)信號(hào)分子PI3K在FAK介導(dǎo)的細(xì)胞遷移中起作用，并且推測(cè)Src、p130Cas與PAK的結(jié)合對(duì)細(xì)胞遷移可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[3]。

2mTOR及其信號(hào)通路

大量研究發(fā)現(xiàn)mTOR作為細(xì)胞生長(zhǎng)的中心調(diào)節(jié)器，在感受營(yíng)養(yǎng)信號(hào)、調(diào)節(jié)細(xì)胞存活、生長(zhǎng)和增殖中發(fā)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(chǎn)自鏈霉菌的抗真菌、抗腫瘤的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。

2.1mTOR的結(jié)構(gòu)

mTOR是一個(gè)含有多個(gè)結(jié)構(gòu)域，分子量為280KDa的蛋白。其C-末端含有一個(gè)與PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶相關(guān)激酶）具有高度同源性的約234個(gè)氨基酸激酶結(jié)構(gòu)域；而它的N-末端擁有一系列串聯(lián)的HEAT（for Huntignton，EF3，A subunit of PP2A，TOR1）重復(fù)結(jié)構(gòu)用來(lái)介導(dǎo)蛋白質(zhì)間的相互作用。HEAT重復(fù)序列的下游，即mTOR的中間結(jié)構(gòu)為另外一個(gè)PIKK家族成員所共有的結(jié)構(gòu)域，即FAT（for FRAP，ATM，TRAP）結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域之間為FRB，即FKBP12-rapamycin復(fù)合物與mTOR的結(jié)合區(qū)域，它被包含于FKBP38結(jié)合區(qū)域（FKB）的內(nèi)部，在雷帕霉素特異作用mTOR時(shí)起著重要的作用。mTOR C-末端30個(gè)氨基酸為受胞質(zhì)氧化還原勢(shì)的調(diào)節(jié)的FATC，即由一個(gè)二硫鍵和一個(gè)α螺旋組成的另一個(gè)FAT結(jié)構(gòu)域[4，5]。

2.2mTOR信號(hào)通路

mTOR作為細(xì)胞生長(zhǎng)的核心調(diào)節(jié)器，以mTORC1和mTORC2兩個(gè)復(fù)合物的形式接受上游各種因子的信號(hào)刺激，并通過(guò)其下游效應(yīng)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)合成[6]。上游的信號(hào)刺激包括：營(yíng)養(yǎng)因素（如氨基酸）、環(huán)境壓力（如缺氧）、能量（如ATP/ADP）及生長(zhǎng)因子與胰島素等。

mTOR的一個(gè)上游調(diào)節(jié)物為由TSC1（the tuberous sclerosis complex 1）、 TSC2（the tuberous sclerosis complex 2）兩個(gè)腫瘤抑制基因組成的TSC1/TSC2復(fù)合物，其中TSC2是GTP酶激活蛋白。TSC-mTORC1（Mammalian Target of Rapamycin Complex1）信號(hào)通路是細(xì)胞內(nèi)的一條重要通路，該通路通過(guò)感受生長(zhǎng)因子、胰島素及各類環(huán)境脅迫來(lái)調(diào)控細(xì)胞乃至全身的代謝和生長(zhǎng)發(fā)育以及組織細(xì)胞生長(zhǎng)、增值和分化。因此，TSC-mTOR信號(hào)通路的失調(diào)，往往導(dǎo)致TSC、腫瘤或其他代謝疾病，如糖尿病、肥胖等。而TSC1/2復(fù)合體是TSC-mTORC1信號(hào)通路上游的一個(gè)關(guān)鍵抑制性信號(hào)整合器。能量信號(hào)經(jīng)由LKB1-AMPK-TSC通路、胰島素信號(hào)經(jīng)由IGFR/GFR-PI3K-AKT-TSC、生長(zhǎng)因子信號(hào)經(jīng)由IGFR/GFR- Ras-ERK-TSC通路、氧含量信號(hào)經(jīng)由HIF1-REDD1- REDD1-TSC通路、腫瘤壞死因子信號(hào)經(jīng)由TNFα-IKKβ-TSC通路，而環(huán)境應(yīng)力（FAK-TSC）和光[7]目前研究的不很清楚。mTOR另一個(gè)上游調(diào)節(jié)物Rheb（Ras homolog enriched in brain）具有GTP酶活性，在哺乳動(dòng)物中的活性狀態(tài)為Rheb-GTP，是mTOR的的正調(diào)節(jié)物。有活性的TSC1/2復(fù)合體可以特異性的促進(jìn)mTORC1直接上游激活因子Rheb-GTP向Rheb-GDP轉(zhuǎn)換，從而抑制mTORC1的激酶活性，進(jìn)而引起細(xì)胞內(nèi)合成代謝（同化作用）的減慢，異化作用隨之適當(dāng)增強(qiáng)，從而抑制細(xì)胞生長(zhǎng)增值，發(fā)揮其腫瘤抑制功能。endprint

mTOR的兩個(gè)典型的下游效應(yīng)器為S6Ks（ribosomal protein S6 kinases）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(dòng)物中包括分別編碼兩種基因編碼的S6K1、S6K2蛋白。mTOR通過(guò)磷酸化兩種蛋白而影響著蛋白的合成和細(xì)胞的生長(zhǎng)；4E-BP1（the eIF4E-binding protein 1）作為eIF4E的抑制蛋白，對(duì)翻譯的起始和蛋白翻譯起著重要的作用。

2.3mTOR信號(hào)通路與細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控

mTORC1信號(hào)通路基本功能是感受營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)，近年的研究已將mTORC1與干細(xì)胞[8]，胚胎及幼體發(fā)育與生長(zhǎng)[9]，進(jìn)食、營(yíng)養(yǎng)與肥胖[10～12]，免疫細(xì)胞分化[13]，衰老[14]等動(dòng)物生理和病理過(guò)程聯(lián)系在一起，mTOR蛋白激酶作為在進(jìn)化上保守的協(xié)調(diào)器調(diào)節(jié)著基本的生物加工過(guò)程[6，15]。

細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜過(guò)程，它不僅受到時(shí)間和空間的限制，還受到營(yíng)養(yǎng)條件和細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境條件的影響。盡管目前對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)和細(xì)胞周期是如何協(xié)調(diào)的機(jī)制了解得還很少，但它已經(jīng)成為了現(xiàn)代細(xì)胞生物學(xué)的研究重點(diǎn)，同時(shí)也取得了許多重大進(jìn)展。

3TSC2和mTOR信號(hào)通路

許多研究表明，TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）/mTOR（mammalian TOR）級(jí)聯(lián)信號(hào)通路在細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。TOR（target of rapamycin）首先在酵母中發(fā)現(xiàn)，在胞內(nèi)作為Ser/Thr 激酶而起作用。隨后在哺乳動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)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(xiàn)統(tǒng)稱為mTOR（mammalian target of rapamycin）。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，rapamycin 處理可使細(xì)胞形態(tài)變小，而mTOR 信號(hào)的重建可以拯救這種縮小的細(xì)胞形態(tài)表型[16]。

TSC2 是一種GTPase 激活蛋白（GTPase-activating protein，GAP），在細(xì)胞內(nèi)與TSC1形成穩(wěn)定的功能復(fù)合體TSC1/TSC2而發(fā)揮作用，是細(xì)胞生長(zhǎng)的負(fù)調(diào)節(jié)因子，和Rheb（Ras homolog enriched in brain）一起共同調(diào)節(jié)mTOR信號(hào)通路的活性，進(jìn)而調(diào)節(jié)下游S6K1和4EBP1兩個(gè)效應(yīng)分子，調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)。TSC1/TSC2復(fù)合物可以整合來(lái)自營(yíng)養(yǎng)及能量等多種刺激的信號(hào)，是一個(gè)重要的信號(hào)匯聚點(diǎn)。TSC2本身具有多個(gè)潛在的絲氨酸和酪氨酸磷酸化位點(diǎn)，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(jiàn)TSC2被酪氨酸激酶磷酸化的報(bào)道。近年的研究表明，在TSC2/TSC1復(fù)合體中還存在有其它蛋白，對(duì)TSC2/TSC1復(fù)合體的成分和功能研究取得了新進(jìn)展。

4FAK 和TSC2/mTOR的關(guān)系

FAK參與了包括經(jīng)典的整合素介導(dǎo)的通路在內(nèi)的多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，它是胞內(nèi)外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的中樞。目前已經(jīng)證明，F(xiàn)AK在大腦等多種成體組織中都有表達(dá)并具有重要的作用，同時(shí)影響胚胎發(fā)育。在整個(gè)胚胎發(fā)育過(guò)程中都有FAK表達(dá)，缺失了FAK基因的小鼠在早期胚胎時(shí)便可致死。FAK-/-的中胚層細(xì)胞的遷移速率只有正常胚胎細(xì)胞的一半。近年來(lái)的研究已經(jīng)表明FAK可以調(diào)控細(xì)胞的錨定、遷移、惡變、凋亡等過(guò)程，且與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)[18～22]。然而，F(xiàn)AK對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)的調(diào)控卻并不清楚。因此，對(duì)FAK及其信號(hào)通路的深入研究有助于對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖等機(jī)制的了解。

FAK信號(hào)通路和mTOR信號(hào)通路都在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、遷移和凋亡中發(fā)揮著重要作用，并且都能感知胰島素、生長(zhǎng)因子及環(huán)境脅迫等信號(hào)刺激，兩條信號(hào)通路之間可能存在著相互聯(lián)系。FAK和mTOR信號(hào)通路的關(guān)系，目前有兩種模式：1）已經(jīng)證明，F(xiàn)AK可以通過(guò)PI3K/AKT通路與mTORC1相關(guān)聯(lián)并在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，F(xiàn)AK作為重要的胞質(zhì)酪氨酸激酶，可以與多個(gè)蛋白分子形成多聚體，介導(dǎo)信號(hào)傳遞過(guò)程；2）FAK可能通過(guò)與TSC2的相互作用激活mTOR信號(hào)通路。TSC2是胞內(nèi)信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)中的重要蛋白分子，可以整合多種上游信號(hào)的傳遞，F(xiàn)AK與TSC2二者之間存在形成多聚體，通過(guò)相互作用傳遞上游信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞生理的可能性。 2006年，Boyi Gan等人通過(guò)細(xì)胞內(nèi)共表達(dá)和免疫共沉淀技術(shù)證明了這種可能，即FAK與TSC2可以形成蛋白多聚體，進(jìn)而通過(guò)mTOR信號(hào)通路激活S6K1[23]。這是迄今為止國(guó)內(nèi)外唯一關(guān)于FAK與TSC2相互作用并激活mTOR信號(hào)通路的報(bào)道。

5展望

盡管目前對(duì)于FAK與mTOR信號(hào)通路的研究取得了重要的進(jìn)展，但仍還存在著許多亟待解決的有關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)途徑的科學(xué)疑問(wèn)。FAK和mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖、遷移和凋亡中發(fā)揮著怎樣的作用，又怎樣感知胰島素、生長(zhǎng)因子及環(huán)境脅迫等信號(hào)刺激，兩條信號(hào)通路之間又存在著什么聯(lián)系，這些可能是不久的將來(lái)該領(lǐng)域所要面臨的主要挑戰(zhàn)。

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