PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

柳望舒，俞 松

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院小兒矯形外科，貴州 遵義 563003)

PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路與腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展

柳望舒，俞 松

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院小兒矯形外科，貴州 遵義 563003)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)腫瘤信號(hào)通路的不斷研究，其中尤以PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路已逐漸成為研究熱點(diǎn)，胞內(nèi)磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)作為該信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中重要的介導(dǎo)分子，發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，本文就PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路的激活及其主要效應(yīng)分子的作用機(jī)制，與腫瘤及血管瘤之關(guān)系的研究進(jìn)展作一介紹。

PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路；胞內(nèi)磷脂酰肌醇-3-激酶；腫瘤；血管瘤

磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K) /蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，又稱(chēng)AKt)/雷帕霉素靶蛋白(Mamalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)通路作為腫瘤領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被證明在多種人類(lèi)腫瘤中異常激活，通路中的某些組分的突變可引起細(xì)胞轉(zhuǎn)化、調(diào)控腫瘤細(xì)胞的存活、增殖及遷移，同時(shí)，針對(duì)調(diào)節(jié)PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路參與腫瘤生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)研究也有了相應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。現(xiàn)對(duì)該信號(hào)通路的激活及主要效應(yīng)分子的作用機(jī)制，與腫瘤及血管瘤之關(guān)系等闡述如下。

1 PI3K/ AKt/ mTOR信號(hào)通路

PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路作為調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡的眾多機(jī)制之一，通路中的一個(gè)組件失調(diào)則可引起腫瘤的發(fā)生[1]。受體酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)在生長(zhǎng)因子的激活下調(diào)控PI3K/AKt信號(hào)通路的活化，這些生長(zhǎng)因子包括胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)、表皮生長(zhǎng)因子(EGF)及肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子(HGF)，通過(guò)磷酸化酪氨酸殘基激活RTK。而PI3K與磷酸化的酪氨酸殘基結(jié)合后激活PI3K的催化亞基。IA型PI3K的催化亞基p110α激活后，通過(guò)結(jié)合p85α使PI3K活化，從而進(jìn)一步磷酸化磷脂酰肌醇4，5-二磷酸(PIP2)為磷脂酰肌醇3，4，5-三磷酸(PIP3)。PIP3作為重要的第二信使和介導(dǎo)因子，通過(guò)與AKt的PH結(jié)構(gòu)域相互作用招募AKt從細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞膜上。介導(dǎo)AKT的膜轉(zhuǎn)位、磷脂酰肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphatidylinositol-dependent kinase 1，PDK1)和雷帕霉素寡蛋白復(fù)合體1(mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1)分別磷酸化Thr308位點(diǎn)和Ser473位點(diǎn)，這是AKt激活的必備條件。完全激活的AKt通過(guò)其對(duì)上下游的調(diào)控進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、凋亡等過(guò)程。與此同時(shí)，PIP3磷酸酶PTEN(Phosphatase and tensin homologue deleted on chromo-some ten)通過(guò)保持通路激活的平衡成為該通路的調(diào)控者。而激活后的AKt磷酸化結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物(TSC2)和PRAS40，使mTOR不再受抑制而活化。mTORC1復(fù)合物磷酸化核糖體S6激酶和轉(zhuǎn)錄起始因子4E(4E-BP1)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成，從而調(diào)控蛋白質(zhì)翻譯和細(xì)胞生長(zhǎng)[2]。

2 PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路中重要的介導(dǎo)分子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 PI3K PI3K由調(diào)節(jié)亞基p85和催化亞基p110組成的異源二聚體[3]。根據(jù)p110的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和底物分子的不同，PI3K可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)亞型。在PI3K家族中，關(guān)于Ⅰ型的研究最多，可分為ⅠA和ⅠB兩個(gè)亞類(lèi)，其中，ⅠA包括p110α、p110β、p110θ，能與p85亞基結(jié)合形成二聚體；ⅠB包括p110γ，不能結(jié)合p85亞基，但是能結(jié)合一接頭蛋白，該接頭蛋白分子質(zhì)量為101×103，可介導(dǎo)G蛋白的β、γ亞基而活化p110。調(diào)節(jié)亞基p85的N端有SH3結(jié)構(gòu)域和脯氨酸富集區(qū)，兩者可以相互結(jié)合，C端有2個(gè)SH2結(jié)構(gòu)與和1個(gè)能與p110結(jié)合的區(qū)域。PI3K可被G蛋白偶聯(lián)受體和酪氨酸激酶受體激活，也可被Ras蛋白激活。

2.2 AKt AKt是一種能夠通過(guò)磷酸肌醇被募集到細(xì)胞膜上而激活的絲氨酸/蘇氨酸激酶，分子量約為60KD，它與蛋白激酶A(protein kinase A，PKA)和蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)同源，是PI3K/AKt信號(hào)通路中極為重要的下游效應(yīng)分子。AKt家族中至少有AKt1、AKt2、AKt3三個(gè)亞型，也可依次稱(chēng)為PKBα、PKBβ、PKBγ。根據(jù)Sale等的研究發(fā)現(xiàn)，其中主要以AKt2/PKBβ參與下游信號(hào)分子的活化[5]。AKt的N端含有一個(gè)PH結(jié)構(gòu)域，是特異性血小板-白蛋白C激酶底物同源結(jié)構(gòu)域，可介導(dǎo)脂質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用，結(jié)合PIP3使AKt在激活過(guò)程中發(fā)生膜轉(zhuǎn)位，還可促使構(gòu)象改變，而它的突變或缺失可直接導(dǎo)致AKt活性的降低甚至喪失，因此具有十分重要的作用。

2.3 mTOR mTOR是絲氨酸/蘇氨酸磷脂酰肌醇-3-激酶相關(guān)激酶家族成員(PIKK)唯一的磷酸化蛋白底物[1]，由兩個(gè)分子量約為280kD且同源性約為70%的復(fù)合物mTORC1(mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1)和mTORC2(mammalian target of rapamycin complex2，mTORC2)構(gòu)成，其中mTORC1由 mTOR、mLST8、DEPTOR、RAPTOR和AKT1S1/PRAS40 組成，mTORC2由mTOR，mLST8，DEPTOR，PRR5，RICTOR和MAPKAP1組成。兩種復(fù)合物均可調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)，但在細(xì)胞中扮演不同角色，mTORC1對(duì)雷帕霉素敏感，可促進(jìn)mRNA翻譯、核糖體合成與細(xì)胞自噬，mTORC2對(duì)雷帕霉素不敏感，可促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期、細(xì)胞的存活、細(xì)胞骨架的重塑和代謝[6]。作為mTORC1的組成部分，mTOR是AKt的下游效應(yīng)分子，而活化的AKt可間接激活mTORC1[7]。mTORC2通過(guò)磷酸化Akt的Ser473位點(diǎn)上調(diào)PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路的活性[8]，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。

FRB(FKBP12/rapamycin-binding)域，是雷帕霉素特異性抑制mTOR時(shí)重要的結(jié)合部位，從而抑制mTOR激酶活性；FAT (the focal adhesion targeting domain)域，它能與位于C 末端的FATC (the focal adhesion targeting domain of C-terminal)域通過(guò)分子內(nèi)協(xié)同作用形成特定的空間構(gòu)象調(diào)節(jié)mTOR 激酶活性[9]。

3 PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路抑制劑

3.1 NVP-BEZ235 NVP-BEZ235是一種新型口服PI3K/mTOR雙重抑制劑[10]，其化學(xué)成分是咪唑并喹啉類(lèi)的小分子合成物，這類(lèi)復(fù)合物對(duì)Ⅰ型PI3K的四個(gè)亞類(lèi)和下游的mTOR激酶的催化活性均是一種有效且可逆的抑制劑[11]。NVP-BEZ235目前尚處于第二期臨床試驗(yàn)測(cè)評(píng)中，而越來(lái)越多的研究表明NVP-BEZ235可在廣泛的腫瘤細(xì)胞株和試驗(yàn)性腫瘤范圍內(nèi)發(fā)揮有效的抗增殖和抗腫瘤活性，且耐受性良好[12]。有報(bào)道NVP-BEZ235在前列腺癌、乳腺癌、胰腺癌和膠質(zhì)母細(xì)胞瘤等許多臨床前期模型中可抑制腫瘤的生長(zhǎng)。NVP-BEZ235誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯，但不是細(xì)胞凋亡，而NVP-BEZ235誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯主要依賴p21和p27基因的表達(dá)[13]。目前在體外研究表明，NVP-BEZ235不僅通過(guò) p-mTOR的ser2448位點(diǎn)的去磷酸化下調(diào)mTOR的活性，而且降低AKt的活性，使其Ser473位點(diǎn)磷酸化水平降低。根據(jù)腫瘤細(xì)胞的類(lèi)型，PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路抑制劑已被揭示的功能有通過(guò)組織細(xì)胞周期而抑制細(xì)胞增殖，通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡而產(chǎn)生細(xì)胞毒性[14～16]。

3.2 PI3K/mTOR雙重抑制劑與mTOR抑制劑的聯(lián)用 激活后的mTOR分別通過(guò)磷酸化轉(zhuǎn)錄起始因子4E結(jié)合蛋白1(4EBP1) 導(dǎo)致蛋白質(zhì)翻譯的起始，及核糖體蛋白S6K1上調(diào)mRNA翻譯的起始，從而使蛋白質(zhì)的合成增加[17，18]。抑制mTOR，則可使細(xì)胞周期阻滯在G1期，從而抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，并觸發(fā)其凋亡。但也有研究表明，當(dāng)雷帕霉素衍生物抑制mTORC1 時(shí)，可誘導(dǎo)一個(gè)負(fù)反饋環(huán)激活，進(jìn)而導(dǎo)致PKB磷酸化，使PI3K /AKt信號(hào)通路重新激活，并可通過(guò)PI3K /AKt信號(hào)通路重新磷酸化ERK信號(hào)通路[19]，因而單獨(dú)使用mTOR 單抑制劑易導(dǎo)致藥物抵抗。聯(lián)合使用PI3K/mTOR雙重抑制劑與mTOR抑制劑可以減弱因抑制mTORC1時(shí)產(chǎn)生負(fù)反饋?zhàn)饔茫佑行У匾种萍?xì)胞的增殖、生長(zhǎng)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡，從而達(dá)到更為明顯藥物療效。

4 PI3K/AKt/mTOR信號(hào)通路與腫瘤的關(guān)系

PI3K /AKt信號(hào)通路能夠激活細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶-2(CDK-2)和細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶 (CDK-4)，使細(xì)胞進(jìn)入S期，誘導(dǎo)DNA的合成，還可通過(guò)磷酸化CHk1的Ser280位點(diǎn)使其失活，而CHk1是細(xì)胞S期和G2/M期的限制點(diǎn)，抑制了CHk1，就可使細(xì)胞順利進(jìn)入G2/M期。目前的證據(jù)表明，AKt可積極有效地調(diào)節(jié)細(xì)胞從G2期至M期，且在上皮細(xì)胞中，G2/M期時(shí)相AKt存在高表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂[20]。而PI3K抑制劑可阻止或延緩細(xì)胞從G2期至有絲分裂的進(jìn)程，誘導(dǎo)停滯在G2期的細(xì)胞發(fā)生凋亡[20，21]。

PI3K/Akt/mTOR 通路能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)展以及參與血管形成等多種功能，是最主要的抑制細(xì)胞凋亡的信號(hào)途徑。在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中，Bad可與Bcl-2或Bcl-xl形成復(fù)合物促進(jìn)凋亡，激活后的AKt是一種高效Bad激酶，通過(guò)磷酸化Serl36位點(diǎn)阻斷其誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[22]。因此，PI3K抑制劑可抑制AKt的活性，降低其對(duì)細(xì)胞凋亡的抑制作用，進(jìn)而達(dá)到抗腫瘤的作用。

5 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路與血管瘤的關(guān)系

PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路不僅在惡性腫瘤中異常激活，在嬰幼兒血管瘤中也可表達(dá)異常。我們?cè)缦鹊难芯恳炎C實(shí)，體外培養(yǎng)的人血管瘤內(nèi)皮細(xì)胞中mTOR呈高表達(dá)時(shí)，G0/G1期比例下降，S期比例升高，細(xì)胞處于增殖狀態(tài)；用mTOR抑制劑雷帕霉素處理后，mTOR表達(dá)下調(diào)，細(xì)胞阻滯于G0/G1期，細(xì)胞生長(zhǎng)處于抑制狀態(tài)[22]。此外，在嬰幼兒血管瘤中也觀察到增殖期mTOR表達(dá)上調(diào)，而消退期則下調(diào)[23]。這些證據(jù)都表明，PI3K/Akt /mTOR 信號(hào)通路在血管瘤的病理演變中起重要作用。馬欣等[24]通過(guò)檢測(cè)BEZ235干預(yù)后的人Burkitt淋巴瘤細(xì)胞株中AKt(Thr308)、AKt(Ser473)及RPS6蛋白和基因的表達(dá)情況發(fā)現(xiàn)，BEZ235可有效地抑制細(xì)胞增殖、促進(jìn)細(xì)胞凋亡，且對(duì)細(xì)胞增殖的抑制作用呈時(shí)間-劑量依賴性，對(duì)AKt的磷酸化水平的抑制作用呈顯著的劑量依賴性。

綜上所述，PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路參與多種腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程，在促進(jìn)細(xì)胞增殖、抑制細(xì)胞凋亡中發(fā)揮著重要的作用。NVP-BEZ235是最新的PI3K/mTOR雙重抑制劑，不僅對(duì)PI3K 有著強(qiáng)烈的抑制作用，而且對(duì)mTOR 具有抑制效應(yīng)；還能有效地降低S6K1磷酸化水平[25]，為腫瘤的治療提供了新思路和新的靶點(diǎn)。但目前，該藥物仍處于臨床前期的試驗(yàn)階段，人體服用的劑量、時(shí)間以及服用后的副作用等都處于實(shí)驗(yàn)探索時(shí)期，仍需要大量的基礎(chǔ)和臨床研究工作。

[1] Paul AH，Colleen LM，Ramachandran M.Allosteric modulation of Ras and the PI3K/AKt/mTOR pathway：emerging therapeutic opportunities[J].Frontiers in Physiology，2014，(5)：478.

[2] Shikha SS，Wei NY，F(xiàn)rank A，et al.Targeting the PI3KAkt signaling pathway in gastric carcinoma A reality for personalized medicine[J].World J Gastroenterol，2015，21(43)：12261-12273.

[3] Engelman JA.Targeting PI3K signalling in cancer：opportunities，challenges and limitations[J].Nature Reviews Cancer，2009，9(8)：550-562.

[4] Yasuhiro M，Qian L，Kyoungmin P，et al.Inhibition of Insulin Signaling in Endothelial Cells by Protein Kinase C-induced Phosphorylation of p85 Subunit of Phosphatidylino- sitol 3-Kinase (PI3K)[J].Journal of Biological Chemistry，2012，287(7)：4518-4530.

[5] Sale EM，Hodgkinson CP，Jones NP，et al.A new strategy for studying protein kinase B and its three isoforms.role of protein kinase B in phosphorylating glycogen synthase kinase-3，tuberin，WNK1，and ATP citrate lyase[J].Biochemistry，2006，45(1)：213-223.

[6] Sarbassov DD，Ali SM，Sengupta S，et al.Prolonged rapamycin treatment inhibits mTORC2 assembly and Akt/PKB [J].Molecular Cell，2006，22(2)：159-168.

[7] Inoki K，Li Y，Xu T，et al.Rheb GTPase is a direct target of TSC2 GAP activity and regulates mTOR signaling[J].Genes & Development，2003，17(15)：1829-1834.

[8] Sarbassov DD，Guertin DA，Ali SM，et al.Phosphorylation and regulation of Akt/PKB by the rictor-mTOR complex[J].Science，2005，305(5712)：1098-1101.

[9] Asnaghi L，Bruno P，Priulla M，et a1.mTOR：a protein kinase switching between life and death [J].Pharmacol Res，2004，50(6)：545-549.

[10]Cheng-Xiong X，Yikun L，Ping Y，et al.The Combination of RAD001 and NVP-BEZ235 Exerts Synergistic Anticancer Activity against Non-Small Cell Lung Cancer In Vitro and In Vivo[J].PLoS One，2011，6(6)：e20899.

[11]Maira SM，Stauffer F，Brueggen J，et al.Identification and characterization of NVP-BEZ235，a new orally available dual phosphatidylinositol 3-kinase/mamm-alian target of rapamycin inhibitor with potent in vivo antitumor activity[J].Mol Cancer Ther，2008，7(7)：1851-1863.

[12]Martha MK，Aristeidis EB，Deepika P，et al.Activity of the mTOR inhibitor RAD001，the dual mTOR and PI3-kinase inhibitor BEZ235 and the PI3-kinase inhibitor BKM120 in hepatocellular carcinoma[J].Liver International，2013，33(5)：780-793.

[13]Zhenyu L，Hong M，Jiquan F，et al.Effect of the dual phosphatidylinositol 3-kinasemammalian target of rapamycin inhibitor NVP-BEZ235 against human Merkel cell carcinoma MKL-1 cells[J].Oncol Lett，2015，10(6)：3663-3667.

[14]Masuda M，Shimomura M，Kobayashi K，et al.Growth inhibition by NVP-BEZ235，a dual PI3K/mTOR inhibitor，in hepatocellular carcinoma cell lines[J].Oncol Rep，2011，26(5)：1273-1279.

[15]Oishi T，Itamochi H，Kudoh A，et al.The PI3K/mTOR dual inhibitor NVP-BEZ235 reduces the growth of ovarian clear cell carcinoma[J].Oncol Rep，2014，32(2)：553-558.

[16]Seo BR，Min KJ，Cho IJ，et al.Curcumin significantly enhances dual PI3K/Akt and mTOR inhibitor NVP-BEZ235-induced apoptosis in human renal carcinoma Caki cells through down-regulation of p53-dependent Bcl-2 expression and inhibition of Mcl-1 protein stability[J].PloS One，2014，9(4)：e95588.

[17]Gingras AC，Raught B，Sonenberg N.Regulation of translation initiation by FRAP/mTOR[J].Genes Dev，2001，15(7)：807-826.

[18]Thomas G.The S6 kinase signaling pathway in the control of development and growth[J].Biol Res，2002，35(2)：305-313.

[19]Nelson R，Dirk AH，Derek RD，et al.Characterization of an Akt kinase inhibitor with potent pharmacodynamic and antitumor activity[J].Cancer Res，2008，68(7)：2366-2367.

[20]Emma S，Joshua S，David S.A role for PI3-kinase and PKB activity in the G2M phase of the cell cycle[J].Current Biology，2002，12(11)：919-924.

[21]Elisabeth CR，Paul SS，Theresa SN，et al.Distinct cell cycle timing requirements for extracellular signal-regulated kinase and phosphoinositide 3-kinase signaling pathways in somatic cell mitosis[J].Mol Cell Biol，2002，22(20)：7226-7241.

[22]Lee DH，Szczepanski MJ，Lee YJ.Magnolol induces apoptosis via inhibiting the EGFR/PI3K/Akt signaling pathway in human prostate cancer cells[J].Cell Biochem，2009，106(6)：1113-1122.

[23]呂欣，俞松，王凱，等.mTOR、p70S6K在體外培養(yǎng)血管瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞中的表達(dá)及意義[J].中華小兒外科雜志，2012，33(2)：85-87.

[24]呂欣，俞松，王凱，等.mTOR/p70s6k信號(hào)通路在小兒血管瘤演變中的作用[J].中華小兒外科雜志，2010，31(12)：805-807.

[25]Xu CX，Li Y，Yue P.The combination of RAD001 and NVP-BEZ235 exerts synergistic anticancer activity against non-small cell lung cancer in vitro and in vivo[J].PLoS One，2011，6(6)：e20899.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：81460476，81160330)

俞松，男，教授，主任醫(yī)師，碩士生導(dǎo)師。中華醫(yī)學(xué)會(huì)小兒外科分會(huì)委員，貴州省醫(yī)學(xué)會(huì)常務(wù)理事兼副秘書(shū)長(zhǎng)。主要研究方向：小兒矯形外科、血管瘤與血管畸形的基礎(chǔ)與臨床研究。

R730.2

A

1672-6170(2016)04-0020-04

2016-05-11)