PI3K/AKT/mTOR信號通路在細胞自噬中作用及機制的研究進展

施誠龍，陳沖，高永軍，徐蔚

昆明醫科大學第二附屬醫院神經外科，昆明650101

細胞自噬是一種吞噬自身細胞質蛋白或細胞器使其包被進入囊泡催化分解的循環過程。細胞利用自噬適應環境變化，根據不同的活性氧（ROS）水平的變化選擇細胞存活或死亡［1］。細胞自噬是細胞應對內質網應激、缺氧、氧化應激以及調節細胞周期和凋亡過程所必需的，絕大多數細胞中都在發生著有利于生長存活的基礎水平的自噬［2］。細胞自噬反應由Unc-51樣激酶（ULK）復合體啟動，ULK復合體受mTOR抑制，故細胞自噬反應可被磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途徑所調節［3］。PI3K/AKT/mTOR信號通路已被證實是細胞調節細胞自噬的主要通路，mTORC直接參與調節主要細胞自噬蛋白的活動，其上游調控因子只有PI3K/AKT軸，它能夠整合來自細胞環境的信號通路，最終調節細胞自噬反應［4］。細胞自噬異常參與多種疾病包括腫瘤的發生發展過程。為尋找腫瘤更多的治療靶點，有必要明確PI3K/AKT/mTOR信號通路在細胞自噬中的分子機制。近年，研究者對PI3K/AKT/mTOR信號通路在細胞自噬反應中的調節作用及機制進行了探討，現將其研究進展綜述如下。

1 PI3K在細胞自噬中的作用及機制

PI3K能夠磷酸化細胞內的肌醇脂質，調節細胞間信號傳導和細胞內的囊泡運輸。根據其序列同源性和底物特異性可分為三類，Ⅰ類PI3K產生3-磷酸肌醇脂質并直接激活信號轉導通路。Ⅱ類和Ⅲ類PI3K調節胞內循環和自噬途徑中的膜運輸，對細胞信號轉導有間接影響。Ⅰ類PI3K是p110催化亞基與p85調節亞基形成的復合體的異源二聚體，根據編碼基因的不同，可分為p110α催化亞基和p110β催化亞基，其在細胞自噬中的作用也不同。

1.1 p110α與p110α催化亞基相關的Ⅰ類PI3K通過NF-E2 P45相關因子2-抗氧化劑反應元件（Nrf2-ARE）依賴的途徑促進細胞的抗氧化機制，從而將ROS水平限制在理想范圍內［5］。PI3K蛋白對抗氧化系統的促進作用可以防止ROS的積累，避免細胞自噬機制的激活。在PI3K和Nrf2缺乏的環境中，當氧化應激增加時，主要細胞自噬蛋白如Be?clin-1和ATG7的水平上升［6］。細胞自噬基因ATG7的缺失可以使細胞自噬適配蛋白核孔蛋白p62通過隔離Nrf2抑制劑Kelch樣ECH相關蛋白1來促進Nrf2的激活，從而促進PI3K-Nrf2對抗氧化應激［7］。除了Nrf2介導的作用外，PI3K蛋白還能夠激活AKT進而使AKT蛋白執行大部分與Ⅰ類PI3K蛋白的p110α催化亞基相關的抑制細胞自噬作用［8］。由上可知，p110α可以通過Nrf2-ARE依賴的途徑促進細胞的抗氧化系統，防止ROS的積累，將ROS水平限制在理想范圍內，同時可激活AKT蛋白，起到抑制細胞自噬的作用。

1.2 p110β與p110α亞基不同，由PIK3CB基因編碼的Ⅰ類PI3K的p110β亞基具有促進細胞自噬作用。p110β亞基具有獨立的激酶和細胞自噬活性，激酶活性作用于AKT，細胞自噬活性通過與RAS相關蛋白5（Rab5）的相互作用實現［9］。用ROS促進劑處理PI3KCB基因缺陷的細胞時，無任何細胞自噬反應發生，說明在ROS的作用下是p110β亞基啟動的細胞自噬反應［10］。PI3K p110β-Rab5復合體中，Rab5保持其GTP結合的活性形式，活性的Rab5可以與Vps15/Vps34形成復合體，從而啟動細胞自噬［9］。PI3K的調節亞基p85保持與Rab5結合并使其處于非激活狀態，當ROS水平較高時，p85優先與PTEN蛋白結合而使催化亞基p110β與Rab5結合，導致細胞自噬增加［10］。p110β亞基發揮其促細胞自噬作用的另一個途徑是激活轉錄因子家族叉頭盒蛋白O（FoxO），FoxO參與促進細胞自噬相關蛋白的表達［11］。由上可知，當ROS水平較高時，p110β可以通過與Rab5結合，促進細胞自噬，以適應ROS水平的增加，同時可激活FoxO，起到促進細胞自噬的作用。

2 AKT在細胞自噬中的作用及機制

FoxO1蛋白可以進入細胞質與ATG7等細胞自噬蛋白結合并支持其激活，AKT介導的FoxO3活性抑制作用阻礙了FoxO1蛋白的表達，從而阻礙細胞自噬的啟動；FoxO蛋白可以通過調節組蛋白和miR?NAs來促進細胞自噬，從而在表觀遺傳水平上發揮作用，AKT介導的FoxO活性抑制作用影響FoxO蛋白的下游表觀遺傳作用［12］。AKT的活性需要中等水平的ROS存在，ROS水平的升高同時也下調了FoxO蛋白的表達，從而抑制細胞自噬的發生。另外，AKT通過誘導轉錄因子激活蛋白1（AP-1）家族的表達來達到抑制細胞自噬的目的。AP-1家族包括轉錄因子Jun-B和原癌基因c-Fos等蛋白質，這些蛋白質可以抑制細胞自噬基因的表達從而抑制細胞自噬［13］。由上可知，AKT可以通過抑制FoxO轉錄因子的活性使細胞自噬基因的表達下調，同時ROS水平的升高也下調了FoxO蛋白的表達，起到抑制細胞自噬的作用。

AKT除了在轉錄水平上調控細胞自噬外，還參與了幾種細胞自噬蛋白的調控關系。研究發現，AKT具有獨立于mTORC1抑制細胞自噬的能力，只有在雷帕霉素、PI3K和細胞自噬抑制劑的混合物中加入AKT抑制劑，才能完全阻斷細胞自噬［14］。AKT在S774處磷酸化細胞自噬啟動蛋白ULK1，使其構象改變，并調節其在細胞內的位置，導致其失活；在S295處磷酸化另一種細胞自噬蛋白Beclin-1，導致其失活，從而抑制了Beclin-1-PI3K復合體的形成過程，阻止細胞自噬過程。在S295位點，使用AKT抑制劑和上調PTEN可以阻止Beclin-1的磷酸化。由上可知，AKT可以通過磷酸化ULK1、Beclin-1等細胞自噬蛋白使其失活，起到抑制細胞自噬的作用。

3 mTOR復合體在細胞自噬中的作用及機制

mTOR包括mTORC1、mTORC2，二者均可在細胞自噬中起重要作用。mTORC1參與能量代謝和細胞生長的調控以及感知環境的變化。在氧氣、能量和生長因子充足等環境下mTORC1激活進而上調核苷酸、蛋白質和脂肪的合成，并抑制細胞自噬，促進生物量的積累和細胞生長等細胞過程。酸性、營養缺乏等環境會抑制mTORC1的活性，促進細胞自噬的啟動。mTORC2由生長因子激活，重點參與調控細胞骨架的重建和細胞存活。mTOR作為一種調節蛋白，mTORC1和mTORC2都參與細胞自噬調節并起到維持細胞合成代謝和分解代謝過程之間的動態平衡的作用。

3.1 mTORC1在有利于細胞生長的ROS水平下，AKT激活mTORC1，復合體中的mTOR蛋白進行ULK1和ATG13蛋白的失活磷酸化，從而抑制ULK1復合體和Beclin-1復合體的形成，抑制細胞自噬。mTOR1在S3、S223、T233、S383和S440處磷酸化ATG14，磷酸化的ATG14在與Beclin-PI3K復合體結合時阻礙了Ⅲ類PI3K蛋白的激活，從而影響Beclin-PI3K復合體的功能，抑制細胞自噬［15］。mTORC1在S113和S120處磷酸化蛋白質核受體結合因子2（NRBF2），NRBF2通過阻止Beclin-PI3K復合體的形成和降低磷脂酰肌醇3-磷酸的水平，激活mTORC1，從而抑制細胞自噬過程［16］。當細胞營養達到低水平時，ROS水平升高，激活mTOR1抑制蛋白AMPK，抑制mTORC1的活性，使NRBF2蛋白能夠結合到Be?clin1-ATG14復合體上，并同時附著在PIK3C3-PIK3R4復合體上，NRBF2與這兩個配合體的結合使其能夠相互作用，促進細胞自噬的啟動［16］。由上可知，在有利于細胞生長的ROS水平下，mTOR1可以通過磷酸化ULK1、ATG13、ATG14及NRBF2等蛋白，起到抑制細胞自噬的作用；當細胞ROS水平升高，mTORC1的活性受到抑制，促進細胞自噬的啟動。

mTORC1可以磷酸化與細胞自噬小體的形成和成熟過程相關的蛋白，如組蛋白乙酰轉移酶（p300）和WD重復結構域磷脂酰肌醇相互作用蛋白2（WI?PI2）等。mTORC1可使p300磷酸化，進而催化微管相 關 蛋 白1輕 鏈3（LC3）的 乙 酰 化，使LC3失活［17］。mTORC1可使WIPI2磷酸化，進而使其泛素化，隨后通過蛋白水解所降解，抑制其與ATG12-ATG5-ATG16L1復合體之間相互作用所參與的細胞自噬泡膜的發育和線粒體內穩態維持［18］。由上可知，mTORC1可以通過對上述這些蛋白特殊位點的選擇性磷酸化，從而抑制參與細胞自噬小體形成和成熟過程的相關蛋白，起到抑制細胞自噬的作用。

轉錄因子EB/轉錄因子E3（TFEB/TFE3）可以提高溶酶體跨膜蛋白、ATP酶、溶酶體水解酶的表達水平，促進溶酶體的生物合成，導致溶酶體分解代謝活性增強，驅動溶酶體胞吐作用，抑制TFEB/TFE3蛋白會抑制溶酶體和細胞自噬小體的發生和清除［19］。在細胞基礎ROS水平下，mTORC1可以在S211、S122和S142處磷酸化TFEB，在S321處磷酸化TFE3，并使14-3-3蛋白與磷酸化的TFEB/TFE3結合，從而將其隔離在細胞質中，通過泛素化將其降解，抑制細胞自噬。當細胞營養物質缺乏時，代謝壓力的增加會提高ROS水平，從而激活AMPK，使mTORC1失活，AMPK促進TFEB的去磷酸化和核運輸以響應代謝壓力，啟動細胞自噬過程［20］。由上可知，在細胞基礎ROS水平下，mTORC1可以調控TFEB/TFE3的活性，在轉錄水平上起到抑制細胞自噬的作用；當細胞ROS水平升高，mTORC1的活性受到抑制，啟動細胞自噬過程。

3.2 mTORC2 mTORC2是mTOR參與細胞自噬調節的第二個復合體，在抑制細胞自噬和促進細胞自噬方面都有作用。mTORC2在S473處磷酸化AKT從而刺激其激酶活性，AKT通過進一步激活mTORC1進而抑制細胞自噬［4］。mTORC2可以通過絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶sgk1（SGK1）蛋白，以非AKT依賴性的方式抑制細胞自噬，mTORC2能夠在特殊位點使SGK1磷酸化，導致其激活，mTORC2/SGK1通路可以抑制線粒體ROS的釋放，從而避免細胞內因ROS水平的升高引起的細胞自噬和細胞自噬相關蛋白參與的凋亡［21］。mTORC2/SGK1通路還能夠以Nrf2依賴的方式維持氧化還原穩態，使細胞氧化應激得到緩解，促進細胞存活［22］。SGK1的下游靶點之一是FoxO3，FoxO3的磷酸化導致其滯留在細胞質中，抑制細胞自噬［21］。mTORC2/SGK1通路的另一個下游靶點是線粒體膜外電壓依賴性陰離子選擇通道蛋白1（VDAC-1），抑制mTORC2/SGK1通路可以抑制VDAC-1孔蛋白閉合，導致線粒體膜電位的紊亂以及超氧陰離子和細胞色素c等線粒體成分的釋放［23］。在應激條件下，mTORC2與細胞自噬的關系發生改變。VDAC-1是一種ROS感受器，上調VDAC-1的表達，可以觸發ROS從線粒體外流，誘導細胞自噬。由上可知，在不同的ROS水平下，mTORC2既 可以 在S473處 磷酸化AKT來 激活AKT抑制細胞自噬，又可以通過誘導細胞自噬來促進細胞衰老。

綜上所述，PI3K/AKT/mTOR信號通路在細胞自噬中發揮重要作用。PI3Kα催化亞基通過Nrf2-ARE依賴的途徑及激活AKT蛋白對細胞自噬起抑制作用，PI3Kβ催化亞基通過與Rab5結合及激活FoxO對細胞自噬起促進作用。AKT通過激活mTORC1和抑制FoxO及ATG的表達對細胞自噬起抑制作用。mTOR1通過磷酸化ULK1、ATG13、ATG14、NRBF2及與細胞自噬小體的形成和成熟過程相關的蛋白p300、WIPI2等以及調控TFEB/TFE3的活性對細胞自噬起抑制作用，mTORC2既可以通過SGK1蛋白抑制細胞自噬，又可以通過上調VDAC-1的表達促進細胞自噬。將ROS水平在一定限度內提高，使其促進AMPK的激活及mTOR的失活，利用細胞自噬作為癌細胞的死亡機制，或許能延緩癌癥及其他疾病的進展并為臨床靶向藥物治療的研究提供新思路。