尹承龍勞學軍

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PI3K-AKT-mTOR信號通路的研究進展

尹承龍①勞學軍①

【摘要】PI3K-AKT-mTOR信號轉(zhuǎn)導通路是哺乳動物腫瘤免疫中重要的信號通路，在多種惡性腫瘤的演變過程中發(fā)揮了極其重要的作用。近幾年來，隨著腫瘤分子生物學的發(fā)展，惡性腫瘤的靶向治療成為研究熱點，通過研究探討PI3K-AKT-mTOR信號通路在腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中的信號轉(zhuǎn)導機制，聯(lián)合多種抑制劑或者尋找作用于多種信號通路、多靶點的新藥，對于腫瘤的靶向治療有重要意義。

【關鍵詞】PI3K-AKT-mTOR； 信號轉(zhuǎn)導； 腫瘤； 抑制劑

①暨南大學附屬第一醫(yī)院 廣東 廣州 510000

惡性腫瘤嚴重危害人類健康，隨著社會、經(jīng)濟的發(fā)展以及人口老齡化的加劇，我國大多數(shù)惡性腫瘤發(fā)病率、死亡率呈明顯上升趨勢。與此同時，隨著人們對惡性腫瘤的研究不斷深入，越來越多腫瘤信號通路被發(fā)現(xiàn)，其中PI3K-AKT-mTOR信號轉(zhuǎn)導通路是哺乳動物腫瘤免疫中的重要信號通路，此信號通路對于調(diào)節(jié)細胞的生長、增殖、自噬以及凋亡有著重要的作用。

1 PI3K-AKT-mTOR 信號通路的組成

在各種生物體中，細胞之間相互識別及相互作用，都是通過細胞信號的傳導來實現(xiàn)，細胞信號轉(zhuǎn)導指細胞通過細胞膜或者胞內(nèi)相應受體感受信息分子刺激，通過細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換，從而引發(fā)一系列生物化學反應及蛋白相互作用，直到細胞生理反應所需基因表達開始、各種生物學效應形成。

1.1 磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K） PI3K存在于細胞質(zhì)中，具有蛋白激酶及磷脂激酶的雙重活性。PI3K包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，Ⅰ型的底物主要為磷脂酰肌醇（PI）、3-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）及3，4-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）；Ⅱ型的底物主要為PI及PIP，Ⅲ型的底物主要為PI，但是只有Ⅰ型PI3K與腫瘤形成有著密切關聯(lián)[1-2]。Ⅰ型PI3K包括IA和IB亞型，它們從酪氨酸激酶連接受體、G蛋白連接受體進行信號傳遞，IA型PI3K由調(diào)節(jié)亞基（P58）和催化亞基（P110）組成，其中調(diào)節(jié)亞基（P58）包含SH2、SH3兩個重要結(jié)構(gòu)域，在正常情況下P58與P110結(jié)合導致PI3K失活。PI3K的激活有兩種方式，一種是與包含磷酸化酪氨酸殘基的生長因子受體相互作用導致二聚體構(gòu)象發(fā)生改變而被激活：細胞受某些生長因子刺激后，磷酸化的絡氨酸殘基與SH2結(jié)構(gòu)域相互作用，進而解除P58對P110的抑制作用[3]。另一種是通過Ras和P110直接識別并結(jié)合導致PI3K活化。PI3K激活后會導致3，4-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）轉(zhuǎn)變?yōu)?，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3），PIP3作為第二信使可以與細胞內(nèi)含有PH結(jié)構(gòu)域的AKT信號蛋白相互結(jié)合，導致AKT轉(zhuǎn)位于細胞膜上并獲得相應的催化活性進行下一步的信號轉(zhuǎn)導。

1.2 蛋白激酶B（AKT/PKB） AKT/PKB是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，AKT家族主要包括3種亞型，即AKT1、AKT2和AKT3，三者之間密切相關，它們對調(diào)控細胞的生長、增殖、存活及代謝起著極其重要的作用[4]。AKT1可以促進細胞的增殖和存活；AKT2主要參與胰島素對糖類物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)；AKT3對細胞大小及數(shù)目起著重要調(diào)節(jié)作用[5]。AKT 是PI3K下游的關鍵蛋白，存在于胞漿中，AKT包括PH結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，PH結(jié)構(gòu)域缺失或者突變會引起AKT的活性降低、失活。PI3K激活后生成PIP3與AKT的PH結(jié)構(gòu)域相互識別作用，導致AKT從胞漿轉(zhuǎn)位于胞膜，同時AKT的構(gòu)象發(fā)生改變，暴露蘇氨酸蛋白、絲氨酸蛋白，PIP3與AKT的PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合在PDK1的作用下蘇氨酸蛋白發(fā)生磷酸化，同時在PDK2的作用下絲氨酸蛋白發(fā)生磷酸化，當二者全部磷酸化后AKT才被激活[6]。激活的AKT由細胞膜轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)或細胞核內(nèi)，進而繼續(xù)靶向調(diào)控下游信號分子，如mTOR、Bad、胱天蛋白酶9、周期蛋白D1、核轉(zhuǎn)錄因子KB（NF-KB）等[7]。

1.3 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR） mTOR是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，PI3K的催化區(qū)域與mTOR的羧基末端具有高度同源性，因此屬于磷脂酰肌醇激酶相關激酶（PIKK）家族[8]，mTOR是多條信號通路匯合的樞紐，通過對信號的整合對細胞的生長、周期及營養(yǎng)代謝進行調(diào)節(jié)。mTOR主要包括5個結(jié)構(gòu)域：HEAT重復序列、FAT、FRB、NRD及FATC結(jié)構(gòu)域。FAT通過與mTOR分子末端的FATC相互作用形成一個空間結(jié)構(gòu)，從而暴露出mTOR催化域；FRB與FKBP12-雷帕霉素復合物相互作用；NRD是mTOR的負性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域；mTOR的活性與FATC有著密切聯(lián)系，F(xiàn)ATC結(jié)構(gòu)域中任何一個氨基酸殘基的缺失都導致mTOR催化能力的喪失[9]。在哺乳動物中，mTOR以mTORC1、mTORC2復合物的形式存在：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1（mTORC1）由mTOR和raptor蛋白相互結(jié)合形成，主要促進合成代謝、限制分解代謝，調(diào)控細胞生長、增殖和存活[10]；哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物2（mTORC2）由mTOR和rictor蛋白相互結(jié)合形成，通過對小GTP酶Rho、Rac的作用，提高蛋白激酶C（PKC）磷酸化水平，進而調(diào)控肌動蛋白細胞骨架[11]。研究表明兩種復合物的活性受不同信號傳導通路調(diào)節(jié)，尚未發(fā)現(xiàn)mTORC2具有雷帕霉素敏感性[12]。AKT可以激活mTORC1，同時下游產(chǎn)物S6K1對AKT進行負反饋調(diào)節(jié)，但是激活的mTORC2對AKT發(fā)揮正反饋調(diào)節(jié)作用，因此AKT可以激活下游mTOR通路，同時被下游的mTOR進行反饋調(diào)節(jié)[13]。mTOR信號傳導主要通過PI3KAKT-mTOR途徑激活，進一步調(diào)控下游蛋白，對細胞生長、增殖、凋亡、自噬及細胞周期等多種生理功能發(fā)揮凋控作用。

2 PI3K-AKT-mTOR信號通路與細胞調(diào)控

跨膜的酪氨酸激酶在生長因子、細胞因子等刺激因子的作用下被激活，從而招募PI3K的p85亞基，進一步把信號傳遞給P110亞基，最終激活PI3K，PI3K激活后把PIP2轉(zhuǎn)化為PIP3，這一過程受PTEN的負性調(diào)控，PTEN具有蛋白磷酸酶和脂質(zhì)磷酸酶雙重活性，主要通過后者發(fā)揮抑癌功能。PTEN導致PI3K的D3位去磷酸化生成PIP2，介導PI3K-AKT信號通路的負性調(diào)節(jié)作用[14]。生成的PIP3作用于下游信號分子AKT，使其從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細胞膜上，同時血小板-白細胞C激酶與PIP3在細胞膜上相互結(jié)合，導致AKT構(gòu)象改變，同時在PDK1的作用下使Thr308磷酸化，PDK2的作用下使Ser743磷酸活化，二者的共同活化使AKT激活，被激活的AKT一方面對下游靶蛋白進行磷酸化而抑制細胞凋亡[15]；另一方面抑制蛋白水解酶Caspase-9的活性，阻止凋亡級聯(lián)反應的激活。此外，AKT通過對p53上的結(jié)合蛋白MDM2磷酸化而促進p53蛋白降解，進而影響細胞存活[16]。mTOR 是AKT的下游信號分子，結(jié)節(jié)性腦硬化復合物-1 （TSC-1）和TSC-2形成二聚體復合物抑制小GTP 酶Rheb，mTOR的活化需要刺激蛋白Rheb，因此TSC-1/TSC-2復合物的形成抑制了mTOR的功能。但是活化的AKT可以抑制TSC-1/TSC-2復合物的形成，而解除其對mTOR的抑制功能，使mTOR激活；AKT也可以直接作用于mTORC1使mTOR激活[17]。激活的mTOR被磷酸化后對其兩個下游分子進行調(diào)控；核糖體S6蛋白激酶（S6K）、真核生物啟動因子4E結(jié)合蛋白1（4E-BP1），對特定的mRNA翻譯及蛋白質(zhì)合成進行調(diào)控。P70S6K可以使核糖體S6蛋白發(fā)生磷酸化，從而促進核糖體蛋白的合成；4E-BP1與真核細胞翻譯起始因子（elF-4E）結(jié)合發(fā)揮抑制作用，從而抑制翻譯的進行，活化的mTOR使4E-BP1發(fā)生磷酸而失活，導致與elF4E結(jié)合能力下降，進而啟動蛋白質(zhì)的翻譯過程[18]。

PI3K-AKT-mTOR信號通路的激活與腫瘤的發(fā)生緊密相關，它可以加速細胞周期進行、抑制細胞凋亡、促進腫瘤細胞遷移。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）來實現(xiàn)對細胞周期的調(diào)控，激活的AKT可以促進cyclinD1的降解，加快G1-S期的進程，進而促進細胞增殖。此外，AKT激活后直接抑制p21，解除p21對細胞周期蛋白激酶復合物（cyclinD1-CDK4-CDK6）形成的抑制作用，進而使視網(wǎng)膜母細胞瘤抑制蛋白（pRb）磷酸化失活，最終促進細胞由G1期向S期轉(zhuǎn)換[19]。另外，AKT激活后可以直接激活下游信號分子mTOR，活化的mTOR導致下游分子4E-BP1、P70S6K的激活，從而加快mRNA的轉(zhuǎn)錄[20]。細胞凋亡是控制機體細胞過度增殖的一種正常細胞功能，PI3K-AKT-mTOR信號通路的激活抑制細胞凋亡，促進細胞的生存，Bad屬于Bcl-2家族成員之一，可與Bcl-2或BclxL形成復合體而加快細胞凋亡，活化的AKT可以磷酸化Bad的Serl36位點，從而抑制Bad與Bcl-2 或Bcl-xL形成二聚體，進而抑制Bad的促細胞凋亡作用。半胱天冬酶caspase-9是細胞凋亡的啟動者和效應者，活化的Akt可以磷酸化caspase-9 Serl96位點而導致其失活，抑制其促細胞凋亡作用[21]。此外，P53通過介導DNA損傷促進細胞凋亡，P53的功能受到泛素連接酶（mdm2）調(diào)節(jié)，當P53蛋白與mdm2結(jié)合后，會導致P53的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)功能失活，活化的AKT通過磷酸化mdm2上調(diào)泛素連接酶的活性，進而促進P53的失活與降解，阻斷P53介導的促凋亡轉(zhuǎn)錄反應[22]。大量新生血管的生成是腫瘤生長的重要條件，對于腫瘤的生長、遷移起著重要作用，有研究表明，血管內(nèi)皮生長因子（vEGF）的內(nèi)皮信號傳遞可以通過PI3K介導，引起內(nèi)皮細胞的黏附、遷移[23]。另外，AKT激活后可以直接與內(nèi)皮型一氧化氮合酶相互作用，刺激內(nèi)皮細胞增殖，提高血管的通透性，促進血管的生成。AKT激活后磷酸化糖原合成酶激酶從而下調(diào)E-鈣黏素的表達，導致細胞間黏附因子減少，從而增加了腫瘤細胞的運動性及侵襲性。

3 PI3K-AKT-mTOR信號通路的免疫抑制劑抗腫瘤調(diào)節(jié)

PI3K-AKT-mTOR信號轉(zhuǎn)導通路的激活可以導致腫瘤細胞耐藥性增加，抑制腫瘤細胞的凋亡，促進腫瘤細胞存活。因此PI3K-AKT-mTOR信號通路抑制劑對腫瘤的治療有著重要作用。目前來說PI3K-AKT-mTOR信號通路抑制劑主要包括PI3K抑制劑、AKT抑制劑、mTOR抑制劑和雙重抑制劑四類。P13K抑制劑的作用機制是促進腫瘤細胞凋亡，提高化療藥物對腫瘤細胞的敏感性[24]。主要包括LY294002和渥曼霉素（Wortmannin），其中LY294002作用于AKT，降低AKT磷酸化水平，進而抑制腫瘤的血管生成及腫瘤生長，并且LY294002的化學性質(zhì)穩(wěn)定，所以被廣泛應用于細胞生物學研究[25]。另外P13K抑制劑還包括GDC-0941、BKM120、SAR245408和PX-866，其作用機制尚在研究之中。AKT抑制劑是目前的研究熱點，被視為治療腫瘤的重要靶點，AKT抑制劑主要導致非AKT依賴的PI3K信號旁路代償性激活，進而失去對AKT下游效應分子的抑制作用。AKT抑制劑包括3類：磷脂酰肌醇類似物、ATP競爭性抑制劑和變構(gòu)抑制劑[26]。哌立福辛是目前研究最為深入的AKT抑制劑，其作用機制是下調(diào)AKT的磷酸化水平，上調(diào)抑癌基因p21表達，最終抑制腫瘤細胞的生長，促進腫瘤細胞的凋亡；研究表明選擇性AKT抑制劑GSK6-90693和GDC-0068對腫瘤細胞的生長有明顯的抑制作用[27]。mTOR抑制劑的作用機制是通過阻斷mTORC1來干擾PI3K-AKT-mTOR信號通路，進而起抑制作用。目前常用的mTOR抑制劑主要包括雷帕霉素、替西羅莫司（CCI-779）、依維莫司（RAD001）和AP23573，其中后三者為雷帕霉素衍生物，雷帕霉素與他克莫司結(jié)合蛋白（FKBP）相互識別作用，從而阻止P70S6K和4E-BP1磷酸化，抑制相關蛋白的轉(zhuǎn)錄翻譯[28]。另外，在S6K1的作用下雷帕霉素Serl36位磷酸化，進而使BAD與抗凋亡蛋白Bcl-xL、Bcl-2的結(jié)合減少，促進細胞的凋亡[29]。雙重抑制劑主要包括BEZ235和非瑟酮，BEZ235對PI3K和mTOR信號分子活性的抑制具有劑量依賴性；非瑟酮抑制PI3K及AKT的活性，同時抑制mTOR的活性從而下調(diào)其下游信號分子的表達，從而抑制腫瘤進展。

PI3K-AKT-mTOR信號通路的激活在惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中都發(fā)揮著重要作用，已經(jīng)成為腫瘤治療的新靶點，明確其信號轉(zhuǎn)導機制，聯(lián)合多種抑制劑或者尋找作用于多種信號通路、多靶點的新藥，對于腫瘤的靶向治療有重要意義。

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收稿日期：（2015-09-19） （本文編輯：歐麗）

通信作者：尹承龍

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.01.042