mTOR信号通路与大肠癌演进相关性的研究进展

常立功，黄培林

(东南大学医学院病理学与病理生理学系，江苏南京 210009)

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路是细胞内重要的信号传导途径，处于该通路中心位置的是mTOR。mTOR广泛存在于生物界中，其本质是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，也属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶蛋白家族。mTOR信号通路由上游和下游蛋白组成。mTOR通路调节着细胞的转录、翻译、蛋白质合成以及细胞分化、增殖。大肠癌(包括直肠癌和结肠癌)是消化道最为常见的恶性肿瘤之一，其发病机制涉及遗传、环境等诸多因素。我国大肠癌的发病率具有明显上升趋势。越来越多证据表明大肠癌的发生发展与mTOR信号通路的过度激活有关。作者就mTOR信号通路与大肠癌演进的相关性作一综述。

1 mTOR的结构

1.1 mTOR的分子结构

mTOR是1991年人们研究其抑制剂雷帕霉素(rapamycin)作用机理及耐药机制时被发现的［1］。编码人类mTOR的基因位于1p36.2，其mRNA编码含有2 549个氨基酸残基的蛋白质，分子结构较为复杂，分子质量为289 kD。mTOR的结构域从氨基端到羧基端依次为HEAT重复序列FAT结构域、FRB激酶结构域、抑制性结构域NRD及FATC结构域［2］。以上结构域共同组成完整的mTOR分子，并相互协调共同完成信号传导与基因表达。

在蛋白质二级结构水平，mTOR的N端有20个重复的HEAT序列，每个HEAT含2个α螺旋，每个α螺旋有1个亲水基团和1个疏水基团［3］，这些基团协助mTOR固定于细胞膜表面。mTOR的C端是由234个氨基酸残基组成的激酶结构域，其结构与磷脂酰肌醇3-激酶的催化域相似，所以mTOR也属于P13K蛋白激酶类家族［4］。激酶结构域上游的是FRB结构域，在雷帕霉素特异性抑制mTOR中起着连接的作用。在N端FRB激酶结构域的上游是一个相对较大的FAT结构域，由560个氨基酸残基组成，在mTOR的C端最后也有一个FAT结构域，此结构域在mTOR活性稳定上起着关键作用，相关研究证实该结构域内一个氨基酸的缺失能使mTOR通路活性丧失［5］，NRD结构域位于激酶催化域和FATC结构域中间。mTOR分子的各结构域在基因表达与信号传导过程中均发挥不同的调节作用，如NRD起负性调节作用，而FATC则起正性调节作用。

1.2 mTOR的存在形式

mTOR至少以两种复合物形式存在于生物体内，根据对雷帕霉素的敏感程度不同，可分为高敏感性的mTORC1低敏感性的mTORC2。mTORC1是由mTOR、调剂mTORC1转配定位的连接蛋白raptor、mTOR抑制蛋白deptor、mTORC1复合物抑制蛋白pras40蛋白、调节mTORC1稳定性的tti1/tel2复合物以及未知功能蛋白mLST8;mTORC2除具有deptor蛋白、mLST8蛋白、tti1/tel2复合蛋白之外，还有与raptor蛋白功能类似的rictor蛋白、增强mTORC2调节SGK1活性的protor蛋白以及调节mTORC2组装和增强其与SGK1联系的mSin1蛋白。

两种复合物中均含有mLST8蛋白，其功能未知，在mTORC2中的mLST8蛋白对其全部功能的的发挥是非常必要的，但在mTORC1中mLST8蛋白对整个复合体功能的发挥不是必需的［6］。雷帕霉素抑制mTORC1的机制可能是通过与细胞内受体FK506(他克莫司结合蛋白)的小分子蛋白结合，使mTORC1完整性破坏并最终导致mTORC1活性丧失。而mTORC1的功能是调节细胞生长周期和蛋白质功能，这就是雷帕霉素用于临床肿瘤治疗的基础［7］。raptor分子质量为150 kD，其氨基端有3个HEAT重复序列［8］。raptor蛋白能将mTOR下游的靶分子如 S6K1、eIF3、4EBP1与mTOR复合物连接起来。在此过程中如生长因子、营养素等小分子物质是直接促进上下游蛋白结合的关键因素，当此类小分子存在时，可解除mLST8对mTOR与raptor复合物的限制，使得mLST8和raptor之间的结合断裂，暴露出 mTOR，从而使 P70S6K、4EBP1结合，到mTOR［9］。现有资料对 mTORC2复合物的研究较少，有研究认为该复合物可以通过磷酸化蛋白激酶通路来调节肌动蛋白细胞骨架，同时这些作用的发挥又依赖于一些营养素、氨基酸、细胞生长因子的调节［10］。新近研究表明，mTORC2可在关键的调节部位直接磷酸化Akt，从而使Akt完全激活，并在某些肿瘤的生长过程中发挥关键作用。

2 mTOR信号传导途径

2.1 mTOR的上游信号传导途径

mTOR的上游信号传导途径可以分为传统型与非传统型。传统型传导途径是PI3K/Akt/mTOR途径，mTOR主要通过该途径来实现对细胞生长、细胞周期等多种生理功能的凋控作用;非传统型的传导途径主要是LKB1/AMPK/mTOR通路，当细胞受到低能量、低氧的刺激时，会启动此通路，因此非传统的传导途径通常被认为是细胞的适应与应激。

2.1.1 传统信号传导途径——PI3K/Akt/mTOR信号通路 在传统信号通路中，PI3K可被激活的Ras通路以及一些生长因子及细胞因子如 IL-2、IL-3、EGF、CSF、胰岛素等激活［11］。这些细胞外生长因子配体与跨膜的酪氨酸激酶受体结合后，激活酪氨酸激酶受体;活化的酪氨酸激酶通过磷酸化其底物蛋白来聚集PI3K的p85亚基，最终导致PI3K的激活;活化的PI3K促进磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸转化为磷脂酰肌醇-3，4，5-，三磷酸，后者又催化磷脂酰肌醇依赖性激酶1。由于PDK-1的催化，使Akt 308位的苏氨酸磷酸化、Akt 473位的丝氨酸再被磷酸化从而使Akt完全被激活。

生理状态下，一些负性调节对PI3K/Akt/mTOR信号通路起着重要作用，例如10号染色体上缺失与张力蛋白同源的磷酸酶基因PTEN。PTEN是一个肿瘤抑制基因，它有一个蛋白酪氨酸磷酸酶结构域，通过抑制从PIP2到PIP3的转化而对PI3K下游Akt/mTOR信号通路具有负性调节功能［12］。另外还有mTOR活化所必需的刺激蛋白Rheb，由于Rheb小GTP酶的抑制剂是结节性脑硬化复合物TSC-1和TSC-2形成的二聚体复合物，所以此复合物在正常情况下可抑制mTOR的活性。但当Akt活化后，它可催化TSC-2失活，进而抑制TSC-1/TSC-2复合物的形成，导致Rheb小GTP酶对mTOR抑制性解除，最终使得mTOR被激活。

2.1.2 非传统信号传导途径——LKB1/AMPK/mTOR通路 该传导途径又称非依赖型PI3K/Akt信号通路，主要通过LKB1/AMPK/mTOR通路来调节。有研究发现，AMPK作为mTORC1能量供应的“调节剂”，因为对细胞内AMP水平的变化很敏感，在细胞中当ATP与ADP比率下降时，可以直接磷酸化并提高TSC-2的活性，促进C-1/TSC-2复合物形成，增加产能并降低耗能，C-1/TSC-2复合物形成抑制Rheb酶活性，从而间接抑制mTORC1通路的活性［13-14］。同时AMPK在ATP减少的情况下还可以直接磷酸化mTORC1，从而活化mTOR通路［15］。在哺乳动物细胞系中，某些氨基酸的代谢调节不是通过PI3K/Akt/mTOR通路来实现的，而是直接通过LKB1/AMPK/mTOR通路来调节。

mTOR通路信号通路的两种传导途径均需Rheb酶激活，而Rheb酶活性由C-1/TSC-2复合物抑制，Akt可抑制该复合物的形成从而激活 mTOR蛋白，而AMPK则可以促进C-1/TSC-2复合物的形成导致mTOR蛋白的抑制，可见C-1/TSC-2复合物具有调剂mTOR通路信号通路活性的功能，该复合物也或将成为抗肿瘤治疗的一个新的靶点。

2.2 mTOR的下游信号传导途径

上游信号传导活化后，mTOR通道被激活，并且促使磷酸化它的两个下游翻译抑制因子，即4EBP1和P70S6K，二者共同参与蛋白质的翻译调控过程［16］。

4EBP1与mTOR通路:由于其mRNA 5'端有特殊帽状结构，核糖体不能直接与mRNA相结合，而是需要翻译起始因子的帮助［17］。这个起始因子是由eIF4E、eIF4G(支架蛋白)、eIF4A(RNA 解旋酶)及eIF3形成的复合物。4EBP1磷酸化后失活，降低了与eIF4E的结合能力，解除了eIF4E和4EBP1之间的相互作用，使eIF4E与之分离，之后eIF4E与其他翻译起始因子结合通过调节mRNA编码蛋白的选择性翻译，最终启动蛋白质的翻译调节细胞周期与细胞增殖。

P70S6K与mTOR通路:P70S6K是核糖体40S小亚基S6蛋白激酶，分子质量70 kD，mTOR可以磷酸化并激活P70S6K，之后P70S6K激活S6蛋白;而S6蛋白可以提高 5'Top结构 mRNA的翻译效率［18］。P70S6K激活并促进 RPS6(核糖体蛋白 S6激酶)、40S、eIF3复合物的形成，该复合物再与eIF4E、eIF4G、eIF4A、eIF4B结合启动基因的转录，P70S6K与4EBP1一同作为mTOR通路的下游信号通路调控细胞增殖周期。

3 mTOR信号通路与大肠癌的关系

3.1 大肠癌的发病

在世界范围内，大肠癌在恶性肿瘤中排第3位，在癌症引起死亡病例中排第4位，每年有100多万的大肠癌新发病例［19］。其病因有遗传因素和环境因素两方面，随着对大肠癌发病分子机制的不断阐明，mTOR信号通路越来越受到人们的重视。

3.2 mTOR信号通路在大肠癌发生发展过程中起重要作用

在大肠癌演进过程中，mTOR信号通路的过度活化所导致的通路内各信号蛋白的高表达已被国内外学者作了较多报道，在多种肿瘤细胞中，mTOR信号通路是异常的，并导致肿瘤细胞代谢异常，Gustin等［20］认为这是肿瘤细胞的一种适应现象，这种代谢异常可以使肿瘤细胞摆脱环境因素的制约。Johnson等［21］对154例大肠癌患者检测了mTOR信号通路组成部分P85a、Akt1、Akt2等5项指标，发现癌组织中的含量均高于正常组织。Slattery等［22］对1 574例结肠癌患者和1 940例对照组进行病例对照分析发现，mTOR过表达与结肠癌的发生显著相关(OR=1.21，95%CI为1.05～1.38)。提示在大肠癌发生发展过程中确实存在mTOR信号通路的异常。

越来越多的研究表明mTOR蛋白的选择性抑制剂雷帕霉素具有抗肿瘤作用［23-24］。张燕捷等［25］体外研究发现，雷帕霉素抑制人大肠癌细胞株的生长活力、阻滞细胞周期并下调mTOR/P70S6K/4EBP1信号通路的活性。Gulhati等［26］早期研究发现，mTOR特异抑制剂RAPA(又名西罗莫司)可抑制结直肠癌的增殖。Johnson等［27］发现，mTOR 抑制剂可以降低 4EBP1、p70S6K及mTORC1磷酸化水平，抑制TOR信号通路可以抑制结直肠癌细胞的增殖。同时mTOR通路激活也多见于疾病状态(如肠道炎症)和肿瘤组织［28］。与肿瘤密切相关的多项细胞功能如细胞增殖、细胞周期、蛋白合成、细胞迁移等均受控于mTOR的凋节。可见mTOR信号通路在大肠肿瘤的发生、侵袭和转移中扮演重要角色，其与大肠癌的发生发展密切相关。

3.2.1 mTOR通路的过度激活可促进大肠癌细胞的恶性表型表达 PI3K/Akt/mTOR信号通路活化与多种肿瘤发生密切相关，它能够加速细胞周期、减少细胞凋亡并促进肿瘤细胞的迁移，这在大肠癌、脑胶质瘤、乳腺癌中早已有报道［29］。活化的PI3K可激活下游的Akt，激活的Akt使肿瘤细胞对凋亡诱导耐受、细胞生长代谢异常增加。过度活化的Akt激活其下游的底物，包括P70S6K和4EBP1，二者均是蛋白质翻译的关键转录因子，多种肿瘤相关蛋白可被 P70S6K和4EBP1选择性翻译，如糖原合成酶激酶3、6-磷酸果糖激酶-2、内皮型一氧化氮合酶，这些靶蛋白可以引起肿瘤细胞的快速增殖和细胞周期的加快，利于肿瘤的发生发展［30］。PTEN是抑制PI3K到Akt信号通路的关键环节，同时也是抑制整个mTOR信号通路的关键分子，Dowling等［31］报道 PTEN 的失活与 p-Akt、p-mTOR、p-S6K1的增加有关。这些磷酸化的激活信号促使下游P70S6K和4EBP1表达增强，从而增加肿瘤生长所必需的血管内皮生长因子、鸟氨酸脱羧酶等蛋白的表达。

3.2.2 mTOR通路的过度激也可促进大肠癌的转移正常情况下，mTORC1和mTORC2分别介导PP2AErk1、4EBP1和SGK1、FAK等参与细胞的迁移与促进肌动蛋白的重构，异常情况下，该功能则有助于肿瘤细胞的迁移。另外mTOR信号通路可通过激活p70S6K并促进HIF-1α蛋白的合成，然而后者又可增加VEGF的表达［32］。VEGF是最有效的促血管生长因子，有助于肿瘤细胞的迁移和血管通透性的增加。mTOR信号通路还可上调基质金属蛋白酶(MMP)的表达，MMP可降解细胞外基质，增强肿瘤细胞的侵袭能力，促进肿瘤细胞的转移。段思佳等［33］研究了110例大肠癌组织和20例癌旁正常组织，发现VEGF和MMP在大肠癌组织中的表达(90.7%、80.0%)明显高于癌旁正常组织(5%、10%)(P ＜0.05)，且 VEGF、MMP 的高表达量与大肠癌的发生发展及浸润转移密切相关。

4 结 语

目前，mTOR通路越来越受到人们的重视，其以不同形式存在于细胞内，调控着细胞的生长与发育，临床上常以该通路的阻滞剂作为治疗大肠癌的药物，如雷帕霉素、依维莫司等药物。大肠癌作为我国常见的恶性肿瘤，其危害性不言而喻，随着近几年基础性研究的不断深入，产生了一系列针对性较强的化疗药物。在大肠癌的发生发展过程中，mTOR通路的过度激活可导致大肠癌细胞的恶行生物学行为增加与大肠癌的转移。随着对mTOR通路更深一步的研究，阐明其作用机制，将给临床大肠癌的靶向治疗提供指导。

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