PI3K/Akt信号通路在肿瘤研究中的进展

李建，周怀君

(1.东南大学医学院,江苏 南京 210009; 2.南京大学附属鼓楼医院 妇产科,江苏 南京 210008)

磷酯酰肌醇- 3激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol 3- kinase/Protein Kinase B,PI3K/Akt)信号通路在肿瘤的发生、发展过程中发挥重要作用。该通路中相关基因和分子异常表达所致的功能获得或缺失能够引起肿瘤细胞增殖、凋亡及侵袭的异常。近年来的研究发现PI3K/Akt信号通路在多种肿瘤组织中过度表达和活化,针对该信号通路的靶向抑制剂已进入临床研究阶段,为肿瘤的基因治疗、抗肿瘤药物的研发提供新的方向。

1 磷酯酰肌醇- 3激酶(phosphatidylinositol 3- kinase,PI3K)

PI3K家族是一类特异性催化磷酯酰肌醇脂物质的激酶,广泛存在于细胞中,能被多种因子(PDGF、EGF、IGF等)激活,促进细胞的增殖、分化、黏附及迁移,抑制细胞的凋亡。根据PI3K的催化亚单位及其作用底物的不同,PI3K分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型[1],其中Ⅰ型又分为ⅠA和ⅠB两型,目前PI3K众多亚型与肿瘤生物学行为相关的研究主要集中在PI3K ⅠA型。PI3K ⅠA型又由p85α/β/γ调节亚基及p110α/β/δ/γ催化亚基异二聚体构成。其中PI3K p85α和p110β是PI3K ⅠA型中表达量最多的亚基[2]。

PI3K通过p85α的SH2区与上游酪氨酸受体激酶结合,引起p85α/p110β二聚体构象改变而被激活;此外,还可以通过Ras和p110β直接结合导致PI3K的活化[3],或者通过p110β直接与G蛋白偶联受体结合而被激活[4]。PI3K一旦被激活,其活化底物PIP2、PIP3作为第二信使,结合并激活多种细胞内的靶蛋白,形成一个信号级联复合物,通过磷酸化激活Akt,最终调节细胞的增殖、分化及迁移等。

2 蛋白激酶B(Protein Kinase B,PKB)

PKB又称Akt,是致小鼠白血病的病毒癌基因v- Akt所编码的癌蛋白在正常细胞内的同源物,是PI3K/Akt信号转导通路中重要的蛋白激酶,为PI3K下游的靶分子之一。Akt是一种Ser/Thr蛋白,多种生长因子、激素、细胞因子、PTEN的失活和Ras的激活等均可刺激Akt的活化。PI3K通过磷酸化Thr308和Ser473位点激活Akt。具体过程如下：上游分子激活PI3K,活化的PI3K催化3位上的PI(4)P和PI(4,5)P2磷酸化,分别转变成PI(3,4)P2与PI(3,4,5)P3,后两者作为Akt的配体存在于细胞膜上,募集Akt[5]。Akt被募集到细胞膜上后,可直接被PI(3,4)P2激活;而PI(3,4,5)P3则是激活磷脂酰肌醇依赖性激酶- I(PDK- 1),PDK1使Akt的Thr308磷酸化,在PDK- 2的存在下,Akt的Ser473再被磷酸化从而完全被激活。抑癌基因PTEN则是使PI3K/Akt途径中PI(4,5)P向PI(3,4,5)P的转化发生逆转,维持细胞内较低水平的PI(3,4,5)P浓度,从而抑制Akt的磷酸化,阻断Akt及其下游激酶的活化,从而影响细胞的增殖、分化、转移和凋亡。此外,也有研究证实,Akt被激活的途径也可不依赖于PI3K,胰岛素等刺激因子可通过激活钙- 钙调蛋白激酶直接磷酸化Akt的Thr308位点导致其活化;环磷酸腺苷可通过PKA激活Akt,此过程仅需要Thr308位点的磷酸化,并不需要激活PI3K[6- 7]。磷酸化的Akt激活其下游分子,参与肿瘤、炎症等调控通路。研究显示,活化的Akt可调控多个与细胞凋亡有关的家族,如促凋亡基因(Bad)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶- 9(caspase- 9)前体、I- KB激酶(IKK)、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、cAMP反应原件绑定蛋白(CREB)、大鼠肉瘤蛋白(Raf)、B淋巴细胞瘤- 2基因(Bcl- 2)家族、糖原合成酶3(GSK3)、叉头转录因子和S6蛋白激酶等,从而参与肿瘤细胞生物学行为的调控,PI3K/Akt通路的持续活化与肿瘤的发生发展密切相关[8- 10]。通过抑制肿瘤细胞的凋亡发挥作用,相关研究亦吸引众多学者致力于此类研究。Song等[11]发现,Bad蛋白主要通过与Bcl- 2或Bcl- xl形成二聚体,从而发挥促凋亡作用,而活化的Akt通过磷酸化作用使Bad与其伴侣蛋白14- 3- 3蛋白相互结合,从而阻断Bad与Bcl- 2或Bcl- xl形成二聚体,使Bad丧失促凋亡作用。Xin等[12]则发现,Akt可以磷酸化Bax等Bcl- 2家族成员,从而抑制肿瘤细胞的凋亡。另外有研究报道,促凋亡相关因子caspase- 9、叉头转录因子等有抑制肿瘤细胞凋亡的作用,而活化的Akt可以通过磷酸化caspase- 9和叉头转录因子mTOR等从而使其失活,进而发挥抗肿瘤细胞凋亡作用[13- 15]。

3 PI3K/Akt信号通路在肿瘤中的表达

PI3K/Akt信号通路在大多数恶性肿瘤中的表达都发生了改变。近年来的研究发现在多种肿瘤组织如卵巢癌、结直肠癌、淋巴瘤、胰腺癌、非小细胞肺癌、淋巴瘤及胃癌等中都有PI3K/Akt的过度表达和活化[6- 21]。Zhang等[22]通过免疫组化和荧光定量检测53例小肠腺癌及11例正常组织发现,小肠腺癌中PI3K/Akt信号通路高度活化,提示PI3K/Akt信号通路可以作为临床潜在治疗靶点。Yothaisong等[23]则发现,在胆管上皮癌中PI3K/Akt信号通路过度活化,且PI3Kp85α、mTOR的表达与肿瘤的转移能力呈正相关,Akt、mTOR磷酸化抑制剂NVP- BEZ235能显著抑制胆管上皮癌细胞株的生长及转移,这提示PI3K/Akt信号通路抑制剂有潜在抑制肿瘤生长的能力。Uegak等[24]研究发现,Akt磷酸化及PTEN缺失与子宫内膜癌发生有关,PTEN阴性、p- Akt水平升高的子宫内膜癌患者预后较差,生存率显著低于PTEN阳性的子宫内膜癌患者,提示PTEN/Akt的表达水平是判断子宫内膜癌预后一个重要因子。另一方面,该研究也证实,Akt的磷酸化水平与子宫内膜癌的病理分期、组织学分级、肌层浸润深度及淋巴结转移密切相关,这提示Akt的磷酸化可能与子宫内膜癌的进展有关。

目前研究证实PI3K/Akt信号通路在多种肿瘤中表达异常,且与肿瘤的转移、预后等密切相关。此外,PI3K/Akt信号通路还与肿瘤的耐药性有关。张劲远等[25]研究发现,PI3K- AKT信号通路可能通过促进人大肠癌hct- 8/FU耐药细胞P- 糖蛋白(P- GP)的表达,增加其对5- FU的耐药性,降低肿瘤细胞对药物的敏感性。可见PI3K/Akt信号通路在肿瘤发生、发展及治疗过程中发挥重要作用,因此,靶向该信号通路的研究越来越多,多种PI3K/Akt信号通路抑制剂应运而生。

4 PI3K/Akt信号通路抑制剂与肿瘤

PI3K/Akt信号通路在抑制肿瘤细胞凋亡，促进肿瘤细胞生长，调节细胞周期及肿瘤的血管生成、侵袭及转移方面发挥重要作用,与肿瘤的生长、血管生成、患者的预后及治疗密切相关。目前靶向PI3K/Akt信号通路各节点的抑制剂及药物吸引了众多学者的关注,相关机制及疗效方面的研究成为热点,PI3K/Akt信号通路抑制剂有较好的临床应用前景。

PI3Kp85α、p110β亚基以及下游的相关分子作为PI3K/Akt信号转导途径中重要的成员,阻断PI3K的亚基可作为阻断该信号通路的一个重要决策。PI3K的特异性抑制剂Wortmannin、LY294002可拮抗PDK活性从而阻断Akt的活化。Wortmannin作为高选择性的PI3K抑制剂,与P110β催化亚基结合而不可逆地抑制PI3K;LY294002则可竞争地、不可逆地抑制PI3K的ATP结合位点,抑制PI3K活性,从而抑制Akt的磷酸化,促进肿瘤细胞的凋亡,抑制其生长。最近,Leung等[26- 27]发现抑制剂NVP- BZ235能共同靶向作用于肾细胞癌细胞株以及乳腺癌MCF- 7细胞株的PI3K/Akt信号通路中的PI3Kp110α和mTOR两种分子,其抑瘤效果比单一LY294002好。Ohtat等[28]发现,接种人卵巢癌细胞的裸鼠,经PI3K特异性抑制剂处理后,不仅能直接促进肿瘤细胞的凋亡,而且能提高顺铂的化疗疗效,提示PI3K/Akt通路参与卵巢癌的发生,且抑制PI3K/Akt信号通路对肿瘤的化疗有一定的作用。

此外,靶向PI3K调节亚基p85的结构域(包括SH2、SH3结构域等)的特异性抑制剂PI3K- SH2- OMT多肽制剂及LV- 1的报道虽然较少,但其亦有较好的肿瘤抑制作用[29- 30]。除此之外,PI103、GSK2126458等许多同时靶向PI3K和mTOR的药物正处于Ⅰ期临床试验中。应用PI3Kp85αsiRNA技术转染人乳腺癌细胞系MCF- 7细胞、卵巢癌细胞、大肠癌细胞,发现其可抑制肿瘤细胞增殖和诱导细胞凋亡。此外,也有学者研究发现,漆树黄酮、异黄体酮等靶向调节PI3K/Akt及其下游信号通路,单独或与临床化疗药物联合使用,能有效地控制黑色素瘤及前列腺癌等肿瘤的生长[31- 32]。

目前关于靶向PI3K/Akt的抗肿瘤药物单独或联合其他药物在肿瘤治疗方面的研究已经展开,相关临床试验也在进行,其临床抗肿瘤作用有待进一步的证实,但针对PI3K/Akt信号通路的靶向药物的研发,为肿瘤患者带来了福音。

5 结 语

综综上所述,PI3K/Akt信号通路在肿瘤的发生、发展过程中发挥至关重要的作用。上游分子与PI3K的调节亚基p85α结合,解除对催化亚基p110β的抑制作用,从而激活PI3K。活化的PI3K在PDK1及PDK2作用下激活Akt,Akt作用于下游分子,调控肿瘤细胞的增殖、凋亡。应用siRNA技术及相应拮抗剂,可以抑制这一过程中多个分子的表达,从而阻断这一通路,达到抑制肿瘤生长的目的。目前,分子靶向治疗是肿瘤治疗中新的研究和应用热点,随着对PI3K/Akt信号通路研究的深入,着眼于该信号通路的靶向治疗也吸引了研究者的极大兴趣。可以预见,以PI3K/Akt信号节点为治疗靶点的药物开发将会为肿瘤的治疗提供新的思路和方法,多节点的靶向联合治疗则会有更广阔的研究空间。

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