PI3K/AKT/mTOR细胞信号传导通路在细胞调控中的作用

李鹏 王静怡 李晓燕 秦连菊

·综述与讲座·

PI3K/AKT/mTOR细胞信号传导通路在细胞调控中的作用

李鹏 王静怡 李晓燕 秦连菊

PI3K/AKT/mTOR；细胞信号传导；细胞调控；肿瘤

恶性肿瘤是一种严重危害人类健康的疾病，2012年我国恶性肿瘤的发病率285.91/10万，病死率180.54/10万，大约13%，呈上升趋势[1-3]。肿瘤的发病机制尚不十分明确，目前肿瘤的分子发病机制多被概括为：由于各种原因导致基因点突变、基因扩增及染色体易位等使原癌基因活化、抑癌基因失活，同时DNA修复基因亦失活，进而导致相关蛋白合成、信号传导过程及调控等出现障碍，使细胞增殖及凋亡的平衡状态被打破，促进了肿瘤发生发展。近些年来对于PI3K(磷脂酰肌醇 3-激酶)/AKT(v-akt murine thymoma viral oncogene homolog)/mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白) 信号传导通路的研究，发现其在各系统肿瘤的发生发展中，包括细胞生存和凋亡、细胞周期调控、肿瘤转移及肿瘤血管生成等，起着重要作用[1-3]。

1 PI3K、AKT、mTOR结构和活化

在生物体中，细胞之间的相互识别和作用，是通过细胞通讯和细胞信号传导来实现的。细胞信号传导是外源性的信息传入细胞内同时引起细胞应答反应的过程，它是通过细胞外信号分子作用于靶细胞表面或内部的受体传入细胞内，经过细胞内的信号转导分子(第二信使、各种酶分子及调节蛋白)的作用，使细胞功能发生变化，对外界环境做出合适反应。在细胞内，细胞信号转导存在多种通路，如细胞内受体、离子通道型受体、G蛋白耦联受体及蛋白激酶联受体等介导，PI3K/AKT则属于蛋白激酶耦联受体介导的信号转导通路。

1.1 PI3K 是磷酸化肌醇磷脂3位羟基的激酶家族，同时具有磷脂激酶及蛋白激酶的活性，它是由一个调节亚基(P85)和一个催化亚基(P110)组成的异源二聚体。调节亚基P85含有两个SH2结构域(Src homology 2 domain)和一个SH3结构域(Src homology 3 domain)，其中SH2结构域可以识别并结合蛋白分子中的磷酸化的酪氨酸及与其相邻的3～6个氨基酸残基，SH3结构域可以识别和结合蛋白分子中富含脯氨酸的序列。各种生长因子(PDGF、IGF、EGF等)及胰岛素受体的胰岛素受体亚单位1(IRS1)和胰岛素受体亚单位2(IRS2)多为PI3K/AKT信号传导通路的细胞外信号分子，它们与相应G 蛋白耦联受体、蛋白酪氨酸激酶受体等相应受体结合[1]，使相应受体的酪氨酸残基磷酸化，这些磷酸化的位点识别并结合P85的SH2结构域，从而解除P85对催化亚基P110的抑制作用，使PI3K激活并催化磷脂酰肌醇(PI)使其磷酸化而生成：3-磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3-phosphate，PI-3P)(PIP)、3，4-二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli- nositol 3，4-bisphosphate，PI-3，4-P2)(PIP2)、3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3，4，5-P3)(PIP3)[2]，其中PIP3作为第二信使激活下游AKT。另外，Ras激酶亦能使PI3K激活。PI3K家族有三种不同的亚型为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，Ⅲ型 PI3K 以 PI 为底物，Ⅱ型以 PI 及 PIP 为底物，Ⅰ型以 PI、PIP 及 PIP2 为底物[1]，其中Ⅰ型研究的最为广泛，分为ⅠA、ⅠB两型，目前研究发现只有ⅠA型参与造血系统的调控，在造血干细胞的分化过程中发挥着重要的调节作用[3]，其本身组分的缺失及负调控障碍会导致血液系统肿瘤的发生。

1.2 AKT 是一种蛋白激酶，它是PI3K信号传导通路下游重要的一个激酶。AKT具有三种亚型：AKT1、AKT2和 AKT3，从氨基端到羧基端的结构依次是PH 结构域、催化结构域和调节结构域3部分[4]。其中血小板白细胞C激酶底物同源结构域(PH结构域)位于AKT的氨基端，它能与活化后PI3K的产物PIP3相互识别和相互作用，使AKT由静息状态下的胞浆转位至胞膜上，研究表明，PH结构域的缺失或突变会导致AKT活性丧失或降低，它在AKT激活过程中的膜转位问题上有着重要作用[4]。另外，在催化结构域及调节结构中分别有着308 位苏氨酸(Thr308)及473位的丝氨酸(Ser473)两个识别位点，故AKT同时具有苏-丝氨酸激酶活性，两个位点的磷酸化在AKT的活化过程中发挥着的极其重要的作用。在生理状态下，AKT位于细胞的细胞浆内。在各种生长因子、胰岛素受体等刺激因子的作用下，使PI3K激活，活化的PI3K生成PIP3进一步激活AKT。PIP3含有与AKT相同的PH结构域，两者相互识别并结合，将AKT由胞浆转位至胞膜，同时使AKT的构象发生变化，暴露Thr308位点，Thr308的磷酸化需要磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶1(PDK1)参与，PDK1亦含有与PIP3相同的PH结构域，PIP3与PDK1结合使其激活，活化的PDK1进一步使暴露的Thr308位点磷酸化，但单独的Thr308磷酸化是不能使AKT活化，它需要Ser473位点同样磷酸化后才能激活AKT。PDK1是不能直接激活Ser473，有报道指出Ser473的活化其有可能通过PDK2或整合素连接蛋白(ILK)间接使其磷酸化[5]，从而使AKT活化。另外，AKT不仅可以通过PI3K激活，还可通过HSP27、cAMP-PKA等来激活。活化的AKT进一步激活其下游的因子，如E2F、叉头转录因子(forkhead-related tran-scription factor，FKHR)、bcl-2、家族糖原合成酶3(glycogen syn-thase kinase 3，GSK3)等，对细胞周期、凋亡和新生血管等产生调节作用[6]。

1.3 mTOR 是一种非典型的丝氨酸/苏氨酸激酶，mTOR又称FRAP ( FKS06-bindingp- roteinl2 and rapamycin associatedprotein)，由于它的羧基末端与 PI3K 的催化区有高度同源性，故其属于PI3K蛋白激酶家族。mTOR存在两种复合体mTORC1和mTORC2，这两种蛋白复合物在结构及功能上却是完全不同，mTORC1包括mTOR、mLST8(mammalian ortholog of LST8)和raptor(regulatory-associated protein of mTOR);mTOR2则包括mTOR、mLST8、mSIN1(mitogen-activated protein kinase-associated protein 1)及rictor(rapamycin insensitive companion of mTOR)[7]。mTOR在参与PI3K/AKT/mTOR细胞信号传导途径中，它是AKT的下游因子，活化的AKT直接激活mTORC1或通过TSC1/2复合物进一步激活其下游分子MtorC1[6]，而且mTORC2可在活化的AKT中Ser473位点上完全被活化。活化的mTOR进一步使它的两个下游分子磷酸化，即翻译抑制分子 elF-4E 结合蛋白1(4E-BP1)和核糖体蛋白p70s6k，从而灭活翻译抑制蛋白或增强mRNA的转录和翻译，参与细胞周期的调控、增殖和凋亡。

2 PI3K/AKT/mTOR的细胞调控

2.1 对细胞周期的调控 真核细胞的分裂经历一系列具有固定发生顺序的事件，这一过程被称为细胞周期。细胞增殖是通过细胞周期来实现的。细胞周期分为：G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)及M期，其中G1期、S期及G2期为间期，M期为分裂期。细胞周期是按照一定顺序固定向前进行的，呈现出单向性和不可逆性，其中细胞周期中存在着三个关键点：G1-S期转折点(限制点或检查点)、G2-M期转折点及M后期-胞质分裂。细胞周期精密的调控是通过细胞周期蛋白(cyclin)、细胞周期蛋白激酶(CDK)及细胞周期蛋白激酶抑制蛋白(CKI)的作用来实现。Cyclin和CDK单独存在是不表现活性的，当两者结合后才表现出相应的活性，而CKI在细胞周期中则是起到负调节作用。PTEN 蛋白属于蛋白酪氨酸磷酸磷脂酶家族，它可以使磷酸化的丝/苏氨酸和酪氨酸的蛋白或肽类底物脱磷酸化，它作用于PI3K的底物PIP3，能够特异性使其脱磷酸，使PIP3的浓度下降，从而抑制AKT的活化，上调细胞周期依赖蛋白抑制物P27，使细胞阻滞于 G1期。cyclinD1静息状态下不表达，当受到生长因子的刺激，cyclinD1被激活，其中AKT在两者之间起到桥梁作用[8]，因为AKT作用于GSK-3，使由GSK-3介导的cyclinD1降解，加快G1-S期的进程，促进细胞增殖。cyclinD1和CDK4、CDK6结合而活化，同时与cyclinE和CDK2结合的复合物，一起作用于视网膜母细胞瘤抑制蛋白(retinoblastoma tumor sup-pressor protein，pRb)，使其磷酸化而失活，pRb本身对参与G1-S周期进程的转录基因有抑制作用，当pRb被磷酸化失活后，释放出E2F，启动S期相关基因的转录，缩短G1期时间，促进细胞由G1期向S期转换[8]。Li等[9，10]研究均表明cyclinD1水平的升高，使pRb磷酸化失活，两者形成负反馈，加快细胞周期进展，促进肿瘤细胞的增殖。很多重要的与细胞周期相关的大部分基因受p53调节，p53主要是在细胞处于异常情况下在细胞周期中起到负性调节作用，把细胞滞留于G1期，延缓或阻止细胞有丝分裂的进行，抑制细胞的增殖。P53受到泛素连接酶(mdm2)的调节，mdm2使p53失活或降解，促进细胞的增殖，AKT可直接作用于mdm2，上调其活性，从而加快P53的失活，促进细胞周期的进行。另外，AKT也可以直接抑制p21，p21可以广泛抑制细胞周期蛋白激酶复合物，进而通过调节pRb的作用，促进细胞周期的进行，其转录活性也受到p53的正性调节。同时AKT直接活化其下游分子mTOR，活化的mTOR激活下游分子4E-BP1和p70s6k，两者均能加快细胞周期发展所需mRNA的转录。

2.2 对血管生成的影响 新生血管的生成是肿瘤生长的一个重要条件，对肿瘤的生长、转移起着重要的作用。PI3K与血管的生成密切相关，据研究发现，PI3K中的p110α亚基能直接促进内皮细胞的迁移，影响血管的生成[11]。AKT能直接作用于内皮型一氧化氮合酶(endothe-lialNO synthase，eNOS)，eNOS能刺激内皮细胞的增殖，增加血管的通透性，促进血管的生成[8，11]。另外PI3K/AKT途径，能激活其下游的mTOR使p70S6K1活化，以及HDM2均能调控血管内皮生长因子(VEGF)和缺氧诱导因子1(hypoxia inducible factor1，HIF-1)的表达[12，13]，增加血管的通透性，促进血管的生成。同时AKT还可通过调节环氧化物合酶COX-2而促进新生血管的生成[14]。

2.3 对肿瘤细胞的转移和侵袭的影响 肿瘤细胞的转移和侵袭主要依靠肿瘤细胞的运动能力增强、细胞间黏附能力的下降及细胞外基质的降解等。PI3K/AKT/mTOR/p70S6k通路，使p70S6k活化，促进肌动蛋白的细丝重构，使细胞运动能力增强[15]。AKT能够激活上皮细胞-间充质细胞转换(epithelial-mesenchymal transition，EMT)，并通过下调E-钙黏蛋白及β-连环蛋白和上调间充质细胞波形蛋白，降低细胞之间的黏附能力，促进肿瘤细胞的转移和侵袭[16]。也曾有报道指出，经PI3K/AKT/mTOR细胞信号传导途径，可以上调基质金属蛋白酶-2(MMP-2)的mRNA和蛋白质表达，降解细胞外基质，促进肿瘤细胞的转移和侵袭。另外，PI3K/AKT通路还可通过对eNOS、核转录因子(NF-κB)及生长因子受体的调节，加快肿瘤细胞的转移和侵袭[5]。

2.4 对细胞凋亡的调控 细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，自己结束其生命的过程，最后细胞脱落离体或裂解为若干凋亡小体，而被其他细胞吞噬。AKT可调控多个与细胞凋亡有关的家族从而抑制细胞凋亡。如促凋亡因子Bcl-2家族中的Bad，Casepase-9，Forkhead 转录因子家族成员以及p53，NF-кB，mdm2等。Bad是凋亡 Bcl-2 家族成员的之一，它可与Bcl-2或Bcl-xl形成复合物，促进凋亡，当其被磷酸化后，不能与Bcl-2或Bcl-xl形成二聚体，而抑制凋亡，AKT能够使Bad磷酸化而抑制细胞凋亡。Caspase-9 是促细胞凋亡因子，它是启动细胞凋亡的主要因子之一，AKT 能使 Caspase-9的Ser196 位点磷酸化而失活，抑制其促凋亡作用。同时AKT还可抑制Forkhead家族转录因子的活性，正调节核转录因子NF-κB，下调Fas/FasL而诱导凋亡过程及通过磷酸化mTOR激活其下游分子p70S6K、4E-BP1，增强转录和翻译，从而抑制不依赖p53的细胞凋亡，加快细胞的凋亡[8，17]。

PI3K/AKT/mTO信号传导通路在目前的初步研究发现其在肺癌、消化系统肿瘤、泌尿系统肿瘤及妇科肿瘤的发病机制中均有所参与，已成为目前研究的热点之一，PI3K/AKT/mTOR信号传导通路的基本作用是促进细胞的增殖、抑制细胞的凋亡，其活化对细胞增殖、分化、转移、侵袭及血管生成的各个环节有着重要的作用，但目前对此信号传导通路的认知还是尚不完善的，通过进一步对其深入研究和了解及对此通路抑制剂的研究，将成为治疗恶性肿瘤的靶点药物，对恶性肿瘤的治疗提供新的研究方向。

1 Vanhaesebroeck B，Alessi DR.The PI3K-PDK1 connection：more than just a road to PKB.Biochem J，2000，346：561-576.

2 Pene F，Claessens YE，Muller O，et al.Role of the Dhosphatidylinositol 3-kinase/Akt and mT0R/P70S6-kinase pathways in the proliferation and apoptosis in multiple myeloma.Oncogene，2002，2l：6587-6597.

3 张英驰，程涛，袁卫平.PI3K/AKT/mTOR信号通路在造血干细胞中作用的研究进展.中国实验血液杂志，2013，21：246.

4 Burke RE.Inhibition of mitogen-activated protein kinase and stimulation of Akt kinase signaling pathways： Two approaches with therapeutic potential in the treatment of neurodegenerative disease.Pharma Thera，2007，114：261-277.

5 胡蕾.PI3K/AKT信号转导通路与肿瘤转移及其机制的研究进展.医学综述，2006，12：1375-1376.

6 郭琳，王强.PI3K/Akt/mTOR信号传导通路与恶性肿瘤浸润和转移的研究进展.现代肿瘤医学，2009，17：1585-1587.

7 宿恒川，孙福.PI3K/Akt/mTOR信号通路及mTOR抑制剂在泌尿系统肿瘤中的研究进展.上海交通大学学报(医学版)，2012，32：674-675.

8 吴日平.PI3K/Akt信号通路与肿瘤关系的研究进展.医学综述，2009，15：1502-1503.

9 Li Q，Zhu GD.Targeting serine/threonine protein kinaseB/Akt and cell-cycle cheekpoint kinases for treating cancer.Curr TOP Med Chem，2002，2：939-971.

10 Hernando E，Nahle Z，Juan G，et al.Rb inactivation promotes ge-nomic instability by uncoupling cell cycle progression from mitotic control.Nature，2004，430： 797-802.

11 费洪荣，王凤泽.PI3K/Akt 信号通路的调控与肿瘤血管生成.生命的化学，2010，30：39-40.

12 Skinner HD，Zheng JZ，Fang J，et al.Vascular endothelial growth factor transcriptional activation is mediated by hypoxia-inducible factor1α，HDM2 and p70S6K1 inresponseto phosphatidylinositol 3-kinase/AKT signaling.J Biol Chem，2004，279： 45643-45651.

13 Arsham AM，PlasDR，Thompson CB，et al.Akt and hypoxia-in-ducible factor-1 independently enhance tumorgrowth and angiogenesis.Cancer Res，2004，64： 3500-3507.

14 StGermain ME，Gagnon V，Mathieu I，et al.Akt regulates COX-2 mRNA and protein expression in mutated-PTEN human endometrial cancer cells.Int J Oncol，2004，24：1311-1324.

15 Qian Y，Corum L，Meng Q，et al.PI3K induced actin filament re-modeling throughAktand p70S6K1： implication ofessential role in cellmigration.Am J Physiol Cell Physio，2004，286：C153-C163.

16 Grille SJ，Bellacosa A，Upson J，et al.The protein kinase Akt in-duces epithelial mesenchymal transition and promotes enhanced motility and invasiveness of squamous cell carcinoma lines.Cancer Res，2003，63：2172-2178.

17 方乐堃，曾宇慧.PI3K /Akt/mTOR信号传导通路与泌尿系统肿瘤.国际内科杂志，2007，9：510.

10.3969/j.issn.1002-7386.2014.09.052

050051 河北省石家庄市第二医院神经外科(李鹏)，导管室(秦连菊)；石家庄市医学高等专科学校(王静怡)；河北医科大学第一医院心内科(李晓燕)

R 349.54

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1002-7386(2014)09-1389-04

2013-12-11)