浅谈FAK与mTOR信号通路关系研究进展

李蓓

（内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特010021）

1 FAK及其信号通路

1.1 FAK的结构

粘附斑激酶（Focal adhesion kinase，FAK）是一种胞质非受体蛋白酪氨酸激酶，是粘附斑复合物家族（focal adhesion complex family）的一员。20世纪90年代早期，Kanner等人在v－src转染鸡胚成纤维细胞后，发现并命名了FAK。分离得到了与PTK相关的FAK，分别是细胞粘附激酶β（CAKβ），蛋白酪氨酸激酶2（PYK2），相关粘附班酪氨酸激酶（RAFTK），钙依赖的赖氨酸激酶（CADTK）和黏着斑激酶2（FAK2）。FAK有3个主要的结构域，包括FERM区域的N端结构域、C末端结构域和介于两者之间的催化结构域。FAK的激活至少需要6个酪氨酸位点（Tyr－397，－407，－576，－577，－861and－925）的磷酸化。其中位点576和577位于激酶活化环中；位点861和925位于C末端结构域。生长因子或整合素可以促进FAK在酪氨酸397位点快速的磷酸化，从而招募Src家族的PTKs，PTKs又激活活化环中576和577酪氨酸位点，最后激活FAK。

1.2 FAK信号通路

研究表明FAK在细胞的生长、增值、存活、迁移过程中起重要的作用。在细胞生长周期中最关键的是整合素介导的细胞在胞外基质附着，而FAK是整合素信号的中介蛋白。FAs是基于整合素的巨大的多蛋白复合物，可以以双向的方式在胞外分子和细胞质之间介导以细胞为底物的附着和信息运输［1］。研究报道，FAK和肿瘤抑制基因p53在功能上相互联系，FAK的N末端直接与p53的N末端反式激活结构域相互作用，抑制p53介导的细胞凋亡并且抑制p53的转录活性［2］。几个FAK介导的信号通路还与细胞迁移有关，一个是FAK/CAS信号通路，Crk相关的底物蛋白由于Src与FAK的结合而激活，导致Crk家族接头分子GTP酶的激活，随后促进膜的突起和细胞迁移；另一个信号分子PI3K在FAK介导的细胞迁移中起作用，并且推测Src、p130Cas与PAK的结合对细胞迁移可能远远不够［3］。

2 mTOR及其信号通路

大量研究发现mTOR作为细胞生长的中心调节器，在感受营养信号、调节细胞存活、生长和增殖中发挥着重要的作用。雷帕霉素（rapamycin）作为mTOR的特异性抑制剂是一种产自链霉菌的抗真菌、抗肿瘤的大环内酯类抗生素。

2.1 mTOR的结构

mTOR是一个含有多个结构域，分子量为280KDa的蛋白。其C－末端含有一个与PI3K（磷脂酰肌醇3－激酶相关激酶）具有高度同源性的约234个氨基酸激酶结构域；而它的N－末端拥有一系列串联的HEAT（for Huntignton，EF3，A subunit of PP2A，TOR1）重复结构用来介导蛋白质间的相互作用。HEAT重复序列的下游，即mTOR的中间结构为另外一个PIKK家族成员所共有的结构域，即FAT（for FRAP，ATM，TRAP）结构域，大量研究证明它涉及与其他蛋白的相互作用。FAT与mTOR C－末端激酶结构域之间为FRB，即FKBP12－rapamycin复合物与mTOR的结合区域，它被包含于FKBP38结合区域（FKB）的内部，在雷帕霉素特异作用mTOR时起着重要的作用。mTOR C－末端30个氨基酸为受胞质氧化还原势的调节的FATC，即由一个二硫键和一个α螺旋组成的另一个FAT结构域［4，5］。

2.2 mTOR信号通路

mTOR作为细胞生长的核心调节器，以mTORC1和mTORC2两个复合物的形式接受上游各种因子的信号刺激，并通过其下游效应器调节转录及蛋白质合成［6］。上游的信号刺激包括：营养因素（如氨基酸）、环境压力（如缺氧）、能量（如ATP/ADP）及生长因子与胰岛素等。

mTOR的一个上游调节物为由TSC1（the tuberous sclerosis complex 1）、TSC2（the tuberous sclerosis complex 2）两个肿瘤抑制基因组成的TSC1/TSC2复合物，其中TSC2是GTP酶激活蛋白。TSC－mTORC1（Mammalian Target of Rapamycin Complex1）信号通路是细胞内的一条重要通路，该通路通过感受生长因子、胰岛素及各类环境胁迫来调控细胞乃至全身的代谢和生长发育以及组织细胞生长、增值和分化。因此，TSC－mTOR信号通路的失调，往往导致TSC、肿瘤或其他代谢疾病，如糖尿病、肥胖等。而TSC1/2复合体是TSC－mTORC1信号通路上游的一个关键抑制性信号整合器。能量信号经由LKB1－AMPK－TSC通路、胰岛素信号经由IGFR/GFR－PI3K－AKT－TSC、生长因子信号经由IGFR/GFR－Ras－ERK－TSC通路、氧含量信号经由HIF1－REDD1－REDD1－TSC通路、肿瘤坏死因子信号经由TNFα－IKKβ－TSC通路，而环境应力（FAK－TSC）和光［7］目前研究的不很清楚。mTOR另一个上游调节物Rheb（Ras homolog enriched in brain）具有GTP酶活性，在哺乳动物中的活性状态为Rheb－GTP，是mTOR的的正调节物。有活性的TSC1/2复合体可以特异性的促进mTORC1直接上游激活因子Rheb－GTP向Rheb－GDP转换，从而抑制mTORC1的激酶活性，进而引起细胞内合成代谢（同化作用）的减慢，异化作用随之适当增强，从而抑制细胞生长增值，发挥其肿瘤抑制功能。

mTOR的两个典型的下游效应器为S6Ks（ribosomal protein S6kinases）和4E－BP1（the eIF4E－binding protein 1）。S6Ks是属于AGC激酶家族的Ser/Thr激酶，在哺乳动物中包括分别编码两种基因编码的S6K1、S6K2蛋白。mTOR通过磷酸化两种蛋白而影响着蛋白的合成和细胞的生长；4E－BP1（the eIF4E－binding protein 1）作为eIF4E的抑制蛋白，对翻译的起始和蛋白翻译起着重要的作用。

2.3 mTOR信号通路与细胞生长调控

mTORC1信号通路基本功能是感受营养状况进而调控细胞生长，近年的研究已将mTORC1与干细胞［8］，胚胎及幼体发 育与生长［9］，进食、营养与肥胖［10～12］，免疫细胞分化［13］，衰老［14］等动物生理和病理过程联系在一起，mTOR蛋白激酶作为在进化上保守的协调器调节着基本的生物加工过程［6，15］。

细胞生长调控是一个受多因素影响的复杂过程，它不仅受到时间和空间的限制，还受到营养条件和细胞内外环境条件的影响。尽管目前对细胞生长和细胞周期是如何协调的机制了解得还很少，但它已经成为了现代细胞生物学的研究重点，同时也取得了许多重大进展。

3 TSC2和mTOR信号通路

许多研究表明，TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2）/mTOR（mammalian TOR）级联信号通路在细胞生长调控中发挥重要作用。TOR（target of rapamycin）首先在酵母中发现，在胞内作为Ser/Thr激酶而起作用。随后在哺乳动物中也发现了酵母TOR的同源物，分别命名为FRAP（FKBP－rapamycin－associated protein）、RAFT（rapamycin and FKBP target）和 RAPT（rapamycin target），现统称为mTOR（mammalian target of rapamycin）。在哺乳动物细胞中，rapamycin处理可使细胞形态变小，而mTOR信号的重建可以拯救这种缩小的细胞形态表型［16］。

TSC2是一种GTPase激活蛋白（GTPase－activating protein，GAP），在细胞内与TSC1形成稳定的功能复合体TSC1/TSC2而发挥作用，是细胞生长的负调节因子，和Rheb（Ras homolog enriched in brain）一起共同调节mTOR信号通路的活性，进而调节下游S6K1和4EBP1两个效应分子，调控细胞生长。TSC1/TSC2复合物可以整合来自营养及能量等多种刺激的信号，是一个重要的信号汇聚点。TSC2本身具有多个潜在的丝氨酸和酪氨酸磷酸化位点，提示它可以被丝/苏氨酸激酶或者酪氨酸激酶磷酸化，已证明多种丝/苏氨酸激酶均可将其磷酸化［17］然而，却鲜见TSC2被酪氨酸激酶磷酸化的报道。近年的研究表明，在TSC2/TSC1复合体中还存在有其它蛋白，对TSC2/TSC1复合体的成分和功能研究取得了新进展。

4 FAK和TSC2/mTOR的关系

FAK参与了包括经典的整合素介导的通路在内的多条信号转导途径，它是胞内外信号转导的中枢。目前已经证明，FAK在大脑等多种成体组织中都有表达并具有重要的作用，同时影响胚胎发育。在整个胚胎发育过程中都有FAK表达，缺失了FAK基因的小鼠在早期胚胎时便可致死。FAK－/－的中胚层细胞的迁移速率只有正常胚胎细胞的一半。近年来的研究已经表明FAK可以调控细胞的锚定、迁移、恶变、凋亡等过程，且与肿瘤的发生密切相关［18～22］。然而，FAK对于细胞生长的调控却并不清楚。因此，对FAK及其信号通路的深入研究有助于对细胞生长、增殖等机制的了解。

FAK信号通路和mTOR信号通路都在细胞的生长、增殖、迁移和凋亡中发挥着重要作用，并且都能感知胰岛素、生长因子及环境胁迫等信号刺激，两条信号通路之间可能存在着相互联系。FAK和mTOR信号通路的关系，目前有两种模式：1）已经证明，FAK可以通过PI3K/AKT通路与mTORC1相关联并在肿瘤的发生发展中发挥重要作用，FAK作为重要的胞质酪氨酸激酶，可以与多个蛋白分子形成多聚体，介导信号传递过程；2）FAK可能通过与TSC2的相互作用激活mTOR信号通路。TSC2是胞内信号通路网络中的重要蛋白分子，可以整合多种上游信号的传递，FAK与TSC2二者之间存在形成多聚体，通过相互作用传递上游信号，进而调节细胞生理的可能性。2006年，Boyi Gan等人通过细胞内共表达和免疫共沉淀技术证明了这种可能，即FAK与TSC2可以形成蛋白多聚体，进而通过mTOR信号通路激活S6K1［23］。这是迄今为止国内外唯一关于FAK与TSC2相互作用并激活mTOR信号通路的报道。

5 展望

尽管目前对于FAK与mTOR信号通路的研究取得了重要的进展，但仍还存在着许多亟待解决的有关信号传导途径的科学疑问。FAK和mTOR信号通路在细胞的生长、增殖、迁移和凋亡中发挥着怎样的作用，又怎样感知胰岛素、生长因子及环境胁迫等信号刺激，两条信号通路之间又存在着什么联系，这些可能是不久的将来该领域所要面临的主要挑战。

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