PI3K-AKT-mTOR信号通路的研究进展

尹承龙劳学军



PI3K-AKT-mTOR信号通路的研究进展

尹承龙①劳学军①

【摘要】PI3K-AKT-mTOR信号转导通路是哺乳动物肿瘤免疫中重要的信号通路，在多种恶性肿瘤的演变过程中发挥了极其重要的作用。近几年来，随着肿瘤分子生物学的发展，恶性肿瘤的靶向治疗成为研究热点，通过研究探讨PI3K-AKT-mTOR信号通路在肿瘤发生、发展过程中的信号转导机制，联合多种抑制剂或者寻找作用于多种信号通路、多靶点的新药，对于肿瘤的靶向治疗有重要意义。

【关键词】PI3K-AKT-mTOR； 信号转导； 肿瘤； 抑制剂

①暨南大学附属第一医院 广东 广州 510000

恶性肿瘤严重危害人类健康，随着社会、经济的发展以及人口老龄化的加剧，我国大多数恶性肿瘤发病率、死亡率呈明显上升趋势。与此同时，随着人们对恶性肿瘤的研究不断深入，越来越多肿瘤信号通路被发现，其中PI3K-AKT-mTOR信号转导通路是哺乳动物肿瘤免疫中的重要信号通路，此信号通路对于调节细胞的生长、增殖、自噬以及凋亡有着重要的作用。

1 PI3K-AKT-mTOR 信号通路的组成

在各种生物体中，细胞之间相互识别及相互作用，都是通过细胞信号的传导来实现，细胞信号转导指细胞通过细胞膜或者胞内相应受体感受信息分子刺激，通过细胞内信号转导系统进行转换，从而引发一系列生物化学反应及蛋白相互作用，直到细胞生理反应所需基因表达开始、各种生物学效应形成。

1.1 磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K） PI3K存在于细胞质中，具有蛋白激酶及磷脂激酶的双重活性。PI3K包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型，Ⅰ型的底物主要为磷脂酰肌醇（PI）、3-磷酸磷脂酰肌醇（PIP）及3，4-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）；Ⅱ型的底物主要为PI及PIP，Ⅲ型的底物主要为PI，但是只有Ⅰ型PI3K与肿瘤形成有着密切关联[1-2]。Ⅰ型PI3K包括IA和IB亚型，它们从酪氨酸激酶连接受体、G蛋白连接受体进行信号传递，IA型PI3K由调节亚基（P58）和催化亚基（P110）组成，其中调节亚基（P58）包含SH2、SH3两个重要结构域，在正常情况下P58与P110结合导致PI3K失活。PI3K的激活有两种方式，一种是与包含磷酸化酪氨酸残基的生长因子受体相互作用导致二聚体构象发生改变而被激活：细胞受某些生长因子刺激后，磷酸化的络氨酸残基与SH2结构域相互作用，进而解除P58对P110的抑制作用[3]。另一种是通过Ras和P110直接识别并结合导致PI3K活化。PI3K激活后会导致3，4-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）转变为3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3），PIP3作为第二信使可以与细胞内含有PH结构域的AKT信号蛋白相互结合，导致AKT转位于细胞膜上并获得相应的催化活性进行下一步的信号转导。

1.2 蛋白激酶B（AKT/PKB） AKT/PKB是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，AKT家族主要包括3种亚型，即AKT1、AKT2和AKT3，三者之间密切相关，它们对调控细胞的生长、增殖、存活及代谢起着极其重要的作用[4]。AKT1可以促进细胞的增殖和存活；AKT2主要参与胰岛素对糖类物质代谢的调节；AKT3对细胞大小及数目起着重要调节作用[5]。AKT 是PI3K下游的关键蛋白，存在于胞浆中，AKT包括PH结构域、催化结构域及调节结构域，PH结构域缺失或者突变会引起AKT的活性降低、失活。PI3K激活后生成PIP3与AKT的PH结构域相互识别作用，导致AKT从胞浆转位于胞膜，同时AKT的构象发生改变，暴露苏氨酸蛋白、丝氨酸蛋白，PIP3与AKT的PH结构域结合在PDK1的作用下苏氨酸蛋白发生磷酸化，同时在PDK2的作用下丝氨酸蛋白发生磷酸化，当二者全部磷酸化后AKT才被激活[6]。激活的AKT由细胞膜转移到细胞质或细胞核内，进而继续靶向调控下游信号分子，如mTOR、Bad、胱天蛋白酶9、周期蛋白D1、核转录因子KB（NF-KB）等[7]。

1.3 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR） mTOR是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，PI3K的催化区域与mTOR的羧基末端具有高度同源性，因此属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶（PIKK）家族[8]，mTOR是多条信号通路汇合的枢纽，通过对信号的整合对细胞的生长、周期及营养代谢进行调节。mTOR主要包括5个结构域：HEAT重复序列、FAT、FRB、NRD及FATC结构域。FAT通过与mTOR分子末端的FATC相互作用形成一个空间结构，从而暴露出mTOR催化域；FRB与FKBP12-雷帕霉素复合物相互作用；NRD是mTOR的负性调节结构域；mTOR的活性与FATC有着密切联系，FATC结构域中任何一个氨基酸残基的缺失都导致mTOR催化能力的丧失[9]。在哺乳动物中，mTOR以mTORC1、mTORC2复合物的形式存在：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）由mTOR和raptor蛋白相互结合形成，主要促进合成代谢、限制分解代谢，调控细胞生长、增殖和存活[10]；哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2（mTORC2）由mTOR和rictor蛋白相互结合形成，通过对小GTP酶Rho、Rac的作用，提高蛋白激酶C（PKC）磷酸化水平，进而调控肌动蛋白细胞骨架[11]。研究表明两种复合物的活性受不同信号传导通路调节，尚未发现mTORC2具有雷帕霉素敏感性[12]。AKT可以激活mTORC1，同时下游产物S6K1对AKT进行负反馈调节，但是激活的mTORC2对AKT发挥正反馈调节作用，因此AKT可以激活下游mTOR通路，同时被下游的mTOR进行反馈调节[13]。mTOR信号传导主要通过PI3KAKT-mTOR途径激活，进一步调控下游蛋白，对细胞生长、增殖、凋亡、自噬及细胞周期等多种生理功能发挥凋控作用。

2 PI3K-AKT-mTOR信号通路与细胞调控

跨膜的酪氨酸激酶在生长因子、细胞因子等刺激因子的作用下被激活，从而招募PI3K的p85亚基，进一步把信号传递给P110亚基，最终激活PI3K，PI3K激活后把PIP2转化为PIP3，这一过程受PTEN的负性调控，PTEN具有蛋白磷酸酶和脂质磷酸酶双重活性，主要通过后者发挥抑癌功能。PTEN导致PI3K的D3位去磷酸化生成PIP2，介导PI3K-AKT信号通路的负性调节作用[14]。生成的PIP3作用于下游信号分子AKT，使其从细胞质转移到细胞膜上，同时血小板-白细胞C激酶与PIP3在细胞膜上相互结合，导致AKT构象改变，同时在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一方面对下游靶蛋白进行磷酸化而抑制细胞凋亡[15]；另一方面抑制蛋白水解酶Caspase-9的活性，阻止凋亡级联反应的激活。此外，AKT通过对p53上的结合蛋白MDM2磷酸化而促进p53蛋白降解，进而影响细胞存活[16]。mTOR 是AKT的下游信号分子，结节性脑硬化复合物-1 （TSC-1）和TSC-2形成二聚体复合物抑制小GTP 酶Rheb，mTOR的活化需要刺激蛋白Rheb，因此TSC-1/TSC-2复合物的形成抑制了mTOR的功能。但是活化的AKT可以抑制TSC-1/TSC-2复合物的形成，而解除其对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被磷酸化后对其两个下游分子进行调控；核糖体S6蛋白激酶（S6K）、真核生物启动因子4E结合蛋白1（4E-BP1），对特定的mRNA翻译及蛋白质合成进行调控。P70S6K可以使核糖体S6蛋白发生磷酸化，从而促进核糖体蛋白的合成；4E-BP1与真核细胞翻译起始因子（elF-4E）结合发挥抑制作用，从而抑制翻译的进行，活化的mTOR使4E-BP1发生磷酸而失活，导致与elF4E结合能力下降，进而启动蛋白质的翻译过程[18]。

PI3K-AKT-mTOR信号通路的激活与肿瘤的发生紧密相关，它可以加速细胞周期进行、抑制细胞凋亡、促进肿瘤细胞迁移。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）来实现对细胞周期的调控，激活的AKT可以促进cyclinD1的降解，加快G1-S期的进程，进而促进细胞增殖。此外，AKT激活后直接抑制p21，解除p21对细胞周期蛋白激酶复合物（cyclinD1-CDK4-CDK6）形成的抑制作用，进而使视网膜母细胞瘤抑制蛋白（pRb）磷酸化失活，最终促进细胞由G1期向S期转换[19]。另外，AKT激活后可以直接激活下游信号分子mTOR，活化的mTOR导致下游分子4E-BP1、P70S6K的激活，从而加快mRNA的转录[20]。细胞凋亡是控制机体细胞过度增殖的一种正常细胞功能，PI3K-AKT-mTOR信号通路的激活抑制细胞凋亡，促进细胞的生存，Bad属于Bcl-2家族成员之一，可与Bcl-2或BclxL形成复合体而加快细胞凋亡，活化的AKT可以磷酸化Bad的Serl36位点，从而抑制Bad与Bcl-2 或Bcl-xL形成二聚体，进而抑制Bad的促细胞凋亡作用。半胱天冬酶caspase-9是细胞凋亡的启动者和效应者，活化的Akt可以磷酸化caspase-9 Serl96位点而导致其失活，抑制其促细胞凋亡作用[21]。此外，P53通过介导DNA损伤促进细胞凋亡，P53的功能受到泛素连接酶（mdm2）调节，当P53蛋白与mdm2结合后，会导致P53的转录调节功能失活，活化的AKT通过磷酸化mdm2上调泛素连接酶的活性，进而促进P53的失活与降解，阻断P53介导的促凋亡转录反应[22]。大量新生血管的生成是肿瘤生长的重要条件，对于肿瘤的生长、迁移起着重要作用，有研究表明，血管内皮生长因子（vEGF）的内皮信号传递可以通过PI3K介导，引起内皮细胞的黏附、迁移[23]。另外，AKT激活后可以直接与内皮型一氧化氮合酶相互作用，刺激内皮细胞增殖，提高血管的通透性，促进血管的生成。AKT激活后磷酸化糖原合成酶激酶从而下调E-钙黏素的表达，导致细胞间黏附因子减少，从而增加了肿瘤细胞的运动性及侵袭性。

3 PI3K-AKT-mTOR信号通路的免疫抑制剂抗肿瘤调节

PI3K-AKT-mTOR信号转导通路的激活可以导致肿瘤细胞耐药性增加，抑制肿瘤细胞的凋亡，促进肿瘤细胞存活。因此PI3K-AKT-mTOR信号通路抑制剂对肿瘤的治疗有着重要作用。目前来说PI3K-AKT-mTOR信号通路抑制剂主要包括PI3K抑制剂、AKT抑制剂、mTOR抑制剂和双重抑制剂四类。P13K抑制剂的作用机制是促进肿瘤细胞凋亡，提高化疗药物对肿瘤细胞的敏感性[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，进而抑制肿瘤的血管生成及肿瘤生长，并且LY294002的化学性质稳定，所以被广泛应用于细胞生物学研究[25]。另外P13K抑制剂还包括GDC-0941、BKM120、SAR245408和PX-866，其作用机制尚在研究之中。AKT抑制剂是目前的研究热点，被视为治疗肿瘤的重要靶点，AKT抑制剂主要导致非AKT依赖的PI3K信号旁路代偿性激活，进而失去对AKT下游效应分子的抑制作用。AKT抑制剂包括3类：磷脂酰肌醇类似物、ATP竞争性抑制剂和变构抑制剂[26]。哌立福辛是目前研究最为深入的AKT抑制剂，其作用机制是下调AKT的磷酸化水平，上调抑癌基因p21表达，最终抑制肿瘤细胞的生长，促进肿瘤细胞的凋亡；研究表明选择性AKT抑制剂GSK6-90693和GDC-0068对肿瘤细胞的生长有明显的抑制作用[27]。mTOR抑制剂的作用机制是通过阻断mTORC1来干扰PI3K-AKT-mTOR信号通路，进而起抑制作用。目前常用的mTOR抑制剂主要包括雷帕霉素、替西罗莫司（CCI-779）、依维莫司（RAD001）和AP23573，其中后三者为雷帕霉素衍生物，雷帕霉素与他克莫司结合蛋白（FKBP）相互识别作用，从而阻止P70S6K和4E-BP1磷酸化，抑制相关蛋白的转录翻译[28]。另外，在S6K1的作用下雷帕霉素Serl36位磷酸化，进而使BAD与抗凋亡蛋白Bcl-xL、Bcl-2的结合减少，促进细胞的凋亡[29]。双重抑制剂主要包括BEZ235和非瑟酮，BEZ235对PI3K和mTOR信号分子活性的抑制具有剂量依赖性；非瑟酮抑制PI3K及AKT的活性，同时抑制mTOR的活性从而下调其下游信号分子的表达，从而抑制肿瘤进展。

PI3K-AKT-mTOR信号通路的激活在恶性肿瘤的发生、发展中都发挥着重要作用，已经成为肿瘤治疗的新靶点，明确其信号转导机制，联合多种抑制剂或者寻找作用于多种信号通路、多靶点的新药，对于肿瘤的靶向治疗有重要意义。

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收稿日期：（2015-09-19） （本文编辑：欧丽）

通信作者：尹承龙

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2016.01.042