NOTCH1信号通路调控PI3K/AKT/mTOR信号通路的研究进展①

朱玉娇 马 蕾 薛海波

(滨州医学院附属医院，滨州 256603)

NOTCH1信号通路与磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶/雷帕霉素靶蛋白(PI3K/AKT/mTOR)信号通路通过下游靶基因及细胞因子等多种方式实现交互作用并在多种疾病中发挥重要作用，随着相关研究的逐渐深入，这两条通路可能为多种相关疾病的治疗靶点提供有意义的理论依据。本文就NOTCH1信号通路对PI3K/AKT/mTOR信号通路的调控予以简要综述。

1 NOTCH信号通路的组成、激活及效应

NOTCH信号是一种进化上高度保守的信号传导途径，它与细胞的分化、增殖、凋亡和上皮细胞间充质转化等有关[1]。在哺乳动物中，NOTCH信号转导由4类异二聚体形式的NOTCH受体(NOTCH1-4)、5类Ⅰ型跨膜蛋白的NOTCH配体(DLL-1、3、4,Japped-1、2)和DNA结合蛋白(C-promoter binding factor,CBF-1)3部分组成。NOTCH的配体与受体结合后，导致NOTCH暴露S2、S3的切割位点，继而被酶切形成NOTCH受体活化形式(NOTCH intracellular domain/intracellular domain of NOTCH,NICD/ICN)，NICD与DNA结合蛋白CBF1和核转录激活蛋白家族MAML(mastermind-like,MAML)结合形成CBF-NICD-MAML三元复合物后一起启动下游靶基因的转录，如发状分裂增强子1(hairy and enhancer of split-1,Hes1)和MYC(其中包括C-MYC)[2]。

NOTCH1突变可以引起配体非依赖性激活，导致NOTCH1信号通路的持续激活。这种突变通过激发配体独立激活或延长NOTCH1受体活化形式ICN1半衰期来增强信号强度。激活的NOTCH1信号通路通过调节多个下游靶点激活PI3K/AKT/mTOR信号通路。

2 PI3K/AKT/mTOR信号转导通路及功能

既往研究证实PI3K/AKT/mTOR信号通路在糖尿病、肿瘤、哮喘及系统性红斑狼疮等疾病中发挥重要作用，而PI3K、AKT、mTOR之间激活的机制是NOTCH1信号通路调控PI3K/AKT/mTOR信号通路的基石。

2.1PI3K的组成、效应及激活 磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)属于磷脂酰肌醇家族成员，PI3Ks基础活性低，能够被RAS GTP酶和不同的细胞表面受体等激活[3]。根据结构和调节作用等的不同PI3Ks可分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。然而只有Ⅰ类参与该途径，它是由调节亚基p110、催化亚基p85构成的异二聚体酶。PI3K催化质膜表面的磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate,PIP2)生成磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate,PIP3)，使下游含PH的结构域的信号蛋白(如AKT、mTORC2)能特异性识别结合PIP3[3-5]。

2.2AKT的组成、效应及激活 AKT是一种丝氨酸苏氨酸激酶，又被称为蛋白激酶B(protein kinase B,PKB),它通常存在于细胞浆内。在结构上AKT是由3部分组成：N末端的PH结构域、中心激酶催化结构域(CAT)和C延伸端的HM结构域[6]。AKT主要有T308和S473两大磷酸化位点，只有这两大位点全部被磷酸化后AKT才能被完全激活。在PI3K在产生PIP3后，细胞质上未活化的AKT被募集到细胞膜上，并通过其PH区域与PIP3结合，这就导致3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1,PDK1)和mTORC2分别磷酸化AKT的T308和S473，至此AKT完全激活。活化的AKT释放入胞内引起信号级联反应，从而激活下游的靶蛋白mTOR[5]。

2.3mTOR的组成、效应及激活 雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是丝氨酸/苏氨酸磷脂酰肌醇-3-激酶相关激酶家族(PIKK)成员，在感受营养信号、调节细胞生长与增殖中起着关键性的作用。mTOR主要由2种蛋白复合物：mTORC1、mTORC2构成，其中mTORC1主要由mTOR、Raptor、mLST8等构成，而mTORC2由mTOR、Rictor、mLST8等构成。在PI3K-AKT途径传递生长因子信号时，被AKT磷酸化的去泛素酶USP4(Ubiquitin specific protease 4,USP4)使小GTP酶Rheb(Ras homolog enriched in brain,Rheb)去泛素化，导致抑制性的结节性硬化性复合体(Tuberous sclerosis complex,TSC)从Rheb中脱离形成活性的Rheb-GTP，而Rheb-GTP对于mTORC1至关重要。Rheb一般存在于溶酶体等内膜系统，而小GTP结合蛋白Rag GTPase可以使溶酶体移位并将mTORC1带到其激活剂Rheb-GTP旁，接着Rheb-GTP刺激mTORC1激活[7,8]。两种复合物之间也是相互影响的，mTORC1促使Rictor磷酸化抑制mTORC2，而mTORC2可以控制AKT的磷酸化来控制mTORC1的活性[9]。

3 NOTCH1和PI3K/AKT/mTOR的相互作用

NOTCH1信号通路与PI3K/AKT/mTOR信号通路分别在细胞的生物学活动中发挥重要作用，在异常激活时，两者均是造成各种疾病发生的高危因素，但两条通路不是相互独立进行的，NOTCH1信号通路可以通过多种途径来调节PI3K/AKT/mTOR信号通路，本文将从以下几个方面来讨论NOTCH1信号通路对PI3K信号通路的调节。

3.1NOTCH1调控PTEN调节PI3K信号通路 肿瘤调控抑制因子(phosphatase and tensin homolog,PTEN)即张力蛋白和辅助蛋白同源、第10号染色体丢失的磷酸酶基因。PTEN能将PIP3去磷酸化产生PIP2从而对抗PI3K的磷酸化功能，因此PTEN是PI3K/AKT/mTOR信号通路的重要负调节因子。NOTCH1可以通过以下4种途径调控PTEN。

第一种： NOTCH1下游靶基因MYC是作为转录抑制因子，而Hes1作为转录激活剂，在NOTCH1信号通路激活时，ICN1使Hes1占主导地位，Hes1与PTEN的启动子结合并抑制PTEN的表达，低表达的PTEN使PI3K/AKT/mTOR信号通路过度激活，而在NOTCH1信号通路受抑制时，Hes1对PTEN的抑制减轻，加之MYC对PTEN的激活，使PTEN高表达，从而使PI3K/AKT/mTOR信号通路抑制[1,10]。

第二种：NOTCH1通过调节ROS调控PTEN。活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)是细胞代谢的副产物，能破坏细胞内的大分子。Giambra等[11]研究发现，NOTCH1可以通过一系列复杂的途径调控ROS，首先NOTCH1诱导生成runt相关转录因子3(runt-related transcription factor 3,RUNX3)，接着RUNX3抑制runt相关转录因子1(runt-related transcription factor1,RUNX1)，然后RUNX1进而诱导PKC-θ[属于蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)家族]，而PKC-θ影响ROS的积累。也有研究表明NOTCH1下游靶基因Hes1可以直接降低ROS的产生[12]。Zhang等[13]研究证实，ROS可以导致PTEN启动子CPG的低甲基化，这种低甲基化可使PTEN基因表达增强，从而增强PTEN的转录与翻译。这个结果与以前ROS促进PTEN 的氧化与失活的结果不同，但不管ROS是促进PTEN的表达还是使其失活，可以确认的是NOTCH1可以通过调控ROS调节PTEN。

第三种：酪蛋白激酶Ⅱ(casein kinase Ⅱ,CK2)是催化肽链中邻近酸性氨基酸残基的丝氨酸/苏氨酸磷酸化的一种酶。活化的NOTCH1使脯氨酸顺反异构酶(peptidyl-prolyl cis-trans isomerase NIMA-interacting 1,Pin1)转录，Pin1使CK2表达上调[14]。在CK2的表达及活性增加时它通过介导PTEN磷酸化导致PTEN蛋白稳定性增加、活性降低，使PTEN对PIP3的作用减弱[15]。

第四种：NOTCH1靶基因C-MYC可以调控miR17-92簇。miR-17-92簇是miRNA多顺反子的一种，在细胞的存活、增殖、分化及血管生成方面有重要的作用，NOTCH1下游靶基因C-MYC可以与miR-17-19b三个子簇中的miR-19两者协同调节共同控制PTEN的地表达[16]。

总之NOTCH1可以通过C-MYC、ROS、CK2、mir17-92来调控PTEN，PTEN进而调控PI3K/AKT/mTOR信号激活。

3.2NOTCH1调控IL-7R、IGF1R 调节PI3K

3.2.1通过IL-7R IL-7是由骨髓、胸腺和其他器官中的基质细胞产生的细胞因子。IL-7受体(interleukin-7 receptor,IL-7R)主要由淋巴细胞表达，它对于T细胞的发育和周围内环境的稳态起重要作用。IL-7R由α链和γC链构成。NOTCH1和IL-7R的增强子结合能并驱动其基因表达[17]。Jian等[18]发现，IL-7/IL-7R可以通过调节自噬相关因子Beclin 1来调节PI3K/AKT/mTOR信号通路。这与之前的理论略有不同：IL-7和IL-7R结合引起IL-7R构象改变并使Jak1、Jak3活化与反磷酸化，随后IL-7Rα细胞质尾部的酪氨酸残基(含保守的Y449)磷酸化，这就产生了下游效应分子PI3K等信号分子的对接位点，从而激活PI3K/AKT/mTORC1信号通路。PI3K/AKT/mTORC1信号通路是IL-7R和NOTCH1两条信号通路的交互作用点[17,19]。

3.2.2通过IGF1R 胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor 1,IGF1)及其受体胰岛素生长因子1受体(insulin-like growth factor 1 receptor,IGF1R)可以调节正常细胞的生长发育。在IGF1R中存在NOTCH1的反应性增强子，NOTCH1与CSL、MAML形成的三元复合物直接与IGF1R的增强子结合，进而上调IGF1R的转录和翻译，使IGF1R维持在高水平表达[20]。也有研究证实血清微小RNA-223(microRNA-223,miR-223)可以降低IGF1R蛋白水平，而NOTCH1可以负性调节miR-223而间接提高IGF1R的蛋白水平[21]。因此，NOTCH1信号既可以直接促进IGF1R表达也可以间接促进IGF1R表达。

而IGF1、IGF2与IGF1R(一种跨膜受体酪氨酸激酶/RTK)结合引起下游通路如PI3K/AKT/mTOR信号通路的级联反应，继而调节细胞代谢和蛋白质的合成。Zorea等[22]研究证明高表达的IGF1R可以直接激活AKT/mTOR。

3.3NOTCH1调控AKT

3.3.1NOTCH1通过穹窿体主蛋白(major vault protein，MVP)调节AKT 穹隆复合体是一种具有中空筒状结构的核糖核蛋白颗粒，MVP是穹隆体的主要组成部分。Xiao等[23]研究发现，NOTCH1胞内结构域(ICD)能够与MVP启动子上的CBF-1结合并驱动其转录，也就是说MVP作为NOTCH1的直接靶点，而MVP可以独立激活AKT。

3.3.2NOTCH1转录激活DEPTOR选择性激活AKT DEPTOR作为mTOR复合物的组成部分，与mTOR有特定的交互作用。DEPTOR一般作为mTOR内源性抑制剂，在DEPTOR缺失后可导致mTOR过度活化。此外，mTORC1和mTORC2也都可以在转录和翻译后水平上负性调节DEPTOR的表达[24]。在以往的报道中AKT可以被PTEN、Hes1等多种机制激活。而Hu等[24]研究不仅证实NOTCH1可以直接结合并激活DEPTOR启动子，最重要的是发现了AKT激活的替代机制，即过度激活的DEPTOR可以通过减轻mTORC1到PI3K的反馈性抑制使AKT激活。

3.3.3NOTCH1通过PP2A使AKT去磷酸化 蛋白磷酸酶2(protein phosphatase 2A,PP2A)属于丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，它在细胞周期的每个阶段中都发挥关键作用，这主要与它的去磷酸化作用有关。AKT的活性由磷酸化与去磷酸化之间的平衡决定，Li等[25]研究发现，NOTCH受体的活化形式NICD过度表达导致TRY 307位点的PP2A过磷酸化，这种过磷酸化使PP2A活性减弱。PP2A活性的降低使其对AKT的Ser473的去磷酸化作用降低，这就使AKT的活性增加。此外，NOTCH1介导的PP2A过磷酸化也使PI3K(P85)的活性增加，但具体机制尚不清楚。

3.4NOTCH1调控mTOR

3.4.1C-MYC上调氨基酸转运子调控mTOR Liu等[26]研究发现，氨基酸是激活mTORC1的关键。C-MYC可以激活SLC1A5和SLC7A6在内的多个氨基酸转运体，这种氨基酸转运子属于膜转运蛋白，能运输大量底物进入胞内，并在各种生理及病理过程中发挥关键作用。这两种氨基酸转运子是驱动C-MYC激活mTOR的关键因素，在他们表达上调后，使细胞对氨基酸的摄取增多，进而级联mTOR 激活。

3.4.2NOTCH1调控Rheb激活mTOR Rheb如上所述在mTOR的激活中扮演着重要的角色。与GTP结合的Rheb可以与mTOR的激酶结构域相互作用激活mTORC1的活性。以往的研究证实Rheb可以激活NOTCH1。而Cho等[27]发现，NOTCH1可以与Rheb启动子上的NOTCH反应元件(Notch-responsive element,NREs)结合并诱导Rheb的激活。然而NRE2和NRE3的突变会影响Rheb启动子的活性，表明在Rheb中NRE2和NRE3对NOTCH1依赖性启动子的活性十分重要。被认为是NOTCH1与Rheb之间的调节器。NOTCH1可以通过与NRE2和NRE3结合激活Rheb启动子，而Rheb如上所述可以激活mTOR，这也就是说NOTCH1可以调节Rheb激活mTOR。而Okuhashi等[28]实验研究曾证实，激活的NOTCH1信号通路可以直接激活mTOR蛋白的表达和磷酸化。

3.4.3MYC上调TSC1/2控制mTORC1 TSC1/2作为mTORC1的上游调节分子，调节机制已如上所述。Hartleben等[29]研究发现，MYC既可以减少微小RNA-15a(microRNA-15a,miR-15a)来间接靶向调控TSC1的mRNA的表达，也可以直接激活TSC1转录。而TSC1属于mTORC1的抑制剂，这也就是说NOTCH1下游靶基因MYC最终使mTORC1信号减弱，这样可以保护细胞中线粒体的稳态，也可以防止毒性ROS的累积，而ROS如上所述可以影响PTEN的表达而影响AKT的信号传导。

NOTCH1信号通路和PI3K/AKT/mTOR信号通路在急性淋巴细胞白血病、胶质母细胞瘤及食管癌等肿瘤、哮喘及系统性红斑狼疮等自身免疫性疾病的发生和发展中发挥重要的作用，两者之间的互相影响与调节亦为当今的研究热点。NOTCH1信号通路不仅可以通过多种途径调控PI3K/AKT/mTOR信号通路的激活，也会受到PI3K/AKT/mTOR信号通路的反调控：有研究报道，活化的AKT可以抑制NOTCH1酪氨酸的磷酸化进而减少NOTCH1被溶酶体途径单泛素化和降解的数量,从而维持高水平的NOTCH1信号[30]。在上述研究的基础上，进一步在疾病模型或患者中开展深入的体内外研究，对阐明两个信号通路参与疾病的发生发展的机制及探索相关疾病新的治疗靶点提供有意义的理论依据：如γ分泌酶抑制剂、MYC靶基因的靶向治疗等可能会成为部分肿瘤及自身免疫性疾病治疗的新靶点。