mTOR信号通路在结直肠癌形成过程中作用的研究进展

钟南英，郭 蒸，邱梅英，赖维玲

(赣南医学院 1.2018 级硕士研究生；2.第一附属医院；3.2017级硕士研究生， 江西 赣州 341000)

1 mTOR信号通路概述

mTOR信号通路主要由3个关键蛋白分子PI3K、Akt和mTOR组成。在人类癌症中，PI3K/Akt/mTOR信号通路被认为是最易突变的信号通路之一，mTOR则被认为是此通路的主要调节因子。有研究表明当mTOR被激活时，它在人类癌症中起着至关重要的作用。此外,在人类癌症中，mTOR常常被过度激活，从而影响细胞的转化、生长、存活等[1-2]。 PI3K/Akt/mTOR信号通路在肿瘤发生和发展中起重大作用，并且主要调节肿瘤细胞的生长、增殖、存活和血管生成。主要机制可能有以下2方面：①通过磷酸化抑癌基因PTEN从而实现PI3K的负反馈调节，PTEN表达的减少间接刺激此通路活动从而导致肿瘤形成。②通过磷酸化激活此信号通路，抑制凋亡因子活性的同时激活抗凋亡因子表达。见图1。

图1 mTOR信号通路图

2 mTOR信号通路相关分子概述

磷脂酰肌醇3-激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K)存在于细胞质中，具有蛋白激酶和磷脂激酶的双重活性。根据它们的结构、调控方式和底物特异性可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 个亚型。在这些亚型中，IA类PI3K在细胞分化和肿瘤形成中起重要作用。而催化亚基 p110a和调节亚基 p85在IA功能活动中特别重要[3]。在细胞中，p85能够将p110维持在低活性的状态；在生长因子的作用下，p85与酪氨酸激酶受体结合，可以消除p85对p110a的抑制作用，从而使磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(PIP2，Phosphatidylinositol4,5-diphosphate)磷酸化，生成3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate，PIP3)。PIP3作为激活Akt的第二信使，促进细胞生长、诱导抗凋亡基因的表达。PI3K信号通路在细胞增殖、粘附、生长、迁移和肿瘤形成中起重要作用[4]。肿瘤抑制因子PTEN通过将PIP3磷酸化为PIP2来拮抗PI3K。所以，在正常细胞中，PTEN能够严格调节PIP3的水平。

Akt的本质为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，同时也被称为PKB(蛋白激酶B)。Akt家族主要包含Akt1、Akt2和Akt3三种亚型。Akt1主要是影响细胞增殖和存活；Akt2主要参与胰岛素对碳水化合物代谢的调节。Akt3主要在调节细胞大小及数量中起作用[5]。Akt是PI3K下游的关键分子，存在于细胞浆中。Akt活性的降低、失活可由其PH结构域缺失或突变引起。PH结构域和PIP3的相互识别可以改变Akt的构象从而暴露苏氨酸蛋白和丝氨酸蛋白。在PDK1的作用下，PIP3与PH结构域的结合使苏氨酸蛋白磷酸化，而丝氨酸蛋白在PDK2的作用下磷酸化。当两者都被磷酸化时，Akt被激活[6]。活化的Akt从细胞膜转移到细胞核或细胞质，然后继续靶向下游信号分子，例如mTOR，Bad，caspase 9，cyclin D1和核转录因子KB。结节性硬化复合物1/2(TSC1/2)属于抑癌基因,可以抑制Rheb的活性[7]。在人类癌症中，Akt信号分子最易发生突变。Akt激活生长因子介导细胞存活，促进细胞增殖和生长，并最终通过Bad阻止细胞凋亡。此外，MDM2是p53的泛素连接酶，可导致肿瘤抑制因子p53降解[8]。活化的Akt会增加MDM2的细胞内含量，增加p53的泛素化和降解，从而导致对细胞凋亡的抵抗[9]。

mTOR属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶(Phosphatidyl inositol kinase-related kinases，PIKK)家族，是PI3K/Akt信号通路下游的重要效应分子。不同形式的mTOR可能具有不同的生理效应。 mTOR主要以mTORC1、mTORC2复合体的形式存在。mTORC1由mTOR和一种蛋白小分子相互结合形成，主要是调控细胞生长、增殖和存活，促进合成代谢。mTORC1可以被氨基酸、高能量、高氧和代谢中间体，如D-2-羟基戊二酸盐激活，而低能量、DNA损伤和缺氧则抑制mTORC1[10-12]。据报道，在结直肠癌患者中，mTORC1活性的表达与肿瘤恶性程度和转移率相关[13]。mTORC1通过调节mRNA翻译促进合成代谢相关通路[14]。此外，mTORC1还具有上调糖酵解、脂质代谢、核苷酸合成、核糖体的生物发生、抑制自噬等作用[15-16]。mTORC2主要由mTOR和rictor蛋白相互结合而成，通过提高蛋白激酶C(Protein kinase C，PKC)磷酸化程度来调控肌动蛋白细胞骨架的构成。最近的研究表明，mTOR至少还具有两种不同于mTORC1或mTORC2的复合物。其中一种复合物发现于星形胶质细胞中；另一种新颖的复合物为mTORC3，存在于许多癌细胞中[17]。雷帕霉素是一种mTOR蛋白特异性抑制剂，主要作用于mTOR的FRB结构域以抑制蛋白活性。mTORC1对雷帕霉素抑制作用较敏感，而mTORC2需要雷帕霉素较长时间作用才能影响其活性。

3 mTOR信号通路与结直肠癌的发生发展

全球结直肠癌的发病率正在上升。每年约有655 000人死于结直肠癌。早期结直肠癌的5年生存率是90%，但在转移性结直肠癌中降低至15%[18]。在过去20年里，尽管许多早期结肠癌筛查方案和治疗已经发展，但并没有显著增加晚期结直肠癌的存活率[19]。此外，转移是治疗失败的最常见原因。随着结直肠癌发展的分子机制的不断阐明，mTOR信号通路受到越来越多的关注。

3.1mTOR信号通路与结直肠癌细胞增殖和克隆形成mTOR信号通路的过度激活会引起与增殖相关基因mRNA的大量转录,合成生长增殖所需蛋白,加速细胞的增殖。CyclinD1是细胞周期G1/S的特定细胞周期蛋白，在促进细胞从G1到S期中起重要作用。它也是原癌基因，其过度表达可导致细胞的增殖失控，而恶化形成结直肠癌等肿瘤[20]。细胞膜EGFR与配体结合诱导胞浆内酪氨酸激酶活化，从而导致自身磷酸化和下游传导路通畅。mTOR是Akt下游的重要靶基因。PI3K/Akt激活mTOR后，mTOR通过磷酸化抑制eIF4E结合蛋白1和核糖体蛋白p70S6两个关键分子。这两种分子都可以在磷酸化后引发蛋白质的翻译促进蛋白质合成并影响细胞增殖[21]。通过显著降低真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1(Thr70)和Akt(Ser473) 的磷酸化水平可实现结直肠癌细胞的增殖活性减弱[22]。有研究发现由PI3KCA基因突变引起的PI3K/Akt信号通路的激活可以显著促进结直肠癌细胞的增殖[23]。Akt使mTOR和下游分子磷酸化，以传导存活信号，抑制细胞凋亡并促进结直肠癌细胞的存活。

3.2mTOR信号通路与结直肠癌血管生成众所周知，肿瘤血管生成的过程极其复杂，其涉及的机制主要是血管生成因子与生成抑制因子之间失衡的结果。 作为最强的促血管生成因子，VEGF有助于肿瘤细胞的迁移和血管通透性的增加。在结直肠癌发生发展过程中，mTOR信号通路参与VEGF介导的血管生成的多个阶段的调节。此外，有报道指出mTOR信号通路通过多种途径调节缺氧诱导因子1(HIF-1)和特定蛋白1(SP-1)的表达，从而进一步促进血管内皮细胞和肿瘤细胞中VEGF的表达。继而，Akt信号传导的激活促进内皮细胞生长并增加血管渗透性，从而允许内皮细胞迁移，从而促进新血管的形成和延伸[24]。在结直肠癌的新血管形成过程中，Akt通过各种磷酸化机制与一氧化氮(NO)相互作用并激活内皮一氧化氮合酶(eNOS)，激活的eNOS可产生NO，并通过Akt信号调节内皮细胞迁移和血管生成[25]。mTOR信号通路与肿瘤细胞克隆、分化、血管形成、侵袭和转移中起着重要作用。希望不同分子靶标的干预将通过某种机制抑制肿瘤细胞的生长。

3.3mTOR信号通路与结直肠癌侵袭转移肿瘤转移的过程主要包括5个步骤：肿瘤细胞从原发肿瘤中脱离、肿瘤细胞存活、肿瘤细胞到达新器官和定植、浸润到周围组织中以及转移灶中的新血管形成[26]。大多数的癌症导致的死亡是由于原发肿瘤转移到肿瘤周围多个器官而引起的。而获得迁移和入侵潜力是第一步，也是转移级联中限速的主要步骤。EMT(Epithelial-mesenchymal transition)是转移过程起始最为重要的机制，因为在这个分子程序中上皮细胞经历了多阶段的去极化过程。EMT分子机制是可逆的，其逆过程被称为间充质上皮转换(MET)。除此之外，在转移级联的初始阶段，小的GTP酶包括RhoA和Rac1被激活，导致肌动蛋白细胞骨架重排、细胞迁移和侵袭。在结直肠癌中主要通过RhoA和Rac1信号机制，mTORC1和mTORC2在调节EMT、迁移、侵袭和转移方面发挥重要作用。除了mTOR信号通路，上调各种蛋白质分子，如TRIM29、BMP2、TRIM44、UBE2Q1和PGAM1被证明可以通过mTOR促进增殖和在多种人类肿瘤中的转移[27-29]。此外，PI3K/Akt/mTOR信号通路与基质金属蛋白酶(MMP)的表达有关，它可以上调MMP的表达，MMP可以降解细胞外基质，增强肿瘤细胞的侵袭能力，促进肿瘤细胞的转移。目前学术界认为，PIK3CA基因突变以及PTEN表达丢失可加速结直肠癌进展。PIK3CA突变与结直肠癌病灶的位置、组织分化程度以及免疫组织化学类型密切相关。PIK3CA突变可降低结直肠癌腹膜转移的危险[30]。晚期结直肠癌转移灶中pAkt阳性表达率为62%，这也揭示pAkt在结直肠癌转移灶中表达率较高[31]。在正常条件下，mTORC1和mTORC2分别介导4EBP1、PP2A-Erk1和FAK、SGK1等参与细胞的迁移，并促进肌动蛋白的重塑。然而在异常情况下，此项功能却有助于肿瘤细胞的转移。此外，通过对结直肠癌易感基因的生物信息学分析，寻找其敏感和特异的基因是目前的需要和以后的发展趋势。TP53、CTNNB1、AKT1等基因在结直肠癌诊断中可能起关键作用。其蛋白可能涉及细胞分化、细胞增殖、细胞周期调控、肿瘤血管形成等。

4 小结与展望

mTOR信号通路的激活与肿瘤关系密切，在肿瘤细胞增殖和克隆、血管形成、侵袭转移、抑制细胞凋亡等方面发挥重要作用。尽管PI3K/Akt是mTOR的重要上游转导途径，但在复杂的人类环境中形成信号网络通常是多因素相互作用。所以，为了进一步解释疾病的发生和发展机理，仍然需要大量的基础和临床研究工作。另一方面，RNA干扰技术逐渐得到认可，特定的RNA干扰介导的基因沉默技术可以靶向特定的途径分子以产生抗肿瘤特性。此技术为结直肠癌提供了新的治疗策略。在结直肠癌的发展过程中，mTOR信号通路的过度激活可导致结直肠癌细胞的恶性生物学行为增加和结直肠癌的转移。