PI3K-AKT 信号通路在胃癌中的作用机制及研究进展

郝艳娇 李志宇 常明智 张晓丽

河北北方学院，基础医学院，张家口，075000，中国

胃癌是全球第五大常见癌症，也是第三大常见癌症的死亡原因［1］，患病人数以及胃癌导致死亡数量逐年增加，形式不太乐观。胃癌的发病率特点表现为发病人数、死亡人数和转移能力均较高，据统计，每33 名男性、每78 名女性中就有1 人为胃癌患者［2］。胃癌的致癌因素众多，比如幽门螺杆菌（helicobacter pylori，HP）感染、慢性胃炎、饮食不规则、过度吸烟和饮酒等。虽然近年来胃癌的预后有所改善，但以进展快、化疗耐药为特点的恶性型胃癌预后较差［3］。胃癌致病机制不明，但达成共识的是胃癌的病变过程是多环节、多原因、多步骤和包含多条通路积累的改变过程，此过程中信号传导通路会发生异常改变。

1 PI3K/AKT 信号通路的构成与功能

1.1 PI3K

磷脂酰肌醇3-蛋白激酶（phosphatidylinositol 3-protein kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）通路是一条与细胞凋亡和增殖密切相关的信号生存通路，参与了许多恶性肿瘤的形成且通路异常状态与肿瘤的分期、分化甚至转移度等紧密联系［4］。PI3K 在20 多年前被发现，属于磷酸化肌醇磷脂的-OH基团［5］，是细胞内脂质激酶的大家族成员之一。PI3K含有调节功能亚基p85α、p65β、p65γ和催化效能亚基p110α、β和γ。SH3 区域和丰富的脯氨酸区域构成了p85 的N 末端，两个SHZ 区域与一个蛋白质分子亚基p110 连接的结构域组成了COOH 末端。根据PI3K 结构特点和子序列特异性可将其分为三个子型：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。研究表明参与这条途径的调控主要为Ⅰ型，且与癌症的发生有关联［6］。

Ⅰ型PI3K 可以再划分为两型：A 和B 亚型。催化功能的球蛋白P110（α、β、γ）和调节功能的球蛋白p85共同构成A 亚型。催化亚基和调节亚基构成了异质复合体蛋白质，控制蛋白定位，受体结合和激活［7-8］。P110γ可以促进激酶活性，属于Ⅰb 亚型，p1l0γ和p85不相结合，而与一个接头蛋白连接并参与G 蛋白亚基活化的过程［9］。Ⅱ型PI3K 有三种亚型，包含α亚型、β亚型和γ亚型，在许多器官和组织中表达，拥有各自不同的细胞作用，同时包括细胞迁移、存活、吞噬、胞饮、通道调节的重要作用［10］。Ⅲ型PI3K 由催化亚基Vps34（空泡蛋白分类34）和VPS15（空泡蛋白分类15）组成，可以通过雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）进行调节，进一步促进蛋白质的合成，调节细胞的自噬水平［11］。III 类PI3K 家族也被证明可以促进自噬、核内体运动-核内体成熟、生物合成、膜转运和细胞质的分裂［12-14］。研究发现，PI3K 几乎与所有人类的癌症均有关，如结直肠癌，前列腺癌，乳腺癌等，为治疗癌症提供了潜在的方向与研究价值［15］。

1.2 AKT

AKT 属于细胞质中的信号蛋白，作为PI3K 通路的核心蛋白，也是三磷酸磷脂酰肌醇（three phosphatidyl inositol phosphate，PIP3）重要的作用部位，调节细胞内的多种功能，如细胞生长、凋亡和糖代谢等方面，并通过一系列下游效应因子抑制细胞凋亡［16-17］。目前发现AKT 表达的三种分型：由PKBα基因编码的AKT1、由PKBβ基因编码的AKT2、由PKBγ基因编码的AKT3［18-19］。它们的基因虽然互不相同，但是在氨基酸分子水平上有80%的重叠部分。AKT 包含3个不同的功效区间：①在AKT 的氨基端存在作用于底物Ser 或THr 残基，pH 区间（pleckstrinhomology）存在于AKT 的N 尾端，该区域由相似其它分子的三磷酸酰肌醇和数量约100 个AA 的连接域，在物质调节方面发挥功能，尤其是在类脂化合物、蛋白质/蛋白质间相互影响。② 中心结构域在AKT 分子中是极为关键的激酶区，该区308 位点还有AKT 不全激活所必要的ser 并与PkA、PkC 有相同的区间。③AKT 尾部的羧基端存在疏水调控区域，其富含大量的Pro，该区所拥有的丝或苏氨酸残基的磷酸化位点是AKT 完整活化所必需的。AKT 的PH 区域在进化过程中是基本不变的，说明其可能起着主要作用［20］。

AKT 是人类癌症中最活跃的激酶之一，能够直接影响肿瘤细胞的各种生物学表现［21-22］。有研究发现，蛇床子素可以降低AKT，诱导胃癌细胞凋亡以及阻滞细胞周期在G2/M 期，从而抑制胃癌细胞的生长［23］。AKT 在许多胃癌的发生发展中经常被发现，高表达的XLOC_006753 通过抑制AKT 途径增强胃癌细胞的耐药性［24］。多种研究表明，靶向AKT 对治疗胃癌有较大的潜力。

2 PI3K/AKT 信号通路的调控

P13K/AKT 涉及多种肿瘤细胞的增殖、凋亡、侵袭、转移等肿瘤发生发展过程，是肿瘤细胞的关键信号生存通路之一，其与致癌基因相关联，并且与肿瘤的发生发展和治疗预后也显著相关［25-26］。该通路的调控是多因素的，包括受体：酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases，RTKs）、GTP 连接蛋白等，配体：内毒素、胰岛素生长因子1、2（insulin like growth factor 1、2，IGFs1，2）和胰岛素等。

PI3K/AKT 通路的活化过程是繁复、多原因的。当酪氨酸残基磷酸化后可激活受体Tyr 激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），激活的RTK 将和P85α亚基相关联，它们的协同作用上调了P110 催化亚基活化率［27］。从而激活底物肌醇磷脂二磷酸（phosphatidylinositol（4，5）bisphosphate，PiP2），生成无法被磷脂酶切割的肌醇磷脂三磷酸（PiP3）。PIP3 信号分子在增殖、凋亡、生存和胰岛素信号调控中发挥作用，是信号整合和下游蛋白激活的主要目标［28］。随后与信号蛋白AKT 的丝-苏氨酸激酶位点相匹配，导致AKT 激活由细胞质转于胞膜上，使其构像发生改变。被激活的所有AKT 与其下游的多种底物相互作用，可以完成多种效能，包括磷酸化胞质和细胞核中的靶蛋白，活化Camp 反应元件结合蛋白，整合细胞外信号信息，抑制P27 和激活哺乳动物雷帕霉素蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）等［29］。最主要是通过激活下游的mTOR 信号分子进而调控细胞增殖、细胞周期、细胞分化、血管生成和侵袭等［30-32］。PIP3 去磷酸化通过磷酸酯酶和张力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）表达下调来完成，进一步抑制PIP3 激活AKT，并且使mTOR 在AKT 下游被负调控，mTOR 诱导下游的激酶如P70-S6K 和转录起始因子4E（4E-binding protein 1，4EBP1）磷酸化，进一步影响蛋白质表达水平和合成增多［33］。PTEN 是一种新型的抑癌基因，可以调控细胞周期，在胃癌中经常发生突变，它的失活和胃癌的发生发展密切相关。PTEN 的失活也能够激活AKT 及其下游的分子，从而调控细胞存活、凋亡、周期等［34］。有研究表明，吴茱萸通过抑制PTEN 介导的PI3K 通路的表达，进而抑制胃癌细胞的增殖，诱导凋亡［35］。

3 靶向PI3K-AKT 信号通路与胃癌研究现状

PI3K-AKT 是细胞生存和代谢的激动器，涉及胃癌细胞的凋亡、自噬及其它功能状态等。其限制了肿瘤发生发展的几种不同形式：如参与肿瘤细胞血管生成和形成、肿瘤细胞迁移、侵袭等过程。值得关注的是，在关键的血管通透因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的产生和其受体的信号转导过程中该通路发挥了极其重要的功能。

3.1 PI3K/AKT 抑制剂与胃癌的关系

在正常和肿瘤细胞的许多过程中PI3K-AKT 途径发挥了主要的功能，同时在胃癌细胞的生长、代谢、分化、自噬等方面也发挥了不可替代的作用，所以抑制该信号通路是治疗胃癌的一个重要靶点。

雷帕霉素是常见的抗血管生成代表药物之一，其类似物在临床上的开发是药物应用研究热点，雷帕霉素具有抗血管生成的活性，可使血管内皮对生长因子刺激所带来的的反应完全消除，也是调节许多致癌和代谢功能的重要靶点。雷帕霉素抑制血管化肿瘤因子的生长，机制为作用于PI3K-AKT 通路中的抗肿瘤的某一部分。雷公藤红素是PI3K 的抑制剂，杨静等［36］研究发现雷公藤红素以浓度依赖性降低PI3K、AKT 磷酸化的表达水平，可显著抑制胃癌MFC 细胞的增殖。没食子酸（gallic acid，GA）是具有抗肿瘤作用的一种有机酸。李沐涵等［37］采用蛋白印迹法检测目标蛋白的表达，将不同浓度的GA 和PI3K 抑制剂分别作用胃癌细胞，提取蛋白，测蛋白浓度并记录，实验结果表明，没食子酸组的胃癌细胞p-PI3K/AKT 等蛋白表达水平受到显著抑制，表明没食子酸可能介导PI3K/AKT 使胃癌细胞的表达降低。派立福辛是一种新型的AKT 抑制剂，属于抗肿瘤药物之一，目前已经在临床上进行不断的试验。经RNA 干扰下调胃癌细胞中的AKT 下游底物eIF4E（真核翻译起始因子4E）的表达水平来抑制信号途径，结果表明胃癌细胞的增殖受到了显著抑制。Liang Son 等［38］对人体胃癌标本及临床胃癌患者进行一系列的研究，发现eIF4E 蛋白表达量降低可阻滞胃癌细胞生长，并可能成为新的抗胃癌的药物。

3.2 PI3K/AKT 与胃癌细胞的凋亡

凋亡能够促进机体正常生长、生物体的进化以及保持细胞外液的稳定性，是由遗传机制调控的生理性死亡。细胞进行的主动性死亡和抗死亡因子处于微妙的平衡状态，而这种平衡的打破正是引发多数疾病的原因。因此，该通路的研究是了解细胞凋亡信号通路的抑制、激活、相关机制与多种疾病关联的重要突破点。

当细胞线粒体中的促凋亡Bcl-2 相关X 蛋白（Bcl-2 associated X protein，Bax）和抗凋亡B 淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2，Bcl-2）基因之间的平衡改变时，可以诱导细胞周期蛋白（cyclin D1）的活化，从而使细胞产生凋亡［39］。赵士龄等［40］经过体内外研究发现，氯胺酮处理胃癌细胞导致Bcl-2 蛋白水平下降，同时Bax，caspase-3 活性增强，进而诱导细胞凋亡，并能够使PI3K、AKT 蛋白的磷酸化水平降低，有效地抑制体内外肿瘤生长。黏着班激酶（focal adhesion kinase，FAK）位于PI3K 的上游，上调FAK 可以抑制胃癌细胞的迁移和诱导其凋亡，结果表明β咔啉类生物碱通过活化FAK/PI3K/AKT 通路来抑制胃癌细胞生长［41］。叶黄素具有抗氧化能力，不仅可抑制肿瘤细胞的发展，还可以提高人体免疫力［42］。使PI3K、AKT 在胃癌干细胞中的表达及其磷酸化水平下降，从而导致细胞的凋亡数量增加，表明在胃癌中叶黄素可调节此通路诱导细胞的凋亡［43］。人参具有抗肿瘤活性，能够抑制血小板的聚集，抑制化疗诱导的免疫抑制作用，因此，人们从人参中提取了人参皂苷Rg3［44］。研究发现，人参皂苷Rg3 可以降低细胞中的因子、增强免疫力和化疗敏感性等方面来限制癌细胞的生长［45］。胞外蛋白激酶、有丝分裂活化蛋白激酶水平可以通过黄芪甲苷来降低从而减少癌细胞在机体侵袭的发生。黄芪甲苷通过抑制PI3K-AKT 通路，使多种凋亡蛋白的表达水平下降，比如Bcl-2、Fas、p53 等，同时增加了多种促凋亡蛋白的表达水平，比如Bax、Bak、Bok 等，从而抑制胃癌细胞的增殖并促进凋亡。子银化痰方由半夏、白花蛇舌草等组合而成［46］，经过子银化痰方处理的胃癌细胞组，明显的抑制了胃癌细胞中的PI3K、CyclinD1、Bcl-2 的表达，Bcl-2 是Bcl-2 家族中最重要的抗凋亡基因，CyclinD1是AKT 的下游蛋白，参与胃癌细胞G0/G1周期的表达，其表达增加在肿瘤的分化和恶性转化有重要作用［47］。结果显示子银化痰方通过调控PI3K/AKT 信息转导促进胃癌细胞的凋亡。

3.3 PI3K/AKT 与胃癌细胞的侵袭与转移

侵袭与转移的发生作为大多数肿瘤细胞生长的标志［48］，此过程与许多通路、分子机制相关联。此通路与癌细胞的增殖、侵袭、转移等过程紧密相连。通过激活该通路中的相关蛋白，进一步促进了胃癌的转移，有望成为治疗胃癌转移的一个潜在的靶点［49］。

研究发现，PI3K 下游分子AKT 参与调控胃癌细胞的侵袭与转移，基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）参与细胞外基质的降解，并能够穿透基底膜，其中MMP-9 和MMP-2 是研究最广泛的金属蛋白酶，在细胞侵袭与转移过程中发挥了重要作用，AKT 能够激活MMP，进而调控肿瘤细胞的侵袭与转移［50］。芬太尼是一种阿片受体激动剂，李春来等［51］发现芬太尼抑制MMP-9 蛋白水平的表达，促进对胃癌细胞侵袭和转移的抑制作，可能与PI3K/AKT 有关。藤黄醇具有抗炎、抗应激等作用，可以调节多种信号通路参与肿瘤的发生。在胃癌的研究中发现，藤黄醇通过PI3K/AKT 信息转导减少细胞增殖、降低MMP-2/9蛋白的表达，从而抑制胃癌的进展［52］。酪蛋白激酶2A1（CSNK2A1）是一种多效性的激酶，可磷酸化多种底物，与多种肿瘤细胞的侵袭与转移有关，Chao Jiang等［53］研究发现，CSNK2A1 通过降低AKT 和mTOR 的磷酸化水平进而阻断PI3K/AKT 分子信号的传递，限制了胃癌细胞的侵袭与转移。Shh 作为一种信号传递途径在特定细胞的生长和分化中发挥了主要的功能。通过分析人类胃癌组织切片表明Shh 传导途径通过活化PI3K-Akt 信息转导进而促进上皮-间充质细胞转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）和MMP-9的激活，从而参与胃癌的转移和侵袭［54］。汤加宁等［55］实验表明槐耳清膏可能参与PI3K/AKT 通路负性调控，使MMP-2 和MMP-9 能力降低，进而抑制了胃癌的腹腔转移。LMO4 属于T 细胞白血病的致癌基因，王宁等［56］通过基因探针（gene set enrichment analysis，GSEA）分析发现LMO4 与AKT/mTOR 信息转导密切相关，在胃癌细胞中加入LMO4 蛋白、米替福辛（PI3K/Akt 抑制剂）和dactolisib（mTOR 抑制剂），观察发现LMO4经PI3K/AKT 信息转导途径显著抑制了PI3K、AKT和p85 的磷酸化水平，抑制了胃癌细胞的侵袭和增殖。KLOTHO 基因是调控衰老的基因分子，可作为抑癌基因在肿瘤细胞生长中起作用，蒋茂芬等［57］通过体外培养人胃癌细胞和正常胃黏膜细胞，经过一系列的方法提示上调KLOTHO 可与细胞膜表面受体结合，随后启动细胞内特定的信号传导通路，抑制胰岛素和胰岛素促生长作用的多肽物质在细胞内传递，进而下调AKT蛋白的磷酸化水平，进一步抑制了PI3K-AKT 的信息传递，使胃癌细胞表面的MMP-9 蛋白表达水平下降，抑制胃癌细胞的迁移、侵袭。许多研究证实UFM1 参与肿瘤的发生、发展，通过对437 例胃癌患者进行分析［58］，证明过表达的UFM1 可以抑制AKT 磷酸化水平进而影响PI3K/AKT 信息调节，使肌醇3 磷酸依赖性的蛋白激酶-1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1，PDKl）的表达水平升高，PDK1 在调节肿瘤细胞迁移中能够发挥主要作用，其不仅是蛋白激酶类的主要管理者，也是PI3K-AKT 信号通路中关键的蛋白激酶，可以磷酸化其下游的许多蛋白，比如p70S6K、AKT 等，导致其泛素化水平升高，降低蛋白的表达水平，从而抑制胃癌的侵袭、转移。能使编码序列基因转录翻译而来的蛋白编码功能的非编码长度超过200 的RNA 分子（lncRNA），对于肿瘤的发展过程起了重要的作用。一系列的体内外实验表明lncRNA 可以通过PI3K-AKT通路促进胃癌的侵袭、转移，并参与多种肿瘤的生长过程。lncRNA 有可能望成为治疗胃癌细胞的一种新型生物标志物。

4 结语与展望

研究证实，在胃癌发生、发展、治疗、预后过程中PI3K-AKT 通路一直都是人们为研制治疗新方案的突破点和热点，其与胃癌细胞的增殖、自噬溶酶体的形成、程序性死亡、侵袭和迁移有关。该通路的发现对于人类治疗癌症既是机遇也是挑战。随着人们对PI3K/AKT 通路不断的深入研究，靶向肿瘤的药物出现会越来越多。目前其作用机制尚未完全阐明，比如在胃癌组织中PI3K/AKT 通路与RAS/Raf、NF-κB、JAK-STAT等通路之间是否有协同作用，中药和化疗的联合应用通过PI3K/AKT 通路在胃癌中是否有协同、拮抗作用等。相信随着对通路机制的研究将有助于治疗胃癌更加有效方案的研发，将会大大提高胃癌患者的生存质量。