PI3K/Akt/mTOR信号通路在肝细胞癌中的作用机制研究进展

王帅，李涛，袁胜涛

中国药科大学药物科学研究院（江苏省新药筛选重点实验室），江苏南京 210009

原发性肝癌主要分为肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）和肝内胆管癌；其中，HCC 占发病总数的80%～90%，具有病死率高、发现时间晚、治疗效果差等特点[1]。目前，HCC 是第6 大常见癌症及第4 大癌症相关死亡因素，主要诱因包括酒精滥用、糖尿病、肥胖、乙型肝炎病毒（hepatitis B virus，HBV）和丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）感染、黄曲霉毒素 B1、非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）及非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH），上述诱因可促进肝脏炎症发展成为肝纤维化和肝硬化，诱导肝细胞发生凋亡和氧化应激，蛋白表达水平发生变化，DNA 出现损伤，最终导致癌变的发生[2]。近年来，研究发现磷脂酰肌醇3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶 B（protein kinase B，PKB，又称Akt）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路与HCC 的发生发展密切相关。本文综述PI3K/Akt/mTOR信号通路在HCC 中的作用机制研究进展，以期为HCC 的药物研发提供理论依据。

1 HCC 的诱因概述

截至1990年，全球肝癌发生率增加114%。其中，美国、澳大利亚、英国等社会人口指数高的国家，其肝癌的增长率尤为明显。随着HBV 疫苗和HCV 抗病毒药物的不断研发，发达国家由HBV、HCV 感染所致的HCC 发病率显著下降[3]；但酒精滥用、NAFLD 及NASH 引起的HCC 发病率不断升高。研究预测到2030年，美国的NAFLD 和NASH 发病率将分别增加21%和63%，成为HCC 的最主要诱因之一[4]。

2 PI3K/Akt/mTOR信号通路参与HCC 发生发展的分子机制

PI3K/Akt/mTOR信号通路作为细胞内主要的信号通路之一，广泛参与调控细胞周期、细胞增殖、细胞凋亡、代谢、血管生成过程。受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinasee，RTK）是单层高亲和性细胞表面受体，其配体包括生长因子、细胞因子和激素。当其与配体结合后，RTK 被活化而发生自磷酸化，继而发生受体二聚化，活化的RTK 通过招募PI3K，在内膜上磷酸化磷脂酰肌醇，进而活化下游的PI3K/Akt/mTOR信号通路。在HCC 中，RTK 的紊乱导致该信号通路过度活化，诱导脂代谢异常和细胞自噬过程，导致HCC 的发生进展[5]。

2.1 PI3K

根据结构、底物特异性的不同，PI3K 分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。其中，ⅠA 型PI3K 是与肿瘤的发生关系最为密切的亚型。PI3K 的活化包括直接和间接2 种类型。前者指被RTK 或结合鸟苷三磷酸（guanosine triphosphate，GTP）的RAS 直接活化，后者指由胰岛素受体底物等适配体分子间接活化[6]。活化的PI3K 磷酸化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸，生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate，PIP3），PIP3 招募3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶（pyruvate dehydrogenase kinase，PDK）1 和Akt 至质膜，PDK1可磷酸化Akt 活性环中的Thr308，从而部分活化Akt。

2.2 Akt

Akt 是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，可广泛参与细胞生物过程的调控。Akt 包括Akt1、Akt2、Akt3三种亚型，在人体中的分布较为广泛[7]。Akt1 在各组织中广泛表达，Akt2 主要表达于胰岛素敏感组织，Akt3 主要分布于大脑和睾丸。三种亚型分布的差异性主要由蛋白结构域的差异所决定[8]。PDK1 和PDK2 分别磷酸化Akt 调控区域的Thr308 和Ser473，以充分活化Akt。Akt 也可被肿瘤抑制因子PTEN 调控，后者参与PIP3 去磷酸化产生磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸的催化过程。完全活化的Akt 可刺激mTOR、糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK-3）、cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）、叉头状转录因子O（forkhead transcription factors of O class1，FoxO）等下游靶蛋白，并参与脂代谢、自噬等细胞生理过程。

2.3 mTOR

mTOR 也是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与营养相关的细胞生长和增殖过程。mTOR 包括mTORC1 和mTORC2 两类。其中，mTORC1 由mTOR、Raptor 蛋白组成，主要参与细胞生长和能量代谢过程；mTORC2 则由mTOR、Rictor 蛋白组成，主要参与细胞骨架再构建和细胞生存的调控[9]。这些蛋白作为支架蛋白参与配合物聚集和底物结合过程。两类mTOR 分子都可与一些抑制蛋白结合负调控其活性，如mTORC1 可与PRAS40、FKBP38 结合，而mTORC2 可与XPLN 结合。

作为一类PDK2，mTORC2 可使Akt 的Ser473磷酸化以充分活化Akt 分子，活化的Akt 可进一步活化mTORC1。除磷酸化的Akt，mTORC1 的活化还需要小分子GTP 酶Rheb 的参与。正常情况下，Rheb 受到GTP 酶活化蛋白抑制剂的抑制。Akt 可抑制结节性硬化综合征基因，进而活化Rheb，共同激活mTORC1。mTORC1 的下游效应蛋白包括4EBP1和S6K1/2，主要参与线粒体生物合成过程和信使RNA 翻译的调控。Singh 等[10]研究发现，在HCC 患者的肿瘤组织中，mTORC1 和mTORC2 的调控出现紊乱，mTOR 功能抑制与细胞自噬活化相关，mTOR的高度活化可导致与肥胖、糖尿病、脂肪肝等相关的脂合成增加。

2.4 下游效应蛋白

GSK-3 是Akt 的底物之一，是一类普遍表达的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，包括GSK-3α 和GSK-3β两种亚型，二者具有85%的同源性，通过抑制糖原合成酶活性参与抑制糖原合成过程[11]。Fang 等[12]研究表明，HCC 中GSK-3β 的上调与患者预后差具有相关性，采用短发夹RNA 或特异性抑制剂抑制GSK-3β 活性可降低mTORC1 活性及糖酵解过程，继而抑制HCC 的体内生长。

CREB 作为一类转录因子，其Ser133 可被活化的PI3K 和Akt 磷酸化，使其二聚化而激活。CREB与真核细胞基因启动子区的CRE 结合，调控细胞增殖、细胞凋亡、血管生成、转移和代谢相关基因的表达。Shneor 等[13]研究发现，CREB 的高度活化与HCC 侵袭性增加、预后不良有关，与癌旁组织相比，HCC 组织中CREB 的总蛋白含量及磷酸化水平均明显增加。缺氧条件下，敲低CREB 会抑制HCC 的体内外增殖能力和血管生成能力，增加HCC 细胞对化疗药物的敏感性。此外，过表达CREB 可促进HCC细胞的增殖、血管生成能力，且对凋亡不敏感，同时过表达CREB 可升高YAP 蛋白的表达水平，促进增殖。Park 等[14]研究显示，p38 丝裂原活化蛋白激酶的寡核苷酸或特异性抑制剂将促进CREB 的降解，增加HCC 细胞的放射敏感性，提示CREB 在HCC患者的放射治疗中具有重要作用。

FoxO 是一类转录因子，由FoxO1、FoxO3、FoxO4、FoxO6 组成。FoxO1 和FoxO3 作为FoxO 蛋白的主要形式，主要参与HCC 发生发展过程。Dong等[15]研究表明，异常活化的Akt 信号会抑制FoxO1的转录活性，抑制细胞对氧化应激损伤的保护机制。生理条件下，FoxO1 对诱导上皮间质转化的转录因子和转化生长因子-β 具有抑制作用，Akt 的高度活化会解除这一抑制作用，促进HCC 的上皮间质转化过程，导致肿瘤发生侵袭和转移。FoxO3 的高表达与HCC 预后不良有关。Song 等[16]研究发现，与癌旁肝组织相比，大多数HCC 组织中FoxO3 表达过高，患者伴随较差的无疾病生存期和预后。体内外研究发现，FoxO3 敲除联合索拉非尼治疗可显著抑制HCC中索拉非尼诱导的自噬发生过程，增加索拉非尼的治疗作用，提示靶向FoxO3 有助于增强索拉非尼的治疗作用[17]。

3 HCC中PI3K/Akt/mTOR信号通路参与的主要代谢过程

3.1 脂质代谢

新生肿瘤细胞需促进脂质合成过程以产生新的生物膜。因此，肿瘤的显著代谢差异之一是脂质摄取和合成过程的增加，支持细胞生长、增殖和癌变过程。PI3K/Akt/mTOR信号通路通过多种机制促进脂质合成过程，最常见的是固醇调节元件结合转录因子1（sterol regulatory element-binding transcription factor 1，SREBP1）。SREBP1 是脂质代谢稳态的关键调控基因，参与调控脂肪酸、三酰甘油、胆固醇合成过程的相关基因表达。SREBP1 作为前体蛋白在内质网中被合成，继而经蛋白水解暴露其氨基端而获得转录因子活性。PI3K/Akt/mTORC1 信号通路参与调控SREBP1 的成熟和活化过程，进而参与对脂代谢关键酶的调控过程[18]。Lee 等[19]研究显示，HCC组织中SREBP1 的表达水平显著升高，且其高表达常伴随更大的肿瘤面积、更高的肿瘤分级且有淋巴结转移过程。此外，抑制SREBP1 能够抑制HepG2肝癌细胞增殖、迁移和侵袭能力，损害HCC 体内生长能力。

Guri 等[20]研究显示，Akt 可通过特定位点磷酸化GSK-3 以抑制其活化，从而稳定SREBP-1。此外，活化的Akt 可抑制胰岛素诱导基因2 的表达。胰岛素诱导基因 2 作为肝特异性基因可抑制SREBP-1 发挥功能。mTORC2 可通过调控Akt 和SREBP-1，调节肝脏脂肪的合成过程。抑制mTORC2 还可减少HCC 脂肪含量和肿瘤体积，提高治疗效果。

3.2 细胞自噬

细胞自噬是细胞内营养物质分解的主要途径之一，主要负责将细胞不需要的、功能紊乱的蛋白质及其他组分靶向运往溶酶体中降解。自噬体是一类与溶酶体相连的双层膜囊泡状结构，当这些物质被运往自噬体后，会分解产生游离的脂肪酸和氨基酸，以供细胞正常生理过程所需[21]。自噬由各种自噬相关蛋白ATG 介导，ATG 可组装形成自噬体，与溶酶体融合最终被降解。PI3K/Akt/mTOR信号通路是自噬的主要调控通路之一。生理状态下的mTORC1被激活后，可磷酸化UNC-51 样激酶（unc51-like autophagy activating kinase）1 和2，以抑制自噬的发生。在缺氧或营养匮乏的条件下，细胞激活AMP活化蛋白激酶以磷酸化Raptor，Raptor 磷酸化可抑制mTORC1，导致ULK1/2 去磷酸化而活化，进而促进细胞自噬的发生。此外，当mTOR 途径受到抑制时，GSK-3β 也可磷酸化激活ULK1，从而促进自噬的发生。

因活化ULK1 可诱导自噬的发生，而在大多数肿瘤内存在自噬抑制现象，因此ULK1 水平的升高可作为HCC 的指征之一，ULK1 的高表达与HCC 的肿瘤体积增大、患者预后生存期缩短有关。Ryu 等[22]研究发现，HepG2 细胞中敲除ULK1 可抑制肿瘤细胞的增殖，强化索拉非尼的体内外治疗作用。此外，ULK1 特异性抑制剂XST-14 联合索拉非尼可显著抑制HepG2 体内肿瘤的生长。靶向ULK1 将为治疗HCC 提供新的途径。

4 Akt/mTOR 抑制剂治疗HCC

4.1 Akt 抑制剂

Ipatasertib（GDC-0068）是一类腺苷三磷酸竞争性Akt 抑制剂，可抑制多种HCC 动物模型的肿瘤生长，对存在磷酸化-Akt 水平高、PTEN 缺失或PIK3CA基因激酶域突变的HCC 更敏感。Zhai 等[23]构建索拉非尼耐药HCC 细胞株，发现GDC-0068 联合索拉非尼可通过自噬途径逆转对索拉非尼的耐药性，提示临床治疗HCC 可联合应用GDC-0068、索拉非尼。然而，GDC-0068 在临床主要用于前列腺癌和乳腺癌的治疗，HCC 的临床研究目前仅限于Doi 等[24]报道的Ⅰ期临床研究。

Capivasertib（AZD 5363）是另一类Akt 抑制剂，与三个亚型都有一定的亲和力。Davies 等[25]研究发现，AZD 5363 通过抑制Akt 磷酸化以降低FoxO3a磷酸化，导致FoxO3a 入核，促进p27 等基因的表达，从而诱导细胞周期阻滞和凋亡的发生。Zhang 等[26]研究发现，AZD 5363 以剂量和时间依赖性方式抑制Akt 下游蛋白的磷酸化，抑制HepG2 和Huh-7 细胞的增殖能力。Patra 等[27]将AZD 5363 与β-连环蛋白抑制剂FH535 联用，发现可诱导肝细胞周期阻滞和自噬发生，明显抑制细胞的增殖能力，为Akt 的药物联用提供新思路。Dean 等[28]开展AZD 5363 对进展性HCC 患者的Ⅰ期临床试验，结果显示其具有良好的安全性和耐受性。

ARQ 092 和ARQ 751 是一类泛Akt 的强效变构抑制剂，通过抑制Akt、下游蛋白磷酸化及下调mTOR信号通路发挥抗肿瘤作用[29-30]。ARQ 751 已进入Ⅰb 期临床试验，用于包括HCC 在内的PIK3CA/Akt/PTEN 突变的实体瘤治疗（NCT02761694）[30]。

MK-2206 同是一类变构性Akt 抑制剂，可抑制HCC 细胞增殖，诱导周期阻滞和凋亡[31]。MK-2206已进入多项临床试验，但由于安全性差而无法作为单药使用（NCT01239355、NCT01425879）[32]。

4.2 mTOR 抑制剂

临床mTOR 抑制剂治疗HCC 多以单药或联合用药的方式，常见的mTOR 抑制剂主要有第一代抗生素变构剂（Rapamycin）、第二代mTORC1/2 抑制剂（AZD 8055、MLN 0128）、第二代Akt/mTOR 双抑制剂（MK-2206）。尽管已有临床前研究表明雷帕霉素可抑制HCC 发展，但迄今为止，临床试验结果均显示对HCC 患者无治疗作用[33-34]。此外，针对第二代mTOR 抑制剂的临床试验也未通过。

5 小结与展望

大量已有研究表明，PI3K/Akt/mTOR信号通路在HCC 的发生发展中发挥关键作用，超过半数的HCC 中发现PI3K/Akt/mTOR信号通路的蛋白表达水平升高，其异常活化会影响包括细胞增殖、代谢、肿瘤分化、脂代谢、自噬、上皮间质转化等细胞生理过程。由于上述代谢活动具有相关性，当前一线的酪氨酸激酶抑制剂主要是PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制剂，然而其治疗作用有限，众多患者最终会因药物耐受而无药可用。因此，面对越来越多的HCC患者，当务之急是找到更加安全有效的治疗药物，以延长患者的生存期，提高患者的生存质量。深刻理解PI3K/Akt/mTOR信号通路与其他信号通路的交联及反馈适应机制，对于有效的小分子抑制剂开发至关重要。此外，通过鉴定患者的基因型进行个体化精准治疗、利用患者癌组织培养类器官以进行药敏试验或新型液体活检技术的开发都将为攻克HCC提供新的思路。这些新技术的共同目标都是减少治疗手段的毒副反应、提高患者的生存质量。