PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與非小細(xì)胞肺癌

祁慧薇 綜述 范理宏 審校

隨著對(duì)腫瘤研究的不斷進(jìn)展，許多與腫瘤發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)的信號(hào)通路被發(fā)現(xiàn)，PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路作為細(xì)胞內(nèi)重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一，通過影響下游眾多效應(yīng)分子的活化狀態(tài)，控制著腫瘤發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要的細(xì)胞生物學(xué)過程，包括細(xì)胞凋亡、轉(zhuǎn)錄、翻譯、代謝、血管新生以及細(xì)胞周期的調(diào)控。近年P(guān)I3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在非小細(xì)胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）中的研究日益增多，本文對(duì)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路與NSCLC研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路簡述

磷脂酰肌醇-3激酶（phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K）是一種可催化磷脂酰肌醇D3位磷酸化的脂類激酶，在PI3K家族中，研究最廣泛的是能被細(xì)胞表面受體所激活的I型PI3K。IA型PI3K是由催化亞基p110和調(diào)節(jié)亞基p85所組成的二聚體蛋白，具有類脂激酶和蛋白激酶的雙重活性[1]。隨著各種生長因子作用于膜受體并使之活化，PI3K信號(hào)通路也因此而激活。PI3K通過兩種方式激活：一種是與具有磷酸化酪氨酸殘基的生長因子受體或連接蛋白相互作用，引起二聚體構(gòu)象改變而被激活；另一種是通過Ras和p110直接結(jié)合導(dǎo)致PI3K的活化[2]。p110催化亞基繼而磷酸化磷脂肌醇的肌糖環(huán)D3位點(diǎn)從而產(chǎn)生PI-3,4,5-P3（PIP3）。Akt基因是一個(gè)絲/蘇氨酸蛋白激酶，又被稱為蛋白激酶B，Akt是PI3K下游的作用靶點(diǎn)。PIP3結(jié)合到PDK1和Akt的PH結(jié)構(gòu)域并使它們轉(zhuǎn)位到細(xì)胞質(zhì)膜，隨后Akt催化結(jié)構(gòu)域Thr308位點(diǎn)被PDK1磷酸化，而Ser473位點(diǎn)則被PDK2磷酸化，使Akt活化。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of repamycin, mTOR）是一種與PI3K/Akt通路相關(guān)的蛋白激酶，mTOR作為Akt的一個(gè)底物而被激活。PIP3作為第二信使在細(xì)胞中傳遞信號(hào)，介導(dǎo)PI3K通路的多種功能，包括細(xì)胞增殖和存活、細(xì)胞骨架重組、膜運(yùn)輸、細(xì)胞粘附和運(yùn)動(dòng)、血管再生及胰島素作用[3]。PTEN是一種腫瘤抑制基因，位于人染色體10q23。PTEN可以調(diào)控PI3K信號(hào)途徑。有證據(jù)[4]顯示PTEN能使PIP3去磷酸化，因此作為負(fù)調(diào)控因子的PTEN的缺失會(huì)引起PI3K/Akt/mTOR通路的激活，從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，見圖1。

圖 1 PI3K/Akt/mTOR軸。各種生長因子作用于跨膜受體并使其活化，PI3K信號(hào)通路也因此而激活。胞漿面PIP3濃度升高，作為第二信使與AKT的PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合分別使AKT Thr308和Ser473磷酸化導(dǎo)致AKT完全激活，繼而磷酸化mTOR及其下游分子p70S6K、4E-BP1，下傳生存信號(hào)。PTEN作為負(fù)調(diào)控因子，能使PIP3去磷酸將其轉(zhuǎn)變?yōu)镻IP2而降解，從而阻斷AKT及其下游分子的有效活化。Fig 1 PI3K/Akt/mTOR axis. PI3Ks are predominantly activated by growth factor receptor tyrosine kinases. Generation of PI (3,4,5)P3 within the cell membrane by class IA PI3Ks initiates a signaling cascade that activates AKT and mTOR. mTOR is a central controller of cell growth, cell division and protein translation, primarily through two distinct pathways： ribosomal p70 S6 kinase (p70S6K)and the eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E) binding proteins (4E-BPs). The reaction catalyzed by class IA PI3Ks is directly antagonized by PTEN which dephosphorylates the 3'position of PI (3,4,5) P3 to produce PI (4,5) P2.

2 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中的作用

2.1 抑制細(xì)胞凋亡 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的抗凋亡作用可能與下列幾種機(jī)制相關(guān)：①調(diào)節(jié)Bcl-2家族成員的活性：目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的Bcl-2蛋白家族按功能可分為兩類：一類是抑制凋亡的Bcl-2和Bcl-xL，另一類是促進(jìn)凋亡的蛋白，如Bad、Bik、Bid等，細(xì)胞生存或凋亡的關(guān)鍵取決于促凋亡和抑凋亡蛋白之間的平衡。Akt可使Bad的Ser136/Ser112殘基磷酸化，磷酸化的Bad與Bcl-2或Bcl-xL解聚，Bad再與抗凋亡蛋白14-3-3結(jié)合，而游離的Bcl-2發(fā)揮抗凋亡作用[5]。此外，PI3K/Akt通路的激活可使Bax的Ser184殘基磷酸化而失活，從而抑制細(xì)胞凋亡[6]；②caspase-9參與細(xì)胞凋亡的起始，caspase-3參與細(xì)胞凋亡的執(zhí)行，活化的Akt可使caspase-9的Ser196和caspase-3磷酸化，阻止caspase-9和caspase-3的活化；③直接或間接影響轉(zhuǎn)錄因子家族如Forkhead、NF-κB、p53等；④Akt能通過磷酸化mTOR及其下游分子p70S6K、4E-BP1下傳生存信號(hào)，抑制不依賴p53的細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞生存[7]；⑤Akt能抑制線粒體釋放細(xì)胞色素C。

2.2 促進(jìn)細(xì)胞增殖 參與細(xì)胞周期調(diào)控的主要分子有：細(xì)胞周期蛋白（cyclin）、細(xì)胞周期蛋白依賴激酶（cyclin dependent kinase, CDK）、CDK抑制蛋白（cyclin dependent kinase inhibitors, CKIs），它們組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制細(xì)胞周期。Akt通過對(duì)cyclin D1激酶糖原合成酶-3β（glucose syntase kinase-3β, GSK3β）的調(diào)節(jié)起到防止cyclin D1下調(diào)的作用。Akt直接磷酸化GSK3β并阻止激酶的活化，使cyclin D1累積[8]。此外，Akt還能抑制CKIs p27KIP1和p21CIP1/WAF1的表達(dá)并通過磷酸化的形式直接或間接調(diào)節(jié)p27和p21的激活。

2.3 促進(jìn)血管生成 血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）是一類多功能生長因子，能特異性作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞，促進(jìn)細(xì)胞增殖及血管形成。PI3K能傳遞整合素所介導(dǎo)的侵襲信號(hào)，與腫瘤的侵襲行為密切相關(guān)。PI3K通過與VEGF-2形成復(fù)合物經(jīng)由PI3K/Akt通路的活化參與VEGF介導(dǎo)的內(nèi)皮信號(hào)的傳遞，VEGFR-2與αVβ3復(fù)合物也以PI3K依賴的方式介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的粘附和遷移[9]。在結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞中，肝細(xì)胞生長因子（hepatocyte growth factor, HGF）可通過MEK/ERK和PI3K/Akt信號(hào)通路上調(diào)VEGF的表達(dá)[10]。PI3K/Akt通路的活化還可通過多種途徑上調(diào)HIF-1α，促進(jìn)VEGF的表達(dá)，使內(nèi)皮細(xì)胞遷移形成新生血管，增加腫瘤細(xì)胞的血供。Akt可使內(nèi)皮型一氧化氮合酶（endothelial NO synthase, eNOS）磷酸化來促進(jìn)內(nèi)皮生長因子誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞遷移，導(dǎo)致新血管生成，還可活化轉(zhuǎn)錄因子NF-κB，NF-κB的活化不僅促成了癌細(xì)胞對(duì)血管壁的跨越，而且誘導(dǎo)了新生血管形成所需的趨化因子的基因轉(zhuǎn)錄。

3 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與NSCLC的發(fā)生發(fā)展

肺癌是目前世界上發(fā)病率和死亡率最高的惡性腫瘤，每年有超過100萬人被確診為肺癌[11]。發(fā)病率在多數(shù)國家呈增高趨勢，其中NSCLC約占肺癌的75%-85%，大多數(shù)臨床病例確診時(shí)已屬中晚期，失去了手術(shù)切除機(jī)會(huì)，而目前傳統(tǒng)放、化療效果欠佳，5年生存率僅為5%-10%。因此尋找新的更有效的治療方法顯得尤為重要。

3.1 NSCLC中PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路的激活 在過去的20年，PI3K信號(hào)通路在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用逐漸被證明。已有許多研究證明PI3K/Akt信號(hào)通路在NSCLC的生長中起重要作用。約有50%-70%的NSCLC中存在Akt的磷酸化，這表明IA型PI3K/Akt信號(hào)通路的激活在NSCLC中很常見。持續(xù)的PI3K的激活是上游信號(hào)分子基因的改變、PIK3CA的突變或擴(kuò)增、PTEN的缺失或下游信號(hào)分子的活化等一系列因素作用的結(jié)果[12]。David等[13]采用免疫組化方法分析NSCLC標(biāo)本發(fā)現(xiàn)磷酸化Akt（p-Akt）與腫瘤的侵襲和生存率的縮短相關(guān)。Marinov等[14]在51%的NSCLC患者樣本和74%的NSCLC細(xì)胞系中發(fā)現(xiàn)持續(xù)的Akt激活和mTOR磷酸化。與多數(shù)研究結(jié)果不同，Shah等[15]發(fā)現(xiàn)p-Akt是一個(gè)有利的預(yù)后因素，當(dāng)然，這與不同的腫瘤分期和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移情況有關(guān)。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明吸煙、腫瘤大小、淋巴結(jié)、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移、腫瘤分期、p-Akt和PTEN的缺失均與預(yù)后相關(guān)，而僅吸煙、腫瘤分期和PTEN表達(dá)是獨(dú)立的預(yù)后因素[4]。有研究[16]報(bào)道，解除對(duì)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控能促進(jìn)肺癌的發(fā)生和發(fā)展，而應(yīng)用PI3K抑制劑如LY294002能促進(jìn)NSCLC細(xì)胞凋亡，增加化療的敏感性。因此，PI3K信號(hào)通路在細(xì)胞增殖、生存、腫瘤的進(jìn)展和化療、放療耐藥等起重要作用。

3.2 NSCLC中PI3K/Akt/mTOR通路的基因突變 腫瘤通常是基因突變直接激活PI3K信號(hào)通路，尤以p110α（PIK3CA）的突變激活和PTEN缺失這兩種情況最常見。盡管有證據(jù)[17,18]顯示在NSCLC中同樣存在PIK3CA突變和PTEN表達(dá)缺失，然而卻并不常見。在NSCLC中，僅有3%發(fā)生PIK3CA突變，而PIK3CA基因拷貝數(shù)目的增加卻較為常見，這說明肺癌可能通過其它機(jī)制活化PI3K/Akt信號(hào)通路。在NSCLC中還發(fā)現(xiàn)兩種IA型PI3K/Akt/mTOR通路下游分子的突變。其一是Akt1（E17K）的pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域突變激活，其二是LKB1/STK11突變失活[12]。盡管體內(nèi)LKB1突變在其它類型腫瘤中較少見，在NSCLC中卻有較高的發(fā)生率，尤其常見于腺癌。該突變與吸煙史和KRAS突變相關(guān)。LKB1的缺失可能潛在增加KRAS的突變[19]。在NSCLC中由于PI3K/Akt的激活和LKB1的突變或失活，mTOR也被激活。在對(duì)mTOR的調(diào)控中可能有數(shù)個(gè)其它途徑的聚合，包括LKB1/AMPK、MAPK/RSK和III型PI3K，不過在肺腺癌中IA型PI3K信號(hào)通路如何影響mTOR的活化仍有待進(jìn)一步研究。

3.3 PI3K/Akt信號(hào)通路與NSCLC的轉(zhuǎn)移 Grille等[20]研究表明，人鱗癌細(xì)胞系SCC15轉(zhuǎn)染激活型Akt（myr-Akt）后喪失了鱗狀上皮細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征，呈現(xiàn)出成纖維細(xì)胞樣特點(diǎn)。說明Akt直接影響了上皮細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征、成瘤性及細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)力和侵襲力，因此PI3K/Akt信號(hào)通路通過降低細(xì)胞間的粘附力來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。有研究[21,22]發(fā)現(xiàn)，在肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549中，轉(zhuǎn)化生長因子-β1（transforming growth factor-β1, TGF-β1）和CC-趨化因子5（CC chemokine ligand 5, CCL5）通過刺激PI3K的p85α亞基和Akt的Ser473位點(diǎn)磷酸化分別上調(diào)β1整合蛋白和avβ3整合蛋白的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞轉(zhuǎn)移。趨化因子受體-4（chemokine receptor 4, CXCR4）與mTOR調(diào)節(jié)的腫瘤轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，臨床前研究表明，NSCLC A549細(xì)胞和H157細(xì)胞在缺氧環(huán)境中培養(yǎng)，導(dǎo)致細(xì)胞表面CXCR4明顯上調(diào)，并且發(fā)現(xiàn)這兩種腫瘤細(xì)胞遷移能力增強(qiáng)。缺氧和EGR促發(fā)的PI3K/Akt活化協(xié)同作用使CXCR4表達(dá)增加提示mTOR通路在CXCR4上調(diào)中的作用。此外，通過PI3K/Akt/mTOR途徑可以上調(diào)一些基質(zhì)金屬蛋白酶的表達(dá)來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移，Zhang等[23]發(fā)現(xiàn)高侵襲性Lewis肺癌細(xì)胞亞系H-59表達(dá)MT1-MMP，PI3K抑制劑和mTOR抑制劑Rapamycin以及Akt的顯性負(fù)突變體和PTEN的過度表達(dá)均能阻礙細(xì)胞MT1-MMP的表達(dá)，減少細(xì)胞的侵襲性。

4 以PI3K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為靶點(diǎn)的藥物研究

隨著對(duì)PI3K/Akt/mTOR通路在腫瘤發(fā)病中的作用的逐步認(rèn)識(shí)，以PI3K/Akt/mTOR信號(hào)軸為靶點(diǎn)的新藥研發(fā)越來越受到重視。目前已陸續(xù)開發(fā)出了一系列以該通路為靶標(biāo)的特異性藥物。這些藥物可直接抑制PI3K/Akt/mTOR通路中過度活化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，從而對(duì)致病環(huán)節(jié)起到阻斷作用。其中具有代表性的幾類藥物介紹如下。

4.1 PI3K抑制劑 Wortmannin和LY294002作為第一代PI3K抑制劑，能特異性抑制PI3K的p110亞基的催化活性，阻斷PI3K/Akt通路的活化。將Wortmannin或LY294002與化療藥物聯(lián)合使用能夠有效地增加化療藥物的作用并降低毒性，這表明PI3K抑制劑與傳統(tǒng)化療藥物的聯(lián)用為已對(duì)傳統(tǒng)化療藥物產(chǎn)生耐藥的腫瘤患者提供了更好的選擇[24]。盡管Wortmannin和LY294002有很好的抗腫瘤活性，但由于毒性較強(qiáng)，限制了它們在臨床上的使用。PX-866和PWT-458是近年來新發(fā)現(xiàn)的Wortmannin的衍生物，具有高效的PI3K抑制作用。在肺癌模型中PX-866與順鉑或放療聯(lián)用能增強(qiáng)抗腫瘤作用[25]。PWT-458（pegylated-17-hydroxywortmannin）的活性成分是17-HWT，實(shí)驗(yàn)證明靜脈注射PWT-458后，裸鼠異體移植瘤中磷酸化的Akt完全消失，且在裸鼠NSCLC A549移植瘤模型中具有抗腫瘤活性，此外，PWT-458還能增強(qiáng)紫杉醇的抗腫瘤療效[26]。理論上，PI3K抑制劑可以避免由于抑制mTOR而產(chǎn)生Akt的反饋性激活。所以對(duì)于非影響ATP結(jié)合類型抑制劑的研發(fā)會(huì)產(chǎn)生更加高效、特異、低毒的抑制劑[27]。

4.2 Akt抑制劑 較早發(fā)現(xiàn)的Akt抑制劑有celecoxib（塞來昔布）及其衍生物OSU-03012和OSU-03013。celecoxib是一種COX-2的抑制劑，能抑制PDK的作用而阻止Akt磷酸化。多項(xiàng)臨床試驗(yàn)[28,29]顯示單用celecoxib[30]或是與docetaxel（多西他賽）或zoledronate（唑來磷酸）聯(lián)用均顯現(xiàn)出較好的治療效果。perifosine是一種基于脂的Akt抑制劑，通過抑制Akt的膜轉(zhuǎn)位，降低Akt的活性，抑制多種腫瘤細(xì)胞的生長[27]。臨床II期研究正評(píng)價(jià)perifosine對(duì)于復(fù)發(fā)性胰腺癌、前列腺癌、頭頸癌、肺癌的療效。抑制Akt的優(yōu)勢在于可以控制眾多的下游信號(hào)傳遞，因?yàn)锳kt下游底物并未被完全了解，這就造成直接抑制下游底物的困難。因此抑制Akt能夠更加有效發(fā)揮作用，但其代價(jià)是更大的潛在毒性[31]。

4.3 mTOR抑制劑 有研究[32]顯示，在74%的NSCLC中發(fā)現(xiàn)磷酸化或活化的mTOR，因此mTOR成為又一個(gè)NSCLC治療的靶標(biāo)。目前，數(shù)項(xiàng)腫瘤臨床試驗(yàn)的作用評(píng)估m(xù)TOR抑制劑雷帕霉素及其衍生物（CCI-779, RAD001,AP23573）。mTOR抑制劑在腫瘤治療中顯示了很好的耐受性，皮膚反應(yīng)、口腔炎、骨髓壓迫等常見的副反應(yīng)通常是短暫和可逆的。已有多種證據(jù)顯示mTOR抑制劑的抗腫瘤作用能緩解病情或延長穩(wěn)定期，其中也包括NSCLC。這些令人鼓舞的初期臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)將推動(dòng)mTOR抑制劑的進(jìn)一步研究[33]。雷帕霉素的抗增殖作用可能是由于cyclins尤其是cyclin D的減少抑制CDK的活化，以及CKIs p21CIP1和p27KIP1的增加共同阻止G1期的進(jìn)程。同時(shí)，雷帕霉素還具有促凋亡和抑制血管再生的作用?，F(xiàn)已證實(shí)雷帕霉素能有效抑制人NSCLC細(xì)胞生長，而它與多西他賽聯(lián)用對(duì)抑制肺癌細(xì)胞生長具有協(xié)同作用[34]。Konstantinidou等[35]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)PI3K/mTOR有雙重阻斷作用的BEZ235聯(lián)合放療能使攜帶K-RAS的NSCLC患者受益。這表明在肺癌治療中，mTOR抑制劑與傳統(tǒng)放、化療聯(lián)用或許會(huì)顯現(xiàn)出更好的療效。

值得注意的是，表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑（epidermal growth factor receptor tyrosine kinase inhibitor,EGFR-TKIs）作為目前成功應(yīng)用于NSCLC治療的小分子靶向藥物，許多患者對(duì)EGFR-TKIs卻無反應(yīng)或產(chǎn)生耐藥，其中一個(gè)重要的機(jī)制是由于抑制EGFR活性的信號(hào)通路下游發(fā)生了改變，例如PI3K通路的持續(xù)激活。已有研究[36]表明，HKI-272聯(lián)合雷帕霉素能使小鼠的腫瘤體積減少（72±4.5）%，對(duì)后天獲得厄洛替尼耐藥的NSCLC患者可能產(chǎn)生敏感的反應(yīng)。此外，有研究[37]發(fā)現(xiàn)用吉非替尼治療的NSCLC患者中p-Akt陽性患者在治療反應(yīng)、疾病控制和生存時(shí)間方面好于p-Akt陰性患者。除了常規(guī)EGFR突變檢測外，p-Akt能輔助預(yù)測患者對(duì)吉非替尼的敏感性[38]。而Pu等[39]通過對(duì)PI3K/PTEN/AKT/mTOR通路5個(gè)核心基因單核苷酸多態(tài)性（single necleotide polymorphism, SNP）標(biāo)簽來識(shí)別SNPs相關(guān)的毒性和疾病進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)PI3K/PTEN/Akt/mTOR通路的遺傳變異能預(yù)測接受鉑類化療藥的NSCLC患者的藥物毒性和腫瘤的遠(yuǎn)處進(jìn)展情況。由此可見，針對(duì)不同信號(hào)通路多靶點(diǎn)治療可能是NSCLC治療更好的策略，而PI3K/Akt/mTOR信號(hào)環(huán)中反饋和串音的存在也說明要獲得最佳的治療效果可能需要多水平和（或）多通路同時(shí)抑制[12]。

5 結(jié)語

PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路與NSCLC的發(fā)生發(fā)展、治療及轉(zhuǎn)歸密切相關(guān)，但目前仍有許多問題不甚明了。同時(shí)，各條信號(hào)通路之間相互交叉形成了復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)，例如PI3K/Akt信號(hào)通路與Ras/絲裂原活化蛋白激酶信號(hào)通路、生長因子信號(hào)通路相互聯(lián)系、相互影響，可能共同對(duì)NSCLC的發(fā)生起重要作用。進(jìn)一步研究該通路的調(diào)節(jié)及與其它通路之間的交聯(lián)，從而深入了解該通路在NSCLC中的作用，將有助尋找新的治療靶點(diǎn)。