PI3K/Akt信號(hào)通路在腫瘤研究中的進(jìn)展

李建，周懷君

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院,江蘇 南京 210009; 2.南京大學(xué)附屬鼓樓醫(yī)院 婦產(chǎn)科,江蘇 南京 210008)

磷酯酰肌醇- 3激酶/蛋白激酶B(Phosphatidylinositol 3- kinase/Protein Kinase B,PI3K/Akt)信號(hào)通路在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。該通路中相關(guān)基因和分子異常表達(dá)所致的功能獲得或缺失能夠引起腫瘤細(xì)胞增殖、凋亡及侵襲的異常。近年來的研究發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt信號(hào)通路在多種腫瘤組織中過度表達(dá)和活化,針對(duì)該信號(hào)通路的靶向抑制劑已進(jìn)入臨床研究階段,為腫瘤的基因治療、抗腫瘤藥物的研發(fā)提供新的方向。

1 磷酯酰肌醇- 3激酶(phosphatidylinositol 3- kinase,PI3K)

PI3K家族是一類特異性催化磷酯酰肌醇脂物質(zhì)的激酶,廣泛存在于細(xì)胞中,能被多種因子(PDGF、EGF、IGF等)激活,促進(jìn)細(xì)胞的增殖、分化、黏附及遷移,抑制細(xì)胞的凋亡。根據(jù)PI3K的催化亞單位及其作用底物的不同,PI3K分為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型[1],其中Ⅰ型又分為ⅠA和ⅠB兩型,目前PI3K眾多亞型與腫瘤生物學(xué)行為相關(guān)的研究主要集中在PI3K ⅠA型。PI3K ⅠA型又由p85α/β/γ調(diào)節(jié)亞基及p110α/β/δ/γ催化亞基異二聚體構(gòu)成。其中PI3K p85α和p110β是PI3K ⅠA型中表達(dá)量最多的亞基[2]。

PI3K通過p85α的SH2區(qū)與上游酪氨酸受體激酶結(jié)合,引起p85α/p110β二聚體構(gòu)象改變而被激活;此外,還可以通過Ras和p110β直接結(jié)合導(dǎo)致PI3K的活化[3],或者通過p110β直接與G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合而被激活[4]。PI3K一旦被激活,其活化底物PIP2、PIP3作為第二信使,結(jié)合并激活多種細(xì)胞內(nèi)的靶蛋白,形成一個(gè)信號(hào)級(jí)聯(lián)復(fù)合物,通過磷酸化激活A(yù)kt,最終調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖、分化及遷移等。

2 蛋白激酶B(Protein Kinase B,PKB)

PKB又稱Akt,是致小鼠白血病的病毒癌基因v- Akt所編碼的癌蛋白在正常細(xì)胞內(nèi)的同源物,是PI3K/Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中重要的蛋白激酶,為PI3K下游的靶分子之一。Akt是一種Ser/Thr蛋白,多種生長因子、激素、細(xì)胞因子、PTEN的失活和Ras的激活等均可刺激Akt的活化。PI3K通過磷酸化Thr308和Ser473位點(diǎn)激活A(yù)kt。具體過程如下：上游分子激活PI3K,活化的PI3K催化3位上的PI(4)P和PI(4,5)P2磷酸化,分別轉(zhuǎn)變成PI(3,4)P2與PI(3,4,5)P3,后兩者作為Akt的配體存在于細(xì)胞膜上,募集Akt[5]。Akt被募集到細(xì)胞膜上后,可直接被PI(3,4)P2激活;而PI(3,4,5)P3則是激活磷脂酰肌醇依賴性激酶- I(PDK- 1),PDK1使Akt的Thr308磷酸化,在PDK- 2的存在下,Akt的Ser473再被磷酸化從而完全被激活。抑癌基因PTEN則是使PI3K/Akt途徑中PI(4,5)P向PI(3,4,5)P的轉(zhuǎn)化發(fā)生逆轉(zhuǎn),維持細(xì)胞內(nèi)較低水平的PI(3,4,5)P濃度,從而抑制Akt的磷酸化,阻斷Akt及其下游激酶的活化,從而影響細(xì)胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)移和凋亡。此外,也有研究證實(shí),Akt被激活的途徑也可不依賴于PI3K,胰島素等刺激因子可通過激活鈣- 鈣調(diào)蛋白激酶直接磷酸化Akt的Thr308位點(diǎn)導(dǎo)致其活化;環(huán)磷酸腺苷可通過PKA激活A(yù)kt,此過程僅需要Thr308位點(diǎn)的磷酸化,并不需要激活PI3K[6- 7]。磷酸化的Akt激活其下游分子,參與腫瘤、炎癥等調(diào)控通路。研究顯示,活化的Akt可調(diào)控多個(gè)與細(xì)胞凋亡有關(guān)的家族,如促凋亡基因(Bad)、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶- 9(caspase- 9)前體、I- KB激酶(IKK)、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、cAMP反應(yīng)原件綁定蛋白(CREB)、大鼠肉瘤蛋白(Raf)、B淋巴細(xì)胞瘤- 2基因(Bcl- 2)家族、糖原合成酶3(GSK3)、叉頭轉(zhuǎn)錄因子和S6蛋白激酶等,從而參與腫瘤細(xì)胞生物學(xué)行為的調(diào)控,PI3K/Akt通路的持續(xù)活化與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[8- 10]。通過抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡發(fā)揮作用,相關(guān)研究亦吸引眾多學(xué)者致力于此類研究。Song等[11]發(fā)現(xiàn),Bad蛋白主要通過與Bcl- 2或Bcl- xl形成二聚體,從而發(fā)揮促凋亡作用,而活化的Akt通過磷酸化作用使Bad與其伴侶蛋白14- 3- 3蛋白相互結(jié)合,從而阻斷Bad與Bcl- 2或Bcl- xl形成二聚體,使Bad喪失促凋亡作用。Xin等[12]則發(fā)現(xiàn),Akt可以磷酸化Bax等Bcl- 2家族成員,從而抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡。另外有研究報(bào)道,促凋亡相關(guān)因子caspase- 9、叉頭轉(zhuǎn)錄因子等有抑制腫瘤細(xì)胞凋亡的作用,而活化的Akt可以通過磷酸化caspase- 9和叉頭轉(zhuǎn)錄因子mTOR等從而使其失活,進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤細(xì)胞凋亡作用[13- 15]。

3 PI3K/Akt信號(hào)通路在腫瘤中的表達(dá)

PI3K/Akt信號(hào)通路在大多數(shù)惡性腫瘤中的表達(dá)都發(fā)生了改變。近年來的研究發(fā)現(xiàn)在多種腫瘤組織如卵巢癌、結(jié)直腸癌、淋巴瘤、胰腺癌、非小細(xì)胞肺癌、淋巴瘤及胃癌等中都有PI3K/Akt的過度表達(dá)和活化[6- 21]。Zhang等[22]通過免疫組化和熒光定量檢測53例小腸腺癌及11例正常組織發(fā)現(xiàn),小腸腺癌中PI3K/Akt信號(hào)通路高度活化,提示PI3K/Akt信號(hào)通路可以作為臨床潛在治療靶點(diǎn)。Yothaisong等[23]則發(fā)現(xiàn),在膽管上皮癌中PI3K/Akt信號(hào)通路過度活化,且PI3Kp85α、mTOR的表達(dá)與腫瘤的轉(zhuǎn)移能力呈正相關(guān),Akt、mTOR磷酸化抑制劑NVP- BEZ235能顯著抑制膽管上皮癌細(xì)胞株的生長及轉(zhuǎn)移,這提示PI3K/Akt信號(hào)通路抑制劑有潛在抑制腫瘤生長的能力。Uegak等[24]研究發(fā)現(xiàn),Akt磷酸化及PTEN缺失與子宮內(nèi)膜癌發(fā)生有關(guān),PTEN陰性、p- Akt水平升高的子宮內(nèi)膜癌患者預(yù)后較差,生存率顯著低于PTEN陽性的子宮內(nèi)膜癌患者,提示PTEN/Akt的表達(dá)水平是判斷子宮內(nèi)膜癌預(yù)后一個(gè)重要因子。另一方面,該研究也證實(shí),Akt的磷酸化水平與子宮內(nèi)膜癌的病理分期、組織學(xué)分級(jí)、肌層浸潤深度及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移密切相關(guān),這提示Akt的磷酸化可能與子宮內(nèi)膜癌的進(jìn)展有關(guān)。

目前研究證實(shí)PI3K/Akt信號(hào)通路在多種腫瘤中表達(dá)異常,且與腫瘤的轉(zhuǎn)移、預(yù)后等密切相關(guān)。此外,PI3K/Akt信號(hào)通路還與腫瘤的耐藥性有關(guān)。張勁遠(yuǎn)等[25]研究發(fā)現(xiàn),PI3K- AKT信號(hào)通路可能通過促進(jìn)人大腸癌hct- 8/FU耐藥細(xì)胞P- 糖蛋白(P- GP)的表達(dá),增加其對(duì)5- FU的耐藥性,降低腫瘤細(xì)胞對(duì)藥物的敏感性?？梢奝I3K/Akt信號(hào)通路在腫瘤發(fā)生、發(fā)展及治療過程中發(fā)揮重要作用,因此,靶向該信號(hào)通路的研究越來越多,多種PI3K/Akt信號(hào)通路抑制劑應(yīng)運(yùn)而生。

4 PI3K/Akt信號(hào)通路抑制劑與腫瘤

PI3K/Akt信號(hào)通路在抑制腫瘤細(xì)胞凋亡，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞生長，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期及腫瘤的血管生成、侵襲及轉(zhuǎn)移方面發(fā)揮重要作用,與腫瘤的生長、血管生成、患者的預(yù)后及治療密切相關(guān)。目前靶向PI3K/Akt信號(hào)通路各節(jié)點(diǎn)的抑制劑及藥物吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注,相關(guān)機(jī)制及療效方面的研究成為熱點(diǎn),PI3K/Akt信號(hào)通路抑制劑有較好的臨床應(yīng)用前景。

PI3Kp85α、p110β亞基以及下游的相關(guān)分子作為PI3K/Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中重要的成員,阻斷PI3K的亞基可作為阻斷該信號(hào)通路的一個(gè)重要決策。PI3K的特異性抑制劑Wortmannin、LY294002可拮抗PDK活性從而阻斷Akt的活化。Wortmannin作為高選擇性的PI3K抑制劑,與P110β催化亞基結(jié)合而不可逆地抑制PI3K;LY294002則可競爭地、不可逆地抑制PI3K的ATP結(jié)合位點(diǎn),抑制PI3K活性,從而抑制Akt的磷酸化,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡,抑制其生長。最近,Leung等[26- 27]發(fā)現(xiàn)抑制劑NVP- BZ235能共同靶向作用于腎細(xì)胞癌細(xì)胞株以及乳腺癌MCF- 7細(xì)胞株的PI3K/Akt信號(hào)通路中的PI3Kp110α和mTOR兩種分子,其抑瘤效果比單一LY294002好。Ohtat等[28]發(fā)現(xiàn),接種人卵巢癌細(xì)胞的裸鼠,經(jīng)PI3K特異性抑制劑處理后,不僅能直接促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡,而且能提高順鉑的化療療效,提示PI3K/Akt通路參與卵巢癌的發(fā)生,且抑制PI3K/Akt信號(hào)通路對(duì)腫瘤的化療有一定的作用。

此外,靶向PI3K調(diào)節(jié)亞基p85的結(jié)構(gòu)域(包括SH2、SH3結(jié)構(gòu)域等)的特異性抑制劑PI3K- SH2- OMT多肽制劑及LV- 1的報(bào)道雖然較少,但其亦有較好的腫瘤抑制作用[29- 30]。除此之外,PI103、GSK2126458等許多同時(shí)靶向PI3K和mTOR的藥物正處于Ⅰ期臨床試驗(yàn)中。應(yīng)用PI3Kp85αsiRNA技術(shù)轉(zhuǎn)染人乳腺癌細(xì)胞系MCF- 7細(xì)胞、卵巢癌細(xì)胞、大腸癌細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)其可抑制腫瘤細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。此外,也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),漆樹黃酮、異黃體酮等靶向調(diào)節(jié)PI3K/Akt及其下游信號(hào)通路,單獨(dú)或與臨床化療藥物聯(lián)合使用,能有效地控制黑色素瘤及前列腺癌等腫瘤的生長[31- 32]。

目前關(guān)于靶向PI3K/Akt的抗腫瘤藥物單獨(dú)或聯(lián)合其他藥物在腫瘤治療方面的研究已經(jīng)展開,相關(guān)臨床試驗(yàn)也在進(jìn)行,其臨床抗腫瘤作用有待進(jìn)一步的證實(shí),但針對(duì)PI3K/Akt信號(hào)通路的靶向藥物的研發(fā),為腫瘤患者帶來了福音。

5 結(jié) 語

綜綜上所述,PI3K/Akt信號(hào)通路在腫瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。上游分子與PI3K的調(diào)節(jié)亞基p85α結(jié)合,解除對(duì)催化亞基p110β的抑制作用,從而激活PI3K?；罨腜I3K在PDK1及PDK2作用下激活A(yù)kt,Akt作用于下游分子,調(diào)控腫瘤細(xì)胞的增殖、凋亡。應(yīng)用siRNA技術(shù)及相應(yīng)拮抗劑,可以抑制這一過程中多個(gè)分子的表達(dá),從而阻斷這一通路,達(dá)到抑制腫瘤生長的目的。目前,分子靶向治療是腫瘤治療中新的研究和應(yīng)用熱點(diǎn),隨著對(duì)PI3K/Akt信號(hào)通路研究的深入,著眼于該信號(hào)通路的靶向治療也吸引了研究者的極大興趣。可以預(yù)見,以PI3K/Akt信號(hào)節(jié)點(diǎn)為治療靶點(diǎn)的藥物開發(fā)將會(huì)為腫瘤的治療提供新的思路和方法,多節(jié)點(diǎn)的靶向聯(lián)合治療則會(huì)有更廣闊的研究空間。

[1] ENGELMAN J A,LUO J,CANTLEY L C,et al.The evolution of phosphatidylinositol 3- kinases as regulators of growth and metabolism[J].Nat Rev Genet,2006,7：606- 619.

[2] ODA K,STOKOE D,TAKETANI Y,et al.High frequency of coexistent mutations of PIK3CA and PTEN genes inendometrial carcinoma[J].Cancer Res,2005,65(23):10669- 10673.

[3] SHAW R J,CANTLEY L C.Ras,PI(3)K and mTOR signaling controls tumour cell growth[J].Nature,2006,441(7092):424- 430.

[4] KATSO R,OKKENHAUG K,AHMADI K,et al.Cellular function of phosphoinositide 3- kinases：implications for development,homeostasis,and cancer[J].Annu Rev Cell Dev Biol，2001,17:615- 675.

[5] ZHAO L,VOGT P K.Class I PI3K in oncogenic cellular transformation[J].Oncogene，2008,27(41):5486- 5496.

[6] LEE H T，KAY E P.Regulatory role of cAMP on expression of Cdk4 and p27(Kip1)by inhibiting phosphatidylionositol 3- kinase in corneal endothelial cells[J].Invest Ophthalmol Vis Sci,2003,44(9):3816- 3825.

[7] MAIRA S M，F(xiàn)INAN P，GARCIA- ECHEVERRIA C.From the bench to the bed side：PI3K pathway inhibitors in clinical development[J].Curr Top Microbiol Immunol,2010,347：209- 239.

[8] WARD S G，F(xiàn)INAN P.Isoform- specific phosphoinesitide 3- kinase inhibitors as therapeutic agents[J].Current Opinion In Phammaology,2003,3(4):426- 434.

[9] ENGELMAN J A，LUO J，CANTLEY L C.The evolution of phosphatidylinositol 3- kinases as regulators of growth and metabolism[J].Nat Rev Genet,2006,7:606- 619.

[10] SHI F，WANG Y C，ZHAO T Z，et al.Effects of simulated microgravity on human umbilical vein endothelial cell angiogenesis and role of the PI3K- Akt- eNOS signal Pathway[J].PLoS ONE,2012,7(7):e40365.

[11] SONG G，OUYANG G L，BAO S D.The activation of Akt/PKB signaling pathway and cell survival[J].Cell Mol Med，2005，9(1):59- 71.

[12] XIN M，DENG X.Nicotine in activation of the proapoptotic function of bax through phosphorylation[J].J Biol Chem,2005,280(11):10781- 10789.

[13] MANNING B D，CANTLEY L C.AKT/PKB signaling：navigating downstream[J].Cell,2007,129(7):1261- 1274.

[14] BURGERING B M，MEDEMA R H.Decisions on life and death:FOXO forkhead transcription factorsare in command when PKB/Akt is off duty[J].J Leukoc Biol,2003,73(6):689- 701.

[15] 常立功,黃培林.mTOR信號(hào)通路與大腸癌演進(jìn)相關(guān)性的研究進(jìn)展[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：醫(yī)學(xué)版,2013,32(2)：243- 247.

[16] YOUSIF N G.Fibronectin promotes migration and invasion of ovarian cancer cells through up- regulation of FAK- PI3K/Akt pathway[J].Cell Biol Int,2014,38(1):85- 91.

[17] CHEN Y，WANG Z，CHANG P，et al.The effect of focal adhesion kinase gene silencing on 5- fluorouracil chenosensitivitu involves an Akt/NF- kappaB signling pathway in colorectal carcrinomas[J].Int J Cancer,2010,127(1):195- 206.

[18] XU Z Z,XIA Z G,WANG A H，et al.Activation of the PI3K/AKT/mTOR pathway in diffuse large B cell lymphoma：clinical significance and inhibitory effect of rituximab[J].Ann Hematol,2013,92(10):1351- 1358.

[19] RIPKA S,NEESSE A,RIEDEL J,et al.CUX1：target of Akt signaling ang mediator of resisitance to apoptosis in pancreatic cancer[J].Gut,2010,59(8):1101- 1110.

[20] CUMBERBATCH M,TANG X,BERAN G,et al.Identification of a subset of human non- small cell lung cancer patients with high PI3Kbeta and low PTEN expression，more prevalent in SCC[J].Clin Cancer Res,2013,11:27.

[21] XIE X,TANG B,ZHOU J,et al.Inhibition of the PI3K/Akt pathway increases the chemosensitivity of gastric cancer to vincristine[J].Oncol Rep,2013,30(2):773- 782.

[22] ZHANG Y,YAO X,JIANG C,et al.Expression of PI3K，PTEN and Akt in small intestinal adenocarcinoma detected by quantum dots- based immunofluorescence technology[J].Cancer Biomark,2013,13(4):299- 305.

[23] YOTHAISONG S,DOKDUANG H,TECHASEN A,et al.Increased activation of PI3K/AKT signaling pathway is associated with cholangiocarcinoma metastasis and PI3K/mTOR inhibition presents a possible therapeutic strategy[J].Tumour Biol,2013,34(6):3637- 3648.

[24] UEGAK K,KANAMORI Y,KIGAWA J,et al.PTEN- positive and phosphorylated- Akt- negafive expression is a predictor of survival for patients with advanced endometrial carcmoma[J].Oncol Rep,2005,14(2):389- 392.

[25] 張勁遠(yuǎn),張銀旭,張俊華.PI3K/Akt信號(hào)通路對(duì)人大腸癌hct- 8/FU耐藥細(xì)胞P- GP表達(dá)和耐藥性的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)院：醫(yī)學(xué)版,2013,32(2)：169- 172.

[26] ELFIKY A A，AZIZ S A.Characterization and targeting of phosphatidylinositol- 3 kinase(PI3K) and mammalian target of rapamycin(mTOR) in renal[J].J Transl Med,2011,9：133.

[27] LEUNG E，KIM J E，REWCASTLE G W,et al.Comparison of the effects of the PI3K/mTOR inhibitors NVP- BEZ235 and GSK2126458 on tamoxifen- resistant breast cancer cells[J].Cancer Biology & Therapy,2011,11(11)：938- 946.

[28] OHTA T,OHMICHI M,HAYASAKA T,et al.Inhibition of phosphatidylinositol- 3- kinase increases efficacy of cisplatin ininvivoovarian cancer models[J].Endocrinology,2006,147(4):1761- 1769.

[29] WORKMAN P，CLARKE P A，RAYNAUD F I,et al.Drugging the PI3 kinome：from chemical tools to drugs in the clinic[J].Cancer Res,2010,70(6):2146- 2157.

[30] KNIGHT S D,ADAMS N D,BURGESS J L，et al.Discovery of GSK2126458，a highly potent inhibitor of PI3K and the mammalian target of rapamycin[J].Acs Med Chem Lett,2010,1(1):39- 43.

[31] ADHAMI V M,SYED D N,KHAN N,et al.Dietary flavonoid fisetin：a novel dual inhibitor of PI3K/Akt and mTOR for prostate cancer management[J].Biochem Pharmacol,2012,84(10):1277- 1281.

[32] AHMAD A,BIERSACK B,LI Y,et al.Deregulation of PI3K/Akt/mTOR signaling pathways by isoflavones and its implication in cancer treatment[J].Anticancer Agents Med Chem,2013,13(7):1014- 1024.