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    PI3K/AKT/mTOR細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路在細(xì)胞調(diào)控中的作用

    2014-04-02 09:22:58李鵬王靜怡李曉燕秦連菊
    河北醫(yī)藥 2014年9期

    李鵬 王靜怡 李曉燕 秦連菊

    ·綜述與講座·

    PI3K/AKT/mTOR細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)通路在細(xì)胞調(diào)控中的作用

    李鵬 王靜怡 李曉燕 秦連菊

    PI3K/AKT/mTOR;細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo);細(xì)胞調(diào)控;腫瘤

    惡性腫瘤是一種嚴(yán)重危害人類健康的疾病,2012年我國(guó)惡性腫瘤的發(fā)病率285.91/10萬,病死率180.54/10萬,大約13%,呈上升趨勢(shì)[1-3]。腫瘤的發(fā)病機(jī)制尚不十分明確,目前腫瘤的分子發(fā)病機(jī)制多被概括為:由于各種原因?qū)е禄螯c(diǎn)突變、基因擴(kuò)增及染色體易位等使原癌基因活化、抑癌基因失活,同時(shí)DNA修復(fù)基因亦失活,進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)蛋白合成、信號(hào)傳導(dǎo)過程及調(diào)控等出現(xiàn)障礙,使細(xì)胞增殖及凋亡的平衡狀態(tài)被打破,促進(jìn)了腫瘤發(fā)生發(fā)展。近些年來對(duì)于PI3K(磷脂酰肌醇 3-激酶)/AKT(v-akt murine thymoma viral oncogene homolog)/mTOR(哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白) 信號(hào)傳導(dǎo)通路的研究,發(fā)現(xiàn)其在各系統(tǒng)腫瘤的發(fā)生發(fā)展中,包括細(xì)胞生存和凋亡、細(xì)胞周期調(diào)控、腫瘤轉(zhuǎn)移及腫瘤血管生成等,起著重要作用[1-3]。

    1 PI3K、AKT、mTOR結(jié)構(gòu)和活化

    在生物體中,細(xì)胞之間的相互識(shí)別和作用,是通過細(xì)胞通訊和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)是外源性的信息傳入細(xì)胞內(nèi)同時(shí)引起細(xì)胞應(yīng)答反應(yīng)的過程,它是通過細(xì)胞外信號(hào)分子作用于靶細(xì)胞表面或內(nèi)部的受體傳入細(xì)胞內(nèi),經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子(第二信使、各種酶分子及調(diào)節(jié)蛋白)的作用,使細(xì)胞功能發(fā)生變化,對(duì)外界環(huán)境做出合適反應(yīng)。在細(xì)胞內(nèi),細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)存在多種通路,如細(xì)胞內(nèi)受體、離子通道型受體、G蛋白耦聯(lián)受體及蛋白激酶聯(lián)受體等介導(dǎo),PI3K/AKT則屬于蛋白激酶耦聯(lián)受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

    1.1 PI3K 是磷酸化肌醇磷脂3位羥基的激酶家族,同時(shí)具有磷脂激酶及蛋白激酶的活性,它是由一個(gè)調(diào)節(jié)亞基(P85)和一個(gè)催化亞基(P110)組成的異源二聚體。調(diào)節(jié)亞基P85含有兩個(gè)SH2結(jié)構(gòu)域(Src homology 2 domain)和一個(gè)SH3結(jié)構(gòu)域(Src homology 3 domain),其中SH2結(jié)構(gòu)域可以識(shí)別并結(jié)合蛋白分子中的磷酸化的酪氨酸及與其相鄰的3~6個(gè)氨基酸殘基,SH3結(jié)構(gòu)域可以識(shí)別和結(jié)合蛋白分子中富含脯氨酸的序列。各種生長(zhǎng)因子(PDGF、IGF、EGF等)及胰島素受體的胰島素受體亞單位1(IRS1)和胰島素受體亞單位2(IRS2)多為PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo)通路的細(xì)胞外信號(hào)分子,它們與相應(yīng)G 蛋白耦聯(lián)受體、蛋白酪氨酸激酶受體等相應(yīng)受體結(jié)合[1],使相應(yīng)受體的酪氨酸殘基磷酸化,這些磷酸化的位點(diǎn)識(shí)別并結(jié)合P85的SH2結(jié)構(gòu)域,從而解除P85對(duì)催化亞基P110的抑制作用,使PI3K激活并催化磷脂酰肌醇(PI)使其磷酸化而生成:3-磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3-phosphate,PI-3P)(PIP)、3,4-二磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli- nositol 3,4-bisphosphate,PI-3,4-P2)(PIP2)、3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidyli-nositol 3,4,5-P3)(PIP3)[2],其中PIP3作為第二信使激活下游AKT。另外,Ras激酶亦能使PI3K激活。PI3K家族有三種不同的亞型為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型,Ⅲ型 PI3K 以 PI 為底物,Ⅱ型以 PI 及 PIP 為底物,Ⅰ型以 PI、PIP 及 PIP2 為底物[1],其中Ⅰ型研究的最為廣泛,分為ⅠA、ⅠB兩型,目前研究發(fā)現(xiàn)只有ⅠA型參與造血系統(tǒng)的調(diào)控,在造血干細(xì)胞的分化過程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[3],其本身組分的缺失及負(fù)調(diào)控障礙會(huì)導(dǎo)致血液系統(tǒng)腫瘤的發(fā)生。

    1.2 AKT 是一種蛋白激酶,它是PI3K信號(hào)傳導(dǎo)通路下游重要的一個(gè)激酶。AKT具有三種亞型:AKT1、AKT2和 AKT3,從氨基端到羧基端的結(jié)構(gòu)依次是PH 結(jié)構(gòu)域、催化結(jié)構(gòu)域和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域3部分[4]。其中血小板白細(xì)胞C激酶底物同源結(jié)構(gòu)域(PH結(jié)構(gòu)域)位于AKT的氨基端,它能與活化后PI3K的產(chǎn)物PIP3相互識(shí)別和相互作用,使AKT由靜息狀態(tài)下的胞漿轉(zhuǎn)位至胞膜上,研究表明,PH結(jié)構(gòu)域的缺失或突變會(huì)導(dǎo)致AKT活性喪失或降低,它在AKT激活過程中的膜轉(zhuǎn)位問題上有著重要作用[4]。另外,在催化結(jié)構(gòu)域及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)中分別有著308 位蘇氨酸(Thr308)及473位的絲氨酸(Ser473)兩個(gè)識(shí)別位點(diǎn),故AKT同時(shí)具有蘇-絲氨酸激酶活性,兩個(gè)位點(diǎn)的磷酸化在AKT的活化過程中發(fā)揮著的極其重要的作用。在生理狀態(tài)下,AKT位于細(xì)胞的細(xì)胞漿內(nèi)。在各種生長(zhǎng)因子、胰島素受體等刺激因子的作用下,使PI3K激活,活化的PI3K生成PIP3進(jìn)一步激活A(yù)KT。PIP3含有與AKT相同的PH結(jié)構(gòu)域,兩者相互識(shí)別并結(jié)合,將AKT由胞漿轉(zhuǎn)位至胞膜,同時(shí)使AKT的構(gòu)象發(fā)生變化,暴露Thr308位點(diǎn),Thr308的磷酸化需要磷脂酰肌醇依賴的蛋白激酶1(PDK1)參與,PDK1亦含有與PIP3相同的PH結(jié)構(gòu)域,PIP3與PDK1結(jié)合使其激活,活化的PDK1進(jìn)一步使暴露的Thr308位點(diǎn)磷酸化,但單獨(dú)的Thr308磷酸化是不能使AKT活化,它需要Ser473位點(diǎn)同樣磷酸化后才能激活A(yù)KT。PDK1是不能直接激活Ser473,有報(bào)道指出Ser473的活化其有可能通過PDK2或整合素連接蛋白(ILK)間接使其磷酸化[5],從而使AKT活化。另外,AKT不僅可以通過PI3K激活,還可通過HSP27、cAMP-PKA等來激活。活化的AKT進(jìn)一步激活其下游的因子,如E2F、叉頭轉(zhuǎn)錄因子(forkhead-related tran-scription factor,F(xiàn)KHR)、bcl-2、家族糖原合成酶3(glycogen syn-thase kinase 3,GSK3)等,對(duì)細(xì)胞周期、凋亡和新生血管等產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用[6]。

    1.3 mTOR 是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸激酶,mTOR又稱FRAP ( FKS06-bindingp- roteinl2 and rapamycin associatedprotein),由于它的羧基末端與 PI3K 的催化區(qū)有高度同源性,故其屬于PI3K蛋白激酶家族。mTOR存在兩種復(fù)合體mTORC1和mTORC2,這兩種蛋白復(fù)合物在結(jié)構(gòu)及功能上卻是完全不同,mTORC1包括mTOR、mLST8(mammalian ortholog of LST8)和raptor(regulatory-associated protein of mTOR);mTOR2則包括mTOR、mLST8、mSIN1(mitogen-activated protein kinase-associated protein 1)及rictor(rapamycin insensitive companion of mTOR)[7]。mTOR在參與PI3K/AKT/mTOR細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑中,它是AKT的下游因子,活化的AKT直接激活mTORC1或通過TSC1/2復(fù)合物進(jìn)一步激活其下游分子MtorC1[6],而且mTORC2可在活化的AKT中Ser473位點(diǎn)上完全被活化。活化的mTOR進(jìn)一步使它的兩個(gè)下游分子磷酸化,即翻譯抑制分子 elF-4E 結(jié)合蛋白1(4E-BP1)和核糖體蛋白p70s6k,從而滅活翻譯抑制蛋白或增強(qiáng)mRNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯,參與細(xì)胞周期的調(diào)控、增殖和凋亡。

    2 PI3K/AKT/mTOR的細(xì)胞調(diào)控

    2.1 對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控 真核細(xì)胞的分裂經(jīng)歷一系列具有固定發(fā)生順序的事件,這一過程被稱為細(xì)胞周期。細(xì)胞增殖是通過細(xì)胞周期來實(shí)現(xiàn)的。細(xì)胞周期分為:G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)及M期,其中G1期、S期及G2期為間期,M期為分裂期。細(xì)胞周期是按照一定順序固定向前進(jìn)行的,呈現(xiàn)出單向性和不可逆性,其中細(xì)胞周期中存在著三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):G1-S期轉(zhuǎn)折點(diǎn)(限制點(diǎn)或檢查點(diǎn))、G2-M期轉(zhuǎn)折點(diǎn)及M后期-胞質(zhì)分裂。細(xì)胞周期精密的調(diào)控是通過細(xì)胞周期蛋白(cyclin)、細(xì)胞周期蛋白激酶(CDK)及細(xì)胞周期蛋白激酶抑制蛋白(CKI)的作用來實(shí)現(xiàn)。Cyclin和CDK單獨(dú)存在是不表現(xiàn)活性的,當(dāng)兩者結(jié)合后才表現(xiàn)出相應(yīng)的活性,而CKI在細(xì)胞周期中則是起到負(fù)調(diào)節(jié)作用。PTEN 蛋白屬于蛋白酪氨酸磷酸磷脂酶家族,它可以使磷酸化的絲/蘇氨酸和酪氨酸的蛋白或肽類底物脫磷酸化,它作用于PI3K的底物PIP3,能夠特異性使其脫磷酸,使PIP3的濃度下降,從而抑制AKT的活化,上調(diào)細(xì)胞周期依賴蛋白抑制物P27,使細(xì)胞阻滯于 G1期。cyclinD1靜息狀態(tài)下不表達(dá),當(dāng)受到生長(zhǎng)因子的刺激,cyclinD1被激活,其中AKT在兩者之間起到橋梁作用[8],因?yàn)锳KT作用于GSK-3,使由GSK-3介導(dǎo)的cyclinD1降解,加快G1-S期的進(jìn)程,促進(jìn)細(xì)胞增殖。cyclinD1和CDK4、CDK6結(jié)合而活化,同時(shí)與cyclinE和CDK2結(jié)合的復(fù)合物,一起作用于視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤抑制蛋白(retinoblastoma tumor sup-pressor protein,pRb),使其磷酸化而失活,pRb本身對(duì)參與G1-S周期進(jìn)程的轉(zhuǎn)錄基因有抑制作用,當(dāng)pRb被磷酸化失活后,釋放出E2F,啟動(dòng)S期相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,縮短G1期時(shí)間,促進(jìn)細(xì)胞由G1期向S期轉(zhuǎn)換[8]。Li等[9,10]研究均表明cyclinD1水平的升高,使pRb磷酸化失活,兩者形成負(fù)反饋,加快細(xì)胞周期進(jìn)展,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖。很多重要的與細(xì)胞周期相關(guān)的大部分基因受p53調(diào)節(jié),p53主要是在細(xì)胞處于異常情況下在細(xì)胞周期中起到負(fù)性調(diào)節(jié)作用,把細(xì)胞滯留于G1期,延緩或阻止細(xì)胞有絲分裂的進(jìn)行,抑制細(xì)胞的增殖。P53受到泛素連接酶(mdm2)的調(diào)節(jié),mdm2使p53失活或降解,促進(jìn)細(xì)胞的增殖,AKT可直接作用于mdm2,上調(diào)其活性,從而加快P53的失活,促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行。另外,AKT也可以直接抑制p21,p21可以廣泛抑制細(xì)胞周期蛋白激酶復(fù)合物,進(jìn)而通過調(diào)節(jié)pRb的作用,促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行,其轉(zhuǎn)錄活性也受到p53的正性調(diào)節(jié)。同時(shí)AKT直接活化其下游分子mTOR,活化的mTOR激活下游分子4E-BP1和p70s6k,兩者均能加快細(xì)胞周期發(fā)展所需mRNA的轉(zhuǎn)錄。

    2.2 對(duì)血管生成的影響 新生血管的生成是腫瘤生長(zhǎng)的一個(gè)重要條件,對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移起著重要的作用。PI3K與血管的生成密切相關(guān),據(jù)研究發(fā)現(xiàn),PI3K中的p110α亞基能直接促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移,影響血管的生成[11]。AKT能直接作用于內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothe-lialNO synthase,eNOS),eNOS能刺激內(nèi)皮細(xì)胞的增殖,增加血管的通透性,促進(jìn)血管的生成[8,11]。另外PI3K/AKT途徑,能激活其下游的mTOR使p70S6K1活化,以及HDM2均能調(diào)控血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)和缺氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor1,HIF-1)的表達(dá)[12,13],增加血管的通透性,促進(jìn)血管的生成。同時(shí)AKT還可通過調(diào)節(jié)環(huán)氧化物合酶COX-2而促進(jìn)新生血管的生成[14]。

    2.3 對(duì)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲的影響 腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲主要依靠腫瘤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)、細(xì)胞間黏附能力的下降及細(xì)胞外基質(zhì)的降解等。PI3K/AKT/mTOR/p70S6k通路,使p70S6k活化,促進(jìn)肌動(dòng)蛋白的細(xì)絲重構(gòu),使細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)[15]。AKT能夠激活上皮細(xì)胞-間充質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)換(epithelial-mesenchymal transition,EMT),并通過下調(diào)E-鈣黏蛋白及β-連環(huán)蛋白和上調(diào)間充質(zhì)細(xì)胞波形蛋白,降低細(xì)胞之間的黏附能力,促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲[16]。也曾有報(bào)道指出,經(jīng)PI3K/AKT/mTOR細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑,可以上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-2(MMP-2)的mRNA和蛋白質(zhì)表達(dá),降解細(xì)胞外基質(zhì),促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲。另外,PI3K/AKT通路還可通過對(duì)eNOS、核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)及生長(zhǎng)因子受體的調(diào)節(jié),加快腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移和侵襲[5]。

    2.4 對(duì)細(xì)胞凋亡的調(diào)控 細(xì)胞凋亡是細(xì)胞在一定的生理或病理?xiàng)l件下,遵循自身的程序,自己結(jié)束其生命的過程,最后細(xì)胞脫落離體或裂解為若干凋亡小體,而被其他細(xì)胞吞噬。AKT可調(diào)控多個(gè)與細(xì)胞凋亡有關(guān)的家族從而抑制細(xì)胞凋亡。如促凋亡因子Bcl-2家族中的Bad,Casepase-9,F(xiàn)orkhead 轉(zhuǎn)錄因子家族成員以及p53,NF-кB,mdm2等。Bad是凋亡 Bcl-2 家族成員的之一,它可與Bcl-2或Bcl-xl形成復(fù)合物,促進(jìn)凋亡,當(dāng)其被磷酸化后,不能與Bcl-2或Bcl-xl形成二聚體,而抑制凋亡,AKT能夠使Bad磷酸化而抑制細(xì)胞凋亡。Caspase-9 是促細(xì)胞凋亡因子,它是啟動(dòng)細(xì)胞凋亡的主要因子之一,AKT 能使 Caspase-9的Ser196 位點(diǎn)磷酸化而失活,抑制其促凋亡作用。同時(shí)AKT還可抑制Forkhead家族轉(zhuǎn)錄因子的活性,正調(diào)節(jié)核轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,下調(diào)Fas/FasL而誘導(dǎo)凋亡過程及通過磷酸化mTOR激活其下游分子p70S6K、4E-BP1,增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄和翻譯,從而抑制不依賴p53的細(xì)胞凋亡,加快細(xì)胞的凋亡[8,17]。

    PI3K/AKT/mTO信號(hào)傳導(dǎo)通路在目前的初步研究發(fā)現(xiàn)其在肺癌、消化系統(tǒng)腫瘤、泌尿系統(tǒng)腫瘤及婦科腫瘤的發(fā)病機(jī)制中均有所參與,已成為目前研究的熱點(diǎn)之一,PI3K/AKT/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路的基本作用是促進(jìn)細(xì)胞的增殖、抑制細(xì)胞的凋亡,其活化對(duì)細(xì)胞增殖、分化、轉(zhuǎn)移、侵襲及血管生成的各個(gè)環(huán)節(jié)有著重要的作用,但目前對(duì)此信號(hào)傳導(dǎo)通路的認(rèn)知還是尚不完善的,通過進(jìn)一步對(duì)其深入研究和了解及對(duì)此通路抑制劑的研究,將成為治療惡性腫瘤的靶點(diǎn)藥物,對(duì)惡性腫瘤的治療提供新的研究方向。

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    050051 河北省石家莊市第二醫(yī)院神經(jīng)外科(李鵬),導(dǎo)管室(秦連菊);石家莊市醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校(王靜怡);河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院心內(nèi)科(李曉燕)

    R 349.54

    A

    1002-7386(2014)09-1389-04

    2013-12-11)

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