mTOR信號通路與腫瘤研究進展

陸建國綜述，俞 松審校（遵義醫(yī)學院附屬醫(yī)院，貴州遵義563000）

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是1991年從酵母中分離出的一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是多條信號通路的關(guān)鍵蛋白分子，在體內(nèi)參與多種細胞增殖、分化、自噬、凋亡及周期調(diào)控，是近年來在腫瘤領(lǐng)域的研究熱點并已取得很大進展。本文就其與常見腫瘤的關(guān)系作一綜述。

1 mTOR及其信號通路

1.1 mTOR mTOR屬于磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶（PIKK）家族，是PI3K/Akt信號通路下游重要的效應分子，根據(jù)與其結(jié)合的物質(zhì)不同在體內(nèi)主要以兩種高度同源（70%）的復合體形式存在，即 mTORC1和 mTORC2。mTOR 與 raptor、deptor、PRAS40 和 mLST8/GβL 等構(gòu)成mTORC1，不同形式的mTOR可能產(chǎn)生不同的生理作用。Lai等[1]報道，在結(jié)直腸癌患者中，deptor的表達量與mTORC1的活性具有負相關(guān)性，即deptor表達量較高的患者，mTORC1活性較低，表現(xiàn)出較低的腫瘤惡性程度和轉(zhuǎn)移率。而在多發(fā)性骨髓瘤中，deptor與mTORC2含量同時增多[2]，因而各種物質(zhì)的檢測可能作為臨床疾病的預后評估等指標。在mTORC2中以PRAS40替代raptor，同時也含有 mTOR、mLST8/GβL、rictor、mSin1 和 protor等重要分子，形成復合體[3-4]，對雷帕霉素抑制作用敏感的主要是mTORC1，可被快速抑制，而mTORC2需要雷帕霉素較長時間作用才能影響其活性[5]。

1.2 信號通路 mTOR的信號通路主要有兩條，一條是PI3K/Akt/mTOR促存活通路，該通路與細胞增殖及腫瘤血管形成密切相關(guān)，包含3個關(guān)鍵蛋白分子，即PI3K、Akt、mTOR。另一條是 LKB1/AMPK/mTOR 信號通路，抑癌基因LKB1通過磷酸化磷酸腺苷激活的蛋白激酶（AMPK）激活AMPK，進而實現(xiàn)對mTOR的負性調(diào)控。

1.2.1 PI3K的結(jié)構(gòu)和功能 PI3K屬于磷脂酰肌醇3-激酶（PI3Ks）蛋白家族，因結(jié)構(gòu)和功能的差異又分為PI3K1、PI3K2和PI3K3亞型，在參與細胞增殖、分化、凋亡、藥物抵抗以及葡萄糖轉(zhuǎn)運等方面發(fā)揮重要作用[6]。其中研究較為深入的是PI3K1，其是PI3K的同源二聚體，含有一個調(diào)節(jié)亞基（p110）和一個催化亞基（p85），調(diào)節(jié)亞基有SH2和SH3 2個結(jié)構(gòu)域，可與相應的靶蛋白結(jié)合發(fā)揮作用。PI3K可進一步細分為2個亞綱：IA（PI3Kα，β和δ）及IB（PI3Kγ），IA類可被酪氨酸蛋白激酶受體激活，IB類則可被G蛋白偶聯(lián)受體激活[7-8]，在多種癌癥的發(fā)生發(fā)展中都有PI3K的異?；罨?。例如，乳腺癌患者中PI3K-p110的高表達往往預示著較低的存活率[9]，PI的肌醇環(huán)上有5個可磷酸化的位點，其中第4、5位點可被多種激酶磷酸化，因而這2個位點是發(fā)生磷酸化修飾的重要部位。細胞因子如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、成纖維細胞生長因子（FGF）等都能激活PI3K。這始于對生長因子受體酪氨酸蛋白激酶（RTK）的激活，酪氨酸殘基發(fā)生自磷酸化，隨即PI3K被招募至細胞膜上使催化亞基激活，快速導致 PI-4，5-P2轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信使 PI-3，4，5-P3，PIP3招募一些含有PH結(jié)構(gòu)域的信號蛋白到細胞膜上，包括3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1（PDK1）和Akt/蛋白激酶B（PKB）等多種信號蛋白，序貫活化下游信號分子，參與調(diào)控細胞生長、凋亡等，Akt/PKB信號通路的激活能夠抑制促凋亡因子如 Bad、Procaspase-9、Fas配體（FasL）的表達；抑制糖原合成酶激酶-3（GSK-3），影響葡萄糖代謝和細胞蛋白合成等[7]。

1.2.2 Akt的結(jié)構(gòu)和功能 Akt激酶屬于AGC激酶家族成員之一，因其結(jié)構(gòu)中催化亞基的90%與PKA、PKC相似，故又被稱PKB，其本質(zhì)是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，相對分子質(zhì)量為60×103[10-11]。與AMP/GMP激酶等密切相關(guān)，由3個結(jié)構(gòu)域組成，分別是含PH結(jié)構(gòu)域的N端調(diào)節(jié)區(qū)、中間激酶催化區(qū)及含有疏水模體的C端延長區(qū)，人體內(nèi)多種蛋白均含有PH結(jié)構(gòu)區(qū)域，以保證與細胞膜上 PI-3、4-P2或 PI-3，4，5-P3相結(jié)合，且不同時間、不同位置的結(jié)合將有不同的蛋白活性和功能。細胞受到外界因子刺激時Akt的T308和S473位點會發(fā)生磷酸化而激活，活化后的Akt轉(zhuǎn)移到細胞核、線粒體等多種細胞組分中，并對其底物進行調(diào)節(jié)，Akt能影響多種凋亡相關(guān)因子，調(diào)控細胞生長和凋亡，是PI3K/Akt/mTOR信號軸中重要的極其關(guān)鍵的蛋白分子[12]。

1.2.3 LKB1 人LKB1基因又稱Serine-Threonine11、STK11，廣泛分布于人體多種組織內(nèi)，編碼LKB1蛋白，相對分子質(zhì)量為50×103，位于人第19號染色體短臂，含有10個外顯子，其中9個具有編碼蛋白功能，由三大區(qū)域組成，分別是：C端調(diào)節(jié)域、N端調(diào)節(jié)域和激酶區(qū)域，在人體多種腫瘤中均發(fā)現(xiàn)某區(qū)域的突變或者異常表達，并且與Peutz-Jeghers綜合征的發(fā)病密切相關(guān)[13-15]。Zhu等[16]以Wistar-Kyoto鼠為研究對象，發(fā)現(xiàn)LKB1/AMPK/p70S6K信號通路可能參與心肌蛋白的合成，與左心室肥大發(fā)病相關(guān)。LKB1成為近年來腫瘤領(lǐng)域的研究熱點，還因其在腫瘤細胞增殖方面也發(fā)揮重要作用。Liang等[17]在研究LKB1信號通路時發(fā)現(xiàn)，沉默LKB1基因可能通過抑制p53、p16信號途徑加速細胞周期進程，促進細胞增殖；相反，外源性激活LKB1/AMPK信號途徑則會使細胞周期阻滯在G1期，同時伴隨細胞周期素cyclin D1、cyclin D3的下調(diào)，以及抑癌基因p53、p16和細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21的上調(diào)。LKB1至少包含13種AMPK家族潛在底物，如AMPK、腦特異性激酶（BRSK）和鹽誘導激酶（SIK）等[18]。雖然細胞內(nèi)大多數(shù)LKB1存在于細胞核、少數(shù)存在于細胞質(zhì)，但只有細胞質(zhì)中的成分才有活性，因為LKB1激活AMPK需要2個細胞質(zhì)內(nèi)的銜接蛋白STE20相關(guān)受體蛋白（STRAD）和鼠蛋白25（MO25）才能展示潛在的AMPK活性，而STRAD僅存在于細胞質(zhì)[19]。MO25（α或β）綁定于STRAD使STRADLKB1復合體更加牢固[20]，三者一起構(gòu)成的復合體LKB1-STRADα-MO25α磷酸化AMPKα亞基的Thr172位點[21]，LKB1活性的調(diào)節(jié)可通過多位點的磷酸化，如Ser31、Ser325、Thr336、Thr366 和 Ser428[22]，故相應位點的基因突變也會影響LKB1磷酸化而影響其活性。

1.2.4 AMPK AMPK即AMP依賴的蛋白激酶，是生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子，由α催化亞基，β、γ調(diào)節(jié)亞基組成的異源三聚體，能被細胞壓力、激素等多種因素激活，也是LKB1的直接底物，LKB1通過促進AMPK α亞基上Thr172位點的磷酸化，增強AMPK的磷酸化水平，從而使AMPK激活。AMPK是一個重要的能量轉(zhuǎn)換器，通過感受ATP/AMP比例來調(diào)節(jié)細胞能量狀態(tài)，直接或間接調(diào)節(jié)mTORC1活性，在抗腫瘤、抗感染、預激綜合征等中發(fā)揮重要作用[23]。Xu等[24]通過激活AMPK達到抑制mTOR介導的信號通路，促進神經(jīng)元細胞凋亡。新近研究顯示，哺乳動物體內(nèi)激活鈣調(diào)素依賴蛋白激酶的激酶（CaMKKβ）高表達時AMPK活性增加，利用RNA干擾或者藥物抑制CaMKKβ表達時，AMPK活性可顯著降低，故推測AMPK可能存在另一個上游分子CaMKKβ[25]，但目前尚不清楚是否和mTOR一起參與腫瘤信號通路的轉(zhuǎn)導。

1.2.5 mTOR及其下游分子 mTOR的相對分子質(zhì)量為289×103，在分子結(jié)構(gòu)上從氨基端到羧基端依次含HEAT重復序列，F(xiàn)AT、FRB、激酶區(qū)和末端的FATC區(qū)域，其本質(zhì)是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由于進化相對保守，故可以對多種外界刺激，如胰島素、氨基酸、葡萄糖、生長因子等產(chǎn)生應答，在細胞生長和增殖方面發(fā)揮重要作用。其作用通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯產(chǎn)生，mTORC1經(jīng)典的下游分子是P70核糖體S6激酶（P70S6K）和真核生物轉(zhuǎn)錄起始因子結(jié)合蛋白（4E-BP1），P70S6K 含有 Thr229、Thr389等多個磷酸化位點，mTOR可磷酸化Thr389激活P70S6K，進一步促使具有5′TOP結(jié)構(gòu)的mRNA翻譯成核糖體；真核生物轉(zhuǎn)錄起始因子-4E（eIF4E）與轉(zhuǎn)錄起始因子結(jié)合蛋白結(jié)合后活性降低，此時依賴于eIF-4E的蛋白質(zhì)合成將被抑制，mTOR可活化4E-BP1，使二者分離，解除抑制作用，故mTOR主要通過上述兩條途徑增加蛋白質(zhì)翻譯及合成。

1.2.6 mTOR負性調(diào)節(jié)結(jié)節(jié)性硬化癥（TSC）TSC是一種常染色體顯性遺傳綜合征，其發(fā)病對神經(jīng)、心血管、泌尿等多系統(tǒng)造成嚴重損害，多數(shù)該病患者可檢測到突變的TSC1或TSC2基因，TSC1和TSC2基因分別編碼錯構(gòu)素（hamartin蛋白）、馬鈴薯球蛋白（tuberin蛋白），二者常以二聚體形式存在，對mTOR具有抑制作用，原因是該復合物可以抑制mTOR活化所必需的刺激蛋白小GTP酶 Rheb，促使 Rheb-GTP向 Rheb-GDP轉(zhuǎn)換[26]，進而間接作用于mTOR。相反，當上游Akt信號被激活時可使TSC-2的Ser939和Thr146位點磷酸化，廢除其抑制作用，激活mTOR。另一個抑制因子是人第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因（PTEN），定位于10q23.3，該基因的蛋白產(chǎn)物含有與骨架張力蛋白tenasin、輔助蛋白auxilin同源的區(qū)域，而且含有一酪蛋白磷酸酶而得名。PTEN有多種生物學功能，其編碼的蛋白產(chǎn)物促使PIP3脫磷酸轉(zhuǎn)換為PIP2，進而不能活化下游分子，可阻止細胞分裂，調(diào)控細胞周期，誘導凋亡等，是近年來腫瘤診斷、治療和預后評價指標之一。相關(guān)Meta分析顯示，PTEN的表達缺失或者下游抑制組分的表達上調(diào)都將導致細胞惡性增殖[27]。國內(nèi)外學者對mTOR信號通路進行了大量研究，目前大多數(shù)學者致力于mTORC1的研究，包括mTORC1促進肝細胞分化[28]、給予抑制劑雷帕霉素能夠抑制成骨細胞活化等[29]；而mTORC2由于發(fā)現(xiàn)相對較晚，其研究尚處于初步階段。Huang等[30]在對mTORC2的研究中，通過敲除小鼠胚胎成纖維細胞TSC1或TSC2，以及沉默Hela細胞TSC2，發(fā)現(xiàn)mTORC2活性顯著下降，推測TSC1-TSC2復合體可以與mTORC2結(jié)合并增加其活性。此外，Sangyeul等[31]檢測了結(jié)節(jié)硬化癥患者組織中mTOR、P-mTOR、ERK、MEK 等含量，結(jié)果顯示，p-ERK、p-Mek在室管膜下巨細胞性星形細胞瘤（SEGA）均有高表達，而正常組織則不然，并且推斷ERK信號通路可能通過轉(zhuǎn)錄后抑制TSC功能，故mTOR尚可能被有絲分裂通路Ras/MEK/ERK激活。

2 mTOR信號通路與腫瘤增殖和轉(zhuǎn)移

腫瘤血管形成是一個極其復雜的過程，其主要機制是血管生成因子和生成抑制因子失衡的結(jié)果，mTOR信號通路可以增加缺氧誘導因子（HIF）的表達，后者進一步趨化VEGF的合成，導致新生血管合成。而在多種腫瘤中均存在mTOR的過度表達，如垂體瘤[32]、胃癌[33]、宮頸癌[34]、肺癌[35]等。進一步研究發(fā)現(xiàn)，晚期肺癌中PTEN的表達量低于早期，癌組織低于癌旁組織，可見腫瘤抑制基因PTEN在肺癌發(fā)病中發(fā)揮重要作用。非小細胞肺癌細胞株體外實驗顯示，人乳頭瘤病毒16型可能激活PI3K/Akt信號通路，誘導HIF-1α、VEGF和IL-8等促血管生成因子的表達[36]。因此，mTOR信號通路抑制劑的靶向抗血管生成作用在腫瘤治療領(lǐng)域具有廣闊前景[37]，也成為繼腫瘤放療、化療、手術(shù)治療的一大突破。這與Zhang等[38]以mTOR靶向抑制聯(lián)合抗雄激素治療前列腺癌，其抗腫瘤效應大于單一用藥的研究結(jié)果一致。腫瘤轉(zhuǎn)移是腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中最危險的階段，也是區(qū)分良惡性腫瘤的確切標準。有報道稱超過半數(shù)以上晚期胃癌患者具有遠處轉(zhuǎn)移[39]。近期研究顯示，胃癌轉(zhuǎn)移患者淋巴結(jié)中p-Akt的表達高于早期胃癌[40]，Ye等[41]通過靶向抑制PI3K信號途徑，達到下調(diào)增殖細胞核抗原Ki-67和基質(zhì)金屬蛋白酶2的表達，進而抑制胃癌細胞生長和轉(zhuǎn)移。此外，在對mTOR下游信號分子的干預中，Khotskaya等[42]采用特異性S6K1抑制劑PF-4708671作用于乳腺癌細胞后，可抑制其遷移。以上研究顯示，mTOR信號通路與腫瘤細胞增殖、遷移密切相關(guān)，在不同分子層面進行干預均可能通過某種機制達到抑制腫瘤細胞生長作用。

3 mTOR信號通路與腫瘤細胞凋亡

細胞凋亡是細胞主動的程序性死亡，對機體穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用，有多種基因和蛋白產(chǎn)物參與，如促凋亡基因、抑制凋亡基因、死亡受體及配體、caspase等。細胞凋亡途徑主要有3條，分別是死亡受體途徑、線粒體依賴途徑及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激導致的凋亡。至少有5種死亡受體參與了細胞凋亡，即 TNFR-1、Fas、R3、DR4 和 DR5，經(jīng)典的是膜受體Fas，廣泛存在于多種細胞表面，經(jīng)過其配體FasL活化后介導細胞凋亡；凋亡誘導因子、細胞色素C等凋亡相關(guān)的基因產(chǎn)物定位于線粒體，當收到凋亡信號時，線粒體的通透性轉(zhuǎn)換孔（PTP）開放，引起一系列凋亡事件，甚至可以不需要任何輔助因子；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑則是長時間有害因素刺激下內(nèi)質(zhì)網(wǎng)正常生理功能受損，細胞啟動由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)介導的凋亡通路。Liu等[43]研究胃癌細胞抗增殖效應時發(fā)現(xiàn)，紫羅酮以劑量依賴方式激活PI3K/Akt信號通路，進而誘導胃癌細胞株SGC-7901表達被切割的caspase-3，抑制bcl-2而促發(fā)凋亡。Zhang等[44]研究顯示，PI3K/Akt/mTOR/p70S6K信號通路參與大葉茜草素誘導的腫瘤細胞凋亡和自噬。中醫(yī)藥研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素也可以時間-劑量依賴的方式抑制急性單核細胞白血病細胞株，原因可能是同時抑制Akt/mTOR和RAF/MEK/ERK信號通路活性[45]。腫瘤的發(fā)生是一個多基因、多步驟的過程，凋亡在腫瘤發(fā)生中起著負向調(diào)控作用，探討腫瘤凋亡在細胞治療中的作用，進一步深入研究腫瘤的治療方法，有助于提高腫瘤治療效果。

4 mTOR信號通路與血管瘤

mTOR信號通路在血管瘤等良性腫瘤中也異常激活。呂欣等[46-47]檢測了不同時期血管瘤標本中mTOR和p70S6K-a的表達，發(fā)現(xiàn)增殖期血管瘤mTOR高表達，消退期低表達。后期在體外培養(yǎng)血管瘤內(nèi)皮細胞中予以雷帕霉素干預后，導致mTOR下降，p70S6K-a表達增加及G0/G1期的細胞數(shù)量增多，促進血管內(nèi)皮凋亡。Ou等[48]以重組短發(fā)夾RNA腺病毒載體rAd5-Akt與mTOR轉(zhuǎn)染增殖期血管瘤內(nèi)皮細胞后，發(fā)現(xiàn)增殖細胞核抗原表達減少，細胞增殖減慢，誘導細胞凋亡和細胞周期阻滯等?；谝陨侠碚摚盗49]檢測了不同濃度普萘洛爾干預人臍靜脈內(nèi)皮細胞后Akt、mTOR、ERK、FAK等基因和蛋白的表達情況，模擬普萘洛爾治療血管瘤的生物學機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，普萘洛爾呈現(xiàn)濃度依賴性抑制上述分子的mRNA表達及上述血管生成信號分子的磷酸化蛋白表達水平，提示普萘洛爾可能參與Akt/mTOR信號通路的激活，進而影響血管瘤的增殖和消退。

5 小結(jié)與展望

mTOR信號通路的激活與腫瘤關(guān)系密切，在腫瘤血管形成、加速細胞周期、抑制細胞凋亡等方面發(fā)揮重要作用?？筸TOR或成為腫瘤治療領(lǐng)域的一大突破，雷帕霉素及其衍生物等mTOR抑制劑相繼問世將為腫瘤患者帶來福音。但是，不同患者對于mTOR抑制劑的治療反應差異很大，而且長時間給藥需要考慮更多藥物不良反應及負反饋激活Akt信號等問題。雖然PI3K/Akt是重要的mTOR上游轉(zhuǎn)導通路，但在復雜的人體環(huán)境中往往是多因素共同作用形成信號網(wǎng)絡。因此，為進一步闡釋疾病的發(fā)生發(fā)展機制，尚需進行大量的基礎(chǔ)與臨床研究工作。

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