PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞自噬中作用及機(jī)制的研究進(jìn)展

施誠龍，陳沖，高永軍，徐蔚

昆明醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)外科，昆明650101

細(xì)胞自噬是一種吞噬自身細(xì)胞質(zhì)蛋白或細(xì)胞器使其包被進(jìn)入囊泡催化分解的循環(huán)過程。細(xì)胞利用自噬適應(yīng)環(huán)境變化，根據(jù)不同的活性氧（ROS）水平的變化選擇細(xì)胞存活或死亡［1］。細(xì)胞自噬是細(xì)胞應(yīng)對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、缺氧、氧化應(yīng)激以及調(diào)節(jié)細(xì)胞周期和凋亡過程所必需的，絕大多數(shù)細(xì)胞中都在發(fā)生著有利于生長存活的基礎(chǔ)水平的自噬［2］。細(xì)胞自噬反應(yīng)由Unc-51樣激酶（ULK）復(fù)合體啟動(dòng)，ULK復(fù)合體受mTOR抑制，故細(xì)胞自噬反應(yīng)可被磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）途徑所調(diào)節(jié)［3］。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路已被證實(shí)是細(xì)胞調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的主要通路，mTORC直接參與調(diào)節(jié)主要細(xì)胞自噬蛋白的活動(dòng)，其上游調(diào)控因子只有PI3K/AKT軸，它能夠整合來自細(xì)胞環(huán)境的信號(hào)通路，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬反應(yīng)［4］。細(xì)胞自噬異常參與多種疾病包括腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程。為尋找腫瘤更多的治療靶點(diǎn)，有必要明確PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞自噬中的分子機(jī)制。近年，研究者對PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞自噬反應(yīng)中的調(diào)節(jié)作用及機(jī)制進(jìn)行了探討，現(xiàn)將其研究進(jìn)展綜述如下。

1 PI3K在細(xì)胞自噬中的作用及機(jī)制

PI3K能夠磷酸化細(xì)胞內(nèi)的肌醇脂質(zhì)，調(diào)節(jié)細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)和細(xì)胞內(nèi)的囊泡運(yùn)輸。根據(jù)其序列同源性和底物特異性可分為三類，Ⅰ類PI3K產(chǎn)生3-磷酸肌醇脂質(zhì)并直接激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。Ⅱ類和Ⅲ類PI3K調(diào)節(jié)胞內(nèi)循環(huán)和自噬途徑中的膜運(yùn)輸，對細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有間接影響。Ⅰ類PI3K是p110催化亞基與p85調(diào)節(jié)亞基形成的復(fù)合體的異源二聚體，根據(jù)編碼基因的不同，可分為p110α催化亞基和p110β催化亞基，其在細(xì)胞自噬中的作用也不同。

1.1 p110α與p110α催化亞基相關(guān)的Ⅰ類PI3K通過NF-E2 P45相關(guān)因子2-抗氧化劑反應(yīng)元件（Nrf2-ARE）依賴的途徑促進(jìn)細(xì)胞的抗氧化機(jī)制，從而將ROS水平限制在理想范圍內(nèi)［5］。PI3K蛋白對抗氧化系統(tǒng)的促進(jìn)作用可以防止ROS的積累，避免細(xì)胞自噬機(jī)制的激活。在PI3K和Nrf2缺乏的環(huán)境中，當(dāng)氧化應(yīng)激增加時(shí)，主要細(xì)胞自噬蛋白如Be?clin-1和ATG7的水平上升［6］。細(xì)胞自噬基因ATG7的缺失可以使細(xì)胞自噬適配蛋白核孔蛋白p62通過隔離Nrf2抑制劑Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1來促進(jìn)Nrf2的激活，從而促進(jìn)PI3K-Nrf2對抗氧化應(yīng)激［7］。除了Nrf2介導(dǎo)的作用外，PI3K蛋白還能夠激活A(yù)KT進(jìn)而使AKT蛋白執(zhí)行大部分與Ⅰ類PI3K蛋白的p110α催化亞基相關(guān)的抑制細(xì)胞自噬作用［8］。由上可知，p110α可以通過Nrf2-ARE依賴的途徑促進(jìn)細(xì)胞的抗氧化系統(tǒng)，防止ROS的積累，將ROS水平限制在理想范圍內(nèi)，同時(shí)可激活A(yù)KT蛋白，起到抑制細(xì)胞自噬的作用。

1.2 p110β與p110α亞基不同，由PIK3CB基因編碼的Ⅰ類PI3K的p110β亞基具有促進(jìn)細(xì)胞自噬作用。p110β亞基具有獨(dú)立的激酶和細(xì)胞自噬活性，激酶活性作用于AKT，細(xì)胞自噬活性通過與RAS相關(guān)蛋白5（Rab5）的相互作用實(shí)現(xiàn)［9］。用ROS促進(jìn)劑處理PI3KCB基因缺陷的細(xì)胞時(shí)，無任何細(xì)胞自噬反應(yīng)發(fā)生，說明在ROS的作用下是p110β亞基啟動(dòng)的細(xì)胞自噬反應(yīng)［10］。PI3K p110β-Rab5復(fù)合體中，Rab5保持其GTP結(jié)合的活性形式，活性的Rab5可以與Vps15/Vps34形成復(fù)合體，從而啟動(dòng)細(xì)胞自噬［9］。PI3K的調(diào)節(jié)亞基p85保持與Rab5結(jié)合并使其處于非激活狀態(tài)，當(dāng)ROS水平較高時(shí)，p85優(yōu)先與PTEN蛋白結(jié)合而使催化亞基p110β與Rab5結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞自噬增加［10］。p110β亞基發(fā)揮其促細(xì)胞自噬作用的另一個(gè)途徑是激活轉(zhuǎn)錄因子家族叉頭盒蛋白O（FoxO），F(xiàn)oxO參與促進(jìn)細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)［11］。由上可知，當(dāng)ROS水平較高時(shí)，p110β可以通過與Rab5結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞自噬，以適應(yīng)ROS水平的增加，同時(shí)可激活FoxO，起到促進(jìn)細(xì)胞自噬的作用。

2 AKT在細(xì)胞自噬中的作用及機(jī)制

FoxO1蛋白可以進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)與ATG7等細(xì)胞自噬蛋白結(jié)合并支持其激活，AKT介導(dǎo)的FoxO3活性抑制作用阻礙了FoxO1蛋白的表達(dá)，從而阻礙細(xì)胞自噬的啟動(dòng)；FoxO蛋白可以通過調(diào)節(jié)組蛋白和miR?NAs來促進(jìn)細(xì)胞自噬，從而在表觀遺傳水平上發(fā)揮作用，AKT介導(dǎo)的FoxO活性抑制作用影響FoxO蛋白的下游表觀遺傳作用［12］。AKT的活性需要中等水平的ROS存在，ROS水平的升高同時(shí)也下調(diào)了FoxO蛋白的表達(dá)，從而抑制細(xì)胞自噬的發(fā)生。另外，AKT通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白1（AP-1）家族的表達(dá)來達(dá)到抑制細(xì)胞自噬的目的。AP-1家族包括轉(zhuǎn)錄因子Jun-B和原癌基因c-Fos等蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)可以抑制細(xì)胞自噬基因的表達(dá)從而抑制細(xì)胞自噬［13］。由上可知，AKT可以通過抑制FoxO轉(zhuǎn)錄因子的活性使細(xì)胞自噬基因的表達(dá)下調(diào)，同時(shí)ROS水平的升高也下調(diào)了FoxO蛋白的表達(dá)，起到抑制細(xì)胞自噬的作用。

AKT除了在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控細(xì)胞自噬外，還參與了幾種細(xì)胞自噬蛋白的調(diào)控關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，AKT具有獨(dú)立于mTORC1抑制細(xì)胞自噬的能力，只有在雷帕霉素、PI3K和細(xì)胞自噬抑制劑的混合物中加入AKT抑制劑，才能完全阻斷細(xì)胞自噬［14］。AKT在S774處磷酸化細(xì)胞自噬啟動(dòng)蛋白ULK1，使其構(gòu)象改變，并調(diào)節(jié)其在細(xì)胞內(nèi)的位置，導(dǎo)致其失活；在S295處磷酸化另一種細(xì)胞自噬蛋白Beclin-1，導(dǎo)致其失活，從而抑制了Beclin-1-PI3K復(fù)合體的形成過程，阻止細(xì)胞自噬過程。在S295位點(diǎn)，使用AKT抑制劑和上調(diào)PTEN可以阻止Beclin-1的磷酸化。由上可知，AKT可以通過磷酸化ULK1、Beclin-1等細(xì)胞自噬蛋白使其失活，起到抑制細(xì)胞自噬的作用。

3 mTOR復(fù)合體在細(xì)胞自噬中的作用及機(jī)制

mTOR包括mTORC1、mTORC2，二者均可在細(xì)胞自噬中起重要作用。mTORC1參與能量代謝和細(xì)胞生長的調(diào)控以及感知環(huán)境的變化。在氧氣、能量和生長因子充足等環(huán)境下mTORC1激活進(jìn)而上調(diào)核苷酸、蛋白質(zhì)和脂肪的合成，并抑制細(xì)胞自噬，促進(jìn)生物量的積累和細(xì)胞生長等細(xì)胞過程。酸性、營養(yǎng)缺乏等環(huán)境會(huì)抑制mTORC1的活性，促進(jìn)細(xì)胞自噬的啟動(dòng)。mTORC2由生長因子激活，重點(diǎn)參與調(diào)控細(xì)胞骨架的重建和細(xì)胞存活。mTOR作為一種調(diào)節(jié)蛋白，mTORC1和mTORC2都參與細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)并起到維持細(xì)胞合成代謝和分解代謝過程之間的動(dòng)態(tài)平衡的作用。

3.1 mTORC1在有利于細(xì)胞生長的ROS水平下，AKT激活mTORC1，復(fù)合體中的mTOR蛋白進(jìn)行ULK1和ATG13蛋白的失活磷酸化，從而抑制ULK1復(fù)合體和Beclin-1復(fù)合體的形成，抑制細(xì)胞自噬。mTOR1在S3、S223、T233、S383和S440處磷酸化ATG14，磷酸化的ATG14在與Beclin-PI3K復(fù)合體結(jié)合時(shí)阻礙了Ⅲ類PI3K蛋白的激活，從而影響B(tài)eclin-PI3K復(fù)合體的功能，抑制細(xì)胞自噬［15］。mTORC1在S113和S120處磷酸化蛋白質(zhì)核受體結(jié)合因子2（NRBF2），NRBF2通過阻止Beclin-PI3K復(fù)合體的形成和降低磷脂酰肌醇3-磷酸的水平，激活mTORC1，從而抑制細(xì)胞自噬過程［16］。當(dāng)細(xì)胞營養(yǎng)達(dá)到低水平時(shí)，ROS水平升高，激活mTOR1抑制蛋白AMPK，抑制mTORC1的活性，使NRBF2蛋白能夠結(jié)合到Be?clin1-ATG14復(fù)合體上，并同時(shí)附著在PIK3C3-PIK3R4復(fù)合體上，NRBF2與這兩個(gè)配合體的結(jié)合使其能夠相互作用，促進(jìn)細(xì)胞自噬的啟動(dòng)［16］。由上可知，在有利于細(xì)胞生長的ROS水平下，mTOR1可以通過磷酸化ULK1、ATG13、ATG14及NRBF2等蛋白，起到抑制細(xì)胞自噬的作用；當(dāng)細(xì)胞ROS水平升高，mTORC1的活性受到抑制，促進(jìn)細(xì)胞自噬的啟動(dòng)。

mTORC1可以磷酸化與細(xì)胞自噬小體的形成和成熟過程相關(guān)的蛋白，如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（p300）和WD重復(fù)結(jié)構(gòu)域磷脂酰肌醇相互作用蛋白2（WI?PI2）等。mTORC1可使p300磷酸化，進(jìn)而催化微管相 關(guān) 蛋 白1輕 鏈3（LC3）的 乙 酰 化，使LC3失活［17］。mTORC1可使WIPI2磷酸化，進(jìn)而使其泛素化，隨后通過蛋白水解所降解，抑制其與ATG12-ATG5-ATG16L1復(fù)合體之間相互作用所參與的細(xì)胞自噬泡膜的發(fā)育和線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持［18］。由上可知，mTORC1可以通過對上述這些蛋白特殊位點(diǎn)的選擇性磷酸化，從而抑制參與細(xì)胞自噬小體形成和成熟過程的相關(guān)蛋白，起到抑制細(xì)胞自噬的作用。

轉(zhuǎn)錄因子EB/轉(zhuǎn)錄因子E3（TFEB/TFE3）可以提高溶酶體跨膜蛋白、ATP酶、溶酶體水解酶的表達(dá)水平，促進(jìn)溶酶體的生物合成，導(dǎo)致溶酶體分解代謝活性增強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)溶酶體胞吐作用，抑制TFEB/TFE3蛋白會(huì)抑制溶酶體和細(xì)胞自噬小體的發(fā)生和清除［19］。在細(xì)胞基礎(chǔ)ROS水平下，mTORC1可以在S211、S122和S142處磷酸化TFEB，在S321處磷酸化TFE3，并使14-3-3蛋白與磷酸化的TFEB/TFE3結(jié)合，從而將其隔離在細(xì)胞質(zhì)中，通過泛素化將其降解，抑制細(xì)胞自噬。當(dāng)細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)缺乏時(shí)，代謝壓力的增加會(huì)提高ROS水平，從而激活A(yù)MPK，使mTORC1失活，AMPK促進(jìn)TFEB的去磷酸化和核運(yùn)輸以響應(yīng)代謝壓力，啟動(dòng)細(xì)胞自噬過程［20］。由上可知，在細(xì)胞基礎(chǔ)ROS水平下，mTORC1可以調(diào)控TFEB/TFE3的活性，在轉(zhuǎn)錄水平上起到抑制細(xì)胞自噬的作用；當(dāng)細(xì)胞ROS水平升高，mTORC1的活性受到抑制，啟動(dòng)細(xì)胞自噬過程。

3.2 mTORC2 mTORC2是mTOR參與細(xì)胞自噬調(diào)節(jié)的第二個(gè)復(fù)合體，在抑制細(xì)胞自噬和促進(jìn)細(xì)胞自噬方面都有作用。mTORC2在S473處磷酸化AKT從而刺激其激酶活性，AKT通過進(jìn)一步激活mTORC1進(jìn)而抑制細(xì)胞自噬［4］。mTORC2可以通過絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶sgk1（SGK1）蛋白，以非AKT依賴性的方式抑制細(xì)胞自噬，mTORC2能夠在特殊位點(diǎn)使SGK1磷酸化，導(dǎo)致其激活，mTORC2/SGK1通路可以抑制線粒體ROS的釋放，從而避免細(xì)胞內(nèi)因ROS水平的升高引起的細(xì)胞自噬和細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白參與的凋亡［21］。mTORC2/SGK1通路還能夠以Nrf2依賴的方式維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，使細(xì)胞氧化應(yīng)激得到緩解，促進(jìn)細(xì)胞存活［22］。SGK1的下游靶點(diǎn)之一是FoxO3，F(xiàn)oxO3的磷酸化導(dǎo)致其滯留在細(xì)胞質(zhì)中，抑制細(xì)胞自噬［21］。mTORC2/SGK1通路的另一個(gè)下游靶點(diǎn)是線粒體膜外電壓依賴性陰離子選擇通道蛋白1（VDAC-1），抑制mTORC2/SGK1通路可以抑制VDAC-1孔蛋白閉合，導(dǎo)致線粒體膜電位的紊亂以及超氧陰離子和細(xì)胞色素c等線粒體成分的釋放［23］。在應(yīng)激條件下，mTORC2與細(xì)胞自噬的關(guān)系發(fā)生改變。VDAC-1是一種ROS感受器，上調(diào)VDAC-1的表達(dá)，可以觸發(fā)ROS從線粒體外流，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬。由上可知，在不同的ROS水平下，mTORC2既 可以 在S473處 磷酸化AKT來 激活A(yù)KT抑制細(xì)胞自噬，又可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞自噬來促進(jìn)細(xì)胞衰老。

綜上所述，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在細(xì)胞自噬中發(fā)揮重要作用。PI3Kα催化亞基通過Nrf2-ARE依賴的途徑及激活A(yù)KT蛋白對細(xì)胞自噬起抑制作用，PI3Kβ催化亞基通過與Rab5結(jié)合及激活FoxO對細(xì)胞自噬起促進(jìn)作用。AKT通過激活mTORC1和抑制FoxO及ATG的表達(dá)對細(xì)胞自噬起抑制作用。mTOR1通過磷酸化ULK1、ATG13、ATG14、NRBF2及與細(xì)胞自噬小體的形成和成熟過程相關(guān)的蛋白p300、WIPI2等以及調(diào)控TFEB/TFE3的活性對細(xì)胞自噬起抑制作用，mTORC2既可以通過SGK1蛋白抑制細(xì)胞自噬，又可以通過上調(diào)VDAC-1的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞自噬。將ROS水平在一定限度內(nèi)提高，使其促進(jìn)AMPK的激活及mTOR的失活，利用細(xì)胞自噬作為癌細(xì)胞的死亡機(jī)制，或許能延緩癌癥及其他疾病的進(jìn)展并為臨床靶向藥物治療的研究提供新思路。