PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)在疾病治療中的作用*

胡曉青， 于慧美， 沈璐妍， 楊一萌， 陳秋艷， 董德錄， 孫連坤

（吉林大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)系，吉林長春130021）

在不同環(huán)境下，細(xì)胞需要協(xié)調(diào)多種信號通路而有組織地適應(yīng)不斷變化的內(nèi)外環(huán)境，以維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。鑒于疾病的復(fù)雜性，需要我們向整體研究的思路轉(zhuǎn)變，以重要信號通路為立足點，深入了解疾病背景下信號通路在維系細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中的調(diào)控機(jī)制，為藥物靶向治療提供更多的理論基礎(chǔ)。

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositiol 3-kinase，PI3K）/蛋 白 激 酶 B（protein kinase B，PKB/AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號通路處于調(diào)控細(xì)胞生長、細(xì)胞代謝、生物合成及細(xì)胞自噬的交匯點［1-2］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信號通路的活性異常引起細(xì)胞穩(wěn)態(tài)逐漸失衡，誘導(dǎo)腫瘤、年齡相關(guān)性疾病及代謝性疾病等的發(fā)生發(fā)展［3］。近年研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT/mTOR信號通路在調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用［4］。目前認(rèn)為，PI3K/AKT/mTOR 信號通路可能通過協(xié)調(diào)線粒體自噬、線粒體生物合成等控制機(jī)制保證線粒體功能，維持細(xì)胞的能量供給并促進(jìn)細(xì)胞生長和增殖［5］。本文從PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)之間的交互作用共同維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的角度，對PI3K/AKT/mTOR 信號通路在年齡相關(guān)性疾病和惡性腫瘤治療中的作用機(jī)制進(jìn)行綜述，為以PI3K/AKT/mTOR 信號通路作為靶點治療相關(guān)疾病提供理論指導(dǎo)。

1 PI3K/AKT/mTOR 信號通路

作為受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）和 G 蛋白偶聯(lián)受體（G-protein-coupled receptors，GPCRs）的主要下游效應(yīng)物，PI3K 將來自于多種生長因子和細(xì)胞因子的信號傳導(dǎo)入細(xì)胞膜內(nèi)，激活包括 AKT 和 mTOR 復(fù)合物 1（mTOR complex 1，mTORC1）在內(nèi)的下游效應(yīng)器［6］。作為細(xì)胞外信號刺激的應(yīng)答，激活的PI3K 將磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2）磷酸化為磷脂酰肌醇三磷酸（phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3），募集 AKT 到質(zhì)膜，從而導(dǎo)致 AKT 的磷酸化和激活。作為腫瘤抑制因子，10 號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）和Ⅱ型多磷酸肌醇4-磷酸酶（inositol polyphosphate 4-phosphatasetype Ⅱ，INPP4B）是 PI3K 信號通路重要的負(fù)調(diào)節(jié)因子。PTEN 或INPP4B 的缺失分別會導(dǎo)致PIP3 和PIP2 的聚集，將會引起AKT 的持久磷酸化和激活［7］，再通過磷酸化mTOR 等下游底物發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。

mTORC1 是 AKT 下游最重要的底物之一［8］。激活的AKT 可以通過磷酸化mTOR 的Ser2448 位點直接激活mTORC1，或通過磷酸化結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）間 接 激 活mTORC1?；罨膍TORC1 通過兩個關(guān)鍵效應(yīng)因子p70 核糖體 S6 激酶 1（ribosomal S6 kinase 1，S6K1）和真核細(xì)胞翻譯起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E）結(jié)合蛋白（eIF4E-binding protein，4EBP）的磷酸化促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成。mTORC1磷酸化4EBP，使其與eIF4E 解離并允許5′帽依賴（cap-dependent）結(jié)構(gòu)的 mRNA 啟動翻譯［9］?；罨腟6K1 導(dǎo)致編碼核糖體蛋白，轉(zhuǎn)錄延伸因子，以及調(diào)控細(xì)胞周期蛋白的mRNA翻譯增加。另外，mTORC1通過甾醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（sterol-regulatory element binding protein，SREBP）促進(jìn)脂質(zhì)的從頭合成［10］。mTORC1 增加了轉(zhuǎn)錄激活因子 4（activating transcription factor 4，ATF4）依賴性亞甲基四氫葉酸脫氫酶 2（methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2，MTHFD2）表達(dá)，提供了嘌呤合成所需的碳源［11］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信號通路可以通過調(diào)節(jié)mTORC1 活性，選擇性地對蛋白進(jìn)行翻譯或翻譯后修飾的調(diào)控，從而影響細(xì)胞合成代謝等生物學(xué)效應(yīng)。

2 PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)

線粒體是細(xì)胞能量的重要供應(yīng)源，線粒體功能損傷在心血管疾病、代謝性疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等眾多疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用［12-13］。在細(xì)胞應(yīng)激狀態(tài)下，線粒體會優(yōu)先啟動線粒體質(zhì)量控制系統(tǒng)作為保護(hù)性適應(yīng)機(jī)制以應(yīng)對應(yīng)激環(huán)境下細(xì)胞穩(wěn)態(tài)失衡［14］。線粒體質(zhì)量控制，是通過線粒體生物合成、線粒體分裂融合、線粒體自噬及凋亡等途徑，控制線粒體數(shù)量和質(zhì)量的相對穩(wěn)定，保證線粒體維持正常功能以滿足細(xì)胞生命活動［15］，因此線粒體穩(wěn)態(tài)是保證細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT/mTOR 信號通路參與調(diào)控線粒體生物合成、線粒體分裂融合、線粒體自噬及線粒體途徑凋亡等質(zhì)量控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。mTOR 通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子YY1（Yin-Yang 1）介導(dǎo)對過氧化物酶體增殖物激活受體γ 輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）的調(diào)控，增加PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性，上調(diào)核編碼的線粒體基因的表達(dá)。另外，mTORC1 的激活通過上調(diào)線粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）、線粒體核糖體蛋白（mitochondrial ribosomal proteins，MRPs）、呼吸鏈復(fù)合物 I 和 V 亞基等mRNA 的翻譯來促進(jìn)許多核編碼的線粒體調(diào)節(jié)因子的合成［16］，為線粒體生物合成提供基礎(chǔ)。

線粒體通過融合/分裂過程維持線粒體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證線粒體適應(yīng)環(huán)境變化。融合過程有助于使受損線粒體的內(nèi)容物均勻化，從而導(dǎo)致線粒體伸長，而分裂會導(dǎo)致線粒體破碎，并促進(jìn)通過線粒體自噬的方式促進(jìn)受損線粒體的清除［17］。但是，過度或不適當(dāng)?shù)姆至鸦蛉诤峡赡軐€粒體質(zhì)量和線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)有害。PI3K/AKT/mTOR 信號通路可以通過調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)影響細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。線粒體分裂進(jìn)程蛋白1（mitochondrial fission process 1，MTFP1）是與發(fā)動蛋白相關(guān)蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）相互作用，從而影響Drp1 功能的重要蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，mTORC1/4EBP 途徑可以調(diào)控MTFP1的翻譯，而調(diào)節(jié)線粒體動力學(xué)［18］。近年來，一項關(guān)于骨質(zhì)疏松癥的研究結(jié)果顯示，AKT/糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）途徑通過磷酸化調(diào)節(jié)參與融合功能的蛋白——視神經(jīng)萎縮蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）切割，影響成骨細(xì)胞的分裂融合和凋亡［19］。另有新近研究成果表明，AKT 可以通過對另一重要底物——核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）的磷酸化作用，介導(dǎo)OPA1 依賴性線粒體融合功能的調(diào)節(jié)［20］。

除此之外，線粒體自噬、線粒體相關(guān)蛋白降解機(jī)制等參與線粒體蛋白質(zhì)量控制的機(jī)制，也受PI3K/AKT/mTOR 信號通路調(diào)節(jié)。PI3K/AKT/mTOR 信號通路是調(diào)控自噬的經(jīng)典信號通路。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，線粒體自噬作為一種特異性降解線粒體的選擇性自噬形式，可能與巨自噬具有共同的調(diào)控機(jī)制，即活化的mTORC1 可以磷酸化Unc-51 樣激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）的 Ser638/758 位點，引起ULK1激酶活性下降，抑制ULK1-FIP200-ATG13復(fù)合物活性，從而抑制自噬的起始［21］。mTORC1 還可以磷酸化轉(zhuǎn)錄因子EB（transcription factor EB，TFEB），TFEB 被磷酸化后其向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)位受到抑制，影響溶酶體生物合成的關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄，阻斷溶酶體的生物合成，從而間接抑制自噬［22］。

3 PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)在衰老相關(guān)疾病治療中的作用機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn)，線粒體穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致線粒體功能紊亂與衰老和許多年齡相關(guān)性疾病密切相關(guān)［23-24］。在衰老過程中，線粒體合成代謝與分解代謝的不平衡導(dǎo)致線粒體DNA 中突變的積累，使受損線粒體的數(shù)量增加，嚴(yán)重?fù)p害細(xì)胞正常功能［4］。衰老細(xì)胞mTOR活性的增加，一方面通過抑制線粒體自噬使受損傷線粒體在細(xì)胞內(nèi)堆積，另一方面活化的mTOR 提高細(xì)胞代謝活性，線粒體及代謝產(chǎn)物的生成增多與降解速率不匹配，加重線粒體功能損傷。

已有研究發(fā)現(xiàn)，在衰老過程中，線粒體功能下降與神經(jīng)元損傷引起的認(rèn)知功能障礙密切相關(guān)。鑒于PI3K/AKT/mTOR 信號通路在調(diào)節(jié)線粒體質(zhì)量控制通路中的中心作用，近年來靶向抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路已經(jīng)成為神經(jīng)退行性疾病的新穎治療策略。已有研究證實，雷帕霉素通過抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路活性而增強線粒體自噬，可以減輕血管性癡呆小鼠的認(rèn)知障礙［25］。另有研究發(fā)現(xiàn)，含有富亮氨酸重復(fù)序列的蛋白17（leucine-rich repeat-containing protein 17，LRRc17）高表達(dá)與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老呈正相關(guān)，是誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥發(fā)生的分子機(jī)制之一；而敲減LRRc17通過抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路，激活線粒體自噬，從而減輕線粒體功能障礙并抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衰老；體內(nèi)實驗證實LRRc17敲減小鼠在行卵巢切除術(shù)后的骨質(zhì)疏松現(xiàn)象有所緩解［26］。

抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路在調(diào)節(jié)線粒體自噬、清除受損線粒體的同時，還需補充新生線粒體或是通過線粒體動力學(xué)維持線粒體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的完整性。最近研究表明，線粒體功能與其形態(tài)變化相關(guān)［27］。線粒體需要經(jīng)過不斷分裂、融合在細(xì)胞中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使線粒體適應(yīng)不同的能量需求［17］。研究發(fā)現(xiàn)，破壞線粒體動力學(xué)將會對心肌細(xì)胞的存活產(chǎn)生負(fù)面影響，誘導(dǎo)心血管系統(tǒng)疾病發(fā)生［28］。雖然mTORC1 可能通過上調(diào) MTFP1 的翻譯［18］，進(jìn)而激活和募集Drp1 來促進(jìn)高熱量攝入條件下的線粒體分裂以重新平衡細(xì)胞能量，但是長期的線粒體過度片段化干擾其呼吸鏈功能，細(xì)胞ATP 產(chǎn)生受限，誘導(dǎo)細(xì)胞衰老。同理，單獨以激活或抑制PI3K/AKT/mTOR活性而調(diào)節(jié)線粒體生物合成來促進(jìn)能量生成，仍需考慮線粒體自噬活性等降解途徑的影響，以免造成線粒體負(fù)擔(dān)過重。因此，通過對mTOR 活性的適度調(diào)節(jié)，結(jié)合對細(xì)胞線粒體形態(tài)和動力學(xué)的觀察，可以對衰老狀態(tài)進(jìn)行評價，并有助于抗衰老治療方法的研發(fā)。

4 PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)在癌癥治療中的作用機(jī)制

在包括乳腺癌、卵巢癌等在內(nèi)的腫瘤細(xì)胞中，均發(fā)現(xiàn)編碼PI3K 的基因突變，導(dǎo)致PI3K 激酶活性增加，活化的PI3K/AKT/mTOR 信號通過促進(jìn)細(xì)胞生長、增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移等途徑促進(jìn)癌細(xì)胞存活，影響患者預(yù)后［6，29］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信號通路是多種癌癥治療的重要靶點［30］。到目前為止，一些PI3K抑制劑［比如copanlisib（用于治療濾泡性淋巴瘤）和idelalisib（用于治療慢性淋巴細(xì)胞白血病、濾泡性淋巴瘤和小淋巴細(xì)胞淋巴瘤）］及mTOR 抑制劑［比如everolimus（用于治療進(jìn)展期腎癌，與依西美坦聯(lián)合治療雌激素受體陽性乳腺癌和神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤）和emsirolimus（用于治療腎癌）］已獲得批準(zhǔn)用于臨床研究［31-32］。但是，患者對這些藥物的反應(yīng)不如預(yù)期，可能是因為抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路后存在其他潛在的腫瘤適應(yīng)機(jī)制，從而導(dǎo)致靶向該通路的治療效果不佳。

研究表明，抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路的治療可能誘導(dǎo)線粒體重編程，通過還原線粒體穩(wěn)態(tài)，削弱了對生長信號的抑制作用，并增加了凋亡抗性［33］。Caino 等［34］的研究發(fā)現(xiàn)，PI3K 抑制劑 GDC0941 引起肺腺癌細(xì)胞（A549）線粒體形態(tài)和分布發(fā)生顯著變化，線粒體由在核周圍聚集的極化狀態(tài)變?yōu)樯扉L狀態(tài)并沿細(xì)胞骨架分布，細(xì)胞的侵襲能力相應(yīng)增強。敲減線粒體融合蛋白1（mitofusin 1，MFN1）可抑制線粒體向細(xì)胞骨架的轉(zhuǎn)運，并且減弱了PI3K 抑制劑處理引起的細(xì)胞侵襲能力增加。因此，干擾線粒體動力學(xué)可以部分?jǐn)_亂線粒體的適應(yīng)機(jī)制，增加PI3K/AKT/mTOR信號通路抑制劑的抗腫瘤效果。

PI3K/AKT/mTOR 信號通路通過對下游底物4EBP1 的磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯進(jìn)程，因此該通路也是控制蛋白質(zhì)合成的重要信號通路。研究表明，當(dāng)mTORC1 活性受抑制，會通過mTORC1/4EBP1/eIF4E 途徑阻礙5′帽依賴性mRNA 的翻譯，但同時會優(yōu)先啟動非5′帽依賴性mRNA（如轉(zhuǎn)錄因子ATF4）的翻譯［35］，進(jìn)而誘導(dǎo) ATF4 靶基因轉(zhuǎn)錄。ATF4 促進(jìn)特定細(xì)胞保護(hù)基因（如編碼抗凋亡蛋白、分子伴侶、線粒體蛋白酶、線粒體自噬相關(guān)基因等）的表達(dá)，這一過程被稱為線粒體整合應(yīng)激反應(yīng)（mitochondrial integration stress response，ISRmt）［36］。線粒體通過這種適應(yīng)性調(diào)節(jié)機(jī)制，上調(diào)線粒體功能，成為腫瘤細(xì)胞對PI3K/AKT/mTOR 信號通路抑制劑拮抗的原因之一。還有研究發(fā)現(xiàn)，同時靶向抑制PI3K 通路和PERK/ATF4 通路，可以促進(jìn)食管鱗狀細(xì)胞癌細(xì)胞死亡并改善臨床預(yù)后，患者總生存期顯著高于單獨使用PI3K通路抑制劑［37］。這也提示我們，充分了解靶向抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路引起的線粒體適應(yīng)性反應(yīng)機(jī)制，有效干擾線粒體通過重編程機(jī)制重建穩(wěn)態(tài)，對于增強靶向抑制PI3K/AKT/mTOR 信號通路的抗腫瘤效果具有重要意義。

5 小結(jié)與展望

PI3K/AKT/mTOR 信號通路整合細(xì)胞生長、凋亡、代謝等眾多信號通路的中心作用已廣泛受到關(guān)注。同時，線粒體作為細(xì)胞的“能量之源”，在細(xì)胞能量供應(yīng)、蛋白穩(wěn)態(tài)等諸多方面發(fā)揮重要作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT/mTOR 信號通路可以通過調(diào)控線粒體動力學(xué)、線粒體生物合成、線粒體自噬及凋亡途徑，促進(jìn)健康線粒體的循環(huán)更新，調(diào)節(jié)線粒體穩(wěn)態(tài)。因此，我們通過了解PI3K/AKT/mTOR 信號通路與線粒體穩(wěn)態(tài)間的調(diào)控機(jī)制，整體看待和評價靶向該通路引起的線粒體適應(yīng)性機(jī)制在疾病中的作用，可以進(jìn)一步理解不同疾病以及疾病的不同階段中，PI3K/AKT/mTOR 信號通路在疾病中的作用機(jī)制，以制定靶向PI3K/AKT/mTOR 信號通路和線粒體穩(wěn)態(tài)的更為精準(zhǔn)的個體化治療方案，將為疾病的治療提供更廣闊的前景。