Akt信號通路在腫瘤中調(diào)控機制的研究進展

李娜，鄧茜，蔣建軍

(四川大學華西公共衛(wèi)生學院 四川大學華西第四醫(yī)院姑息醫(yī)學科，成都 610041)

惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展是一個非常復雜的過程，涉及多個步驟，受多種因素影響，尤其與環(huán)境及遺傳因素關系密切。惡性腫瘤仍是影響人類生命健康最重要的病因，可導致巨大的疾病負擔。目前全球惡性腫瘤負擔仍處于穩(wěn)定增長狀態(tài)。2020年，中國新發(fā)惡性腫瘤病例占全球新診斷病例的24%，惡性腫瘤相關死亡人數(shù)占30%，發(fā)病率和死亡率均高于全球平均水平[1]。蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)信號通路在各種腫瘤細胞的生長過程中起著非常重要的作用，其活化或者抑制調(diào)節(jié)細胞內(nèi)多種生理生化反應，且這種調(diào)節(jié)通常不是簡單的促進或抑制，而是雙向調(diào)節(jié)。同時，活化的Akt通過參與細胞內(nèi)信號通路或調(diào)控相關基因表達，影響炎癥和腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程[2]。近年來隨著人們對腫瘤中Akt信號通路研究的增多，發(fā)現(xiàn)部分惡性腫瘤中Akt是過度激活的,如乳腺癌[3-4]、卵巢癌[5]、食管癌[6]、胃癌[7]、胰腺癌[8]、肺癌[9]、結(jié)直腸癌[10]。現(xiàn)從細胞增殖、凋亡、自噬及炎癥等方面，就Akt參與調(diào)控腫瘤發(fā)生機制進行綜述，以期為惡性腫瘤的基礎研究及臨床治療提供參考。

1 Akt家族及信號通路

Akt因其催化區(qū)域與蛋白激酶A和蛋白激酶C高度同源而得名。Akt的發(fā)現(xiàn)最早可追溯到20世紀70年代，人們在鼠類白血病病毒中發(fā)現(xiàn)了一種誘導細胞癌變的致癌基因序列，將其命名為Akt8，隨后在人類染色體中發(fā)現(xiàn)了Akt8的兩個同源癌基因，分別命名為Akt1(又稱為PKBα)和Akt2(又稱為PKBβ)[11]。之后又在哺乳動物細胞中發(fā)現(xiàn)了一種可歸類于Akt的癌基因Akt3(又稱為PKBγ)[12]。在腫瘤形成過程中，這3個家族成員所起的作用不同。對Akt基因亞型的研究發(fā)現(xiàn)，Akt1主要參與系統(tǒng)發(fā)育[13],Akt2主要參與糖代謝[14]，而Akt3只在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中發(fā)揮作用[15]。

Akt可以被細胞外的刺激物(激素、生長因子、細胞因子以及化療藥物等)活化。Akt的活化途徑可分為磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)依賴、PI3K非依賴以及蛋白因子調(diào)控3種。PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導通路是經(jīng)典的信號轉(zhuǎn)導通路。PI3K的pll0同時具有絲氨酸/蘇氨酸激酶和磷脂酰肌醇激酶活性。首先，活化的PI3K催化磷酯酰肌醇-4，5-二磷酸生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸的產(chǎn)生是招募、活化Akt所必需[16]。磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸與Akt的PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合，將Akt從細胞質(zhì)轉(zhuǎn)運到細胞膜，并引起Akt的構(gòu)象變化，從而暴露兩個磷酸化位點(Thr308和Ser473)。同時胞質(zhì)中3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶也借助自身的PH結(jié)構(gòu)域與磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸結(jié)合，從而使構(gòu)象改變的Akt與3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶相互接近；然后Akt的Ser473和Thr308位點因被3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1磷酸化而部分激活，在3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶2或整合素連接型激酶作用下Akt Ser473也發(fā)生磷酸化而使Akt完全活化，蛋白復合物激酶哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物2也能磷酸化Akt Ser473[17]。Akt的激活有時需要激酶活性區(qū)域中兩個酪氨酸殘基(Akt1的Tyr315和Tyr326)的磷酸化，且此過程取決于Src家族的酪氨酸激酶?；罨腁kt進一步激活其下游因子[Bcl-2家族、轉(zhuǎn)錄因子E2F、糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3,GSK-3)、叉頭框轉(zhuǎn)錄因子等]，調(diào)節(jié)一系列與細胞生長、增殖以及存活相關的蛋白功能，促進細胞的生長增殖，抑制細胞凋亡[18]。

2 Akt在腫瘤中的調(diào)控機制

2.1促進腫瘤細胞增殖 惡性細胞的持續(xù)增殖是腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要因素，Akt信號通路通過調(diào)節(jié)糖代謝、蛋白質(zhì)合成以及調(diào)控細胞周期蛋白，促進腫瘤細胞增殖。腫瘤細胞可以從糖代謝中獲得能量，而抑制參與糖酵解途徑的關鍵酶或抑制糖代謝發(fā)揮抗腫瘤作用[19]。高水平的糖酵解和葡萄糖攝取是癌癥的重要標志，葡萄糖轉(zhuǎn)運體1在各類腫瘤中高表達[20-24]，其水平限制了葡萄糖的攝取。Akt信號通路可以通過各種機制直接調(diào)節(jié)細胞的糖代謝。田云等[25]的研究發(fā)現(xiàn)，活化的Akt通過促進葡萄糖轉(zhuǎn)運體1表達，促進糖酵解。Zhou等[26]研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖轉(zhuǎn)運體1可作為Akt信號通路的上游信號分子，通過促進Akt表達，促進胃癌進展。此外，鈉-葡萄糖偶聯(lián)轉(zhuǎn)運體1也在人類腫瘤中發(fā)揮重要作用，其通過調(diào)控細胞內(nèi)鈉離子的濃度梯度介導葡萄糖跨細胞膜主動轉(zhuǎn)運[27]。Wang等[28]研究發(fā)現(xiàn)，鈉-葡萄糖偶聯(lián)轉(zhuǎn)運體1在人類表皮生長因子受體2陽性乳腺癌細胞中高表達，且PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路可被鈉-葡萄糖偶聯(lián)轉(zhuǎn)運體1激活，正向影響人類表皮生長因子受體2陽性乳腺癌細胞的增殖。以上研究提示，激活的Akt信號通路可通過葡萄糖轉(zhuǎn)運體1和鈉-葡萄糖偶聯(lián)轉(zhuǎn)運體1參與糖代謝。

Akt通過調(diào)節(jié)核糖體的生物合成和信使RNA的翻譯影響蛋白質(zhì)的合成，調(diào)控細胞增殖。Akt磷酸化結(jié)節(jié)硬化性因子2誘導活性Rheb形成，以抑制結(jié)節(jié)硬化性因子1-結(jié)節(jié)硬化性因子2復合物的活性，解除該復合物對翻譯活化蛋白p70核糖體蛋白s6激酶的抑制，激活真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1[29]。隨后形成的Rheb又反過來通過磷酸化活化mTOR，mTOR介導真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1的磷酸化，推動蛋白合成的起始步驟[30]。p70核糖體蛋白s6激酶的共同活化使s6核糖體蛋白磷酸化，該蛋白參與調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯，增加含5′終端信使RNA信息的翻譯(5′頂部域)。p70核糖體蛋白s6激酶的下游是真核延伸因子2，而真核延伸因子2磷酸化失活可促進蛋白延長[31]。

Akt調(diào)控特異性底物(如3-catenin、p21、p27、MDM2或叉頭框轉(zhuǎn)錄蛋白)的活性，其促進細胞增殖的一個重要機制是通過自身磷酸化參與調(diào)節(jié)這些底物的細胞質(zhì)和細胞核定位。有絲分裂信號通過PI3K/Akt信號通路轉(zhuǎn)導至GSK-3β，通過上調(diào)包括細胞周期蛋白D、細胞周期蛋白E在內(nèi)的細胞周期蛋白的表達，加快腫瘤細胞在G1期的進程，繼而增強細胞的增殖和分化，加速腫瘤的發(fā)生和進展[32]。PI3K/Akt信號通路被抑制后可激活GSK-3β，阻滯結(jié)腸癌細胞G1/S期的過渡，細胞增殖受到抑制[33]。

2.2抑制腫瘤細胞凋亡 腫瘤細胞凋亡減少也可促進腫瘤發(fā)生。凋亡是涉及多個細胞信號轉(zhuǎn)導通路的復雜過程，細胞內(nèi)的多種蛋白和因子參與其中。凋亡的發(fā)生涉及兩個核心途徑，即外在或死亡受體途徑和內(nèi)在或線粒體途徑，這兩種途徑均與胱天蛋白酶(caspase)的激活相關。caspase家族是一類同源半胱氨酸蛋白酶，廣泛參與細胞凋亡的調(diào)控。在Liu等[34]的研究中，Akt信號通路被抑制后，caspase-3和caspase-9的表達增強，導致膀胱癌細胞凋亡。Li等[35]研究發(fā)現(xiàn)，骨肉瘤細胞中Akt信號通路被抑制后，caspase-3表達增強，促進了細胞的凋亡。細胞凋亡誘導因子存在于線粒體內(nèi)膜，當特異性死亡信號產(chǎn)生時，細胞凋亡誘導因子從線粒體釋放至細胞質(zhì)，并易位至細胞核內(nèi)。在Won和Seo[36]的研究中，Akt信號通路被抑制后可上調(diào)凋亡誘導因子的表達，進而誘導非caspase依賴性的細胞凋亡。

Bcl-2相關死亡啟動子(Bcl-2 associated death promoter,Bad)位于Akt信號通路的下游，可調(diào)節(jié)細胞凋亡，是Bcl-2同源性結(jié)構(gòu)域3相關蛋白。未磷酸化的Bad可與抗凋亡蛋白Bcl-2或Bcl-xL在線粒體膜上結(jié)合形成促凋亡復合體，促進線粒體中細胞色素C釋放，并激活凋亡相關蛋白[Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2 associated X protein，Bax)等]，從而誘發(fā)細胞凋亡[37]。Akt信號通路被抑制后可引起B(yǎng)ad的去磷酸化，導致Bad活化，進而增加線粒體外膜通透性，引起促凋亡蛋白細胞色素C和線粒體促凋亡蛋白Smac釋放到細胞質(zhì)中，細胞質(zhì)中細胞色素C的存在將激活caspase-9，加速細胞凋亡[38]。Bax是Bcl-2家族的另一個促凋亡蛋白。Bcl-2家族抗凋亡蛋白選擇性與Bax結(jié)合并阻止其寡聚，然后Bax插入線粒體膜，損害線粒體膜完整性并釋放細胞色素C，導致caspase-3激活和細胞凋亡[39]。

GSK-3β是PI3K/Akt信號通路的下游分子，其活性受Akt的負調(diào)節(jié)，Akt信號通路被激活后可導致下游靶標GSK-3β磷酸化而失活。在人肺癌細胞中，Akt信號通路被抑制后可提高GSK-3β的活性，影響腫瘤進展[40]。在前列腺癌細胞中，當抑制Akt時GSK-3β被激活并磷酸化電壓依賴性陰離子通道蛋白，導致己糖激酶2與電壓依賴性陰離子通道蛋白分離；此外，Bcl-2家族凋亡蛋白Bax和Bak的表達增加，活化形式的caspase-3增加，隨后電壓依賴性陰離子通道蛋白與Bax和Bak結(jié)合，誘導線粒體膜通透性改變，從而導致細胞凋亡[41]。以上研究結(jié)果揭示，GSK-3β可影響細胞凋亡和腫瘤進程。

2.3調(diào)節(jié)腫瘤細胞自噬 自噬對于保持細胞平衡和能量代謝起著關鍵作用。在腫瘤發(fā)生早期，自噬被抑制，致使癌前細胞持續(xù)生長，此時自噬發(fā)揮抑癌作用；而在腫瘤晚期，腫瘤細胞利用自噬對抗營養(yǎng)不足，這時自噬可以促進惡性腫瘤發(fā)展[42-43]。Akt信號通路是調(diào)節(jié)自噬的重要信號通路，Han等[44]的研究表明，在膠質(zhì)瘤細胞中Akt信號通路被抑制后，微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ的表達水平提高，促進了細胞自噬。另一方面，誘導自噬性細胞死亡可能是化學療法殺死腫瘤細胞的新方法。Yang等[45]的研究發(fā)現(xiàn)，Akt信號通路被激活后，口腔鱗癌細胞的自噬性凋亡減少，促進了口腔鱗癌的進展。而Xia等[46]的研究同樣證明，在肺癌細胞中，Akt信號通路被抑制后促進了肺癌細胞的自噬性凋亡。

2.4調(diào)節(jié)炎癥及腫瘤微環(huán)境 炎癥是由外來病原體入侵以及組織損傷等有害刺激所引發(fā)的一種適應性反應，也可認為是生物體的一種保護性機制。但是炎癥長時間存在不僅不利于機體恢復，還可能誘發(fā)一系列疾病，甚至腫瘤。PI3K/Akt信號通路在炎癥介質(zhì)的表達與激活、炎癥細胞招募、免疫細胞功能增強以及慢性炎癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用[47]。Akt可通過調(diào)控多個下游效應靶點和各種分子的表達，進而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。戴璐等[48]的研究證實，腫瘤壞死因子-α通過激活GSK-3β增加磷酸化Ser9位點的表達，激活PI3K/Akt信號通路，而PI3K/Akt信號通路抑制劑MK2206可通過抑制Akt磷酸化，抑制PI3K/Akt信號通路多個下游效應因子的表達，同時下調(diào)抗凋亡蛋白Bcl-2的表達，增加凋亡蛋白Bax的表達，進而在體內(nèi)外抑制腫瘤生長，提示炎癥因子通過活化PI3K/Akt通路促進腫瘤細胞增殖，故抑制該通路可抑制腫瘤細胞增殖，促進其凋亡。Zununi Vahed等[49]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過益生菌處理人結(jié)腸腺癌細胞中Akt的表達下調(diào)，同時Bax和Bcl-xL以及caspase-3的表達上調(diào)，激活了線粒體凋亡途徑，促進了腫瘤細胞的凋亡。

腫瘤微環(huán)境，即腫瘤細胞的生存環(huán)境，包括惡性腫瘤細胞和周圍的腫瘤間質(zhì)，腫瘤間質(zhì)中最豐富的非癌細胞類型是腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophage，TAM),其對腫瘤微環(huán)境的影響意義重大。TAM滲透并積聚在腫瘤微環(huán)境中，通過誘導血管生成和細胞外重塑加速腫瘤生長。TAM還通過釋放細胞因子、趨化因子、微RNA和無機化合物，進而使化療藥物產(chǎn)生耐藥[50-52]。另有研究發(fā)現(xiàn)，口腔癌中有TAM的浸潤，TAM可調(diào)節(jié)口腔鱗癌細胞對化療的敏感性[53-54]。TAM分泌的某些細胞因子可通過激活Akt信號通路抵抗化療耐藥，參與細胞增殖或遷移的調(diào)節(jié)[55-57]。TAM分泌的趨化因子配體2激活了腫瘤細胞中的PI3K/Akt通路，促進乳腺癌對他莫昔芬的化療耐藥[55]。體外研究表明，巨噬細胞來源的CXC趨化因子配體8通過CXC趨化因子受體1和2磷酸化Akt和胞外信號調(diào)節(jié)激酶1/2，促進食管鱗癌細胞遷移和侵襲[56]。Yuan等[57]的研究發(fā)現(xiàn)，TAM通過PI3K/Akt信號通路影響肺腺癌A549細胞的體外增殖、侵襲和遷移。

3 Akt的臨床應用

Akt信號通路參與多種腫瘤細胞的調(diào)控，針對Akt信號通路的靶向治療可能是一種有效的輔助抗腫瘤措施。此前有學者發(fā)現(xiàn)，60%～70%的結(jié)腸癌患者存在Akt激活，且PI3K/Akt/mTOR信號通路與結(jié)直腸癌關系密切，提示可通過靶向抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路治療結(jié)直腸癌[58]。c-Myc/Akt/TBX3信號通路具有促進橫紋肌肉瘤細胞增殖、遷移、橫紋入侵以及腫瘤形成的作用，提示c-Myc/Akt1/TBX3信號通路可能是胚胎橫紋肌肉瘤治療的重要的靶點，針對c-Myc/Akt/TBX3信號通路的治療策略可以顯著改善胚胎橫紋肌肉瘤患者的生存率[59]。目前，針對PI3K/Akt/mTOR通路的抑制劑已開始應用于臨床，如Akt抑制劑哌力福斯、mTOR抑制劑替羅莫斯，PI3K/Akt/mTOR通路抑制劑可考慮用于腫瘤的治療，以期阻斷疾病進展，改善患者預后。Lee等[60]開展了一項針對鉑類耐藥的高級別漿液性卵巢患者的Ⅱ期臨床試驗，研究共納入6例患者，用Akt信號通路抑制劑MK-2206治療后，1例患者的生存時間明顯延長，4例患者病情穩(wěn)定獲益。另一項Ⅱ期臨床試驗發(fā)現(xiàn)，PI3K抑制劑Pictilisib可以抑制PI3K/Akt通路，并在體內(nèi)外均增強了順鉑和吉西他濱抗膀胱癌的作用[61]。

4 小 結(jié)

Akt信號通路在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，可通過調(diào)節(jié)糖代謝，影響蛋白質(zhì)合成等促進腫瘤細胞增殖；通過調(diào)控細胞內(nèi)的多種凋亡蛋白及因子抑制腫瘤細胞凋亡，參與調(diào)控自噬信號通路而干預腫瘤細胞自噬性凋亡；Akt信號通路在慢性炎癥的發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮重要作用，且通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境而進一步調(diào)控腫瘤細胞的生物學行為。Akt信號通路是目前研究比較清楚的信號通路，而Akt抑制劑非常有希望用于抗腫瘤的輔助治療。但目前大量研究仍處于實驗室階段。雖然有些針對Akt信號通路的抑制劑已經(jīng)應用于臨床，但效果尚不理想。因此，未來需要進行大量的基礎和臨床研究以尋找用于腫瘤治療的Akt抑制劑，并最終為腫瘤的臨床治療提供幫助。