PI3K AKT信号通路与肿瘤的最新研究进展

1、 PI3K/AKT信号通路与肿瘤的最新研究进展一、PI3K/AKT综述PI3K/Akt信号通路作为细胞内重要信号转导通路之一,参与很多重要的生物学过程的调控,其通过影响下游多种效应分子的活化状态,在细胞内发挥着抑制凋亡、促进增殖的关键作用,与人类多种肿瘤的发生、发展密切相关。正因为PI3K/AKT通路在肿瘤治疗方面有着巨大潜力,其近年来也成为生物科学界的研究热点。现就对PI3K/AKT的组成结构,机制功能,与癌症的关系及相关抑制剂做一个综述。二、组成与结构PI3K(Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase分为3个不同的类别:、和类,所属分类是

2、基于其主要结构,调控规律和体外脂质底物的特异性。 I类PI3K是负责生产PI(3P,PI(3,4P2,PI(3,4,5P3的,I类PI3K是一个监管和催化亚基组成的异二聚体分子;它们进一步根据IA和IB之间子集上的序列相似性划分。IA类PI3K 是由P110催化亚基和p85亚基调节亚基之间的异二聚体,包括p85调节亚基的5种变体,分别是p85,p55,p50,p85和p55,也有P110催化亚基衍生的p110,三个变体。B亚类包括p110,它并不与p85结合,而是与1个相对分子质量为101×103的接头蛋白结合,此接头蛋白可介导G蛋白的、亚基活化p110。类包括3个催化亚基C2,C2

3、,和C2,但是不像类和类,它没有调节蛋白,类催化PI产生PI(3P,催化PIP产生PI(3,4P2,但是关于他们在免疫细胞中的作用目前所知甚少。类只催化PI产生PI(3P,从结构上来说与类相似,因为他们有一个催化亚基(VPS34和一个调节亚基(Vps15/ P150的异二聚体,第类似乎主要是参与蛋白和囊泡运输,也有证据表面,它可以帮助免疫细胞在一些重要进程中发挥作用,尤其是吞噬作用的有效性。Akt,又称蛋白激酶B(proteinki-naseB,PKB,是1种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。目前发现至少存在3种Akt家族成员:Akt1/PKB、Akt2/PKB、Akt3/PKB。Akt/ PKB的催化

4、区与PKA有65%同源性,与PKC有75%同源性,不同的是,Akt氨基端含有1个特异性作用于底物中丝氨酸/苏氨酸残基并使其磷酸化的血小板-白细胞C激酶底物同源结构区域(PH,可介导脂质-蛋白质和(或蛋白质-蛋白质之间的相互作用,Akt羧基端是疏水区,富含脯氨酸。Akt 的PH区在进化中是高度保守的,表明其可能具有重要的功能。PI3K可被G蛋白偶联受体和(或蛋白酪氨酸激酶受体激活,也可被Ras蛋白激活。 三、活化与功能PI3K可被G蛋白偶联受体和(或蛋白酪氨酸激酶受体激活,也可被Ras蛋白激活。Akt/PKB 是PI3K信号传导途径中一个重要的下游靶激酶,分子量为60KD,PI3K激活后的产物P

5、I-3, 4-P2及PI-3,4,5-P3与Akt的PH区结合,不仅导致Akt发生从细胞质到细胞膜的转位,还可促使其构象发生改变,从而得以在Ser473和Thr308位点磷酸化激活,而Ser473和(或 Thr308位点的磷酸化是Akt激活的必要条件。另外,Akt的激活尚需要磷脂酰肌醇依赖的蛋白激酶(PDK参与,PDK21只能使Thr308位点磷酸化,而对Ser473位点无直接作用,但Akt 的PH区与脂质产物的高亲和力结合,促进了PDK-1/PDK-2复合体的形成,后者具有Ser473位点磷酸化的能力。活化的Akt,进一步激活其下游的因子,如bcl-2家族、E2F、糖原合成酶3(GSK3、叉

6、头转录因子(FKHR和S6蛋白激酶等,对细胞周期、凋亡等产生调节作用。PI3K活化产生的PIP3不能直接使Akt磷酸化,能够使Akt磷酸化的是磷酸肌醇依赖性激酶-1(PDK-1,当细胞受到细胞外信号的刺激后,PI3K活化产生PIP3使Akt/PKB转位到细胞膜后,不仅使Akt/PKB本身获得催化活性,催化其自身的Ser124和Thr450磷酸化,并且使Akt/PKB和PDk-1同时定位在细胞膜上,PDK-1就能催化Akt/PKB的Ser473和Thr308磷酸化,使Akt/PKB完全活化,从而引起信号传导通路的级联反应。PI3K-Akt信号通路的活性被类脂磷酸酶PTEN和SHIP负调节,他们分

7、别从PIP3的3和5去除磷酸而将其转变成PI(4,5P2和PI(3,4P2而降解。迄今为止,尚未发现下调Akt 活性的特异磷酸酶,但用磷酸酶抑制剂处理细胞后,发现Akt的磷酸化和活性均有所增加。最近发现Akt能被一种C末端调节蛋白(CTMP所失活,CTMP能结合Akt并通过抑制Akt的磷酸化而阻断下游信号的传递,CTMP的过表达能够逆转v-Akt转化细胞的表型。热休克蛋白90(HSP90亦能结合Akt阻止Akt被PP2A磷酸酶的去磷酸化而失活,因此具有保护Akt的作用。在细胞周期中的作用:PI3K/AKT信号转导通路的活化可加速细胞周期进程,PTEN可通过抑制PI3K/AKT通路诱导细胞周期停

8、滞,一旦PTEN功能缺失,失去对PI3K/AKT的负调控致使AKT过度活化必然导致细胞周期加速,细胞生长增殖加快。另外,PI3K/AKT的活化也可促使细胞在有DNA 损伤的情况下进去有丝分裂期。其机制是活化的AKT可直接磷酸化DNA损伤检测点激酶CHK1的Ser280位点,Ser280的磷酸化使CHK1转位至胞浆从而使CHK1远离ATM和ATR,从而抑制G2期DNA损伤监控点的功能。因此,PTEN缺失可通过AKT的活化和CHK1的磷酸化引起DNA损伤监测点缺陷,使细胞在有DNA损伤的情况下仍可进入有丝分裂期,这将导致基因组的不稳定。在细胞凋亡中的作用:PI3K/Akt信号传导通路抗细胞凋亡作用

9、可能与下面几种机制有关:(1调节bcl-2家族成员的活性,bcl-2家族成员分为凋亡抑制蛋白和促凋亡蛋白2类。bcl-2、bcl-xL等属于抑制细胞凋亡蛋白;Bax、Bad等属于促进细胞凋亡蛋白。PI3K依赖性的Akt的激活可以使Bad 的Ser136/Ser112残基磷酸化,磷酸化的Bad与bcl-2或bcl-xL解聚,Bad再与抗凋亡结合蛋白14-3-3相结合,而游离的bcl-2发挥抗凋亡作用。同时,PI3K/Akt通路的激活,可以使Bax的Ser184残基磷酸化而失活,从而抑制细胞凋亡;(2抑制天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶家族成员的活化,抑制caspase导致的细胞凋亡;(3抑制GSK3

10、的活性,加速细胞凋亡。同时,Akt活化后,加快糖酵解的速度,使ATP的生成增加,抑制细胞凋亡;(4抑制促凋亡基因的表达,活化的Akt能够磷酸化FKHR蛋白,抑制FKHR进入细胞核诱导FasL的表达,从而抑制细胞凋亡;(5活化转录因子NF-B,NF-B进入细胞核后,促进细胞增殖,抑制细胞凋亡;(6活化的Akt能够抑制线粒体释放细胞色素c及凋亡因子,从而抑制细胞凋亡。在维持血糖平衡中的作用:PI3K/AKT 信号通路是胰岛素调控细胞代谢所必需的关键蛋白。通过构建AKT 下游分子基因敲除小鼠的模型发现,AKT 对胰岛素信号通路的作用是不同的,并且具有组织特异性。AKT 负调节GSK3的活性,而GSK

11、3磷酸化糖原合成酶1 (glycogen synthase1,GYS1,从而抑制糖原的合成。在骨骼肌中特异性敲除GSK3可以增强小鼠的葡萄糖耐受,这主要是因为增强了GYS1 的活性,从而增加了糖原储存。然而,在肝脏中特异性敲除GSK3对小鼠的葡萄糖耐受没有影响。在小鼠中,PTP1B 和PTEN 的缺失都能够增强葡萄糖耐受和胰岛素敏感性。在小鼠的肌肉或者肝脏中敲除PTP1B,在肌肉、肝脏或者脂肪中敲除PTEN 都得到相似的表型。另外,全身敲除或者肌肉特异性敲除PTP1B,在肌肉或者胰腺中敲除PTEN 可以抵抗高脂诱导的胰岛素抵抗。然而,PTP1B 全身敲除小鼠、PTEN 全身敲除杂合小鼠以及肝中

12、特异性敲除小鼠会发生肿瘤。这说明PTP1B 和PTEN 在肿瘤的发生中起到了重要的作用。另外, PTEN 在细胞核中还有不依赖磷酸酶的肿瘤抑制功能。四、相关癌症研究PI3K的活性与乳腺癌、肺癌、黑色素瘤和淋巴瘤等多种人类肿瘤的发生相关。据报道在人类肿瘤中,PI3K-Akt通路关键分子的编码基因在DNA水平上存在结构的变化,如最初从人类肿瘤细胞系分离到的p85调节亚单位的突变体截短的p65-PI3K(缺乏iSH2结构域和C 末端的SH2结构域,能引起PI3K的组成性活化和细胞转化。在乳腺癌、卵巢癌和胰腺癌等多种肿瘤中发现p110和Akt2编码基因突变或扩增,而抑制PI3K活性后细胞的增殖明显被抑

13、制,表现为细胞周期阻滞、G1期相关蛋白CyclinD1和CDK4表达量减少以及Rb的磷酸化等,这种细胞周期的阻滞能因细胞中活性Akt及其下游分子p70S6K的表达而恢复。Osaki 等在胃癌细胞系MKN(胃癌细胞系专属名称-45中的研究表明PI3K/Akt途径在抵抗Fas调节的凋亡中起着重要的作用。人类同源基因Akt-1和Akt-2(来源于同源性体内的致癌基因v-akt,它们在胃癌的Akt-1基因座上表现出了扩增数的改变,体外通过小干扰RNA剔除c-met可导致Akt的抑制从而导致体外细胞的凋亡。PI3K/Akt信号通路在肿瘤放疗化疗的抵抗中起着重要作用。 在对人类肿瘤PTEN基因缺失或突变的

14、调查中发现,PTEN缺失发生在广泛的人类肿瘤中, PTEN功能的缺失可以通过转录沉默或蛋白不稳定而发生。这表明PI3K-Akt信号通路中的关键分子如p110、p85、Akt和PTEN等编码基因的结构改变与细胞转化相关,目前已经在小鼠中建立了该通路异常的多种动物模型,并且在有些模型中确实已经观察到该通路异常所导致的细胞转化和肿瘤发生。Akt是PI3K/Akt信号通路中与人类恶性肿瘤相关的下游主要效应靶基因,它的活动能磷酸化许多不同类型的信号底物,对细胞生存、细胞周期进程,细胞生长,新陈代谢有很大的影响。有文献报道LNCaP前列腺癌中甲基化硒酸通过激活PI3K/Akt与ERK信号通路,前者促进 B

15、AD 的 Ser136 位点磷酸化，后者促进 Ser112 位点磷酸化，PI3K/Akt 信号通路可以诱导 Caspase3 抑制蛋白 survivin 的表达，PI3K/Akt 信号通路还可以在无 ERK 信号通路参与的情况 下促进线粒体释放细胞色素 C，激活内源性的信号通路。 瘤细胞的迁移和黏附在肿瘤侵袭转移中起着重要的作用。 PI3K 能传递整合素所介导的侵 袭信号，尤其对整合素21、64 和V3 的侵袭行为是必要的，如 PI3K 介导前列腺 癌中整合素V3 驱动的侵袭特性，在乳腺癌和卵巢癌中， Akt2 的过表达能通过 IV 型胶 原蛋白上调整合素1 从而增加细胞的侵袭和转移;但在 c

16、-erbB2 所诱导的基质黏附和形成的 破坏中，Akt 显示出对整合素21 的功能起负调节作用，表明 PI3K-Akt 通路参与了黏附因 子所介导的细胞黏附、运动和侵袭作用。 总之，PI3K/Akt 信号转导通路使细胞维持周期运行，是抑制细胞凋亡，促进细胞生长增 殖的重要因素。目前，对该信号通路在肿瘤侵袭转移中的作用机制还不清楚，相信随着对这 条通路分子机制研究的深入， 在不久的将来， 以 PI3K-Akt 通路为靶点的小分子药物将有望应 用于肿瘤的临床治疗中。因此，PI3K/Akt 信号转导通路已经成为一个重要的肿瘤治疗靶点。 通过抑制 PI3K/Akt 信号转导通路，结合放化疗，多层次、多

17、通路的抑制肿瘤生长，促进肿瘤 细胞凋亡，将有可能成为治疗恶性肿瘤的新通路。 五、相关抑制剂 目前广泛使用的激酶小分子抑制剂有 Wortmannin 和 LY294002。 Wortmannin 是一种 PI3K 抑制剂， IC50 为 3 nM ，抑制自噬体的形成，也有效抑制 DNA-PK/ATM，IC50 分别为 16 nM 和 150 nM。 LY294002 是第一个人工合成的 PI3K/的抑制剂，IC50 分别为 0。5 M/0。57 M/0。97 M，在溶液中比在 Wortmannin 中稳定，也能够抑制自噬体的形成。 BEZ235 (NVP-BEZ235， Dactolisib A

18、TP 竞争性的抑制 PI3K 和 mTOR，对 p110/ 和 mTOR(p70S6K均有抑制作用，IC50 分别为 4 nM/5 nM/7 nM/75 nM/6 nM，对 ATR 也有 抑制作用，IC50 为 21 nM；但对 Akt 和 PDK1 抑制作用微弱。Phase 2。 PI-103 是一种多靶点的 PI3K 抑制剂，对 p110的抑制效果最好，IC50 为 2 nM (对 p110 /抑制效果稍弱， 也抑制 mTORC1/2 和 DNA-PK ， IC50 分别为 20 nM/83 nM 和 8 nM。 AKT 抑制剂： S抑制剂专家 MK-2206 2HCl 是一种高度选择性的 Akt1/2/3 抑制剂，IC50 分别为 8 nM/12 nM/65 nM； 对 250 种其他蛋白激酶没有抑制活性。Phase 2。 GSK690693 是 一种 pan-Akt 抑制剂，靶向作用于 Akt1/2/3，IC50