PI3K_Akt_mTOR信号传导通路与恶性肿瘤浸润和转移的研究进展

1、PI3K/Akt/mT OR信号传导通路与恶性肿瘤浸润和转移的研究进展郭琳,王强Correla tion of PI3K/Akt/m T OR signa l pa thw ay to infiltra tion and m etastasis of m a lignant T um orG UO L in,WANG Q iangD epart m ent of Gastroduodenal General Surgery,Shengjing Hospital of China M edical U niversity,Shenyang110004,China.【Abstract】P I3K/

2、Akt/mT OR signal path way is an i m portant intracellular signal transducti on path way.It p lays i m por2tant r oles in cell apop t osis and survival by affecting the activity of downstream effect or molecules,and it is cl osely as2s ociated with the devel opment and p r ogressi on of hu man tu mor

3、s,theref ore,P I3K and Akt m ight be potential targets fortu mor therapy.This article revie wed recent p r ogress on the compositi on,functi on,regulati on and anti-apop t osis ofP I3K/Akt/mT OR signal path way,and discussed its potential app licati on t o tu mor gene therapy.【Key words】P I3K/Akt/mT

4、 OR;signal transducti on;tu morModern Oncol ogy2009,17(08:1585-1589【摘要】P I3K/Akt/mT OR信号通路作为细胞内重要信号传导通路之一,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,它与人类多种肿瘤的发生发展密切相关。本文综述了P I3K/Akt/mT OR信号通路的组成与功能、调节以及其抗肿瘤细胞凋亡作用机理等方面的研究进展,并就其抗细胞凋亡作用在肿瘤治疗中的应用作了评述,期待为以P I3K/Akt/mT OR信号通路中关键分子为靶点的肿瘤治疗研究提供参考。【关键词】P I3K/Ak

5、t/mT OR;信号传导;肿瘤【中图分类号】R730.3【文献标识码】A【文章编号】1672-4992-(200908-1585-05P I3K/Akt/mT OR信号传导通路在肿瘤的发生、发展、治疗及转归中发挥着重要作用,并且已经成为肿瘤治疗的新靶点。进一步探讨该通路的调节以及与其他通路的交联,提高对该通路在人类各种常见肿瘤中的作用的认识,有助于更好地理解肿瘤细胞的恶性行为。P I3K作为联系胞外信号与细胞应答效应的桥梁分子,并不是完全独立的,而是在一系列上游或旁路信号分子的影响下,作用于下游的信号分子对细胞的凋亡起非常重要的调节作用。在许多研究中已经证实P I3K和Akt的抗凋亡作用在许多

6、疾病如癌症、白血病等疾病的发生发展中具有重要的作用,如在哺乳动物的卵巢、胰腺和膀胱等器官的癌症病程中,Akt的表达水平增高并通过保护细胞免受凋亡而促进癌细胞的生长,本文就该通路与恶性肿瘤的研究进展作一综述。1P I3K/Akt/m T O R信号传导通路的组成及功能1.1P I3K/Akt信号传导通路【收稿日期】2008-08-15【修回日期】2008-10-28【作者单位】中国医科大学附属盛京医院胃肠外科,辽宁沈阳110004【作者简介】郭琳(1980-,男,辽宁沈阳人,讲师,主要从事胃肠道恶性肿瘤研究。【通讯作者】王强(1964-,男,辽宁沈阳人,教授,博士,硕士生导师,主要从事恶性肿瘤外

7、科工作,尤其侧重胃肠道恶性肿瘤的研究。P I3K/Akt通路广泛存在细胞中,是参与细胞生长、增殖、分化调节的信号传导通路。P I3K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。P I3K 对磷脂酰肌醇环上的3位羟基进行磷酸化产生磷酸化的磷脂酰肌醇:包括3-磷酸磷脂酰肌醇(phos phatidylinosit ol3-phos phate,P I-3P、3,4-二磷酸磷脂酰肌醇(phos phatidyli-nosit ol3,4-bis phos phate,P I-3,4-P2、3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(phos phatidylinosit ol3,4,5-

8、tris phos phate,P I-3,4, 5-P3。多种生长因子主要通过P I3K/Akt信号传导通路而发挥作用。P I3K激活后的产物P I-3,4-P2及P I-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(phos phoinositide-dependent p r otein kinase,P DK参与,P DK-1只能使Thr308位点磷酸化,而对S

9、er473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P DK-1/P DK-2复合体的形成,后者具有使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(glycogen syn2 thase kinase3,GSK3、叉头转录因子(f orkhead-related tran2 scri p ti on fact or,FKHR和S6蛋白激酶等,对细胞周期、凋亡和血管新生等产生调节作用。P I3K/Akt信号传导通路受抑癌基因PTE N的调节。PTE N能够使P I-3,4,5-P3去磷酸化,从而抑制Akt的活化,抑制

10、cyclin E-CDK2复合物的形成,使细胞阻滞在G1期。抑癌基因PTE N突变或缺失的细胞由于不能将P I-3,4,5-P3去磷酸化,从而导致Akt活化,细胞发生癌变。1.2P I3K/Akt信号传导通路对细胞周期的调节Kli ppel等1研究发现P I3K的过度活化是细胞发生癌变的必要因素。P I3K能够激活细胞周期依赖性蛋白激酶-4 (cyclin-dependent-kinase,CDK4和细胞周期依赖性蛋白激酶-2(CDK2,使细胞进入S期并诱导DNA的合成。进一步的研究显示,P I3K能够对细胞周期依赖蛋白抑制物p27的表达产生调节作用。Collado等2应用P I3K的抑制剂L

11、Y294002作用于人胶质瘤U87MG细胞,结果发现U87MG细胞p27表达升高,细胞阻滞在G1期。Graff等3研究证实, P I3K/Akt的激活能够抑制叉头相关转录因子介导的p27表达。细胞周期蛋白(cyclin和细胞周期依赖性蛋白激酶(C DK的结合是细胞周期运行的必要条件。cyclin B与CDC2(CDK1结合是细胞M期启动和运行的关键因素。细胞受损时,激活的细胞周期检测点激酶1(Checkpoint Kinase 1,Chk1作用于CDC25,使C DC25上Ser216位点磷酸化。磷酸化后的C DC25与抗凋亡结合蛋白14-3-3结合,并被其扣留而失活。失活的CDC25不能将C

12、 DC2的Thr14/Thr15上磷酸基团去磷酸化,使得CDC2不能激活,导致细胞G2阻滞。P I3K/Akt能够通过磷酸化Chk1的Ser280位点磷酸化而失活,并且P I3K/Akt可以直接激活C DC2,使细胞顺利通过G2/M期4。新近研究发现,Akt通路与md m2-p53的功能通路有关:md m2是Akt通路下游的一个作用底物,其第166、186位丝氨酸可以特异性地被活化的Akt磷酸化,从而使细胞质中的Akt-md m2复合物迅速解离,md m2进入细胞核并与p53结合,进而促进p53降解,抑制p53的功能,而p53则可以通过多种通路影响细胞周期的进行5。1.3P I3K/Akt信号

13、传导通路对细胞凋亡的调节P I3K/Akt信号传导通路抗细胞凋亡作用可能与下面几种机制有关: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-x L、bcl-G、MCL-1等属于抑制细胞凋亡蛋白;Bax、Bad、Bak、bcl -B属于等促进细胞凋亡蛋白。bcl-2家族同源二聚体和异源二聚体形成及平衡是决定细胞生存或凋亡的关键。P I3K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-x L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6。同时,P

14、 I3K/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7;抑制天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶家族成员的活化,活化的Akt 可直接催化磷酸化cas pase-9的Ser196和cas pase-3,使其失活,抑制cas pase导致的细胞凋亡;抑制GSK3的活性,成熟细胞中GSK3活化可引起细胞骨架蛋白-catenin降解及细胞粘附抑制,加速细胞凋亡。Akt引起GSK3失活后可能抑制细胞凋亡;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;抑制促凋亡基因的表达,活化的Akt能够磷酸化FKHR蛋白,促进FKHR蛋白与抗凋亡结合蛋白14-3-

15、3相结合而停留在细胞质内,抑制FKHR进入细胞核诱导Fas L的表达,从而抑制细胞凋亡8;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。同时NF-B活化AT M/ATR、DNA-PK,促进细胞DNA损伤的修复9;防止线粒体释放细胞色素c及凋亡因子,细胞受损时,由于线粒体膜的破坏,线粒体释放细胞色素c和cas pase,激活细胞凋亡通路。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10;抑制肿瘤细胞膜上TRA I L受体的活性,从而抑制由凋亡受体家族介导的细胞凋亡11。2P I3K/Akt/m T O R信号传导通路各组分生物学特性及活化2.1P

16、 I3K的生物学特性及其活化P I3K是磷脂激酶家族中的一个重要成员,它是由一个p110催化亚单位和一个p85调节亚单位组成的异源二聚体,具有脂类激酶活性和蛋白激酶活性。P I3K的p85调节亚单位是许多胞浆和受体酪氨酸激酶的磷脂蛋白底物,当细胞外的配体与相应的受体结合后,受体被激活发生同源或异源寡聚化或者使RTK(recep t or tyr osine kinase,受体酪氨酸激酶自身酪氨酸残基磷酸化或者导致与受体偶联激酶的酪氨酸残基磷酸化,这些磷酸化位点能够识别和结合p85调节亚单位SH2结构域(the Src homol o-gy2,Src同源结构域2。在一些情况下,p85调节亚单位亦

17、能通过胰岛素受体的I RS1( insulin recep t orsubstrate1,胰岛素受体亚单位1和I RS2(in2 sulin re-cep t or substrate2,胰岛素受体亚单位2亚单位间接与酪氨酸残基的磷酸化位点结合。通过这种结合,p110催化亚单位和p85调节亚单位的复合体的构象发生改变,从而使p85对p110激酶的抑制作用得以解除,P I3K被活化,所以P I3K能被许多细胞因子受体包括酪氨酸激酶受体、非酪氨酸激酶受体、胰岛素受体等胞外信号活化。另外,RTK亦能激活Ras激酶,而Ras激酶能够结合并激活p110催化亚单位最终导致P I3K的活化。研究发现P I3

18、K家族有3种同工酶,这些同工酶都能够催化磷脂酰肌醇P I的D3羟基磷酸化,生成D3-磷酸化磷酸肌醇P I P2(P I-3,4-P2,3,4-二磷酸磷脂酰肌醇和P I P3(P I-3,4,5-P3,3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇。P I P2和P I P3是细胞内重要的第二信使,它们能激活下游一系列蛋白激酶如Akt/PK B(p r otein kinase B,蛋白激酶B,PKC(p r otein kinase C,蛋白激酶C和PK A(p r o-tein kinase A,蛋白激酶A,由此导致信号的进一步传导,使P I3K信号传导通路在细胞的增殖、凋亡、迁移、膜泡转运和细胞的恶性转化等

19、众多病理生理过程中起重要作用。在P I3K家族介导的众多信号传导途径中,以P I3K/Akt/PK B信号传导途径对凋亡的调节作用尤其重要。2.2Akt/PKB的生物学特性及其活化Akt/PK B是P I3K信号传导途径中一个重要的下游靶激酶,具有丝-苏氨酸激酶活性。由于它与PK B高度同源,故Akt又称为PK B。Akt的羧基末端含有一个激酶结构域,氨基末端是PH结构域(p leckstrin homol ogy domain,血小板白细胞C激酶底物同源结构域,P I P3能够与Akt氨基末端的PH 结构域相互作用将Akt转位于细胞膜。P I3K活化产生的P I P3不能直接使Akt磷酸化,

20、能够使Akt磷酸化的是P DK-1(phos phoinositide-dependent kinase-1,磷酸肌醇依赖性激酶-1,当细胞受到细胞外信号的刺激后,P I3K活化产生P I P3使Akt/PK B转位到细胞膜后,不仅使Akt/PK B本身获得催化活性,催化其自身的Ser124和Thr450磷酸化,并且使Akt/PK B和P DK-1同时定位在细胞膜上,P DK-1就能催化Akt/PK B的Ser473和Thr308磷酸化,使Akt/PK B完全活化,从而引起信号传导通路的级联反应。2.3m T O R生物学特性及其活化mT OR是一种跟P I3K/Akt通路相关的蛋白激酶,能通

21、过磷酸化激活与mRNA翻释相关的蛋白p70S6K等来增强mR2 NA的转录和翻译,也能通过磷酸化灭活翻译抑制蛋白4E-BP1等。Akt通过磷酸化mT OR的Ser2448位点而激活mT OR,提高mRNA翻译的效率,从而增加一系列与细胞生长和分化相关蛋白的表达,加快了肿瘤的发生。活化的P I3K/Akt可能通过TSC1/2复合物进一步激活其下游分子mT OR12。mT OR又称FRAP(FK506-binding2 p r otein12and rapa mycin ass ociatedp r otein,由于其羧基末端与P I3K催化区高度同源,mT OR被认为是P I3K相关的蛋白激酶家

22、族成员。mT OR可随后磷酸化它的两个下游分子,即翻译抑制分子e I F-4E结合蛋白1(4E-BP1和核糖体蛋白p70S6K13。4E-BP1磷酸化后失活因而降低与e I F-4E的结合能力使e I F-4E与之分离,并与其他翻译起始因子结合,启动蛋白质的翻译14-15。而p70S6K磷酸化后激活其功能,同样促进蛋白质的合成。因此,P I3K/Akt/mT OR被认为是蛋白质合成的主要信号调节通路,参与细胞增殖、分化、迁移等的调节16。3P I3K/Akt信号通路与消化道肿瘤3.1肝细胞癌Akt/蛋白激酶B的激活在肝细胞癌的发生、发展中起了重要的作用。研究表明17各种病毒蛋白能够通过调节P

23、I3K/Akt信号通路来促进肿瘤的发生和进展。乙肝病毒基因组的4种蛋白中,乙肝病毒X(HBx蛋白是一种多功能蛋白,它能激活转录病毒的基因从而保持生长和凋亡的相互平衡。Akt中第473位上丝氨酸位点的磷酸化以及后继的Akt 靶点BAD在第136位上丝氨酸位点的磷酸化都是由HBx诱导的。抑制P I3K/Akt通路所导致的凋亡的增加多数见于HBx转录的细胞。而且HBx导致半胱天冬酶-3活性的抑制,而抑制P I3K可以让它逆转。因此,乙肝病毒可能通过乙肝病毒S蛋白-P I3K-Akt-BAD通路以及半胱天冬酶-3的灭活来保护自己免于凋亡。HBx介导的肝癌细胞中Akt 的激活是和PTE N(phos p

24、hatase and tensin homol og deleted on chr omos ometin的下降相关联的。这表明了HBx能够影响到p53介导的PTE N的转录。同时HBx介导的Akt的激活不仅导致了抗凋亡机制的激活,而且激活了其下游的其他效应,例如基质金属蛋白酶-9,而导致肿瘤细胞的侵袭。除了病毒蛋白,一些目前所知道的下游蛋白,例如胰岛素样生长因子-1以及肝细胞生长因子都被认为是肝细胞癌变中P I3K/ Akt信号通路的激活剂。胰岛素样生长因子已知可以通过它的受体激活包括P I3K/Akt在内的多种细胞系统中的信号通路。血清中肝细胞生长因子水平已经被证实和未经治疗的肝癌患者的预

25、后相关18。此外,许多细胞因子和炎性介质都能影响到P I3K/Akt 信号通路。在肝癌细胞中,白细胞介素-6通过激活P I3K/ Akt和信号传导及转录激活蛋白通路使癌细胞免受转化生长因子-诱导的凋亡。随后,P I3K/Akt通过炎性酶激活核转录因子B信号,从而实现细胞的存活和增殖,这在体内原癌基因诱导的肝癌模型中已被证实了。P I3K/Akt信号通路也能够诱导多种肿瘤的新生血管。但在肝细胞中,这个说法还是有争议的:Mottet等19观察到低氧诱导的P I3K/Akt的激活导致了糖原合酶激酶-3的失活和乏氧诱导因子-1 (H I F-1的稳定。然而,另一组的研究使用缺少H I F-1的肝癌细胞

26、株,但在肿瘤血管化、肿瘤生长以及血管内皮细胞生长因子分泌中Akt的效应并没受到影响,这就意味着肝细胞中,Akt可能通过非依赖H I F-1的机制来调节新生血管20。除了在生长、抵抗凋亡以新生血管的作用方面, P I3K/Akt在调节不依赖性生长(一个重要的转移标志上,发挥了重要的作用。在肝癌细胞株和鼠类肝内转移模型中,它导致了不同的转移活性和Akt活化水平,而Akt的抑制明显降低了肿瘤的转移21。3.2胃癌在胃癌组织中,P I3K/Akt信号通路的改变和胃癌组织密切相关,针对其信号通路的干预可明显影响到胃癌细胞的生长和凋亡。早期胃癌、中晚期胃癌中,P I3K蛋白的阳性表达率均较正常胃黏膜组织高

27、。Fujita等22研究表明,抑制P I3K 活性可能会促进加工cas pas-3的蛋白酶的活化或增加cas pase-3对该蛋白酶的敏感性。O saki等23在胃癌细胞系M K N(胃癌细胞系专属名称-45中的研究表明P I3K/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。除此之外,随着分子研究水平的深入,在47%的胃癌组织中检测出PTE N等位基因缺失,而39%的胃癌组织中检测出了启动子的甲基化。肝细胞生长因子和位于P I3K/Akt上游区的受体c-met在

28、胃癌中高度表达,而小分子抑制剂PHA-665752作用于c-met激酶的催化活性区,从而抑制P I3K/Akt的信号传导,可在胃癌的异种移植物中可导致有效的肿瘤细胞的减少。此外,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24。3.3胰腺癌在胰腺导管癌中,Akt-2表达增多。免疫组织化学显示在42%的胰腺导管癌中,Akt-2呈高密度染色,同时伴有46%的Akt-2的磷酸化25-26。综合分析表明,磷酸化的Akt为一独立的胰腺癌预后指标26。从染色体水平上看, Akt-2位于19q13.1-13.2区域,在胰腺癌细胞中,这个位点出现扩增的比例为10%,而在早期胰腺癌

29、中,占10%-20%,这是Akt的高表达所导致。P I3K/Akt信号通路的激活可能导致胰腺癌中PTE N的异常表达。在5/8的肿瘤细胞株和12/17的肿瘤标本中,PTE N或者出现表达缺失,或者出现表达的降低27,而在39%的胰腺癌标本中,PTE N基因的杂合性缺失;此外,胰腺癌细胞中,随着不同的生长因子与酪氨酸激酶受体的结合,Akt的磷酸化增强。例如,I GF-1与I GF -1受体结合,激活的胰岛素样生长因子-1受体上调Akt 的表达,从而导致胰腺导管癌中,胰岛素样生长因子-1受体与Akt反馈链的激活。随后激活P I3K/Akt途径的激活因子,包括抗胶质细胞源性神经营养因子、粘着斑激酶、

30、细胞黏附分子6相关癌胚抗原以及c-Src(细胞原癌基因等,进而影响细胞的黏附和增殖。同时,Akt的下游效应因子mT OR (mammalian target of rapa-mycin也在胰腺癌的发生、发展中起了明显的作用。在胰腺癌的小鼠模型中,mT OR抑制剂雷帕霉素(rapa mycin能够降低肿瘤的生长和转移28。3.4结肠癌三种Akt亚型Akt-1、Akt-2和Akt-3在正常结肠和结肠癌组织中都有表达。在57%结肠腺瘤和57%结肠癌中都可发现很强的Akt免疫反应,而在增生性息肉中染色降低。这就表明了Akt的活化是单发的结肠致癌作用发生的早期事件,正如其他肿瘤所见,这些活性的表达和PT

31、E N表达缺失有关。在未转化的肠上皮细胞和结肠肿瘤细胞29中,P I3K/Akt信号通路已经证实能够传导来自生长因子受体的促有丝分裂信号。近来,P I3K的p110催化亚基已经证实在32%结肠癌中被激活30。这些变异的位置暗示着肿瘤的发生很可能和P I3K激酶活性的激活有关30。并且,P I3K的异构体-P I3K,当它过度表达时,则出现抗肿瘤作用。而缺少P I3K催化亚基的小鼠则发生结肠癌。虽然这个发现的分子机制仍需要更深入地阐明,但不同的P I3K构型的确能产生不同的效果,这就不难推测它们所产生的效果取决于它们所相互作用的蛋白的不同。一些不明的生长因子和跨膜受体蛋白能够激活结肠癌细胞中的P

32、 I3K/Akt信号通路,包括I GF-1/I GF-1R信号通路、表皮细胞生长因子受体家庭成员例如原癌基因(Erb B2以及非受体酪氨酸激酶Src。此外,一种变种的膜蛋白CD44在结肠癌中激活,并通过Src家族的酪氨酸激酶lyn激活P I3K/Akt信号通路。4小结和展望P I3K/Akt/mT OR信号传导通路通过PTE N基因功能的失常或者被其它信号激活,导致抑制细胞凋亡、加快细胞周期运行、促进血管形成和肿瘤侵袭转移,在恶性肿瘤的发生和发展中发挥着重要的作用。目前人们对P I3K/Akt/mT OR 信号传导通路的作用及其调节机制的认识还不完全,还有许多问题有待进一步研究,如P I3K/

33、Akt/mT OR信号传导通路与其它信号传导通路之间有什么联系,Akt是怎样灭活的等。随着对P I3K/Akt/mT OR信号传导通路及其在恶性肿瘤中重要作用研究的逐渐深入和抑制剂的发现和发明,针对该信号传导通路开发新的治疗肿瘤药物,对恶性肿瘤的治疗具有重要意义。【参考文献】1Kli ppel A,Escobedo MA,W achowicz MS,et al.Activati on of phos2phatidylinosit ol3-kinase is sufficient for cell cycle entry and p r o2motes cellular changes char

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