PI3K/Akt信號(hào)通路在腫瘤中的表達(dá)及其與增殖和凋亡的作用

郭潤麗 雅健 李新春 王文立 莫中福 姜博 李玉霞 馬曉靜 趙建輝 宋鐵鷹

磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3 kinese/protein kinase B，PI3K/Akt)信號(hào)通路是1987年發(fā)現(xiàn)小鼠的白血病病毒可以引起上皮細(xì)胞系CCL264出現(xiàn)惡性轉(zhuǎn)化灶，而在這個(gè)反轉(zhuǎn)錄病毒中找到的一個(gè)癌基因，由于該蛋白激酶需要絲氨酸、蘇氨酸位點(diǎn)的磷酸化，故命名為蛋白激酶(Akt)［1］。它在真核生物的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中普遍存在，同時(shí)是多種信號(hào)傳導(dǎo)通路的相互交叉連接的重要樞紐，可調(diào)節(jié)多種細(xì)胞外因子的信號(hào)傳遞，并與Ras癌基因激活的過程密切相關(guān)［2］。以往研究表明，Akt信號(hào)通路在細(xì)胞的物質(zhì)代謝、細(xì)胞周期調(diào)控以及血管生成等方面發(fā)揮重要作用［3－6］。與糖尿病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等多種自身免疫性疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。近年來，PI3K/Akt通路與腫瘤的關(guān)系越練越引起人們的重視［7］。由于PI3K/Akt信號(hào)通路能對小分子量G蛋白-RAS蛋白的功能進(jìn)行調(diào)控，而RAS基因作為人類首個(gè)發(fā)現(xiàn)的癌基因，對腫瘤的生長、增殖、物質(zhì)運(yùn)輸、侵襲轉(zhuǎn)移都發(fā)揮著重要的作用;同時(shí)，在多種腫瘤細(xì)胞系中均可檢測到PI3K/Ak信號(hào)通路相關(guān)抑制基因的缺失或失活、PI3K基因的突變或擴(kuò)增、相關(guān)受體或通路下游樞紐分子的激活或活化，使該信號(hào)通路成為在近年來的研究中的熱點(diǎn)。本文就PI3K/Akt的調(diào)控途徑及其與腫瘤的關(guān)系作一綜述。

1 PI3K/Akt通路的組成及激活

1991年，Akt基因被克隆。Akt由N末端的調(diào)節(jié)區(qū)、中間的酶活性區(qū)、C末端的調(diào)節(jié)區(qū)和鉸鏈區(qū)四部分組成。N末端調(diào)節(jié)區(qū)有一個(gè)PH區(qū)，中間酶活性區(qū)是具有催化絲氨酸、蘇氨酸殘基的基團(tuán)，可發(fā)生磷酸化而被活化，其中308位點(diǎn)的Thr的磷酸化是Akt活化所必需的;C末端富含脯氨酸的疏水結(jié)構(gòu)域，可跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，其中含有Akt完全活化所必需的第2個(gè)磷酸化位點(diǎn)，即473位的Ser。1995年，Akt作為PI3K的一個(gè)靶分子被發(fā)現(xiàn)。隨后的研究顯示AKT分為AKT1、AKT2、AKT3 3個(gè)亞型，在所有細(xì)胞類型和組織中普遍表達(dá)，但在某些組織中的表達(dá)具有差異性，如Akt1與Akt3在廣泛表達(dá)于人體各組織中，Akt2主要表達(dá)于腦、腎、心、睪丸等組織中，在機(jī)體各種生物學(xué)功能中發(fā)揮著廣泛的調(diào)節(jié)作用［8］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，Akt1與胎兒生長發(fā)育有關(guān)，缺陷者可表現(xiàn)為生長延遲。Akt2與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT-4的調(diào)節(jié)有關(guān)，是胰島素參與糖代謝的主要介質(zhì)，其缺陷可導(dǎo)致血糖和胰島素異常［6］，Akt3缺陷者可出現(xiàn)腦體積的減小。腫瘤組織中AKT亞型表達(dá)也是不同的，其中AKT3有著更嚴(yán)格的表達(dá)模式。在正常組織和腫瘤細(xì)胞中，Akt能被細(xì)胞內(nèi)多種物質(zhì)如激素、生長因子、細(xì)胞外基質(zhì)成分等激活，AKT通過對多種底物磷酸化及去磷酸化的方式，調(diào)控細(xì)胞的生長、存活、凋亡機(jī)制。其活化可分為磷脂酰肌醇激酶3依賴型和磷脂酰肌醇激酶3非依賴型兩種。磷脂酰肌醇激酶3是一種細(xì)胞內(nèi)的磷脂酰肌醇激酶，它可特異性的活化肌醇基團(tuán)環(huán)上的第3位羥基，具有蛋白激酶和類脂激酶雙重活性。Akt是PI3K/Akt信號(hào)通路的中心環(huán)節(jié)，PI3K/Akt信號(hào)通路對多種生命活動(dòng)的調(diào)控，均依賴AKT蛋白的磷酸化。其激活方式通常受到雙重調(diào)控:即Akt蛋白多肽鏈上Thr308和Ser473需要同時(shí)發(fā)生磷酸化。具體激活方式如下:PI3K激活后在質(zhì)膜上產(chǎn)生第二信使PIP3，作為第二信使，PIP3可與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)蛋白Akt和PDK1、PDK2等蛋白相結(jié)合，PIP3與Akt結(jié)合后，誘導(dǎo)無活性的Akt等蛋白從細(xì)胞漿移位到胞膜上，同時(shí)催化蛋白鏈上 Ser124和Thr450磷酸化，獲得催化活性。Ser124和Thr450磷酸化后使Akt蛋白的空間構(gòu)象發(fā)生改變，暴露出Thr308和Ser473位點(diǎn)。同時(shí)，轉(zhuǎn)位于細(xì)胞膜的Akt與PDK1等蛋白可進(jìn)一步相互靠近，PDK1蛋白催化Akt的Thr308磷酸化;PDK2再對Akt的Ser473位點(diǎn)磷酸化;Thr308和Ser473的活化最后導(dǎo)致Akt蛋白完全活化?；罨腁kt引起下游相關(guān)靶蛋白的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)［9］，導(dǎo)致相應(yīng)靶蛋白的激活或失活，對細(xì)胞周期的啟動(dòng)和運(yùn)行產(chǎn)生影響，從而調(diào)控細(xì)胞生長與存活、增殖與凋亡、血管生成、細(xì)胞遷移等多種細(xì)胞活動(dòng)和生物學(xué)效應(yīng)［10］。

2 Akt對底物的調(diào)節(jié)機(jī)制及其生物學(xué)功能

到目前為止，對Akt底物的研究發(fā)現(xiàn)?；罨腁kt能影響下游100多種Akt的底物效應(yīng)分子的活化狀態(tài)。在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著對細(xì)胞周期相關(guān)蛋白、凋亡相關(guān)蛋白的調(diào)控、發(fā)揮對增殖，凋亡等生物學(xué)效應(yīng)的影響。

2．1 對凋亡的影響 凋亡是指在特定時(shí)空發(fā)生的，受機(jī)體嚴(yán)格調(diào)控的細(xì)胞“自殺”現(xiàn)象，凋亡的過程受眾多的基因調(diào)控，AKT信號(hào)傳導(dǎo)途徑在凋亡過程中發(fā)揮了重要的作用，但其對凋亡的影響，目前尚缺乏明確的結(jié)論。甚至部分研究結(jié)果相互矛盾。

2．2 對增殖的影響 腫瘤細(xì)胞失控性的增殖是腫瘤演進(jìn)、侵襲和轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)和重要前提。腫瘤的增殖受一系列基因的調(diào)控，最終都從不同的途徑匯聚到細(xì)胞周期機(jī)制中，從而改變了細(xì)胞周期的調(diào)控，使細(xì)胞獲得以增殖過多、凋亡過少的生物學(xué)特征。細(xì)胞周期的調(diào)控主要受細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin dependent kinases，CDKs)和CDK抑制蛋白(CDKIs)等多種蛋白所共同調(diào)節(jié)，在細(xì)胞周期不同的時(shí)相，出現(xiàn)不同的細(xì)胞周期素的產(chǎn)生、累積與分解，激活相應(yīng)的CDK，從而驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期的啟動(dòng)與運(yùn)行。AKT信號(hào)傳導(dǎo)途徑可通過多種途徑影響細(xì)胞周期素的生成或抑制CDKI的活性。

2．3 PI3K/Akt信號(hào)通路與腫瘤血管生成 PI3K與血管生成密切相關(guān)，PI3K的3種催化亞基中，p110a亞基作用最大，該蛋白可直接影響新生血管內(nèi)皮細(xì)胞的形成，其機(jī)制目前認(rèn)為與p110a激活RhoA，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和遷移，形成內(nèi)皮細(xì)胞索密切相關(guān)。當(dāng)敲除該基因后，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物胚胎出現(xiàn)發(fā)育停滯，妊娠中期胎兒在母體內(nèi)血管形成出現(xiàn)缺陷。目前認(rèn)為PI3K/AKT通路促進(jìn)血管形成的機(jī)制為:活化的AKT可使內(nèi)皮型一氧化氮合酶磷酸化使之激活，產(chǎn)生NO，NO與血管生成密切相關(guān)［11］;另一方面，PI3K/Akt還通過激活激酶 HDM2調(diào)控VEGF和缺氧誘導(dǎo)因子1α的表達(dá)［12］。HIF-1α作為一種細(xì)胞外因子，可促進(jìn)細(xì)胞對VEGF及其他血管生成因子的表達(dá)和分泌，而VEGF作為目前發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)大的血管生成誘導(dǎo)劑，可反饋性活化PI3K/AKT信號(hào)通路，從而進(jìn)一步刺激血管生成;Akt也可直接磷酸化激活上游激酶使NF-κB從細(xì)胞質(zhì)中釋放出來轉(zhuǎn)位到核，作為轉(zhuǎn)錄因子直接激活一系列的基因而促進(jìn)細(xì)胞的存活和對細(xì)胞周期的調(diào)控。腫瘤的生長及轉(zhuǎn)移有賴于血管的形成，PTEN作為PI3K/Akt途徑重要的負(fù)調(diào)節(jié)分子，通過PI3K/Akt信號(hào)通路抑制NO的生成，從而抑制腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞生成。當(dāng)加入VEGFR2的抑制劑SU1498后，腫瘤細(xì)胞增殖與遷移明顯受到抑制。

2．4 PI3K/Akt信號(hào)通路與細(xì)胞遷移與侵襲 PI3K/AKT信號(hào)通路在腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用。其作用機(jī)制主要表現(xiàn)為以下方面。(1)首先，PI3K/KT信號(hào)通路可通過對其下游的效應(yīng)基因如Rho、cdc4蛋白表達(dá)的調(diào)控，促進(jìn)細(xì)胞骨架蛋白的生成，調(diào)節(jié)細(xì)胞偽足樣運(yùn)動(dòng)、加速細(xì)胞骨架蛋白的重建，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的趨化運(yùn)動(dòng)。(2)PI3K/AKT信號(hào)通路還可通過多種途徑調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞對細(xì)胞外基質(zhì)的降解，影響基質(zhì)金屬蛋白酶合成和分泌，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對鈣粘連素的降解，促進(jìn)癌細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移［13，14］。(3)PTEN作為一種腫瘤抑制基因，可有效拮抗PI3K/Akt通路的活性，作為PI3K/AKT信號(hào)通路最重要的負(fù)性調(diào)控因子，通過其蛋白磷酸酶活性負(fù)調(diào)控整合素相關(guān)激酶信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制整合素介導(dǎo)的細(xì)胞粘附、遷移和侵襲過程中起的作用，使腫瘤細(xì)胞的粘附性降低，與細(xì)胞外基質(zhì)間的結(jié)合松解。(4)PI3K/AKT通路通過抑制VEGF、缺氧誘導(dǎo)因子1α的表達(dá)［15］，有效促進(jìn)腫瘤組織血管的生成，為腫瘤的遷移和侵襲提供重要的前提和基礎(chǔ)。

綜上所述，PI3K/AKT信號(hào)通路可能通過對腫瘤細(xì)胞增殖和凋亡相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)控，一方面促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖活性，進(jìn)一步增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的浸潤和轉(zhuǎn)移的能力。另一方面，通過對腫瘤細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白的影響，促進(jìn)內(nèi)源性凋亡抑制物的激活和/或抑制凋亡相關(guān)蛋白激酶的表達(dá)和活化，抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡。因此，PI3K/AKT信號(hào)通路可能是腫瘤發(fā)生發(fā)展的核心調(diào)控環(huán)節(jié)，從而也成為對其進(jìn)行基因治療的關(guān)鍵靶點(diǎn)。進(jìn)一步深入研究具有重要的理論和臨床意義。

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