NOTCH1信號通路調(diào)控PI3K/AKT/mTOR信號通路的研究進(jìn)展①

朱玉嬌 馬 蕾 薛海波

(濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院，濱州 256603)

NOTCH1信號通路與磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶/雷帕霉素靶蛋白(PI3K/AKT/mTOR)信號通路通過下游靶基因及細(xì)胞因子等多種方式實(shí)現(xiàn)交互作用并在多種疾病中發(fā)揮重要作用，隨著相關(guān)研究的逐漸深入，這兩條通路可能為多種相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)提供有意義的理論依據(jù)。本文就NOTCH1信號通路對PI3K/AKT/mTOR信號通路的調(diào)控予以簡要綜述。

1 NOTCH信號通路的組成、激活及效應(yīng)

NOTCH信號是一種進(jìn)化上高度保守的信號傳導(dǎo)途徑，它與細(xì)胞的分化、增殖、凋亡和上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化等有關(guān)[1]。在哺乳動物中，NOTCH信號轉(zhuǎn)導(dǎo)由4類異二聚體形式的NOTCH受體(NOTCH1-4)、5類Ⅰ型跨膜蛋白的NOTCH配體(DLL-1、3、4,Japped-1、2)和DNA結(jié)合蛋白(C-promoter binding factor,CBF-1)3部分組成。NOTCH的配體與受體結(jié)合后，導(dǎo)致NOTCH暴露S2、S3的切割位點(diǎn)，繼而被酶切形成NOTCH受體活化形式(NOTCH intracellular domain/intracellular domain of NOTCH,NICD/ICN)，NICD與DNA結(jié)合蛋白CBF1和核轉(zhuǎn)錄激活蛋白家族MAML(mastermind-like,MAML)結(jié)合形成CBF-NICD-MAML三元復(fù)合物后一起啟動下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，如發(fā)狀分裂增強(qiáng)子1(hairy and enhancer of split-1,Hes1)和MYC(其中包括C-MYC)[2]。

NOTCH1突變可以引起配體非依賴性激活，導(dǎo)致NOTCH1信號通路的持續(xù)激活。這種突變通過激發(fā)配體獨(dú)立激活或延長NOTCH1受體活化形式ICN1半衰期來增強(qiáng)信號強(qiáng)度。激活的NOTCH1信號通路通過調(diào)節(jié)多個(gè)下游靶點(diǎn)激活PI3K/AKT/mTOR信號通路。

2 PI3K/AKT/mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及功能

既往研究證實(shí)PI3K/AKT/mTOR信號通路在糖尿病、腫瘤、哮喘及系統(tǒng)性紅斑狼瘡等疾病中發(fā)揮重要作用，而PI3K、AKT、mTOR之間激活的機(jī)制是NOTCH1信號通路調(diào)控PI3K/AKT/mTOR信號通路的基石。

2.1PI3K的組成、效應(yīng)及激活 磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)屬于磷脂酰肌醇家族成員，PI3Ks基礎(chǔ)活性低，能夠被RAS GTP酶和不同的細(xì)胞表面受體等激活[3]。根據(jù)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)作用等的不同PI3Ks可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。然而只有Ⅰ類參與該途徑，它是由調(diào)節(jié)亞基p110、催化亞基p85構(gòu)成的異二聚體酶。PI3K催化質(zhì)膜表面的磷脂酰肌醇二磷酸(phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate,PIP2)生成磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate,PIP3)，使下游含PH的結(jié)構(gòu)域的信號蛋白(如AKT、mTORC2)能特異性識別結(jié)合PIP3[3-5]。

2.2AKT的組成、效應(yīng)及激活 AKT是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，又被稱為蛋白激酶B(protein kinase B,PKB),它通常存在于細(xì)胞漿內(nèi)。在結(jié)構(gòu)上AKT是由3部分組成：N末端的PH結(jié)構(gòu)域、中心激酶催化結(jié)構(gòu)域(CAT)和C延伸端的HM結(jié)構(gòu)域[6]。AKT主要有T308和S473兩大磷酸化位點(diǎn)，只有這兩大位點(diǎn)全部被磷酸化后AKT才能被完全激活。在PI3K在產(chǎn)生PIP3后，細(xì)胞質(zhì)上未活化的AKT被募集到細(xì)胞膜上，并通過其PH區(qū)域與PIP3結(jié)合，這就導(dǎo)致3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1,PDK1)和mTORC2分別磷酸化AKT的T308和S473，至此AKT完全激活?；罨腁KT釋放入胞內(nèi)引起信號級聯(lián)反應(yīng)，從而激活下游的靶蛋白mTOR[5]。

2.3mTOR的組成、效應(yīng)及激活 雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是絲氨酸/蘇氨酸磷脂酰肌醇-3-激酶相關(guān)激酶家族(PIKK)成員，在感受營養(yǎng)信號、調(diào)節(jié)細(xì)胞生長與增殖中起著關(guān)鍵性的作用。mTOR主要由2種蛋白復(fù)合物：mTORC1、mTORC2構(gòu)成，其中mTORC1主要由mTOR、Raptor、mLST8等構(gòu)成，而mTORC2由mTOR、Rictor、mLST8等構(gòu)成。在PI3K-AKT途徑傳遞生長因子信號時(shí)，被AKT磷酸化的去泛素酶USP4(Ubiquitin specific protease 4,USP4)使小GTP酶Rheb(Ras homolog enriched in brain,Rheb)去泛素化，導(dǎo)致抑制性的結(jié)節(jié)性硬化性復(fù)合體(Tuberous sclerosis complex,TSC)從Rheb中脫離形成活性的Rheb-GTP，而Rheb-GTP對于mTORC1至關(guān)重要。Rheb一般存在于溶酶體等內(nèi)膜系統(tǒng)，而小GTP結(jié)合蛋白Rag GTPase可以使溶酶體移位并將mTORC1帶到其激活劑Rheb-GTP旁，接著Rheb-GTP刺激mTORC1激活[7,8]。兩種復(fù)合物之間也是相互影響的，mTORC1促使Rictor磷酸化抑制mTORC2，而mTORC2可以控制AKT的磷酸化來控制mTORC1的活性[9]。

3 NOTCH1和PI3K/AKT/mTOR的相互作用

NOTCH1信號通路與PI3K/AKT/mTOR信號通路分別在細(xì)胞的生物學(xué)活動中發(fā)揮重要作用，在異常激活時(shí)，兩者均是造成各種疾病發(fā)生的高危因素，但兩條通路不是相互獨(dú)立進(jìn)行的，NOTCH1信號通路可以通過多種途徑來調(diào)節(jié)PI3K/AKT/mTOR信號通路，本文將從以下幾個(gè)方面來討論NOTCH1信號通路對PI3K信號通路的調(diào)節(jié)。

3.1NOTCH1調(diào)控PTEN調(diào)節(jié)PI3K信號通路 腫瘤調(diào)控抑制因子(phosphatase and tensin homolog,PTEN)即張力蛋白和輔助蛋白同源、第10號染色體丟失的磷酸酶基因。PTEN能將PIP3去磷酸化產(chǎn)生PIP2從而對抗PI3K的磷酸化功能，因此PTEN是PI3K/AKT/mTOR信號通路的重要負(fù)調(diào)節(jié)因子。NOTCH1可以通過以下4種途徑調(diào)控PTEN。

第一種： NOTCH1下游靶基因MYC是作為轉(zhuǎn)錄抑制因子，而Hes1作為轉(zhuǎn)錄激活劑，在NOTCH1信號通路激活時(shí)，ICN1使Hes1占主導(dǎo)地位，Hes1與PTEN的啟動子結(jié)合并抑制PTEN的表達(dá)，低表達(dá)的PTEN使PI3K/AKT/mTOR信號通路過度激活，而在NOTCH1信號通路受抑制時(shí)，Hes1對PTEN的抑制減輕，加之MYC對PTEN的激活，使PTEN高表達(dá)，從而使PI3K/AKT/mTOR信號通路抑制[1,10]。

第二種：NOTCH1通過調(diào)節(jié)ROS調(diào)控PTEN?；钚匝醮?reactive oxygen species,ROS)是細(xì)胞代謝的副產(chǎn)物，能破壞細(xì)胞內(nèi)的大分子。Giambra等[11]研究發(fā)現(xiàn)，NOTCH1可以通過一系列復(fù)雜的途徑調(diào)控ROS，首先NOTCH1誘導(dǎo)生成runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子3(runt-related transcription factor 3,RUNX3)，接著RUNX3抑制runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子1(runt-related transcription factor1,RUNX1)，然后RUNX1進(jìn)而誘導(dǎo)PKC-θ[屬于蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)家族]，而PKC-θ影響ROS的積累。也有研究表明NOTCH1下游靶基因Hes1可以直接降低ROS的產(chǎn)生[12]。Zhang等[13]研究證實(shí)，ROS可以導(dǎo)致PTEN啟動子CPG的低甲基化，這種低甲基化可使PTEN基因表達(dá)增強(qiáng)，從而增強(qiáng)PTEN的轉(zhuǎn)錄與翻譯。這個(gè)結(jié)果與以前ROS促進(jìn)PTEN 的氧化與失活的結(jié)果不同，但不管ROS是促進(jìn)PTEN的表達(dá)還是使其失活，可以確認(rèn)的是NOTCH1可以通過調(diào)控ROS調(diào)節(jié)PTEN。

第三種：酪蛋白激酶Ⅱ(casein kinase Ⅱ,CK2)是催化肽鏈中鄰近酸性氨基酸殘基的絲氨酸/蘇氨酸磷酸化的一種酶。活化的NOTCH1使脯氨酸順反異構(gòu)酶(peptidyl-prolyl cis-trans isomerase NIMA-interacting 1,Pin1)轉(zhuǎn)錄，Pin1使CK2表達(dá)上調(diào)[14]。在CK2的表達(dá)及活性增加時(shí)它通過介導(dǎo)PTEN磷酸化導(dǎo)致PTEN蛋白穩(wěn)定性增加、活性降低，使PTEN對PIP3的作用減弱[15]。

第四種：NOTCH1靶基因C-MYC可以調(diào)控miR17-92簇。miR-17-92簇是miRNA多順反子的一種，在細(xì)胞的存活、增殖、分化及血管生成方面有重要的作用，NOTCH1下游靶基因C-MYC可以與miR-17-19b三個(gè)子簇中的miR-19兩者協(xié)同調(diào)節(jié)共同控制PTEN的地表達(dá)[16]。

總之NOTCH1可以通過C-MYC、ROS、CK2、mir17-92來調(diào)控PTEN，PTEN進(jìn)而調(diào)控PI3K/AKT/mTOR信號激活。

3.2NOTCH1調(diào)控IL-7R、IGF1R 調(diào)節(jié)PI3K

3.2.1通過IL-7R IL-7是由骨髓、胸腺和其他器官中的基質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子。IL-7受體(interleukin-7 receptor,IL-7R)主要由淋巴細(xì)胞表達(dá)，它對于T細(xì)胞的發(fā)育和周圍內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)起重要作用。IL-7R由α鏈和γC鏈構(gòu)成。NOTCH1和IL-7R的增強(qiáng)子結(jié)合能并驅(qū)動其基因表達(dá)[17]。Jian等[18]發(fā)現(xiàn)，IL-7/IL-7R可以通過調(diào)節(jié)自噬相關(guān)因子Beclin 1來調(diào)節(jié)PI3K/AKT/mTOR信號通路。這與之前的理論略有不同：IL-7和IL-7R結(jié)合引起IL-7R構(gòu)象改變并使Jak1、Jak3活化與反磷酸化，隨后IL-7Rα細(xì)胞質(zhì)尾部的酪氨酸殘基(含保守的Y449)磷酸化，這就產(chǎn)生了下游效應(yīng)分子PI3K等信號分子的對接位點(diǎn)，從而激活PI3K/AKT/mTORC1信號通路。PI3K/AKT/mTORC1信號通路是IL-7R和NOTCH1兩條信號通路的交互作用點(diǎn)[17,19]。

3.2.2通過IGF1R 胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1,IGF1)及其受體胰島素生長因子1受體(insulin-like growth factor 1 receptor,IGF1R)可以調(diào)節(jié)正常細(xì)胞的生長發(fā)育。在IGF1R中存在NOTCH1的反應(yīng)性增強(qiáng)子，NOTCH1與CSL、MAML形成的三元復(fù)合物直接與IGF1R的增強(qiáng)子結(jié)合，進(jìn)而上調(diào)IGF1R的轉(zhuǎn)錄和翻譯，使IGF1R維持在高水平表達(dá)[20]。也有研究證實(shí)血清微小RNA-223(microRNA-223,miR-223)可以降低IGF1R蛋白水平，而NOTCH1可以負(fù)性調(diào)節(jié)miR-223而間接提高IGF1R的蛋白水平[21]。因此，NOTCH1信號既可以直接促進(jìn)IGF1R表達(dá)也可以間接促進(jìn)IGF1R表達(dá)。

而IGF1、IGF2與IGF1R(一種跨膜受體酪氨酸激酶/RTK)結(jié)合引起下游通路如PI3K/AKT/mTOR信號通路的級聯(lián)反應(yīng)，繼而調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝和蛋白質(zhì)的合成。Zorea等[22]研究證明高表達(dá)的IGF1R可以直接激活A(yù)KT/mTOR。

3.3NOTCH1調(diào)控AKT

3.3.1NOTCH1通過穹窿體主蛋白(major vault protein，MVP)調(diào)節(jié)AKT 穹隆復(fù)合體是一種具有中空筒狀結(jié)構(gòu)的核糖核蛋白顆粒，MVP是穹隆體的主要組成部分。Xiao等[23]研究發(fā)現(xiàn)，NOTCH1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(ICD)能夠與MVP啟動子上的CBF-1結(jié)合并驅(qū)動其轉(zhuǎn)錄，也就是說MVP作為NOTCH1的直接靶點(diǎn)，而MVP可以獨(dú)立激活A(yù)KT。

3.3.2NOTCH1轉(zhuǎn)錄激活DEPTOR選擇性激活A(yù)KT DEPTOR作為mTOR復(fù)合物的組成部分，與mTOR有特定的交互作用。DEPTOR一般作為mTOR內(nèi)源性抑制劑，在DEPTOR缺失后可導(dǎo)致mTOR過度活化。此外，mTORC1和mTORC2也都可以在轉(zhuǎn)錄和翻譯后水平上負(fù)性調(diào)節(jié)DEPTOR的表達(dá)[24]。在以往的報(bào)道中AKT可以被PTEN、Hes1等多種機(jī)制激活。而Hu等[24]研究不僅證實(shí)NOTCH1可以直接結(jié)合并激活DEPTOR啟動子，最重要的是發(fā)現(xiàn)了AKT激活的替代機(jī)制，即過度激活的DEPTOR可以通過減輕mTORC1到PI3K的反饋性抑制使AKT激活。

3.3.3NOTCH1通過PP2A使AKT去磷酸化 蛋白磷酸酶2(protein phosphatase 2A,PP2A)屬于絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，它在細(xì)胞周期的每個(gè)階段中都發(fā)揮關(guān)鍵作用，這主要與它的去磷酸化作用有關(guān)。AKT的活性由磷酸化與去磷酸化之間的平衡決定，Li等[25]研究發(fā)現(xiàn)，NOTCH受體的活化形式NICD過度表達(dá)導(dǎo)致TRY 307位點(diǎn)的PP2A過磷酸化，這種過磷酸化使PP2A活性減弱。PP2A活性的降低使其對AKT的Ser473的去磷酸化作用降低，這就使AKT的活性增加。此外，NOTCH1介導(dǎo)的PP2A過磷酸化也使PI3K(P85)的活性增加，但具體機(jī)制尚不清楚。

3.4NOTCH1調(diào)控mTOR

3.4.1C-MYC上調(diào)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子調(diào)控mTOR Liu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸是激活mTORC1的關(guān)鍵。C-MYC可以激活SLC1A5和SLC7A6在內(nèi)的多個(gè)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，這種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子屬于膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，能運(yùn)輸大量底物進(jìn)入胞內(nèi)，并在各種生理及病理過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這兩種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)子是驅(qū)動C-MYC激活mTOR的關(guān)鍵因素，在他們表達(dá)上調(diào)后，使細(xì)胞對氨基酸的攝取增多，進(jìn)而級聯(lián)mTOR 激活。

3.4.2NOTCH1調(diào)控Rheb激活mTOR Rheb如上所述在mTOR的激活中扮演著重要的角色。與GTP結(jié)合的Rheb可以與mTOR的激酶結(jié)構(gòu)域相互作用激活mTORC1的活性。以往的研究證實(shí)Rheb可以激活NOTCH1。而Cho等[27]發(fā)現(xiàn)，NOTCH1可以與Rheb啟動子上的NOTCH反應(yīng)元件(Notch-responsive element,NREs)結(jié)合并誘導(dǎo)Rheb的激活。然而NRE2和NRE3的突變會影響Rheb啟動子的活性，表明在Rheb中NRE2和NRE3對NOTCH1依賴性啟動子的活性十分重要。被認(rèn)為是NOTCH1與Rheb之間的調(diào)節(jié)器。NOTCH1可以通過與NRE2和NRE3結(jié)合激活Rheb啟動子，而Rheb如上所述可以激活mTOR，這也就是說NOTCH1可以調(diào)節(jié)Rheb激活mTOR。而Okuhashi等[28]實(shí)驗(yàn)研究曾證實(shí)，激活的NOTCH1信號通路可以直接激活mTOR蛋白的表達(dá)和磷酸化。

3.4.3MYC上調(diào)TSC1/2控制mTORC1 TSC1/2作為mTORC1的上游調(diào)節(jié)分子，調(diào)節(jié)機(jī)制已如上所述。Hartleben等[29]研究發(fā)現(xiàn)，MYC既可以減少微小RNA-15a(microRNA-15a,miR-15a)來間接靶向調(diào)控TSC1的mRNA的表達(dá)，也可以直接激活TSC1轉(zhuǎn)錄。而TSC1屬于mTORC1的抑制劑，這也就是說NOTCH1下游靶基因MYC最終使mTORC1信號減弱，這樣可以保護(hù)細(xì)胞中線粒體的穩(wěn)態(tài)，也可以防止毒性ROS的累積，而ROS如上所述可以影響PTEN的表達(dá)而影響AKT的信號傳導(dǎo)。

NOTCH1信號通路和PI3K/AKT/mTOR信號通路在急性淋巴細(xì)胞白血病、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤及食管癌等腫瘤、哮喘及系統(tǒng)性紅斑狼瘡等自身免疫性疾病的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮重要的作用，兩者之間的互相影響與調(diào)節(jié)亦為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。NOTCH1信號通路不僅可以通過多種途徑調(diào)控PI3K/AKT/mTOR信號通路的激活，也會受到PI3K/AKT/mTOR信號通路的反調(diào)控：有研究報(bào)道，活化的AKT可以抑制NOTCH1酪氨酸的磷酸化進(jìn)而減少NOTCH1被溶酶體途徑單泛素化和降解的數(shù)量,從而維持高水平的NOTCH1信號[30]。在上述研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在疾病模型或患者中開展深入的體內(nèi)外研究，對闡明兩個(gè)信號通路參與疾病的發(fā)生發(fā)展的機(jī)制及探索相關(guān)疾病新的治療靶點(diǎn)提供有意義的理論依據(jù)：如γ分泌酶抑制劑、MYC靶基因的靶向治療等可能會成為部分腫瘤及自身免疫性疾病治療的新靶點(diǎn)。