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

1 PI3K/Akt通路的組成及激活

1991年，Akt基因被克隆。Akt由N末端的調節(jié)區(qū)、中間的酶活性區(qū)、C末端的調節(jié)區(qū)和鉸鏈區(qū)四部分組成。N末端調節(jié)區(qū)有一個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，可發(fā)生磷酸化而被活化，其中308位點的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構域，可跨膜轉運，其中含有Akt完全活化所必需的第2個磷酸化位點，即473位的Ser。1995年，Akt作為PI3K的一個靶分子被發(fā)現(xiàn)。隨后的研究顯示AKT分為AKT1、AKT2、AKT3 3個亞型，在所有細胞類型和組織中普遍表達，但在某些組織中的表達具有差異性，如Akt1與Akt3在廣泛表達于人體各組織中，Akt2主要表達于腦、腎、心、睪丸等組織中，在機體各種生物學功能中發(fā)揮著廣泛的調節(jié)作用［8］。動物實驗表明，Akt1與胎兒生長發(fā)育有關，缺陷者可表現(xiàn)為生長延遲。Akt2與葡萄糖轉運蛋白GLUT-4的調節(jié)有關，是胰島素參與糖代謝的主要介質，其缺陷可導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亞型表達也是不同的，其中AKT3有著更嚴格的表達模式。在正常組織和腫瘤細胞中，Akt能被細胞內多種物質如激素、生長因子、細胞外基質成分等激活，AKT通過對多種底物磷酸化及去磷酸化的方式，調控細胞的生長、存活、凋亡機制。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是一種細胞內的磷脂酰肌醇激酶，它可特異性的活化肌醇基團環(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信號通路的中心環(huán)節(jié)，PI3K/Akt信號通路對多種生命活動的調控，均依賴AKT蛋白的磷酸化。其激活方式通常受到雙重調控:即Akt蛋白多肽鏈上Thr308和Ser473需要同時發(fā)生磷酸化。具體激活方式如下:PI3K激活后在質膜上產(chǎn)生第二信使PIP3，作為第二信使，PIP3可與細胞內信號蛋白Akt和PDK1、PDK2等蛋白相結合，PIP3與Akt結合后，誘導無活性的Akt等蛋白從細胞漿移位到胞膜上，同時催化蛋白鏈上 Ser124和Thr450磷酸化，獲得催化活性。Ser124和Thr450磷酸化后使Akt蛋白的空間構象發(fā)生改變，暴露出Thr308和Ser473位點。同時，轉位于細胞膜的Akt與PDK1等蛋白可進一步相互靠近，PDK1蛋白催化Akt的Thr308磷酸化;PDK2再對Akt的Ser473位點磷酸化;Thr308和Ser473的活化最后導致Akt蛋白完全活化。活化的Akt引起下游相關靶蛋白的磷酸化級聯(lián)反應［9］，導致相應靶蛋白的激活或失活，對細胞周期的啟動和運行產(chǎn)生影響，從而調控細胞生長與存活、增殖與凋亡、血管生成、細胞遷移等多種細胞活動和生物學效應［10］。

2 Akt對底物的調節(jié)機制及其生物學功能

到目前為止，對Akt底物的研究發(fā)現(xiàn)。活化的Akt能影響下游100多種Akt的底物效應分子的活化狀態(tài)。在細胞內發(fā)揮著對細胞周期相關蛋白、凋亡相關蛋白的調控、發(fā)揮對增殖，凋亡等生物學效應的影響。

2．1 對凋亡的影響 凋亡是指在特定時空發(fā)生的，受機體嚴格調控的細胞“自殺”現(xiàn)象，凋亡的過程受眾多的基因調控，AKT信號傳導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論。甚至部分研究結果相互矛盾。

2．2 對增殖的影響 腫瘤細胞失控性的增殖是腫瘤演進、侵襲和轉移的基礎和重要前提。腫瘤的增殖受一系列基因的調控，最終都從不同的途徑匯聚到細胞周期機制中，從而改變了細胞周期的調控，使細胞獲得以增殖過多、凋亡過少的生物學特征。細胞周期的調控主要受細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節(jié)，在細胞周期不同的時相，出現(xiàn)不同的細胞周期素的產(chǎn)生、累積與分解，激活相應的CDK，從而驅動細胞周期的啟動與運行。AKT信號傳導途徑可通過多種途徑影響細胞周期素的生成或抑制CDKI的活性。

2．3 PI3K/Akt信號通路與腫瘤血管生成 PI3K與血管生成密切相關，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皮細胞的形成，其機制目前認為與p110a激活RhoA，促進內皮細胞的增殖和遷移，形成內皮細胞索密切相關。當敲除該基因后，發(fā)現(xiàn)實驗動物胚胎出現(xiàn)發(fā)育停滯，妊娠中期胎兒在母體內血管形成出現(xiàn)缺陷。目前認為PI3K/AKT通路促進血管形成的機制為:活化的AKT可使內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［11］;另一方面，PI3K/Akt還通過激活激酶 HDM2調控VEGF和缺氧誘導因子1α的表達［12］。HIF-1α作為一種細胞外因子，可促進細胞對VEGF及其他血管生成因子的表達和分泌，而VEGF作為目前發(fā)現(xiàn)的最強大的血管生成誘導劑，可反饋性活化PI3K/AKT信號通路，從而進一步刺激血管生成;Akt也可直接磷酸化激活上游激酶使NF-κB從細胞質中釋放出來轉位到核，作為轉錄因子直接激活一系列的基因而促進細胞的存活和對細胞周期的調控。腫瘤的生長及轉移有賴于血管的形成，PTEN作為PI3K/Akt途徑重要的負調節(jié)分子，通過PI3K/Akt信號通路抑制NO的生成，從而抑制腫瘤血管內皮細胞生成。當加入VEGFR2的抑制劑SU1498后，腫瘤細胞增殖與遷移明顯受到抑制。

2．4 PI3K/Akt信號通路與細胞遷移與侵襲 PI3K/AKT信號通路在腫瘤細胞的侵襲和轉移過程中發(fā)揮重要作用。其作用機制主要表現(xiàn)為以下方面。(1)首先，PI3K/KT信號通路可通過對其下游的效應基因如Rho、cdc4蛋白表達的調控，促進細胞骨架蛋白的生成，調節(jié)細胞偽足樣運動、加速細胞骨架蛋白的重建，促進腫瘤細胞的趨化運動。(2)PI3K/AKT信號通路還可通過多種途徑調節(jié)腫瘤細胞對細胞外基質的降解，影響基質金屬蛋白酶合成和分泌，增強腫瘤細胞對鈣粘連素的降解，促進癌細胞的侵襲和轉移［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信號通路最重要的負性調控因子，通過其蛋白磷酸酶活性負調控整合素相關激酶信號的轉導，抑制整合素介導的細胞粘附、遷移和侵襲過程中起的作用，使腫瘤細胞的粘附性降低，與細胞外基質間的結合松解。(4)PI3K/AKT通路通過抑制VEGF、缺氧誘導因子1α的表達［15］，有效促進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。

綜上所述，PI3K/AKT信號通路可能通過對腫瘤細胞增殖和凋亡相關信號傳導通路的調控，一方面促進腫瘤細胞的增殖活性，進一步增強腫瘤細胞的浸潤和轉移的能力。另一方面，通過對腫瘤細胞凋亡相關蛋白的影響，促進內源性凋亡抑制物的激活和/或抑制凋亡相關蛋白激酶的表達和活化，抑制腫瘤細胞的凋亡。因此，PI3K/AKT信號通路可能是腫瘤發(fā)生發(fā)展的核心調控環(huán)節(jié)，從而也成為對其進行基因治療的關鍵靶點。進一步深入研究具有重要的理論和臨床意義。

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