NOTCH1信號通路調控PI3K/AKT/mTOR信號通路的研究進展①

朱玉嬌 馬 蕾 薛海波

(濱州醫學院附屬醫院，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胞因子等多種方式實現交互作用并在多種疾病中發揮重要作用，隨著相關研究的逐漸深入，這兩條通路可能為多種相關疾病的治療靶點提供有意義的理論依據。本文就NOTCH1信號通路對PI3K/AKT/mTOR信號通路的調控予以簡要綜述。

1 NOTCH信號通路的組成、激活及效應

NOTCH信號是一種進化上高度保守的信號傳導途徑，它與細胞的分化、增殖、凋亡和上皮細胞間充質轉化等有關[1]。在哺乳動物中，NOTCH信號轉導由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結合蛋白(C-promoter binding factor,CBF-1)3部分組成。NOTCH的配體與受體結合后，導致NOTCH暴露S2、S3的切割位點，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結合蛋白CBF1和核轉錄激活蛋白家族MAML(mastermind-like,MAML)結合形成CBF-NICD-MAML三元復合物后一起啟動下游靶基因的轉錄，如發狀分裂增強子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，導致NOTCH1信號通路的持續激活。這種突變通過激發配體獨立激活或延長NOTCH1受體活化形式ICN1半衰期來增強信號強度。激活的NOTCH1信號通路通過調節多個下游靶點激活PI3K/AKT/mTOR信號通路。

2 PI3K/AKT/mTOR信號轉導通路及功能

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

2.1PI3K的組成、效應及激活 磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)屬于磷脂酰肌醇家族成員，PI3Ks基礎活性低，能夠被RAS GTP酶和不同的細胞表面受體等激活[3]。根據結構和調節作用等的不同PI3Ks可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類。然而只有Ⅰ類參與該途徑，它是由調節亞基p110、催化亞基p85構成的異二聚體酶。PI3K催化質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的結構域的信號蛋白(如AKT、mTORC2)能特異性識別結合PIP3[3-5]。

2.2AKT的組成、效應及激活 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),它通常存在于細胞漿內。在結構上AKT是由3部分組成：N末端的PH結構域、中心激酶催化結構域(CAT)和C延伸端的HM結構域[6]。AKT主要有T308和S473兩大磷酸化位點，只有這兩大位點全部被磷酸化后AKT才能被完全激活。在PI3K在產生PIP3后，細胞質上未活化的AKT被募集到細胞膜上，并通過其PH區域與PIP3結合，這就導致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。活化的AKT釋放入胞內引起信號級聯反應，從而激活下游的靶蛋白mTOR[5]。

2.3mTOR的組成、效應及激活 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-激酶相關激酶家族(PIKK)成員，在感受營養信號、調節細胞生長與增殖中起著關鍵性的作用。mTOR主要由2種蛋白復合物：mTORC1、mTORC2構成，其中mTORC1主要由mTOR、Raptor、mLST8等構成，而mTORC2由mTOR、Rictor、mLST8等構成。在PI3K-AKT途徑傳遞生長因子信號時，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，導致抑制性的結節性硬化性復合體(Tuberous sclerosis complex,TSC)從Rheb中脫離形成活性的Rheb-GTP，而Rheb-GTP對于mTORC1至關重要。Rheb一般存在于溶酶體等內膜系統，而小GTP結合蛋白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信號通路分別在細胞的生物學活動中發揮重要作用，在異常激活時，兩者均是造成各種疾病發生的高危因素，但兩條通路不是相互獨立進行的，NOTCH1信號通路可以通過多種途徑來調節PI3K/AKT/mTOR信號通路，本文將從以下幾個方面來討論NOTCH1信號通路對PI3K信號通路的調節。

3.1NOTCH1調控PTEN調節PI3K信號通路 腫瘤調控抑制因子(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信號通路的重要負調節因子。NOTCH1可以通過以下4種途徑調控PTEN。

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

第二種：NOTCH1通過調節ROS調控PTEN。活性氧簇(reactive oxygen species,ROS)是細胞代謝的副產物，能破壞細胞內的大分子。Giambra等[11]研究發現，NOTCH1可以通過一系列復雜的途徑調控ROS，首先NOTCH1誘導生成runt相關轉錄因子3(runt-related transcription factor 3,RUNX3)，接著RUNX3抑制runt相關轉錄因子1(runt-related transcription factor1,RUNX1)，然后RUNX1進而誘導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的產生[12]。Zhang等[13]研究證實，ROS可以導致PTEN啟動子CPG的低甲基化，這種低甲基化可使PTEN基因表達增強，從而增強PTEN的轉錄與翻譯。這個結果與以前ROS促進PTEN 的氧化與失活的結果不同，但不管ROS是促進PTEN的表達還是使其失活，可以確認的是NOTCH1可以通過調控ROS調節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使脯氨酸順反異構酶(peptidyl-prolyl cis-trans isomerase NIMA-interacting 1,Pin1)轉錄，Pin1使CK2表達上調[14]。在CK2的表達及活性增加時它通過介導PTEN磷酸化導致PTEN蛋白穩定性增加、活性降低，使PTEN對PIP3的作用減弱[15]。

第四種：NOTCH1靶基因C-MYC可以調控miR17-92簇。miR-17-92簇是miRNA多順反子的一種，在細胞的存活、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三個子簇中的miR-19兩者協同調節共同控制PTEN的地表達[16]。

總之NOTCH1可以通過C-MYC、ROS、CK2、mir17-92來調控PTEN，PTEN進而調控PI3K/AKT/mTOR信號激活。

3.2NOTCH1調控IL-7R、IGF1R 調節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細胞產生的細胞因子。IL-7受體(interleukin-7 receptor,IL-7R)主要由淋巴細胞表達，它對于T細胞的發育和周圍內環境的穩態起重要作用。IL-7R由α鏈和γC鏈構成。NOTCH1和IL-7R的增強子結合能并驅動其基因表達[17]。Jian等[18]發現，IL-7/IL-7R可以通過調節自噬相關因子Beclin 1來調節PI3K/AKT/mTOR信號通路。這與之前的理論略有不同：IL-7和IL-7R結合引起IL-7R構象改變并使Jak1、Jak3活化與反磷酸化，隨后IL-7Rα細胞質尾部的酪氨酸殘基(含保守的Y449)磷酸化，這就產生了下游效應分子PI3K等信號分子的對接位點，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[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)可以調節正常細胞的生長發育。在IGF1R中存在NOTCH1的反應性增強子，NOTCH1與CSL、MAML形成的三元復合物直接與IGF1R的增強子結合，進而上調IGF1R的轉錄和翻譯，使IGF1R維持在高水平表達[20]。也有研究證實血清微小RNA-223(microRNA-223,miR-223)可以降低IGF1R蛋白水平，而NOTCH1可以負性調節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IGF1R表達也可以間接促進IGF1R表達。

而IGF1、IGF2與IGF1R(一種跨膜受體酪氨酸激酶/RTK)結合引起下游通路如PI3K/AKT/mTOR信號通路的級聯反應，繼而調節細胞代謝和蛋白質的合成。Zorea等[22]研究證明高表達的IGF1R可以直接激活AKT/mTOR。

3.3NOTCH1調控AKT

3.3.1NOTCH1通過穹窿體主蛋白(major vault protein，MVP)調節AKT 穹隆復合體是一種具有中空筒狀結構的核糖核蛋白顆粒，MVP是穹隆體的主要組成部分。Xiao等[23]研究發現，NOTCH1胞內結構域(ICD)能夠與MVP啟動子上的CBF-1結合并驅動其轉錄，也就是說MVP作為NOTCH1的直接靶點，而MVP可以獨立激活AKT。

3.3.2NOTCH1轉錄激活DEPTOR選擇性激活AKT DEPTOR作為mTOR復合物的組成部分，與mTOR有特定的交互作用。DEPTOR一般作為mTOR內源性抑制劑，在DEPTOR缺失后可導致mTOR過度活化。此外，mTORC1和mTORC2也都可以在轉錄和翻譯后水平上負性調節DEPTOR的表達[24]。在以往的報道中AKT可以被PTEN、Hes1等多種機制激活。而Hu等[24]研究不僅證實NOTCH1可以直接結合并激活DEPTOR啟動子，最重要的是發現了AKT激活的替代機制，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，它在細胞周期的每個階段中都發揮關鍵作用，這主要與它的去磷酸化作用有關。AKT的活性由磷酸化與去磷酸化之間的平衡決定，Li等[25]研究發現，NOTCH受體的活化形式NICD過度表達導致TRY 307位點的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介導的PP2A過磷酸化也使PI3K(P85)的活性增加，但具體機制尚不清楚。

3.4NOTCH1調控mTOR

3.4.1C-MYC上調氨基酸轉運子調控mTOR Liu等[26]研究發現，氨基酸是激活mTORC1的關鍵。C-MYC可以激活SLC1A5和SLC7A6在內的多個氨基酸轉運體，這種氨基酸轉運子屬于膜轉運蛋白，能運輸大量底物進入胞內，并在各種生理及病理過程中發揮關鍵作用。這兩種氨基酸轉運子是驅動C-MYC激活mTOR的關鍵因素，在他們表達上調后，使細胞對氨基酸的攝取增多，進而級聯mTOR 激活。

3.4.2NOTCH1調控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結合的Rheb可以與mTOR的激酶結構域相互作用激活mTORC1的活性。以往的研究證實Rheb可以激活NOTCH1。而Cho等[27]發現，NOTCH1可以與Rheb啟動子上的NOTCH反應元件(Notch-responsive element,NREs)結合并誘導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。被認為是NOTCH1與Rheb之間的調節器。NOTCH1可以通過與NRE2和NRE3結合激活Rheb啟動子，而Rheb如上所述可以激活mTOR，這也就是說NOTCH1可以調節Rheb激活mTOR。而Okuhashi等[28]實驗研究曾證實，激活的NOTCH1信號通路可以直接激活mTOR蛋白的表達和磷酸化。

3.4.3MYC上調TSC1/2控制mTORC1 TSC1/2作為mTORC1的上游調節分子，調節機制已如上所述。Hartleben等[29]研究發現，MYC既可以減少微小RNA-15a(microRNA-15a,miR-15a)來間接靶向調控TSC1的mRNA的表達，也可以直接激活TSC1轉錄。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，這樣可以保護細胞中線粒體的穩態，也可以防止毒性ROS的累積，而ROS如上所述可以影響PTEN的表達而影響AKT的信號傳導。

NOTCH1信號通路和PI3K/AKT/mTOR信號通路在急性淋巴細胞白血病、膠質母細胞瘤及食管癌等腫瘤、哮喘及系統性紅斑狼瘡等自身免疫性疾病的發生和發展中發揮重要的作用，兩者之間的互相影響與調節亦為當今的研究熱點。NOTCH1信號通路不僅可以通過多種途徑調控PI3K/AKT/mTOR信號通路的激活，也會受到PI3K/AKT/mTOR信號通路的反調控：有研究報道，活化的AKT可以抑制NOTCH1酪氨酸的磷酸化進而減少NOTCH1被溶酶體途徑單泛素化和降解的數量,從而維持高水平的NOTCH1信號[30]。在上述研究的基礎上，進一步在疾病模型或患者中開展深入的體內外研究，對闡明兩個信號通路參與疾病的發生發展的機制及探索相關疾病新的治療靶點提供有意義的理論依據：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。