Akt信號通路在腫瘤中調控機制的研究進展

李娜，鄧茜，蔣建軍

(四川大學華西公共衛生學院 四川大學華西第四醫院姑息醫學科，成都 610041)

惡性腫瘤的發生發展是一個非常復雜的過程，涉及多個步驟，受多種因素影響，尤其與環境及遺傳因素關系密切。惡性腫瘤仍是影響人類生命健康最重要的病因，可導致巨大的疾病負擔。目前全球惡性腫瘤負擔仍處于穩定增長狀態。2020年，中國新發惡性腫瘤病例占全球新診斷病例的24%，惡性腫瘤相關死亡人數占30%，發病率和死亡率均高于全球平均水平[1]。蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)信號通路在各種腫瘤細胞的生長過程中起著非常重要的作用，其活化或者抑制調節細胞內多種生理生化反應，且這種調節通常不是簡單的促進或抑制，而是雙向調節。同時，活化的Akt通過參與細胞內信號通路或調控相關基因表達，影響炎癥和腫瘤的發生發展過程[2]。近年來隨著人們對腫瘤中Akt信號通路研究的增多，發現部分惡性腫瘤中Akt是過度激活的,如乳腺癌[3-4]、卵巢癌[5]、食管癌[6]、胃癌[7]、胰腺癌[8]、肺癌[9]、結直腸癌[10]。現從細胞增殖、凋亡、自噬及炎癥等方面，就Akt參與調控腫瘤發生機制進行綜述，以期為惡性腫瘤的基礎研究及臨床治療提供參考。

1 Akt家族及信號通路

Akt因其催化區域與蛋白激酶A和蛋白激酶C高度同源而得名。Akt的發現最早可追溯到20世紀70年代，人們在鼠類白血病病毒中發現了一種誘導細胞癌變的致癌基因序列，將其命名為Akt8，隨后在人類染色體中發現了Akt8的兩個同源癌基因，分別命名為Akt1(又稱為PKBα)和Akt2(又稱為PKBβ)[11]。之后又在哺乳動物細胞中發現了一種可歸類于Akt的癌基因Akt3(又稱為PKBγ)[12]。在腫瘤形成過程中，這3個家族成員所起的作用不同。對Akt基因亞型的研究發現，Akt1主要參與系統發育[13],Akt2主要參與糖代謝[14]，而Akt3只在神經系統發育過程中發揮作用[15]。

Akt可以被細胞外的刺激物(激素、生長因子、細胞因子以及化療藥物等)活化。Akt的活化途徑可分為磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)依賴、PI3K非依賴以及蛋白因子調控3種。PI3K/Akt信號轉導通路是經典的信號轉導通路。PI3K的pll0同時具有絲氨酸/蘇氨酸激酶和磷脂酰肌醇激酶活性。首先，活化的PI3K催化磷酯酰肌醇-4，5-二磷酸生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸的產生是招募、活化Akt所必需[16]。磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸與Akt的PH結構域結合，將Akt從細胞質轉運到細胞膜，并引起Akt的構象變化，從而暴露兩個磷酸化位點(Thr308和Ser473)。同時胞質中3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶也借助自身的PH結構域與磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸結合，從而使構象改變的Akt與3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶相互接近；然后Akt的Ser473和Thr308位點因被3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1磷酸化而部分激活，在3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶2或整合素連接型激酶作用下Akt Ser473也發生磷酸化而使Akt完全活化，蛋白復合物激酶哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物2也能磷酸化Akt Ser473[17]。Akt的激活有時需要激酶活性區域中兩個酪氨酸殘基(Akt1的Tyr315和Tyr326)的磷酸化，且此過程取決于Src家族的酪氨酸激酶。活化的Akt進一步激活其下游因子[Bcl-2家族、轉錄因子E2F、糖原合成酶激酶-3(glycogen synthase kinase-3,GSK-3)、叉頭框轉錄因子等]，調節一系列與細胞生長、增殖以及存活相關的蛋白功能，促進細胞的生長增殖，抑制細胞凋亡[18]。

2 Akt在腫瘤中的調控機制

2.1促進腫瘤細胞增殖 惡性細胞的持續增殖是腫瘤發生發展的重要因素，Akt信號通路通過調節糖代謝、蛋白質合成以及調控細胞周期蛋白，促進腫瘤細胞增殖。腫瘤細胞可以從糖代謝中獲得能量，而抑制參與糖酵解途徑的關鍵酶或抑制糖代謝發揮抗腫瘤作用[19]。高水平的糖酵解和葡萄糖攝取是癌癥的重要標志，葡萄糖轉運體1在各類腫瘤中高表達[20-24]，其水平限制了葡萄糖的攝取。Akt信號通路可以通過各種機制直接調節細胞的糖代謝。田云等[25]的研究發現，活化的Akt通過促進葡萄糖轉運體1表達，促進糖酵解。Zhou等[26]研究發現，葡萄糖轉運體1可作為Akt信號通路的上游信號分子，通過促進Akt表達，促進胃癌進展。此外，鈉-葡萄糖偶聯轉運體1也在人類腫瘤中發揮重要作用，其通過調控細胞內鈉離子的濃度梯度介導葡萄糖跨細胞膜主動轉運[27]。Wang等[28]研究發現，鈉-葡萄糖偶聯轉運體1在人類表皮生長因子受體2陽性乳腺癌細胞中高表達，且PI3K/Akt/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號通路可被鈉-葡萄糖偶聯轉運體1激活，正向影響人類表皮生長因子受體2陽性乳腺癌細胞的增殖。以上研究提示，激活的Akt信號通路可通過葡萄糖轉運體1和鈉-葡萄糖偶聯轉運體1參與糖代謝。

Akt通過調節核糖體的生物合成和信使RNA的翻譯影響蛋白質的合成，調控細胞增殖。Akt磷酸化結節硬化性因子2誘導活性Rheb形成，以抑制結節硬化性因子1-結節硬化性因子2復合物的活性，解除該復合物對翻譯活化蛋白p70核糖體蛋白s6激酶的抑制，激活真核翻譯起始因子4E結合蛋白1[29]。隨后形成的Rheb又反過來通過磷酸化活化mTOR，mTOR介導真核翻譯起始因子4E結合蛋白1的磷酸化，推動蛋白合成的起始步驟[30]。p70核糖體蛋白s6激酶的共同活化使s6核糖體蛋白磷酸化，該蛋白參與調節蛋白質翻譯，增加含5′終端信使RNA信息的翻譯(5′頂部域)。p70核糖體蛋白s6激酶的下游是真核延伸因子2，而真核延伸因子2磷酸化失活可促進蛋白延長[31]。

Akt調控特異性底物(如3-catenin、p21、p27、MDM2或叉頭框轉錄蛋白)的活性，其促進細胞增殖的一個重要機制是通過自身磷酸化參與調節這些底物的細胞質和細胞核定位。有絲分裂信號通過PI3K/Akt信號通路轉導至GSK-3β，通過上調包括細胞周期蛋白D、細胞周期蛋白E在內的細胞周期蛋白的表達，加快腫瘤細胞在G1期的進程，繼而增強細胞的增殖和分化，加速腫瘤的發生和進展[32]。PI3K/Akt信號通路被抑制后可激活GSK-3β，阻滯結腸癌細胞G1/S期的過渡，細胞增殖受到抑制[33]。

2.2抑制腫瘤細胞凋亡 腫瘤細胞凋亡減少也可促進腫瘤發生。凋亡是涉及多個細胞信號轉導通路的復雜過程，細胞內的多種蛋白和因子參與其中。凋亡的發生涉及兩個核心途徑，即外在或死亡受體途徑和內在或線粒體途徑，這兩種途徑均與胱天蛋白酶(caspase)的激活相關。caspase家族是一類同源半胱氨酸蛋白酶，廣泛參與細胞凋亡的調控。在Liu等[34]的研究中，Akt信號通路被抑制后，caspase-3和caspase-9的表達增強，導致膀胱癌細胞凋亡。Li等[35]研究發現，骨肉瘤細胞中Akt信號通路被抑制后，caspase-3表達增強，促進了細胞的凋亡。細胞凋亡誘導因子存在于線粒體內膜，當特異性死亡信號產生時，細胞凋亡誘導因子從線粒體釋放至細胞質，并易位至細胞核內。在Won和Seo[36]的研究中，Akt信號通路被抑制后可上調凋亡誘導因子的表達，進而誘導非caspase依賴性的細胞凋亡。

Bcl-2相關死亡啟動子(Bcl-2 associated death promoter,Bad)位于Akt信號通路的下游，可調節細胞凋亡，是Bcl-2同源性結構域3相關蛋白。未磷酸化的Bad可與抗凋亡蛋白Bcl-2或Bcl-xL在線粒體膜上結合形成促凋亡復合體，促進線粒體中細胞色素C釋放，并激活凋亡相關蛋白[Bcl-2相關X蛋白(Bcl-2 associated X protein，Bax)等]，從而誘發細胞凋亡[37]。Akt信號通路被抑制后可引起Bad的去磷酸化，導致Bad活化，進而增加線粒體外膜通透性，引起促凋亡蛋白細胞色素C和線粒體促凋亡蛋白Smac釋放到細胞質中，細胞質中細胞色素C的存在將激活caspase-9，加速細胞凋亡[38]。Bax是Bcl-2家族的另一個促凋亡蛋白。Bcl-2家族抗凋亡蛋白選擇性與Bax結合并阻止其寡聚，然后Bax插入線粒體膜，損害線粒體膜完整性并釋放細胞色素C，導致caspase-3激活和細胞凋亡[39]。

GSK-3β是PI3K/Akt信號通路的下游分子，其活性受Akt的負調節，Akt信號通路被激活后可導致下游靶標GSK-3β磷酸化而失活。在人肺癌細胞中，Akt信號通路被抑制后可提高GSK-3β的活性，影響腫瘤進展[40]。在前列腺癌細胞中，當抑制Akt時GSK-3β被激活并磷酸化電壓依賴性陰離子通道蛋白，導致己糖激酶2與電壓依賴性陰離子通道蛋白分離；此外，Bcl-2家族凋亡蛋白Bax和Bak的表達增加，活化形式的caspase-3增加，隨后電壓依賴性陰離子通道蛋白與Bax和Bak結合，誘導線粒體膜通透性改變，從而導致細胞凋亡[41]。以上研究結果揭示，GSK-3β可影響細胞凋亡和腫瘤進程。

2.3調節腫瘤細胞自噬 自噬對于保持細胞平衡和能量代謝起著關鍵作用。在腫瘤發生早期，自噬被抑制，致使癌前細胞持續生長，此時自噬發揮抑癌作用；而在腫瘤晚期，腫瘤細胞利用自噬對抗營養不足，這時自噬可以促進惡性腫瘤發展[42-43]。Akt信號通路是調節自噬的重要信號通路，Han等[44]的研究表明，在膠質瘤細胞中Akt信號通路被抑制后，微管相關蛋白1輕鏈3-Ⅱ的表達水平提高，促進了細胞自噬。另一方面，誘導自噬性細胞死亡可能是化學療法殺死腫瘤細胞的新方法。Yang等[45]的研究發現，Akt信號通路被激活后，口腔鱗癌細胞的自噬性凋亡減少，促進了口腔鱗癌的進展。而Xia等[46]的研究同樣證明，在肺癌細胞中，Akt信號通路被抑制后促進了肺癌細胞的自噬性凋亡。

2.4調節炎癥及腫瘤微環境 炎癥是由外來病原體入侵以及組織損傷等有害刺激所引發的一種適應性反應，也可認為是生物體的一種保護性機制。但是炎癥長時間存在不僅不利于機體恢復，還可能誘發一系列疾病，甚至腫瘤。PI3K/Akt信號通路在炎癥介質的表達與激活、炎癥細胞招募、免疫細胞功能增強以及慢性炎癥發生發展中發揮重要作用[47]。Akt可通過調控多個下游效應靶點和各種分子的表達，進而影響腫瘤的發生發展。戴璐等[48]的研究證實，腫瘤壞死因子-α通過激活GSK-3β增加磷酸化Ser9位點的表達，激活PI3K/Akt信號通路，而PI3K/Akt信號通路抑制劑MK2206可通過抑制Akt磷酸化，抑制PI3K/Akt信號通路多個下游效應因子的表達，同時下調抗凋亡蛋白Bcl-2的表達，增加凋亡蛋白Bax的表達，進而在體內外抑制腫瘤生長，提示炎癥因子通過活化PI3K/Akt通路促進腫瘤細胞增殖，故抑制該通路可抑制腫瘤細胞增殖，促進其凋亡。Zununi Vahed等[49]研究發現,經過益生菌處理人結腸腺癌細胞中Akt的表達下調，同時Bax和Bcl-xL以及caspase-3的表達上調，激活了線粒體凋亡途徑，促進了腫瘤細胞的凋亡。

腫瘤微環境，即腫瘤細胞的生存環境，包括惡性腫瘤細胞和周圍的腫瘤間質，腫瘤間質中最豐富的非癌細胞類型是腫瘤相關巨噬細胞(tumor-associated macrophage，TAM),其對腫瘤微環境的影響意義重大。TAM滲透并積聚在腫瘤微環境中，通過誘導血管生成和細胞外重塑加速腫瘤生長。TAM還通過釋放細胞因子、趨化因子、微RNA和無機化合物，進而使化療藥物產生耐藥[50-52]。另有研究發現，口腔癌中有TAM的浸潤，TAM可調節口腔鱗癌細胞對化療的敏感性[53-54]。TAM分泌的某些細胞因子可通過激活Akt信號通路抵抗化療耐藥，參與細胞增殖或遷移的調節[55-57]。TAM分泌的趨化因子配體2激活了腫瘤細胞中的PI3K/Akt通路，促進乳腺癌對他莫昔芬的化療耐藥[55]。體外研究表明，巨噬細胞來源的CXC趨化因子配體8通過CXC趨化因子受體1和2磷酸化Akt和胞外信號調節激酶1/2，促進食管鱗癌細胞遷移和侵襲[56]。Yuan等[57]的研究發現，TAM通過PI3K/Akt信號通路影響肺腺癌A549細胞的體外增殖、侵襲和遷移。

3 Akt的臨床應用

Akt信號通路參與多種腫瘤細胞的調控，針對Akt信號通路的靶向治療可能是一種有效的輔助抗腫瘤措施。此前有學者發現，60%～70%的結腸癌患者存在Akt激活，且PI3K/Akt/mTOR信號通路與結直腸癌關系密切，提示可通過靶向抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路治療結直腸癌[58]。c-Myc/Akt/TBX3信號通路具有促進橫紋肌肉瘤細胞增殖、遷移、橫紋入侵以及腫瘤形成的作用，提示c-Myc/Akt1/TBX3信號通路可能是胚胎橫紋肌肉瘤治療的重要的靶點，針對c-Myc/Akt/TBX3信號通路的治療策略可以顯著改善胚胎橫紋肌肉瘤患者的生存率[59]。目前，針對PI3K/Akt/mTOR通路的抑制劑已開始應用于臨床，如Akt抑制劑哌力福斯、mTOR抑制劑替羅莫斯，PI3K/Akt/mTOR通路抑制劑可考慮用于腫瘤的治療，以期阻斷疾病進展，改善患者預后。Lee等[60]開展了一項針對鉑類耐藥的高級別漿液性卵巢患者的Ⅱ期臨床試驗，研究共納入6例患者，用Akt信號通路抑制劑MK-2206治療后，1例患者的生存時間明顯延長，4例患者病情穩定獲益。另一項Ⅱ期臨床試驗發現，PI3K抑制劑Pictilisib可以抑制PI3K/Akt通路，并在體內外均增強了順鉑和吉西他濱抗膀胱癌的作用[61]。

4 小 結

Akt信號通路在腫瘤的發生發展中發揮重要作用，可通過調節糖代謝，影響蛋白質合成等促進腫瘤細胞增殖；通過調控細胞內的多種凋亡蛋白及因子抑制腫瘤細胞凋亡，參與調控自噬信號通路而干預腫瘤細胞自噬性凋亡；Akt信號通路在慢性炎癥的發生發展中也發揮重要作用，且通過調節腫瘤微環境而進一步調控腫瘤細胞的生物學行為。Akt信號通路是目前研究比較清楚的信號通路，而Akt抑制劑非常有希望用于抗腫瘤的輔助治療。但目前大量研究仍處于實驗室階段。雖然有些針對Akt信號通路的抑制劑已經應用于臨床，但效果尚不理想。因此，未來需要進行大量的基礎和臨床研究以尋找用于腫瘤治療的Akt抑制劑，并最終為腫瘤的臨床治療提供幫助。