PI3K/Akt信号通路在肿瘤中的表达及其与增殖和凋亡的作用

郭润丽 雅健 李新春 王文立 莫中福 姜博 李玉霞 马晓静 赵建辉 宋铁鹰

磷酸肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3 kinese/protein kinase B，PI3K/Akt)信号通路是1987年发现小鼠的白血病病毒可以引起上皮细胞系CCL264出现恶性转化灶，而在这个反转录病毒中找到的一个癌基因，由于该蛋白激酶需要丝氨酸、苏氨酸位点的磷酸化，故命名为蛋白激酶(Akt)［1］。它在真核生物的调控网络中普遍存在，同时是多种信号传导通路的相互交叉连接的重要枢纽，可调节多种细胞外因子的信号传递，并与Ras癌基因激活的过程密切相关［2］。以往研究表明，Akt信号通路在细胞的物质代谢、细胞周期调控以及血管生成等方面发挥重要作用［3－6］。与糖尿病、类风湿关节炎等多种自身免疫性疾病发生发展密切相关。近年来，PI3K/Akt通路与肿瘤的关系越练越引起人们的重视［7］。由于PI3K/Akt信号通路能对小分子量G蛋白-RAS蛋白的功能进行调控，而RAS基因作为人类首个发现的癌基因，对肿瘤的生长、增殖、物质运输、侵袭转移都发挥着重要的作用;同时，在多种肿瘤细胞系中均可检测到PI3K/Ak信号通路相关抑制基因的缺失或失活、PI3K基因的突变或扩增、相关受体或通路下游枢纽分子的激活或活化，使该信号通路成为在近年来的研究中的热点。本文就PI3K/Akt的调控途径及其与肿瘤的关系作一综述。

1 PI3K/Akt通路的组成及激活

1991年，Akt基因被克隆。Akt由N末端的调节区、中间的酶活性区、C末端的调节区和铰链区四部分组成。N末端调节区有一个PH区，中间酶活性区是具有催化丝氨酸、苏氨酸残基的基团，可发生磷酸化而被活化，其中308位点的Thr的磷酸化是Akt活化所必需的;C末端富含脯氨酸的疏水结构域，可跨膜转运，其中含有Akt完全活化所必需的第2个磷酸化位点，即473位的Ser。1995年，Akt作为PI3K的一个靶分子被发现。随后的研究显示AKT分为AKT1、AKT2、AKT3 3个亚型，在所有细胞类型和组织中普遍表达，但在某些组织中的表达具有差异性，如Akt1与Akt3在广泛表达于人体各组织中，Akt2主要表达于脑、肾、心、睾丸等组织中，在机体各种生物学功能中发挥着广泛的调节作用［8］。动物实验表明，Akt1与胎儿生长发育有关，缺陷者可表现为生长延迟。Akt2与葡萄糖转运蛋白GLUT-4的调节有关，是胰岛素参与糖代谢的主要介质，其缺陷可导致血糖和胰岛素异常［6］，Akt3缺陷者可出现脑体积的减小。肿瘤组织中AKT亚型表达也是不同的，其中AKT3有着更严格的表达模式。在正常组织和肿瘤细胞中，Akt能被细胞内多种物质如激素、生长因子、细胞外基质成分等激活，AKT通过对多种底物磷酸化及去磷酸化的方式，调控细胞的生长、存活、凋亡机制。其活化可分为磷脂酰肌醇激酶3依赖型和磷脂酰肌醇激酶3非依赖型两种。磷脂酰肌醇激酶3是一种细胞内的磷脂酰肌醇激酶，它可特异性的活化肌醇基团环上的第3位羟基，具有蛋白激酶和类脂激酶双重活性。Akt是PI3K/Akt信号通路的中心环节，PI3K/Akt信号通路对多种生命活动的调控，均依赖AKT蛋白的磷酸化。其激活方式通常受到双重调控:即Akt蛋白多肽链上Thr308和Ser473需要同时发生磷酸化。具体激活方式如下:PI3K激活后在质膜上产生第二信使PIP3，作为第二信使，PIP3可与细胞内信号蛋白Akt和PDK1、PDK2等蛋白相结合，PIP3与Akt结合后，诱导无活性的Akt等蛋白从细胞浆移位到胞膜上，同时催化蛋白链上 Ser124和Thr450磷酸化，获得催化活性。Ser124和Thr450磷酸化后使Akt蛋白的空间构象发生改变，暴露出Thr308和Ser473位点。同时，转位于细胞膜的Akt与PDK1等蛋白可进一步相互靠近，PDK1蛋白催化Akt的Thr308磷酸化;PDK2再对Akt的Ser473位点磷酸化;Thr308和Ser473的活化最后导致Akt蛋白完全活化。活化的Akt引起下游相关靶蛋白的磷酸化级联反应［9］，导致相应靶蛋白的激活或失活，对细胞周期的启动和运行产生影响，从而调控细胞生长与存活、增殖与凋亡、血管生成、细胞迁移等多种细胞活动和生物学效应［10］。

2 Akt对底物的调节机制及其生物学功能

到目前为止，对Akt底物的研究发现。活化的Akt能影响下游100多种Akt的底物效应分子的活化状态。在细胞内发挥着对细胞周期相关蛋白、凋亡相关蛋白的调控、发挥对增殖，凋亡等生物学效应的影响。

2．1 对凋亡的影响 凋亡是指在特定时空发生的，受机体严格调控的细胞“自杀”现象，凋亡的过程受众多的基因调控，AKT信号传导途径在凋亡过程中发挥了重要的作用，但其对凋亡的影响，目前尚缺乏明确的结论。甚至部分研究结果相互矛盾。

2．2 对增殖的影响 肿瘤细胞失控性的增殖是肿瘤演进、侵袭和转移的基础和重要前提。肿瘤的增殖受一系列基因的调控，最终都从不同的途径汇聚到细胞周期机制中，从而改变了细胞周期的调控，使细胞获得以增殖过多、凋亡过少的生物学特征。细胞周期的调控主要受细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinases，CDKs)和CDK抑制蛋白(CDKIs)等多种蛋白所共同调节，在细胞周期不同的时相，出现不同的细胞周期素的产生、累积与分解，激活相应的CDK，从而驱动细胞周期的启动与运行。AKT信号传导途径可通过多种途径影响细胞周期素的生成或抑制CDKI的活性。

2．3 PI3K/Akt信号通路与肿瘤血管生成 PI3K与血管生成密切相关，PI3K的3种催化亚基中，p110a亚基作用最大，该蛋白可直接影响新生血管内皮细胞的形成，其机制目前认为与p110a激活RhoA，促进内皮细胞的增殖和迁移，形成内皮细胞索密切相关。当敲除该基因后，发现实验动物胚胎出现发育停滞，妊娠中期胎儿在母体内血管形成出现缺陷。目前认为PI3K/AKT通路促进血管形成的机制为:活化的AKT可使内皮型一氧化氮合酶磷酸化使之激活，产生NO，NO与血管生成密切相关［11］;另一方面，PI3K/Akt还通过激活激酶 HDM2调控VEGF和缺氧诱导因子1α的表达［12］。HIF-1α作为一种细胞外因子，可促进细胞对VEGF及其他血管生成因子的表达和分泌，而VEGF作为目前发现的最强大的血管生成诱导剂，可反馈性活化PI3K/AKT信号通路，从而进一步刺激血管生成;Akt也可直接磷酸化激活上游激酶使NF-κB从细胞质中释放出来转位到核，作为转录因子直接激活一系列的基因而促进细胞的存活和对细胞周期的调控。肿瘤的生长及转移有赖于血管的形成，PTEN作为PI3K/Akt途径重要的负调节分子，通过PI3K/Akt信号通路抑制NO的生成，从而抑制肿瘤血管内皮细胞生成。当加入VEGFR2的抑制剂SU1498后，肿瘤细胞增殖与迁移明显受到抑制。

2．4 PI3K/Akt信号通路与细胞迁移与侵袭 PI3K/AKT信号通路在肿瘤细胞的侵袭和转移过程中发挥重要作用。其作用机制主要表现为以下方面。(1)首先，PI3K/KT信号通路可通过对其下游的效应基因如Rho、cdc4蛋白表达的调控，促进细胞骨架蛋白的生成，调节细胞伪足样运动、加速细胞骨架蛋白的重建，促进肿瘤细胞的趋化运动。(2)PI3K/AKT信号通路还可通过多种途径调节肿瘤细胞对细胞外基质的降解，影响基质金属蛋白酶合成和分泌，增强肿瘤细胞对钙粘连素的降解，促进癌细胞的侵袭和转移［13，14］。(3)PTEN作为一种肿瘤抑制基因，可有效拮抗PI3K/Akt通路的活性，作为PI3K/AKT信号通路最重要的负性调控因子，通过其蛋白磷酸酶活性负调控整合素相关激酶信号的转导，抑制整合素介导的细胞粘附、迁移和侵袭过程中起的作用，使肿瘤细胞的粘附性降低，与细胞外基质间的结合松解。(4)PI3K/AKT通路通过抑制VEGF、缺氧诱导因子1α的表达［15］，有效促进肿瘤组织血管的生成，为肿瘤的迁移和侵袭提供重要的前提和基础。

综上所述，PI3K/AKT信号通路可能通过对肿瘤细胞增殖和凋亡相关信号传导通路的调控，一方面促进肿瘤细胞的增殖活性，进一步增强肿瘤细胞的浸润和转移的能力。另一方面，通过对肿瘤细胞凋亡相关蛋白的影响，促进内源性凋亡抑制物的激活和/或抑制凋亡相关蛋白激酶的表达和活化，抑制肿瘤细胞的凋亡。因此，PI3K/AKT信号通路可能是肿瘤发生发展的核心调控环节，从而也成为对其进行基因治疗的关键靶点。进一步深入研究具有重要的理论和临床意义。

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