PI3K/Akt/mTOR信号通路在肿瘤中的研究进展

肖亮 综述，殷小成 审校

（南华大学附属第一医院儿科，湖南衡阳421001）

PI3K/Akt/mTOR信号通路在肿瘤中的研究进展

肖亮 综述，殷小成 审校

（南华大学附属第一医院儿科，湖南衡阳421001）

磷脂酰肌醇类；蛋白激酶类；信号传导；肿瘤；综述

磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，Akt）和哺乳动物雷帕霉素蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路对许多生理和病理过程是至关重要的，如细胞增殖、血管生成、新陈代谢、分化和存活，因此，被认为是癌症的主调节器。有研究表明，PI3K信号通路的异常活化与多种实体瘤和血液恶性肿瘤的发生、进展及耐药相关，靶向PI3K途径作为治疗策略成为肿瘤研究的热点。现将PI3K/Akt/mTOR信号通路组成及其功能、PI3K/ Akt信号通路的调节及其相关研究综述如下。

1　PI3K/Akt/mTOR信号通路

1.1PI3K及其活化PI3K是具有磷酸化磷脂酰肌醇3羟基的一类脂类激酶，目前，已知有3种同工酶，其中Ⅰ型PI3K在信号传导中的研究最为广泛包括ⅠA、ⅠB两种亚群，Ⅰ类PI3K是由调节亚基p85和催化亚基p110组成的具有丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶和磷脂酰肌醇激酶双重活性的异源二聚体。细胞外多种生长因子，如胰岛素样生长因子、白介素-7、血管内皮生长因子等结合其在细胞表面的膜蛋白酪氨酸激酶受体并诱导细胞内PI3K激活。也可被Ras蛋白与其p110亚基结合激活。PI3K磷酸化产生第二信使——3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇［3，4，5-three phosphate，PI（3，4，5）P3］。PI3K激活后募集细胞蛋白激酶，激活丙酮酸脱氢酶激酶1（pyruvate dehydrogenase kinase1，PDK1）和丝氨酸/苏氨酸激酶Akt蛋白。

1.2Akt及其活化Akt是调节大量下游目标最终能控制关键细胞存活和代谢过程的一种丝氨酸苏氨酸激酶，也称为蛋白激酶B，是PI3K重要的下游分子。Akt激酶属于AGC激酶家族，有3个Akt基因，即Akt1、Akt2、Akt3亚型，分别由3种不同基因编码。Akt1参与细胞增殖及存活，Akt2与胰岛素共同参与糖类物质代谢，Akt3调节细胞大小及数目［1］。均由3个功能域组成：N-末端PH结构域、一个中央激酶结构域CAT和含有调节疏水基序的C-末端EXT域。N-末端PH结构域介导蛋白质、脂质之间相互作用；CAT中有Akt活化所必需的腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）结合的苏氨酸位点（Thr308）；EXT结构域中具有另一个所必需的丝氨酸位点（Ser473）。PI3K的活化促使PI（3，4）P2和PI（3，4，5）P3作为Akt的配体募集Akt至细胞膜上，使Akt构象发生改变，暴露Akt中ATP结合位点——Thr308、Ser473（分别位于激酶活性区和羧基末端调节区），在磷酸肌醇依赖性蛋白激酶——PDK1和PDK2的参与下使Ser473、Thr308位点磷酸化，从而促进Akt激活。活化的Akt从细胞膜进入细胞质及细胞核，作用于Akt下游底物——mTOR，其是目前已知的具有高度复杂信号传导途径的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，控制细胞生长、增殖、代谢和细胞凋亡的关键调节物［2］。mTOR由mTORC1和mTORC2两种多蛋白复合体组成。mTORC1对雷帕霉素（西罗莫司）非常敏感［3］。相反，mTORC2被认为对雷帕霉素耐受［4］。mTORC1控制细胞基因转录、蛋白质合成和细胞增殖［5］，所以，mTOR失调将导致人类诸多疾病的发生包括癌症。活化的mTORC1可诱导核糖体S6激酶（Thr389）、真核翻译启动因子4E（Ser209）及4EBP1磷酸化［6］。mTORC2参与细胞骨架的调节，从而最终控制关键细胞的存活和代谢过程。

2　PI3K/Akt信号通路的调节

PI3K途径受多种因子的内源性负调节。参与PI3K/ Akt信号通路的调节因子主要有肿瘤抑制基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）、C末端调节蛋白（C terminal regulatory protehiin，CTMP）、肌醇5′-磷酸酶（SH2 domain containing inositol 5′-phosphatase，SHIP2）等。类脂磷酸酶——PTEN为第10号染色体同源丢失性磷酸酶-张力蛋白的抑癌基因，是多种细胞生长、分化和维持生存的抑制物。PTEN抑制PIP3去磷酸化回到PIP2，使细胞内PI（3，4，5）P维持较低水平，从而阻断Akt及其下游分子活化［7］。PTEN发生突变或失活可使PI3K/Akt信号通路过度活化，PTEN突变生殖细胞系产生已知的罕见遗传性综合征，如考登病，以及与高风险相关的其他癌症包括乳腺癌、甲状腺癌和子宫内膜癌［8］。因此，PTEN活性的损失将导致永久性PI3K/Akt通路激活。另外PIK3CA编码PI3K的催化亚基p110，而p110突变可引起PI3K激活，从而诱导Akt活化［9］。此外SHIP2是一种磷酸酯酶，从PIP3的5′去除磷酸而转变为PI（3，4）P2降解，从而阻断Akt及其下游效应分子的有效活化。CTMP通过与Akt蛋白结合抑制其活性从而阻断下游信号传导。

3　PI3K/Akt信号通路在肿瘤中的表达

PI3K信号途径失调几乎涉及所有人类癌症。PIK3CA基因扩增及获得性基因突变在癌症中极为普遍，且通过PI3K通路促进信号的激活。事实上PIK3CA是人类肿瘤中最常见的突变致癌基因之一［10-12］。PTEN基因突变、缺失和表达水平降低也在人类肿瘤中经常被观察到［13］。PI3K在卵巢和子宫颈癌中过度表达，其突变在乳腺癌、胶质母细胞瘤和胃癌中被观察到，虽然Akt蛋白本身突变是罕见的，Carpten等［14］描述了Akt1酶也发生在人类一小部分乳腺癌、卵巢癌和结肠直肠癌细胞中。此外激活PI3K可上调ATP结合转运蛋白G超家族成员2的表达及增加肿瘤干细胞样细胞在急性髓细胞白血病（acute myeloid leukemia，AML）和急性淋巴细胞白血病的比例［15］。有研究表明，PI3K/Akt信号通路在白血病的发生、发展中也存在过度激活，其具有调控肿瘤细胞增殖、存活、转化、黏附和细胞外基质的降解等生物学功能［16］。在大部分AML细胞中存在PI3K/Akt/mTOR信号通路活化且对AML原始细胞的存活是必不可缺的［17］。慢性粒细胞白血病中t（9；22）（q34；q11）染色体转位形成融合基因BCR/ABL，可持续激活PI3K/Akt信号通路，促进肿瘤细胞增殖，使凋亡受阻，促进肿瘤的发生［18］。因此，可预测PI3K/Akt信号通路能作为临床治疗的靶点。

4　以PI3K/Akt信号通路分子为靶点的肿瘤治疗策略

随着对PI3K/Akt信号通路研究的深入，已取得了PI3K/Akt信号通路在细胞生长和肿瘤发生中的功能。目前，靶向PI3K/Akt信号通路各节点的抑制剂及药物的研究已成为热点，同时也为抗癌治疗提供了针对性靶点。在前期的科研试验及早期临床应用中多种PI3K/ Akt信号途径“关键点”的小分子抑制剂已取得明显的应用效果。

4.1PI3K抑制剂PI3K抑制剂大体分为PI3K亚型特异性抑制剂、泛PI3K抑制剂和PI3K/mTOR双重抑制剂。第1代PI3K抑制剂包括类化合物——渥曼青霉素和LY294002，其能结合所有的Ⅰ类PI3K，因此，被称为“泛抑制剂”。第2代抑制剂的特征在于具有更大的选择特异性［19］。有研究表明，ZSTK474联合放疗较单独应用ZSTK474或单独放疗效果更加显著，且无明显不良反应［20］。LY294002能特异性抑制PI3K的p110亚基活性，阻断PI3K/Ak信号通路活化，从而增加化疗药物对肿瘤细胞的敏感性，逆转肿瘤细胞耐药。这些化合物被广泛应用于临床前模型。然而，由于非常差的药代动力学性质，其从来没有完全被开发作为抗癌药临床应用［21］，多用于PI3K抑制剂的研究。此外近年来，有研究合成了一类新的PI3K抑制剂，可选择性抑制不同亚型PI3K，从而降低了药物不良反应，如BYL719、GDC-0032和INK1117，均能抑制p110α，还可抑制p110δ的CAL-101［22］。

4.2Akt抑制剂Akt抑制剂通过临床开发稳步推进。Akt作用于mTOR上游，预期其能更有效地降低信号传导，从而提高抗肿瘤作用。Akt抑制剂主要包括Akt变构抑制剂及ATP竞争剂等。总之，Akt抑制剂是具有ATP竞争特点的，而该类抑制剂，如AT-1314和A-443654正处于临床观察中。与ATP竞争抑制剂比较，Akt变构抑制剂更具有特异性。Akt变构抑制剂——MK-2206在多种肿瘤细胞系的临床前研究显示了抗肿瘤活性，当前已进入Ⅱ期临床试验［23］。且在肝癌的研究中发现，其可使抗血管生成治疗无效或是不耐受的肝癌晚期患者有所缓解，ATP竞争催化抑制剂——GSK690693也进入了晚期实体瘤试验中［24］。这2种变构和催化的Akt抑制剂的毒性已被证明与mTOR抑制剂观察到的不良事件包括高血糖症、皮疹、口腔炎和胃肠道反应类似。

4.3mTOR抑制剂mTOR抑制剂在治疗肺癌、卵巢癌、淋巴瘤时观察到了较好的疗效。目前，已开发的PI3K/ Akt/mTOR信号通路抑制剂有选择抑制剂及干扰该途径的不同组成部分的抑制剂，会产生不同的生物效果。第1代mTOR抑制剂，如变构的mTORC1抑制剂——雷帕霉素和RAD001显示出主要体内外的抗增殖作用，从而延缓肿瘤细胞生长、繁殖，但对肿瘤细胞凋亡的效果不佳，原因之一是雷帕霉素抑制mTORC1的同时反馈性提高PI3K信号活跃度，导致细胞存活。第2代是以mTOR激酶域的ATP结合点为靶点，对mTORC1和mTORC2复合体均产生抑制作用，能阻断Akt-Ser473位点的磷酸化，如PP242。PP242抗癌效果优于雷帕霉素是由于PP242额外对mTORC2具有抑制效应，而这正是雷帕霉素所没有的，但该类抑制剂不能避免反馈效应对PI3K的影响。

4.4PI3K/mTOR抑制剂第3代化合物包括所谓的双PI3K/mTOR抑制剂，其被认为具有强大的抗癌效应。且不仅抑制PI3K的所有Ⅰ类亚型，同样抑制mTORC1和mTORC2（更值得注意）。从理论上讲，这种结合在整个抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路中作用最强［25］。NVPBEZ235是一种新型PI3K/mTOR双重抑制剂，抗肿瘤作用包括感应吞噬、细胞凋亡、细胞周期阻滞、预防和DNA修复［26］。其是最早进入临床试验的双重抑制剂，现正处于Ⅱ期临床试验中。BEZ235是新的咪唑并喹啉衍生物，在不考虑PI3KCα亚基突变的情况下BEZ235表现出更好的抗细胞增殖作用［27］，同时还抑制体内血管生成。OSI-027抑制AML患者原始白血病前体较雷帕霉素体外抗白血病作用有效得多［28］。PF-04691502通过使用双PI3K/mTOR抑制剂阻断PI3K/mTOR信号通路可抑制肠癌细胞体外及体内异种移植物肿瘤的生长［29］。PI3K/mTOR双重抑制剂对PI3K/Akt/mTOR信号通路的抑制作用强于抑制单个位点的作用，因此，该类药物可产生更严重的不良反应。到目前为止，这些抑制剂与泛PI3K抑制剂的不良反应相似包括恶心、呕吐、腹泻等。在细胞环境中PI3K/Akt/mTOR信号通路各部件在细胞增殖和生存的相对贡献尚有待于进一步解决，如对PI3K/ mTOR通路信号在肿瘤细胞中作用机制的研究优先于其在临床有限的应用，这些研究揭示了PI3K/mTOR通路信号抑制剂具有巨大的发展潜力。

5　展望

PI3K/Akt信号通路的过度活化在人类恶性肿瘤进展中具有关键作用。因此，抑制PI3K/Akt信号通路为癌症治疗提供了可能。然而，目前对PI3K/Akt信号通路的详细途径的认识非常有限，大大限制了PI3K/Akt抑制剂的抗癌功效。因此，对PI3K/Akt信号通路机制的研究及其阻断剂的开发应用是目前面临的最大挑战。相信随着PI3K/Akt信号通路分子机制的逐步明朗，将更加有利于深入理解肿瘤发生及发展的本质，为肿瘤治疗提供新的方法。

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（2016-01-10）