PI3K／Akt／mTOR信号通路与结直肠恶性肿瘤

刘田田，毕经旺

PI3K／Akt／mTOR信号通路与结直肠恶性肿瘤

刘田田，毕经旺＊

结直肠癌（colorectal cancer，CRC）是世界大多数地区最常见的恶性肿瘤之一。它的发展是一个多步骤过程，以改变正常细胞的分子信号为启动点，促进细胞发展，最终产生一种表型改变的恶性转化细胞。已有报道指出磷脂酰肌醇3－激酶／蛋白激酶B／哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 ［phosphatidylinositol－3－kinase（PI3K）／protein kinase B（Akt）／the mammalian target of Rapamycin（mTOR），PI3K／Akt／mTOR］信号通路与结直肠恶性肿瘤产生有紧密的联系。也有报道证明约60%～70%的结直肠癌患者存在Akt信号的活化及PTEN的表达受损，进而说明PI3K／Akt／mTOR信号通路抑制药可以作为恶性肿瘤治疗的潜在靶点。近年来，PI3K／Akt／mTOR信号通路受到越来越多的关注，在不同的实验模型中利用针对这条通路的天然及合成药物来降低恶性肿瘤负荷。将近年来PI3K／Akt／mTOR信号通路在结直肠恶性肿瘤中的研究做一综述，并就今后结直肠恶性肿瘤中该通路可能的研究方向进行展望。

PI3K／Akt／mTOR；信号通路；结直肠癌

每年世界上有多于1 000 000新确诊的结直肠癌患者，发达国家结直肠癌发生率大约是发展中国家的10倍［1］。结直肠恶性肿瘤是世界上第三个最常见的恶性肿瘤，也是第4个最常见的肿瘤导致死亡的原因。结直肠癌中位确诊年龄是69岁，而50岁以下的患者约占10%。近年来，结直肠癌年轻患者的发病率一直在逐年增加［2］。传统的治疗方法如手术、放疗、化疗等虽仍是标准的治疗方式，但中位生存时间未得到明显的延长［3］。若疾病局限于黏膜或黏膜下层 （Ⅰ期）则患者术后五年生存率高达

1 结直肠癌发病机制

目前对结直肠癌的病因尚未完全清楚。尽管结直肠癌的发生有一定的遗传基础，但环境因素比如食品防腐剂、慢性肠道炎症、特异性肠道共生细菌100%，但若转移至淋巴结（Ⅲ期），五年生存率急速下降，疾病全身转移（Ⅳ期）则五年生存率低于5%［4］。然而大多数患者确诊时已经处于疾病晚期，只有少数适合根治性手术切除治疗。尽管目前CRC的治疗方法发展很快，但导致CRC产生及发展的机制仍然不清楚。进一步探索疾病发展中PI3K／Akt／mTOR信号通路的作用机制将有助于新治疗方法的研究，进而提高患者的生存率。和病原菌，这些都可能促进肿瘤的发生及发展。目前人们普遍认为结直肠癌与饮食习惯有关，比如过多的摄入动物脂肪。相反，摄入大量的水果及蔬菜则会降低患结直肠癌及其他癌症的风险。

正常结直肠表皮细胞进化到结直肠癌恶性细胞的过程伴随着大量的遗传变异。这个过程包括息肉、腺瘤和癌。CRC发病早期是由APC基因功能的缺失引起的。在腺瘤进展过程中，无论增加腺瘤大小、分化程度，还是纤毛组织分化程度均会引起其他的遗传变化，比如原癌基因k－ras的诱导激活。而P53基因功能缺失发生在疾病后期阶段，即腺瘤癌变阶段。

2 PI3K／Akt／mTOR信号通路

近来，PI3K／Akt／mTOR信号通路成为新的靶向治疗焦点。这条通路有许多不同的上游因子，比如受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK），G蛋白偶联受体（G－protein－coupled receptors，GPCR）和GTP结合蛋白（GTP－binding proteins）［5］。这条通路与许多重要的细胞活动有关，比如细胞生长、存活、增殖和迁移等。随着针对这条通路治疗恶性肿瘤的靶向药物的广泛的药理研究的发展，这条通路某些节点（比如PI3K、Akt、mTOR、PDK1）的激酶抑制药成为目前的研究热点［6，7］。

2．1 PI3K磷脂酰肌醇3－激酶 （PI3K）包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个亚型，其中IA类PI3Ks在细胞分化和肿瘤形成方面起重要作用。IA中最重要的是催化亚基p110a和相关的调节亚基 p85［8，9］。在正常细胞中，p85使p110维持在低活性的状态。在生长因子的作用下，p85与酪氨酸激酶受体结合解除了p85对p110a的抑制，从而使磷脂酰肌醇4，5二磷酸（phosphatidylinositol－4，5－bisphosphate，PIP2）磷酸化生成 3、4、5－三磷酸磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol3，4，5－triphosphate，PIP3）。PIP3作为第二信使可激活 AKT，最终促进细胞生长并诱导抗细胞凋亡基因的表达。因此PI3K信号通路在细胞的增殖、黏附、生长、运动及肿瘤形成过程中起到重要的作用［10，11］。

PIK3CA虽然是结直肠癌中最常改变的基因，突变率为16%，但它的预后价值仍然存在争议。很少有报道指出PIK3CA突变与患者存活之间的关系。为此，Gilles Manceau等［12］取新鲜冰冻组织构成两个独立队列研究，共有826个样本，这些患者都接受过结肠癌根治性手术切除。他们分析了这些组织的微卫星不稳定性，并通过直接测序的方法测定PIK3CA中外显子9和20的活化的突变位点。结果693例（84%）组织表现出微卫星不稳定性（MSS），113例（14%）存在PIK3CA突变。而在回顾性研究中（n＝433），无论是单因素分析（94%vs 68%，P＝0．0003）还是多因素分析（HR＝0．12；95%置信区间，0．029～0．48；P＝0．0027）都发现存在 PIK3CA突变MSS肿瘤患者 （n＝47）的5年无进展生存期（Progression Free Survival，PFS）比 PIK3CA野生MSS肿瘤患者（n＝319）显著延长。而且前瞻性验证研究（n＝393）也证明了PIK3CA突变MSS肿瘤患者（n＝327）具有很好的预后（83%vs 67%，P＝0．04）。本研究证明了Ⅰ～Ⅲ期结肠癌患者中PIK3CA突变与良好的预后相关，也为以后CRC患者的治疗提供了新的思路。

2．2 AktAkt又称为蛋白激酶B（protein kinase B，PKB），是PI3K下游一个重要的信号分子，具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性，在蛋白质合成、细胞代谢、细胞增殖、血管生成中起到关键作用。已经在人类基因组中发现三个高度同源的Akt亚型：Akt1，Akt2和Akt3。三个亚型均参与下游底物活化，但以Akt2作用为主。每个Akt亚型都包括一个氨基末端同源结构域（PH），一个中心催化结构域和一个羧基末端激酶调节域［13］。当Akt的T308和S473位点被3－磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（3－phosphoinositidedependent protein kinase－1，PDK1）和mTORC2磷酸化后，Akt即被完全激活，之后从质膜中分离出来，磷酸化下游的信号分子，比如属转录因子和细胞周期调节蛋白的FOXO家族，最终促进细胞的存活、增殖、迁移及代谢［8］。另外，活化后的AKT对人第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源的基因 （phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）的去磷酸化起到负性调节的作用；而去磷酸化的PTEN可能通过抑制酪氨酸激酶的活性而抑制肿瘤的生长，还可能通过调节病灶间的黏附作用而调节细胞的侵袭和转移［10］。

研究发现，结直肠癌中Akt1基因突变率仅为6%，但其表达率很高，且与结直肠癌的发生发展具有密切关系。有报道证明约60%～70%的结肠恶性肿瘤患者存在Akt信号的活化及PTEN的表达受损。此外，Scartozzi等［14］对晚期结直肠癌转移灶中pAkt表达进行研究发现pAkt阳性表达率为62%，这也提示pAkt在结直肠癌转移灶中表达率较高。以上研究均提示pAkt蛋白在结直肠癌的发生发展中有重要作用。

2．3 mTOR哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）包括两个功能多样的蛋白复合物：mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合物2（mTORC2）。mTORC1由mTOR、mTOR相关调节蛋白 （Raptor）、G蛋白β亚基样蛋白（GβL）RAS40和mTOR特异性抑制蛋白（Deptor）组成。不同于mTORC1，mTORC2由mTOR、雷帕霉素不敏感蛋白（Rictor）、GβL、应激活化蛋白激酶相互作用蛋白1（Sin1）、富含脯氨酸重复蛋白5（PRR－5）和Deptor组成［15］。mTORC1信号级联反应由pAkt激活。

有报道［15］指出mTORC1通过激活嘧啶合成途径来促进核苷酸的合成，进而促进代谢细胞的生长。磷酸化核糖体蛋白 S6激酶（Phosphorylated ribosomal protein S6 kinase 1，p70S6K1）是mTORC1下游最为引人注目的靶点，其次是真核生物始动因子 4E结合蛋白1（4E binding protein 1，4EBP1）。4EBP1结合eIF4E（真核翻译起始因子4E）使其失活，以此来阻止蛋白翻译起始。mTORC1磷酸化4EBP1多个位点，促进eIF4E与4EBP1解离，进而解除4EBP1对依赖eIF4E的蛋白翻译起始过程的抑制作用。通过雷帕霉素抑制mTOR可以将4EBP1去磷酸化，从而阻止蛋白质翻译。

mTORC2的上游调节信号通路目前还不清楚。有研究认为核糖体聚合体是mTORC2的激活机制之一。mTORC2对细胞的存活、代谢、增殖和细胞骨架形成都发挥了重要作用。它可磷酸化蛋白激酶Cα（PKCα）、血糖皮质激素相关蛋白激酶1（SGK1）和Akt，并参与激活Akt。因而Akt既是mTORC1的上游激活药，也是mTORC2的下游作用靶点。

正是由于mTOR在肿瘤生物学中扮演着如此大的作用，mTOR成为药物研发的潜在目标。一些mTOR抑制药已经进入各种恶性肿瘤临床治疗中，比如依维莫司，虽然目前没有取得很大的成功，但mTOR抑制药在肿瘤治疗中的作用仍很大，并且新的抑制药正在合成中，标志着以mTOR为基础的治疗方法的新突破。CRC患者中PIK3CA突变和PTEN丢失导致了mTOR过表达。已在CRC患者中发现Akt1延长活化引起mTOR失调节。近来研究也发现了mTOR基因的致瘤潜能，这也有助于研发靶向mTOR的药物，并帮助预测药物疗效［15］。

3 PI3K／Akt／mTOR信号通路对结直肠恶性肿瘤的作用

3．1 促进肿瘤细胞产生、增殖及侵袭钟晓刚等［16］采用表达PCR芯片技术对PI3K／Akt／mTOR信号通路的主要分子进行实时荧光PCR检测，分析其在结肠低级别上皮内瘤变、高级别上皮内瘤变及腺癌中的表达。结果发现PI3K／Akt／mTOR信号通路在大肠腺瘤恶性转化中发生多位点基因mRNA表达改变，以3条子通路 PI3K亚基 P85与细胞迁徙调节因子AKT／PI3K家族及调节因子、mTOR信号途径多基因表达改变为主。其中结肠癌变过程c－FOS和PTEN可能是PI3K／AKT／mTOR通路中的关键基因改变，在癌变过程中发挥重要作用。由此得出结论PI3K／AKT／mTOR信号通路分子在大肠腺瘤癌变过程中基因表达谱发生异常，该通路中的关键基因可望成为临床治疗的分子靶点。

3．2 抑制肿瘤细胞凋亡PI3K／Akt信号传导通过抑制各种癌细胞的凋亡来促进细胞生长［17］。肿瘤细胞产生耐药性的共同途径是抑制凋亡，细胞进入凋亡程序的能力可以直接影响其化疗药物发挥作用的效应。PI3K／Akt／mTOR通路具有调节细胞生长、增殖，促进细胞周期进展以及参与血管形成等多种功能，是最主要的抑制细胞凋亡的信号途径［18］。细胞内活化的PI3K的一个重要的功能就是抑制程序性细胞死亡，而Akt就是介导PI3K依赖细胞存活的一个重要代表。有证据［19］表明在营养因子戒断后的小脑颗粒神经元和原癌基因c－Myc过表达的成纤维细胞中发现Akt是一种抗凋亡信号分子。Akt在很多不同的细胞死亡形式中都可以起到抗凋亡作用，包括细胞外信号分子的中断、氧化、渗透压力、照射、化疗药物处理的细胞及缺血性休克。这也为PI3K／Akt／mTOR信号通路应用于治疗结直肠恶性肿瘤提供了证据。

4 目前PI3K／Akt／mTOR信号通路在结直肠恶性肿瘤中的临床进展

已有报道证明PI3K／Akt信号通路抑制药可以成为CRC治疗的新药物，而且目前已有PI3K／Akt／mTOR信号通路抑制药进入临床研究或已应用于临床，比如PI3K抑制药LY294002．、BKM120；PI3K－mTOR双重抑制药 NVP－BEZ235、GSK212648、PKI587；Akt抑制剂哌力福新（Perifosine）；mTOR抑制剂依维莫司 （everolimus）、 替西罗莫司（temsirolimus）等［12，20－26］。而且目前针对不同PI3K亚型的特异性化合物药物也正在研发中，比如p110β特异性抑制药TGX－221、p110δ特异性抑制药IC－87114、p110γ特异性抑制药AS－24252。了解更多关于PI3K亚型的知识更有利于为不同的病理类型选择特定的抑制药治疗［27］。

Yamamoto等［28］在研究枫糖浆抑制结直肠恶性肿瘤的研究机制的过程中发现，抑制Akt磷酸化可达到抑制肿瘤细胞增殖和侵袭的作用，而且不良反应少于化疗药物所致。另外，研究［29］显示，PI3K／Akt／mTOR信号传导通路在结直肠恶性肿瘤的获得性化疗药物耐药机制方面发挥重要作用，这也证明了这条通路可成为肿瘤干预治疗的新靶点。

5 展望

目前人们对PI3K／Akt／mTOR信号传导通路的作用及其调节机制的认识还不完全清楚，还有许多问题有待进一步研究，比如PI3K／Akt／mTOR信号传导通路与其他信号传导通路之间有什么联系，Akt是怎样灭活的等。但PI3K／Akt／mTOR信号通路在结直肠恶性肿瘤中的研究越来越多，并取得了越来越多的成果。故此展望：（1）未来结直肠恶性肿瘤的治疗会有针对性地PI3K／Akt／mTOR信号通路靶点药物生产；并可以针对不同的类型有不同的特异性的药物治疗；（2）确诊结直肠恶性肿瘤的患者有望将PI3K／Akt／mTOR信号通路某些位点有无突变或过表达纳入检测范围，以指导进一步治疗。相信在不久的将来PI3K／Akt／mTOR信号传导通路在结直肠恶性肿瘤诊断及治疗中的作用将会越来越显著。

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［2015-10-13收稿，2015-11-11修回］

［本文编辑：董冰媛］

PI3K／Akt／mTOR signaling pathway and colorectal malignant tumor

LIU Tian－tian，BI Jing－wang．
Tumor Dept.of the General Hospital of Jinan Military Region，Jinan，Shandong 250031，China

Colorectal cancer（CRC）is one of the most common cancers in most parts of the world．Its development is a multi－step process involving three distinct stages，i.e initiation that alters the molecular message ofa normalcell，followed by promotion and progression thatultimately generatesa phenotypically altered transformed malignant cell．Reports have suggested that between the PI3K／Akt／mTOR signaling pathway and colorectal malignant tumor there have close contact．Activation of Akt signaling and impaired expression of phosphatase and tensin homolog （PTEN）（a negative regulator of Akt）has been reported in 60%－70%of human colon cancers and then inhibitors of PI3K／Akt signaling have been suggested as potential therapeutic agents．Around 80%of human CRC possess mutations in the APC gene and half of the remainder feature β－catenin gene mutations which affect downstream signaling of the PI3K／Akt pathway．In recent years，the PI3K／Akt／mTOR signaling pathway has attracted more and more attention，and using natural and synthetic drugs to reduce the tumor burden in different experiment models．In this review authors review the role of PI3K／Akt／mTOR and Wnt signaling in CRC，and make a prospect about the possible research directions in the future of this pathway in colorectal cancer．

PI3K／Akt／mTOR；Signaling pathway；Colorectal cancer

R73-3：R735.3

A

10.14172/j.issn1671-4008.2016.04.033

250031山东济南，济南军区总医院肿瘤科（刘田田，毕经旺）；121001辽宁锦州，辽宁医学院研究生院（刘田田）

毕经旺，Email：jingwangbi@live.cn