PI3K/AKT/mTOR信号通路及其与乳腺癌关系的研究进展

吴子鑫，吴申伟蚌埠医学院临床医学院，安徽蚌埠 233000

乳腺癌的发生与Ⅰ类磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)/雷帕霉素靶体蛋白(mTOR)通路的异常激活及其相关基因突变有关，且在乳腺癌各个亚型中该通路的变化不同。目前经该通路的靶向治疗已成为研究热点。磷脂酰肌醇-3-激酶催化亚单位α(PIK3CA)体细胞突变常出现在激素受体(HR)阳性、人表皮生长因子受体2(HER-2)阴性的乳腺癌患者中，约40%的乳腺癌患者会发生PIK3CA基因突变[1]。PI3K是一组蛋白多聚体，对细胞增殖、凋亡、糖原代谢等进行调控。PI3K是PI3K/AKT/mTOR信号通路的起始，可被细胞表面受体活化，对下游蛋白的磷酸化作用产生一系列信号转导，PI3K/AKT/mTOR信号通路的过度激活对乳腺癌的发生有重要作用[2]。早期研究表明，PI3K抑制剂对HR+/HER-2-、PIK3CA基因突变的晚期乳腺癌患者具有一定的抗肿瘤作用，但由于脱靶效应造成的不良反应较强，未能实际投入使用。目前研制出的新型PI3Kα抑制剂阿培利司(Alpelisib)具有选择性高、不良反应小的优点，已被纳入美国国家综合癌症网络(NCCN)乳腺癌指南，为乳腺癌患者带来希望[3]。本文就PI3K/AKT/mTOR信号通路及其与乳腺癌关系的研究进展进行综述。

1 PIK3CA/PI3K/mTOR信号通路的结构及活化机制

1.1 PIK3CA基因 1994年Volinia等[4]利用DNA原位杂交技术首次发现PIK3CA基因，并将其定位于3q26.3。Kang等[5]研究发现，乳腺癌PIK3CA基因突变多集中在编码PI3K螺旋区的exon9和编码催化激酶区的exon20。目前已证实PIK3CA是一类癌基因，编码PI3K的P110催化亚基，当PIK3CA基因发生突变、丢失或扩增时，会编码出异常的p110亚基，导致PI3K持续激活[6]。

1.2 PIK3CA编码蛋白 PI3K是一种蛋白多聚体，可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类。Ⅰ类包含IA和IB亚单位，ⅠA是异源二聚体，由一个p85调节亚单位和一个p110催化亚单位构成。ⅠA由酪氨酸激酶受体途径(RTK)进行信号转导，ⅠB由G蛋白偶联受体进行信号传导。研究表明，RTK磷酸化后可通过活化PI3K p85亚基上的“SH2结构域”，消除p85亚基对p110亚基的抑制作用而激活PI3K，活化的PI3K使磷脂酰肌醇二磷酸磷酸化成为磷脂酰肌醇三磷酸。PIP3是信号传导的第二信使，具有磷酸化的功能，可激活下游底物如Ras、AKT、PDK等。其中AKT是PI3K下游效应分子中主要的一类，PIP3与细胞内含有PH结构域的信号蛋白AKT和PDK1结合，使AKT的苏氨酸磷酸化位点被PDK1磷酸化。AKT活化之后进一步使其下游底物磷酸化，对细胞的增殖、侵袭、凋亡、糖原代谢等方面进行调控[7]。

1.3 mTOR mTOR是一类丝/苏氨酸激酶，已被确认是PI3K/AKT的下游靶点，作用于多种信号通路，具有调控转录、蛋白质合成的功能。细胞内有mTORC1及mTORC2两种复合体。mTORC1促使细胞生长和细胞周期进展；mTORC2可调节细胞生存、代谢及细胞骨架的构建。活化的AKT分别通过以下两种途径激活mTORC1：一是直接磷酸化PRAS40，消除PRAS40对mTORC1的抑制作用，直接激活mTORC1；二是使抑癌基因结节性硬化复合物(TSC1/2)失活，以保持Rheb的GTP结合态间接使mTORC1活化。mTORC1下游的效应因子主要是核糖体p70S6激酶蛋白(S6K1)和真核起始因子4E结合蛋白1(4E-BP1)。S6K1被活化的mTORC3磷酸化后，继续活化核糖体40S蛋白S6，启动mRNA 5′端的翻译，激活参与蛋白质合成的核糖体蛋白。另外，mTORC1磷酸化4E-BP1形成eIF4F复合物，后者调控翻译的进行，并对细胞周期调节蛋白进行编码。mTORC2的效应分子主要是细胞骨架调控因子，如RAS蛋白、AKT、血清糖皮质激素诱导蛋白激酶1(SGK1)等，其还能直接激活蛋白激酶Cα和SGK1，调控离子的转运、细胞增殖代谢以及细胞骨架形态[8]。

2 PI3K/AKT/mTOR信号通路与乳腺癌的关系

2.1 PI3K/AKT/mTOR信号通路在乳腺癌发生发展中的作用

2.1.1 促进细胞增殖 多项研究表明，PI3K-AKT-mTOR信号通路调节核糖体、蛋白质的合成及血管形成，从而促进细胞无限增殖。活化的PI3K激活AKT，AKT再激活多个具有调控细胞增殖功能的下游底物，如c-myc、CREB、mTOR、核因子κB等。c-myc具有促使细胞分裂、无限增殖的功能，AKT通过诱导c-myc的转录，刺激细胞增殖。mTOR是细胞生长、增殖的重要调节因子，AKT经TSC1/TSC2复合物激活mTOR，后者再激活具有调控蛋白翻译功能的4E-BPI和eLF4GI。此外，mTOR可以激活nPKCd，进而磷酸化4E-BPI并使其失活，减小eIF-4E与4E-BPI之间的相互作用，从而启动mRNA 5′端的翻译，促进蛋白质合成。AKT 还可激活核因子κB，增强生存基因的转录。Kang等[5]研究表明，AKT持续激活可以促进乳腺上皮细胞的生长和转化，并阻止细胞的凋亡。Sodi等[9]研究表明，AKT/mTOR的同步激活通过调控O-N-乙酰氨基葡萄糖转移酶，进而调节乳腺癌细胞的能量代谢。

2.1.2 抑制细胞凋亡 PI3K/AKT/mTOR信号通路是调控细胞凋亡的关键通路。AKT1是一类细胞凋亡抑制剂，可通过调节细胞凋亡途径的蛋白及基因，抑制细胞的凋亡，加快肿瘤的进展。AKT磷酸化Bcl-2家族成员BAD，使启动子从Bcl-2上解离，从而阻止凋亡的发生。其他促凋亡成分如蛋白水解酶caspase-9、促凋亡因子Bad、转录因子FKHR等都可被AKT磷酸化而失活，使Fas配体下调，抑制正常的凋亡通路。前文已述，AKT活化后使TSC1/2失活而激活mTOR，调控致癌过程和代谢事件(包含自噬)。Zhou等[10]研究表明，白花丹素通过抑制PI3K/AKT/mTOR 通路，加强前列腺癌细胞的自噬作用。在致癌因子作用下，抑癌基因失活也会导致PI3K-AKT-mTOR途径的过度激活。PTEN作为体内一种抑癌基因，对PI3K/AKT/mTOR信号通路具有负向调控的作用。研究表明，过度表达的PTEN 可以抑制 PI3K /AKT /mTOR信号通路，加强缺血、缺氧、炎症反应等状态下细胞的自噬运动，进一步抑制癌变的发生。De Amicis等[11]发现，PTEN不仅负向调控PI3K/AKT/mTOR信号通路，还可增加自噬基因UVRAG的表达，使乳腺癌细胞的存活率降低。因此，PTEN的突变可以导致PI3K/AKT/mTOR信号通路的激活，并且降低细胞凋亡因子的敏感程度。Carnero等[12]研究发现，PTEN基因敲除的小鼠模型会产生基底细胞样乳腺癌，证实PTEN的缺失与基底细胞样乳腺癌的发生有关。PI3K/mTOR的双重抑制剂BEZ235，在与组蛋白脱乙酰酶抑制剂曲古菌素A联用时能够增强细胞凋亡，诱导细胞自噬，阻碍肿瘤的发展进程[13]。

2.1.3 促进肿瘤转移 AKT显著增强血管内皮生长因子的表达以促进新生血管的生成，使肿瘤供血更加丰富，促使肿瘤转移。研究表明，与未发生肝转移的乳腺癌患者相比，发生肝转移的乳腺癌患者PI3K/AKT/mTOR信号通路被显著激活，提示此通路的活化与肿瘤转移密切相关[14]。这与Pierobon等[15]发现的PIK3CA突变的乳腺癌患者肝转移发生率更高的结论相符合。

2.2 PI3K/AKT/mTOR信号通路在乳腺癌治疗中的作用 在乳腺癌的各种致癌过程中，PI3K/AKT/mTOR信号通路的突变是肿瘤发生的关键驱动因素，并与乳腺癌治疗的耐药性有关。PI3K是PI3K/AKT/mTOR信号通路的起始，可被细胞表面受体所激活，通过对下游蛋白的磷酸化作用，发生一系列的细胞内信号转导，最终导致乳腺癌的发生[16]。PI3K抑制剂已被证明能阻断PI3K/AKT/mTOR信号通路对不同生长因子刺激的反应，Coussy等[17]通过构建患者来源的异种移植物模型，在基因和蛋白质水平激活PI3K/AKT/mTOR信号通路和RTK/MAPK通路，使用PI3K和MEK抑制剂联合治疗PIK3CA基因突变的乳腺癌患者，结果显示该模型肿瘤消退，这为PI3K抑制剂应用于临床提供实验依据。

针对这一通路的药物开发早期取得了一定的成功，但其进展受到药代动力学、耐受性和疗效问题的阻碍。Sarker等[20]早期研究表明，由于PI3K通路调控细胞多种功能，PI3K抑制剂治疗乳腺癌过程中可能会造成严重不良反应。一项早期临床试验将PI3K抑制剂布帕尼西与内分泌治疗联合来治疗乳腺癌患者，结果呈现出以阴道炎、高血糖、贫血、腹泻和情绪障碍(焦虑、抑郁、易怒)为特征的毒性反应[21]。除此之外，Toska等[22]研究提示由于通路反馈机制，持续抑制PI3K通路可反向导致该通路的激活，降低治疗效果。Beselar[23]认为有两种方法可充分发挥PI3K抑制剂的效果，一是研制毒性更小的替代物；二是开发安全性更高的特异性PI3K抑制剂。

新型PIK3α选择性抑制剂可以最大限度地抑制p110α，同时使患者免受因抑制p110酶产生的不良反应，打开了乳腺癌分子分型的新篇章。Mayer等[24]试验表明，p110α特异性抑制剂Alpelisib联合来曲唑治疗耐药的ER阳性晚期乳腺癌患者，安全有效；并且对同时具有PIK3CA基因突变的乳腺癌患者疗效更加明显。Juric等[25]根据有无PIK3CA基因突变将乳腺癌患者进行分组，结果表明在无PIK3CA基因突变的组别中，Alpelisib与氟维司群(fulvestrant)联合治疗疗效不明显，而在PIK3CA突变组，Alpelisib-fulvestrant联合治疗疗效显著优于单独使用fulvestrant组。Jain等[26]研究发现，Alpelisib与曲妥珠单抗-美坦新偶联物(T-DM1)联合应用治疗转移性HER-2阳性乳腺癌患者具有一定疗效，为今后PI3K抑制物在HER-2阳性转移性乳腺癌患者中的研究提供理论基础。André等[19]进行一项纳入572例HR+/HER-2-晚期乳腺癌患者的随机临床三期试验，结果显示，在存在PIK3CA基因突变的乳腺癌患者中，使用新型PI3Kα抑制剂Alpelisib联合fulvestrant治疗的患者中位无进展生存期(11个月)明显长于只使用fulvestrant的患者(5.7个月)，使用Alplisib-fulvestrant组患者比单独使用fulvestrant组患者的死亡风险约低35%。在此临床研究中，高血糖和皮疹是Alplisib-fulvestrant联合治疗乳腺癌患者出现的主要不良反应，只有少数患者出现3级腹泻。此研究证实了Alpelisib对PIK3CA基因突变的HR+/HER-2-乳腺癌患者具有良好的临床效果，为其应用于临床奠定了基础。

目前，Alpelisib是美国食品药品监督管理局首个批准的PI3K抑制剂，PIK3CA基因检测及Alpelisib的使用已被纳入NCCN乳腺癌临床实践指南。指南表明若考虑使用Alpelisib治疗HR+/HER-2-乳腺癌患者，可进行PIK3CA的基因检测，检测样本可取肿瘤组织或外周血ctDNA。对存在PIK3CA基因突变且HER-2-的绝经后乳腺癌患者，首选Aplelisib-Fulvestrant联合治疗。

PI3K/AKT/mTOR信号通路抑制剂靶向治疗已成为乳腺癌治疗中的热点研究，关于PI3K抑制剂、AKT抑制剂、mTOR抑制剂的研究均在快速进展中。虽然新型PI3Kα抑制剂Alpelisib已被纳入NCCN指南，但其在使用过程中造成的靶点外正常通路被阻断及脱靶效应仍是目前棘手的问题[27]。今后需要更多的研究来阐明该类靶向药物产生毒副作用的机制，最大限度减少副反应发生。通过发展精准医疗模式，针对不用乳腺癌亚型研发高特异性、低毒性、高效性的靶向药物。未来可以采用基因测序技术，同时利用伞式实验，根据每位乳腺癌患者不同的体细胞变异找到潜在的可能用药的靶点，再根据不同的靶基因分配不同的精准靶向药物。另外，目前的研究方向多关注两种最常见的突变，即PIK3CA和PTEN基因突变，今后应探索更多其他途径的突变。总之，尽管PI3K抑制剂的发展具有挑战性和局限性，但其仍然是乳腺癌靶向治疗的前沿，在未来优化患者预后方面具有很大的潜力[28]。