PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态在疾病治疗中的作用*

胡晓青， 于慧美， 沈璐妍， 杨一萌， 陈秋艳， 董德录， 孙连坤

（吉林大学基础医学院病理生理学系，吉林长春130021）

在不同环境下，细胞需要协调多种信号通路而有组织地适应不断变化的内外环境，以维持细胞稳态。鉴于疾病的复杂性，需要我们向整体研究的思路转变，以重要信号通路为立足点，深入了解疾病背景下信号通路在维系细胞稳态中的调控机制，为药物靶向治疗提供更多的理论基础。

磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositiol 3-kinase，PI3K）/蛋 白 激 酶 B（protein kinase B，PKB/AKT）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）信号通路处于调控细胞生长、细胞代谢、生物合成及细胞自噬的交汇点［1-2］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信号通路的活性异常引起细胞稳态逐渐失衡，诱导肿瘤、年龄相关性疾病及代谢性疾病等的发生发展［3］。近年研究发现，PI3K/AKT/mTOR信号通路在调节线粒体稳态中发挥重要作用［4］。目前认为，PI3K/AKT/mTOR 信号通路可能通过协调线粒体自噬、线粒体生物合成等控制机制保证线粒体功能，维持细胞的能量供给并促进细胞生长和增殖［5］。本文从PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态之间的交互作用共同维持细胞稳态的角度，对PI3K/AKT/mTOR 信号通路在年龄相关性疾病和恶性肿瘤治疗中的作用机制进行综述，为以PI3K/AKT/mTOR 信号通路作为靶点治疗相关疾病提供理论指导。

1 PI3K/AKT/mTOR 信号通路

作为受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）和 G 蛋白偶联受体（G-protein-coupled receptors，GPCRs）的主要下游效应物，PI3K 将来自于多种生长因子和细胞因子的信号传导入细胞膜内，激活包括 AKT 和 mTOR 复合物 1（mTOR complex 1，mTORC1）在内的下游效应器［6］。作为细胞外信号刺激的应答，激活的PI3K 将磷脂酰肌醇二磷酸（phosphatidylinositol 4，5-bisphosphate，PIP2）磷酸化为磷脂酰肌醇三磷酸（phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3），募集 AKT 到质膜，从而导致 AKT 的磷酸化和激活。作为肿瘤抑制因子，10 号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因（phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten，PTEN）和Ⅱ型多磷酸肌醇4-磷酸酶（inositol polyphosphate 4-phosphatasetype Ⅱ，INPP4B）是 PI3K 信号通路重要的负调节因子。PTEN 或INPP4B 的缺失分别会导致PIP3 和PIP2 的聚集，将会引起AKT 的持久磷酸化和激活［7］，再通过磷酸化mTOR 等下游底物发挥生物学效应。

mTORC1 是 AKT 下游最重要的底物之一［8］。激活的AKT 可以通过磷酸化mTOR 的Ser2448 位点直接激活mTORC1，或通过磷酸化结节性硬化复合物2（tuberous sclerosis complex 2，TSC2）间 接 激 活mTORC1。活化的mTORC1 通过两个关键效应因子p70 核糖体 S6 激酶 1（ribosomal S6 kinase 1，S6K1）和真核细胞翻译起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E）结合蛋白（eIF4E-binding protein，4EBP）的磷酸化促进蛋白质的合成。mTORC1磷酸化4EBP，使其与eIF4E 解离并允许5′帽依赖（cap-dependent）结构的 mRNA 启动翻译［9］。活化的S6K1 导致编码核糖体蛋白，转录延伸因子，以及调控细胞周期蛋白的mRNA翻译增加。另外，mTORC1通过甾醇反应元件结合蛋白（sterol-regulatory element binding protein，SREBP）促进脂质的从头合成［10］。mTORC1 增加了转录激活因子 4（activating transcription factor 4，ATF4）依赖性亚甲基四氢叶酸脱氢酶 2（methylenetetrahydrofolate dehydrogenase 2，MTHFD2）表达，提供了嘌呤合成所需的碳源［11］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信号通路可以通过调节mTORC1 活性，选择性地对蛋白进行翻译或翻译后修饰的调控，从而影响细胞合成代谢等生物学效应。

2 PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态

线粒体是细胞能量的重要供应源，线粒体功能损伤在心血管疾病、代谢性疾病、神经退行性疾病、癌症等众多疾病的发生发展中发挥重要作用［12-13］。在细胞应激状态下，线粒体会优先启动线粒体质量控制系统作为保护性适应机制以应对应激环境下细胞稳态失衡［14］。线粒体质量控制，是通过线粒体生物合成、线粒体分裂融合、线粒体自噬及凋亡等途径，控制线粒体数量和质量的相对稳定，保证线粒体维持正常功能以满足细胞生命活动［15］，因此线粒体稳态是保证细胞稳态的基础。

研究发现，PI3K/AKT/mTOR 信号通路参与调控线粒体生物合成、线粒体分裂融合、线粒体自噬及线粒体途径凋亡等质量控制中的关键环节。mTOR 通过磷酸化转录因子YY1（Yin-Yang 1）介导对过氧化物酶体增殖物激活受体γ 辅激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）的调控，增加PGC-1α的转录活性，上调核编码的线粒体基因的表达。另外，mTORC1 的激活通过上调线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）、线粒体核糖体蛋白（mitochondrial ribosomal proteins，MRPs）、呼吸链复合物 I 和 V 亚基等mRNA 的翻译来促进许多核编码的线粒体调节因子的合成［16］，为线粒体生物合成提供基础。

线粒体通过融合/分裂过程维持线粒体网络结构，保证线粒体适应环境变化。融合过程有助于使受损线粒体的内容物均匀化，从而导致线粒体伸长，而分裂会导致线粒体破碎，并促进通过线粒体自噬的方式促进受损线粒体的清除［17］。但是，过度或不适当的分裂或融合可能对线粒体质量和线粒体内稳态有害。PI3K/AKT/mTOR 信号通路可以通过调节线粒体动力学影响细胞稳态。线粒体分裂进程蛋白1（mitochondrial fission process 1，MTFP1）是与发动蛋白相关蛋白1（dynamin-related protein 1，Drp1）相互作用，从而影响Drp1 功能的重要蛋白。研究发现，mTORC1/4EBP 途径可以调控MTFP1的翻译，而调节线粒体动力学［18］。近年来，一项关于骨质疏松症的研究结果显示，AKT/糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）途径通过磷酸化调节参与融合功能的蛋白——视神经萎缩蛋白1（optic atrophy 1，OPA1）切割，影响成骨细胞的分裂融合和凋亡［19］。另有新近研究成果表明，AKT 可以通过对另一重要底物——核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）的磷酸化作用，介导OPA1 依赖性线粒体融合功能的调节［20］。

除此之外，线粒体自噬、线粒体相关蛋白降解机制等参与线粒体蛋白质量控制的机制，也受PI3K/AKT/mTOR 信号通路调节。PI3K/AKT/mTOR 信号通路是调控自噬的经典信号通路。越来越多的研究发现，线粒体自噬作为一种特异性降解线粒体的选择性自噬形式，可能与巨自噬具有共同的调控机制，即活化的mTORC1 可以磷酸化Unc-51 样激酶1（Unc-51-like kinase 1，ULK1）的 Ser638/758 位点，引起ULK1激酶活性下降，抑制ULK1-FIP200-ATG13复合物活性，从而抑制自噬的起始［21］。mTORC1 还可以磷酸化转录因子EB（transcription factor EB，TFEB），TFEB 被磷酸化后其向细胞核的转位受到抑制，影响溶酶体生物合成的关键基因的转录，阻断溶酶体的生物合成，从而间接抑制自噬［22］。

3 PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态在衰老相关疾病治疗中的作用机制

研究发现，线粒体稳态失衡导致线粒体功能紊乱与衰老和许多年龄相关性疾病密切相关［23-24］。在衰老过程中，线粒体合成代谢与分解代谢的不平衡导致线粒体DNA 中突变的积累，使受损线粒体的数量增加，严重损害细胞正常功能［4］。衰老细胞mTOR活性的增加，一方面通过抑制线粒体自噬使受损伤线粒体在细胞内堆积，另一方面活化的mTOR 提高细胞代谢活性，线粒体及代谢产物的生成增多与降解速率不匹配，加重线粒体功能损伤。

已有研究发现，在衰老过程中，线粒体功能下降与神经元损伤引起的认知功能障碍密切相关。鉴于PI3K/AKT/mTOR 信号通路在调节线粒体质量控制通路中的中心作用，近年来靶向抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路已经成为神经退行性疾病的新颖治疗策略。已有研究证实，雷帕霉素通过抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路活性而增强线粒体自噬，可以减轻血管性痴呆小鼠的认知障碍［25］。另有研究发现，含有富亮氨酸重复序列的蛋白17（leucine-rich repeat-containing protein 17，LRRc17）高表达与骨髓间充质干细胞的衰老呈正相关，是诱导骨质疏松症发生的分子机制之一；而敲减LRRc17通过抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路，激活线粒体自噬，从而减轻线粒体功能障碍并抑制骨髓间充质干细胞衰老；体内实验证实LRRc17敲减小鼠在行卵巢切除术后的骨质疏松现象有所缓解［26］。

抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路在调节线粒体自噬、清除受损线粒体的同时，还需补充新生线粒体或是通过线粒体动力学维持线粒体网状结构的完整性。最近研究表明，线粒体功能与其形态变化相关［27］。线粒体需要经过不断分裂、融合在细胞中形成网状结构，使线粒体适应不同的能量需求［17］。研究发现，破坏线粒体动力学将会对心肌细胞的存活产生负面影响，诱导心血管系统疾病发生［28］。虽然mTORC1 可能通过上调 MTFP1 的翻译［18］，进而激活和募集Drp1 来促进高热量摄入条件下的线粒体分裂以重新平衡细胞能量，但是长期的线粒体过度片段化干扰其呼吸链功能，细胞ATP 产生受限，诱导细胞衰老。同理，单独以激活或抑制PI3K/AKT/mTOR活性而调节线粒体生物合成来促进能量生成，仍需考虑线粒体自噬活性等降解途径的影响，以免造成线粒体负担过重。因此，通过对mTOR 活性的适度调节，结合对细胞线粒体形态和动力学的观察，可以对衰老状态进行评价，并有助于抗衰老治疗方法的研发。

4 PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态在癌症治疗中的作用机制

在包括乳腺癌、卵巢癌等在内的肿瘤细胞中，均发现编码PI3K 的基因突变，导致PI3K 激酶活性增加，活化的PI3K/AKT/mTOR 信号通过促进细胞生长、增殖、侵袭、转移等途径促进癌细胞存活，影响患者预后［6，29］。因此，PI3K/AKT/mTOR 信号通路是多种癌症治疗的重要靶点［30］。到目前为止，一些PI3K抑制剂［比如copanlisib（用于治疗滤泡性淋巴瘤）和idelalisib（用于治疗慢性淋巴细胞白血病、滤泡性淋巴瘤和小淋巴细胞淋巴瘤）］及mTOR 抑制剂［比如everolimus（用于治疗进展期肾癌，与依西美坦联合治疗雌激素受体阳性乳腺癌和神经内分泌肿瘤）和emsirolimus（用于治疗肾癌）］已获得批准用于临床研究［31-32］。但是，患者对这些药物的反应不如预期，可能是因为抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路后存在其他潜在的肿瘤适应机制，从而导致靶向该通路的治疗效果不佳。

研究表明，抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路的治疗可能诱导线粒体重编程，通过还原线粒体稳态，削弱了对生长信号的抑制作用，并增加了凋亡抗性［33］。Caino 等［34］的研究发现，PI3K 抑制剂 GDC0941 引起肺腺癌细胞（A549）线粒体形态和分布发生显著变化，线粒体由在核周围聚集的极化状态变为伸长状态并沿细胞骨架分布，细胞的侵袭能力相应增强。敲减线粒体融合蛋白1（mitofusin 1，MFN1）可抑制线粒体向细胞骨架的转运，并且减弱了PI3K 抑制剂处理引起的细胞侵袭能力增加。因此，干扰线粒体动力学可以部分扰乱线粒体的适应机制，增加PI3K/AKT/mTOR信号通路抑制剂的抗肿瘤效果。

PI3K/AKT/mTOR 信号通路通过对下游底物4EBP1 的磷酸化调节蛋白质翻译进程，因此该通路也是控制蛋白质合成的重要信号通路。研究表明，当mTORC1 活性受抑制，会通过mTORC1/4EBP1/eIF4E 途径阻碍5′帽依赖性mRNA 的翻译，但同时会优先启动非5′帽依赖性mRNA（如转录因子ATF4）的翻译［35］，进而诱导 ATF4 靶基因转录。ATF4 促进特定细胞保护基因（如编码抗凋亡蛋白、分子伴侣、线粒体蛋白酶、线粒体自噬相关基因等）的表达，这一过程被称为线粒体整合应激反应（mitochondrial integration stress response，ISRmt）［36］。线粒体通过这种适应性调节机制，上调线粒体功能，成为肿瘤细胞对PI3K/AKT/mTOR 信号通路抑制剂拮抗的原因之一。还有研究发现，同时靶向抑制PI3K 通路和PERK/ATF4 通路，可以促进食管鳞状细胞癌细胞死亡并改善临床预后，患者总生存期显著高于单独使用PI3K通路抑制剂［37］。这也提示我们，充分了解靶向抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路引起的线粒体适应性反应机制，有效干扰线粒体通过重编程机制重建稳态，对于增强靶向抑制PI3K/AKT/mTOR 信号通路的抗肿瘤效果具有重要意义。

5 小结与展望

PI3K/AKT/mTOR 信号通路整合细胞生长、凋亡、代谢等众多信号通路的中心作用已广泛受到关注。同时，线粒体作为细胞的“能量之源”，在细胞能量供应、蛋白稳态等诸多方面发挥重要作用。近年来研究发现，PI3K/AKT/mTOR 信号通路可以通过调控线粒体动力学、线粒体生物合成、线粒体自噬及凋亡途径，促进健康线粒体的循环更新，调节线粒体稳态。因此，我们通过了解PI3K/AKT/mTOR 信号通路与线粒体稳态间的调控机制，整体看待和评价靶向该通路引起的线粒体适应性机制在疾病中的作用，可以进一步理解不同疾病以及疾病的不同阶段中，PI3K/AKT/mTOR 信号通路在疾病中的作用机制，以制定靶向PI3K/AKT/mTOR 信号通路和线粒体稳态的更为精准的个体化治疗方案，将为疾病的治疗提供更广阔的前景。