肿瘤干细胞信号通路（PI3K/AKT）研究与进展

勾 蓉

（重庆大学附属肿瘤医院健康体检与肿瘤风险筛查中心，重庆400030）

肿瘤干细胞（Cancer stem cells，CSCs）是一组存在于肿瘤细胞中具有自我更新能力和多向分化潜能的小部分细胞亚群[1]，通常情况下处于相对静止状态，在受到外界刺激或损伤时才会进入分化状态，加之其具有较强的抵抗凋亡和DNA 修复能力，因而可免受一般放化疗方法的杀灭作用，同时会在大部分肿瘤细胞被消灭后大量增殖，是造成肿瘤治疗困难和治愈后复发的主要原因之一[2-3]。因而，深入探究肿瘤干细胞自我更新与分化的分子机制在肿瘤治疗中具有重要的理论意义和应用价值。PI3K/AKT 通路是一条在肿瘤细胞中持续活化的信号转导通路，与细胞的增殖、凋亡有着极为密切的关系，对肺癌干细胞、乳腺癌干细胞、神经干细胞、间充质干细胞以及造血干细胞等的增殖、自我更新、定向分化等都具有重要调控作用。本文就肿瘤干细胞与PI3K/AKT 信号通路的关系进行综述。

1 PI3K/AKT 信号通路介绍

PI3K（Phosphoinositide-3 kinase）属于磷脂激酶家族，是肌醇及磷脂酰肌醇的主要激酶，具有磷酸酰基肌醇激酶和丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶双重活性。被上游调节因子激活后，PI3K 会将质膜上的二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）磷酸化生成三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3）[4]。AKT（Protein kinase B）是PI3K 下游信号通路中最为重要的一个蛋白，它是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，由三个功能区域构成：氨基末端的PH结构域、激酶/催化结构域以及羧基末端的调节结构域。PIP3 可以和AKT 氨基末端的PH 结构域结合，将存在于细胞浆中的AKT 募集到质膜上被3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PDKI）和蛋白复合物激酶mTORC2 激活，促使位于激活结构域的Thr308 位点和C 端疏水区的Ser473 位点磷酸化，从而继续信号传递，调节细胞生长和存活[5]。以上过程可以被抑癌基因PTEN 逆转。PTEN 是一种双重特异性磷酸酶，可以编码具有脂质磷酸酶活性和蛋白磷酸酶活性的蛋白，它是PI3K/AKT 通路的重要上游始动分子，在受到类泛素化修饰蛋白SUMO1的共价修饰后可增强与磷酸膜的相互结合作用，将膜上的PIP3 去磷酸化为PIP2 使PI3K/AKT 信号通路失活[6]。除了PTEN 基因，另有研究发现肾上腺素[7]、白三烯D[8]等也可以激活PI3K/AKT 信号通路从而对肿瘤细胞起到调控作用。白三烯D 可以通过激活PI3K/AKT 通路，上调CyclinD1/E、CDK4/2 等细胞周期蛋白的表达，促进胚胎干细胞的增殖和迁移。PI3K/AKT 信号通路下游的调控靶位点包括mTOR、FoxO、GSK-3、Bcl-2-caspase-3 等，其中mTOR 蛋白复合物是极为重要的一员，AKT 通过负性调控mTORC1 的蛋白复合物TSC1-TSC2 从而激活mTOR 激酶活性，调节细胞周期、DNA 损伤修复以及糖原合成等重要生命过程。

2 间充质干细胞与PI3K/AKT 信号通路

在血液系统恶性疾病或实体肿瘤中，肿瘤细胞与骨髓微环境之间存在着一个可调节的动态造血微环境即“龛”，“龛”中存在一种来源于骨髓，呈长棱形成纤维细胞样的有别于造血干细胞但又具有干细胞特性的细胞，即间充质干细胞（Mesenchymal stem cells，MSCs）[9]。MSCs 是一组具有多向分化潜能和自我复制能力的，可分化为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞、生肌细胞等多种细胞的成体干细胞[10]，它可以促进或对抗肿瘤细胞的凋亡，可以通过产生血管生成因子或分化为毛细血管外膜细胞促进周围血管生成和肿瘤脉管系统形成，也可以通过促进肿瘤细胞的运动性从而促使肿瘤发生远处转移，或通过抑制Th1 淋巴细胞、树突状细胞、B 细胞以及NK 细胞活性发挥免疫调节作用[11]。Zhang等实验发现，缺氧状态下PI3K/AKT 信号通路被激活，从而提高了血管紧张素酶II 和血管紧张素转化酶的表达，进而刺激骨髓间充质干细胞的增殖。该通路的激活或低氧的刺激又可以使下游缺氧诱导因子-1 在转录和翻译水平上积累活化，转移到细胞核内作用于血管内皮生长因子，增强间充质干细胞的迁移能力。富血小板血浆（PRP）是一种自体源性的复合生长因子，它可以通过磷酸化AKT 进而激活其下游靶点NF-kB，抑制调亡蛋白Bad 的表达，同时提高抗凋亡蛋白Bcl-xl 的表达，从而促使MSCs在体外氧化应激条件下发生抗凋亡[13-14]。PI3K/AKT信号通路也可以调节MSCs 的成骨分化及矿化过程，参与骨质疏松症的致病过程[15]，另外，也有研究证实PI3K/AKT 通路的激活可以明显提高MSCs 旁分泌细胞因子的能力[16]。

3 神经干细胞与PI3K/AKT 信号通路

神经干细胞存在于中枢神经系统内，可以分化成多种神经源性细胞如神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞的原始母细胞等，在中枢神经受到损伤时，神经干细胞可以向系统病变部位趋行聚集并增殖分化，恢复部分缺失功能，促进机体功能重建[17-18]。神经干细胞的发现推翻了神经损伤后不可再生的理论，为脑血管意外、中枢神经退行性疾病、脊髓损伤的治疗带来了希望。但是神经干细胞的这种修复功能在自发条件下并不强，远不能满足神经再生的需求，所以寻找外界干预因素来刺激干细胞的修复能力充分得到发挥对神经系统疾病的治疗至关重要。黄芪多糖（APS）是中药黄芪的有效提取物之一，对神经干细胞有促进增殖和分化的作用[19]。APS 通过提高神经干细胞中的血管内皮生长因子（VEGF），促使VEGF 与其特异性受体FLK-1 结合在细胞膜上形成二聚体，从而激活PI3K-AKT 信号通路，促进神经干细胞增殖[20]。多酚类植物单体姜黄素也可以通过PI3K-AKT 信号通路促进神经干细胞增殖，抑制其凋亡[21]。另外，抑癌基因PTEN 的高表达可明显降低抑制神经干细胞对生长因子刺激的反应，降低神经干细胞的活性和增殖能力[22]，但是抑制了PTEN 的表达后，PI3K/AKT/mTOR 活性增高，神经干细胞再生能力增强[23]。刘娜等[24]通过建立体外谷氨酸神经干细胞损伤模型，检测银杏内酯B（GKB）对谷氨酸损伤神经干细胞内的PI3K、p-Akt、低氧诱导因子-1α 表达及活性的影响，结果证实在低氧微环境中GKB 对神经干细胞的保护作用可能是通过激活P13K/Akt 信号通路，调控下游低氧诱导因子-1α 的转录及表达，从而调节神经干细胞的生存与凋亡。以上实验结果表明不同刺激因素均可以通过PI3K/AKT 这一信号通路来促进神经干细胞增殖，抑制其凋亡，PI3K/AKT 可能是神经干细胞增殖的共同通路之一。

4 肝脏干细胞与PI3K/AKT 信号通路

肝癌是一种常见的恶性肿瘤，其发病率位于全球肿瘤发病率的第五位，死亡率位于第三位。我国是肝癌发病的高发地区之一，肝癌患者死亡率位居恶性肿瘤死亡率的第二位。因为肝癌早期诊断困难，中晚期对化、放疗等传统治疗方法效果不理想，一直是其治疗的一大困难。从肝癌患者的肝脏组织中分离出来的具有分化潜能的肝干细胞系，其数量在肝脏病变的部分中要比正常肝脏部分的表达多50%，说明肝干细胞可能和肝脏的病变之间存在密切关系。张小丽等[25]通过无血清悬浮球培养法从人肝癌细胞株中有效富集到肝癌干细胞样细胞（细胞球），流式细胞仪检测分子标记物CD90 的表达量，CD90 在肝癌干细胞中的表达明显高于普通肝癌细胞中的表达量，且肝癌干细胞经含血清培养基刺激后分化为非肝细胞样细胞；克隆形成与裸鼠成瘤实验也证实高表达CD90 的肝癌干细胞样细胞球具有较高的自我更新能力，证明无血清悬浮球培养法肝癌干细胞分离成功。肝癌干细胞样细胞对化疗药物阿霉素具有耐药性，PI3K/AKT 通路相关蛋白检测发现其耐药机制与Akt 信号通路第473 位点磷酸化AKT1 分子有关。另外，PI3K/AKT 信号通路在肝干细胞相关生物学行为中也起到重要调控作用，肝干细胞可被诱导定向分化为肝细胞或胆管细胞，当肝组织受到损伤或受其他因素影响后可刺激肝干细胞发生自我更新，增强机体的肝功能自我修复[26]，刘晖杰等[27]在用丝裂霉素（MMC）处理肝干细胞诱导其发生凋亡后发现，该作用机制与PI3K/AKT 信号通路有关，MMC 通过刺激AKT 的磷酸化从而激活PI3K/AKT 通路抑制肝干细胞增殖，诱导其凋亡发生。

5 其他肿瘤干细胞与PI3K/AKT 信号通路

芳香化酶抑制剂（AIs）是激素受体阳性绝经后乳腺癌患者的标准一线治疗方案[28]，但是乳腺癌干细胞（BCSCs）对AIs 的耐受性是乳腺癌治疗的一大困扰。有研究发现服用了AIs 药物后的患者的PI3K/AKT/mTOR 通路异常活化，且mT0R 蛋白表达增加[29]，猜测PI3K/Akt 信号通路可能是导致乳腺癌干细胞产生内分泌治疗耐受性的关键因素。Liu 等[30]对这一猜测做了相应研究发现，PI3K 抑制剂BKM120可有效抑制对内分泌治疗耐药的乳腺癌干细胞BCSCs，BKM120 与治疗药物联合使用抑制效果更佳，并可下调PI3K/Akt/mTOR 通路中相关蛋白的表达，说明PI3K/AKT 通路可逆转BCSCs 对芳香化酶抑制剂的耐药性，有望提高AIs 对乳腺癌患者的治愈效果。

6 结语

PI3K/AKT 广泛存在于细胞中，是肿瘤发生发展的重要启动因子之一，它与肿瘤干细胞的相关机制一直是研究者们探索的，有望成为肿瘤治疗的新靶点。越来越多的研究证实PI3K/AKT 信号通路在干细胞的增殖、自我更新及分化过程中发挥重要作用，从这一信号通路出发，探究肿瘤干细胞造成肿瘤患者治疗困难、治愈后复发的相关分子机制成为寻找治愈肿瘤方法的突破口，可为人类癌症的治愈提供新的途径。