经典信号通路之PI3K-AKT-mTOR信号通路

经典信号通路之PI3K-AKT-mTOR信号通路PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，与v．src和v．ras等癌基因的产物相关，且PI3K本身具有丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶的活性，也具有磷脂酰肌醇激酶的活性。由调节亚基p85和催化亚基p110构成。磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)蛋白家族参与细胞增殖、分化、凋亡和葡萄糖转运等多种细胞功能的调节。PI3K活性的增加常与多种癌症相关。PI3K磷酸化磷脂酰肌醇PI(一种膜磷脂)肌醇环的第3位碳原子。PI在细胞膜组分中所占比例较小，比磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸含量少。但在脑细胞膜中，含量较为丰富，达磷脂总量的10%。PI的肌醇环上有5个可被磷酸化的位点，多种激酶可磷酸化PI肌醇环上的4th和5th位点，因而通常在这两位点之一或两位点发生磷酸化修饰，尤其发生在质膜内侧。通常，PI-4,5-二磷酸(PIP2)在磷脂酶C的作用下，产生二酰甘油(DAG)和肌醇-1,4,5-三磷酸。PI3K转移一个磷酸基团至位点3，形成的产物对细胞的功能具有重要的影响。譬如，单磷酸化的PI-3-磷酸，能刺激细胞迁移(celltrafficking)，而未磷酸化的则不能。PI-3,4-二磷酸则可促进细胞的增殖(生长)和增强对凋亡的抗性，而其前体分子PI-4-磷酸则不然。PIP2转换为PI-3,4,5-三磷酸，可调节细胞的黏附、生长和存活。PI3K的活化PI3K可分为3类，其结构与功能各异。其中研究最广泛的为I类PI3K,此类PI3K为异源二聚体，由一个调节亚基和一个催化亚基组成。调节亚基含有SH2和SH3结构域，与含有相应结合位点的靶蛋白相作用。该亚基通常称为p85,参考于第一个被发现的亚型(isotype),然而目前已知的6种调节亚基，大小50至110kDa不等。催化亚基有4种，即p110α,β,δ,γ，而δ仅限于白细胞，其余则广泛分布于各种细胞中。PI3K的活化很大程度上参与到靠近其质膜内侧的底物。多种生长因子和信号传导复合物，包括成纤维细胞生长因子(FGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、人生长因子(HGF)、血管位蛋白I(Ang1)和胰岛素都能启始PI3K的启动过程。这些因子启动受体酪氨酸激酶(RTK)，从而引起自磷酸化。受体上磷酸化的残基为异源二聚化的PI3Kp85亚基提供了一个停泊位点(dockingsite)。然而在某些情况下，受体磷酸化则会介导募集一个接头蛋白(adaptorprotein)。比如，当胰岛素启动其受体后，则必须募集一个胰岛素受体底物蛋白(IRS)，来促进PI3K的结合。相似的，当整连蛋白integrin(非RTK)被启动后，粘着斑激酶(FAK)则作为接头蛋白，将PI3K通过其p85停泊。但在以上各情形下，p85亚基的SH2和SH3结构域均在一个磷酸化位点与接头蛋白结合。PI3K募集到活化的受体后，起始多种PI中间体的磷酸化。与癌肿尤其相关的PI3K转化PIP2为PIP3。PIP3作为锚定物(anchor)许多蛋白含有一个PleckstrinHomology(PH)结构域，因而可使其与PI-3,4-P2或PI-3,4,5-P3相结合。这种相互作用可以控制蛋白与膜结合的时间与定位，通过这种方式来调节蛋白的活性。蛋白与脂质间的这种相互作用亦可能引起蛋白构像的变化而改变蛋白的功能。PI3K启动的结果是在质膜上产生第二信使PIP3,PIP3与细胞内含有PH结构域的信号蛋白AKT和PDK1(phosphoinositidedependentkinase-1)结合,促使PDK1磷酸化AKT蛋白的Ser308导致AKT活化。其它PDK1的底物还包括PKC(蛋白激酶C)、S6K(p70S6)和SGK(serum/glucocorticoidregulatedkinases)。AKT,亦称为蛋白激酶B(PKB)，是PI3K下游主要的效应物。AKT可分为3种亚型(AKT1、AKT2、AKT3或PKBα,PKBβ,PKBγ)，3种亚型的功能各异，但也有重迭。该家族主要有三个成员：AKT1，AKT2和AKT3。其中，Akt1通过抑制细胞凋亡过程参与了细胞生存途径，Akt1酶也能诱导蛋白质的合成途径，因此是一个重要的信号蛋白介导组织的生长。因为它可以阻止细胞凋亡，从而促进细胞的存活，AKT1参与了在许多类型的癌症发生。AKT2是胰岛素信号转导通路中的一个重要信号分子，而AKT3则是主要表达在脑部。它的启动机制是：PI3K可以被g蛋白偶联受体或者受体酪氨酸激酶启动，随后启动的PI3K可以把PIP2磷酸化从而形成PIP3。PIP3可以募集AKT将其正确定位在膜上，然后AKT可以被PDPK1和mTORC2磷酸化而被启动，并经一步参与接下来的各种功能。AKT的作用活化的AKT通过磷酸化多种酶、激酶和转录因子等下游因子，进而调节细胞的功能。譬如，AKT刺激葡萄糖的代谢：AKT启动AS160(AKT底物，160kDa)，进而促进GLUT4转座和肌细胞对葡萄糖的吸收。AKT也磷酸化GSK3β而抑制其活性，从而促进葡萄糖的代谢和调节细胞的周期。AKT磷酸化TSC1/2(tuberoussclerosiscomplex)，可阻止其对小G蛋白Rheb(Rashomologyenrichedinbrain)的负调控，进而使得Rheb富集以及对纳巴霉素(rapamycin)敏感的mTOR复合体(mTORC1)的活化。这些作用可启动蛋白的翻译，增强细胞的生长。AKT通过下游多种途径对靶蛋白进行磷酸化而发挥抗凋亡作用。ATK启动IkB激酶(IKKα),导致NF-κB的抑制剂IκB的降解,从而使NF-κB从细胞质中释放出来进行核转位,启动其靶基因而促进细胞的存活。AKT磷酸化Bcl-2家族成员BAD，使其与14-3-3结合而阻止其与Bcl-XL结合起始凋亡。此外，AKT能抑制蛋白水解酶caspase-9的活性而阻止凋亡级联反应的启动。肿瘤抑制因子p53为一转录因子，调控凋亡、DNA修复和细胞周期的停滞。Akt能通过磷酸化P53结合蛋白MDM2影响P53的活性,磷酸化的MDM2转位到细胞核与P53结合,通过增加P53蛋白的降解而影响细胞存活。Forkhead转录因子FOXO1(或FKHR)调节涉及多种细胞功能基因的表达，包括凋亡、DNA修复和细胞周期的停滞和葡萄糖代谢等，AKT磷酸化FOXO1，抑制其核转位而阻止其转录启动作用。PTEN:一个关键磷酸酶PTEN(phosphataseandtensinhomologydeletedonchromosome10),在广泛的人类肿瘤中发生基因突变或缺失。PTEN是一个PIP3-磷酸酶，与PI3K的功能相反，它可以通过去磷酸化将PIP3转变为PI-4,5-P2。PTEN可减少AKT的活化而阻止所有由AKT调控的下游信号传导事件。通过产生PIP2,PTEN的功能远不止仅仅阻止AKT的作用。PIP2作为磷脂酶Cβ(PLCβ)的底物，产生DAG和IP3作为第二信使，升高胞内钙离子的水平并启动蛋白激酶C(PKC)。与膜结合的PIP2也能介导(增加)多种离子通道的活性，包括钙离子、钾离子和钠离子通道。PIP也参与到膜泡的形成以及细胞骨架与膜的相互作用过程中。PIP2还影响多种参与脂代谢的酶活性，包括磷脂酶D和神经酰胺-1-磷酸。通过从PIP产生PIP2,PTEN广泛的影响着细胞的多种功能途径。PTEN在减弱PIP3信号传导而增加PIP2水平的过程中，发挥着重要的作用。PDK的活化与抑制当接受来自酪氨酸激酶和G蛋白偶联受体的信号后，PI3K的p85调节亚基即被募集到临近质膜的部位，p110亚基通过与p85亚基结合把底物PtdIns(4，5)P2(PIP2)转化为PtdIns(3，4，5)P3(PIP3)。PI(3，4，5)P3可以和蛋白激酶B(PKB，Akt)的N端PH结构域结合。使Akt从细胞质转移到细胞膜上．并在3一磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDKI)的辅助下，通过使Akt蛋白上的苏氨酸磷酸化位点(Thr308)和丝氨酸磷酸化位点(Ser473)磷酸化而使其启动。启动后的Akt通过直接和间接两种途径启动其底物雷帕霉素靶体蛋白(mTOR)：直接磷酸化mTOR，或者通过失活结节性硬化复合物2(TSC2)从而维持Rheb的GTP结合态，然后增强roTOR的启动。肿瘤抑制基因PrENfPhosphataseandtensinhomologdeletedochromosome10，第10号染色体磷酸酶和张力蛋白同源丢失性基因)编码的产物可以使PIP3在D3位去磷酸化生成PIP2，从而实现P13K/Akt信号通路的负性调节，抑制细胞增殖和促进细胞凋亡。PI3K-AKT-mTORisoneofthethreemajorsignallingpathwaysthathavebeenidentifiedasimportantincancer.mTORisakeykinasedownstreamofPI3K/AKT,whichregulatestumorcellproliferation,growth,survivalandangiogenesis.Cancercellsescapenormalbiochemicalsystemsregulatingthebalancebetweenapoptosis(suicide)andsurvival.PI3K-AKT-mTORgenerallyactstopromotesurvivalthroughinhibitionofproapoptoticfactorsandactivationofanti-apoptoticfactors.Throughphosphorylation,PI3K-AKT-mTORinhibitstheactivityofproapoptoticmemberswhileactivatinganti-apoptoticmembers.TonegativelyregulatePI3K,cellscontainPTENphosphatase.AreductioninPTENexpressionindirectlystimulatesPI3K-AKT-mTORactivitytherebycontributingtooncogenesisinhuman.RecentdatasuggeststhatthePI3K-AKT-mTORsignalingpathwayplaysanimportantroleincancerstemcellself-renewalandresistancetochemotherapyorradiotherapy,whichisbelievedtobetherootoftreatmentfailureandcancerrecurrence,aswellasmetastasis.癌症中的PI3K-mTOR信号途径Figure1|MindingyourPs:thePtdIns(4,5)P2–PtdIns(3,4,5)P3cycle.Phosphatidylinositolphosphatesarecomposedofamembrane-associatedphosphatidicacidgroupandaglycerolmoietythatislinkedtoacytosolicphosphorylatedinositolheadgroup.Phosphatidylinositol3-kinase(PI3K)canphosphorylatePtdIns(4,5)P2(PIP2)attheD3positiontoformthesecondmessengerPtdIns(3,4,5)P3(PIP3).PhosphorylationattheD3positionisnecessaryforbindingtothepleckstrin-homologydomainofAKT(notshown).Dephosphorylati