mTOR信号通路与肿瘤的研究进展

mTOR信号通路与肿瘤的研究进展摘要】哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，在细胞生长、增殖、分化、细胞周期调控等多个方面起到重要作用。近年来发现mTOR相关的信号通路复杂且涉及面广泛，其中多个元素的调控异常都与肿瘤的发生密切相关。mTOR抑制剂能够抑制由于该信号通路异常引起的癌基因的转化、肿瘤的生长和肿瘤血管生成。到目前为止，4种mTOR抑制剂被有效地应用于临床，有的已进入Ⅱ、Ⅲ期临床试验。因此，对mTOR信号通路的深入研究对肿瘤的靶向性治疗具有重要意义。【关键词】mTOR信号通路；雷帕霉素；mTOR抑制剂；肿瘤治疗ChinaABSTRACT:Mammaliantargetofrapamycin(mTOR)isaserine/threonineproteinkinasethatiscentrallyinvolvedinthecontrolofcellgrowth,proliferation,differentiationandcellcycleregulation.RecentstudieshavefoundthatthemTORpathwayiscomplicatedandthedysregulationofmTORpathwayisrecognizedtobeassociatedwithlotsoftumors.SeveralinhibitorsofmTORcouldinhibitoncogenetransformation,growthandangiogenesisoftumors.Sofar,fourinhibitorsofmTORhavebeentestedinclinicaltrials,andsomehavebeenaccessedtophaseⅡorⅢtrial.Therefore,inthisreview,wediscusstheregulatorsthatgovernmTORpathwayactivity,andhighlightclinicalresultsobtainedwiththefirstgenerationofmTORinhibitorstoreachtheoncologyclinics.KEYWORDS:mTORsignalingpathway;rapamycin;mTORinhibitor;tumortherapy哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，从酵母到哺乳动物其广泛存在，且进化十分保守。mTOR是1991年HEITMAN等在分析不同啤酒酵母突变体对雷帕霉素抵抗作用的差别时发现的[1]。mTOR属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶(phosphatidylinositol3-kinase-relatedkinase,PIKK)蛋白家族，在调节细胞生长、增殖、调控细胞周期等多个方面起到重要作用。目前发现mTOR信号通路的过度活化与肿瘤的发生、发展密切相关，是肿瘤治疗的一个重要靶点。因此本文就mTOR信号通路与肿瘤的关系及治疗作一综述。1mTOR的结构1.1mTOR的分子结构人的mTOR基因位于1p36.2上，其mRNA翻译后的蛋白质有2549个氨基酸残基，其分子结构复杂，分子质量为289ku。mTOR的结构域从氨基端到羧基端依次为HEAT重复序列(即Huntignton、EF3、PP2A一个亚基、TOR1)、FAT结构域、FRB激酶结构域、NRD及FATC结构域(图1)。mTOR的N端有20个重复的HEAT序列，每个HEAT大约由40个氨基酸残基组成2个α螺旋，每个α螺旋都有一个亲水基团和一个疏水基团。这些重复的HEAT模体介导了蛋白质间的相互作用[2]。靠近mTOR的C端有一个激酶结构域，约234个氨基酸残基，其结构和磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的催化域相似，是mTOR属于PI3K蛋白激酶类家族的重要原因之一。紧挨着激酶结构域上游的是FRB(FKBP12-rapamycinbinding)结构域，它是FKBP12-rapamycin复合物的结合位点，在雷帕霉素特异性抑制mTOR中起着连接作用：雷帕霉素可与细胞内的受体FKBP12结合形成FKBP-rapamycin复合物，再与mTOR的FRB区相结合，从而抑制mTOR的激酶活性[3]。FRB激酶结构域的上游是一个相对较大的FAT(focaladhesiontargetingdomain)结构域，约568个氨基酸残基，同样在mTOR的C端最后也有一个FAT结构域，即FATC(focaladhesiontargetingdomainofC-ternimal)结构域。它们在空间上形成特殊的构象以暴露出mTOR的激酶结构域区。FATC结构域在mTOR活性稳定上起着关键的作用，研究表明该结构域内一个氨基酸的缺失都能使mTOR活性丧失[4]。NRD(negativeregulatorydomain)结构域位于激酶催化域和FATC结构域中间，是mTOR负性调节域。1.2mTOR的存在形式mTOR在生物体以两种复合物的形式存在，即mTORC1及mTORC2。mTORC1包括mTOR、mLST8(mammalianorthologofLST8，又名GβL)和raptor(regulatory-associatedproteinofmTOR)；mTORC2包括mTOR、mLST8、mSIN1(mitogen-activatedproteinkinase-associatedprotein1)及rictor(rapamycininsensitivecompanionofmTOR)。研究表明，雷帕霉素主要通过与细胞内受体FKBP12结合而抑制mTORC1，但是对mTORC2无作用。目前研究较多的是mTORC1复合物。raptor分子结构相对保守，分子质量为150ku，所有raptor家族成员都在N-端有一段保守区及3个HEAT重复序列，mTOR分子N-端的重复序列使得它与raptor结合紧密，而C-端与raptor结合较疏松[5]。如图2所示，raptor是一种桥梁分子，它可以将mTOR与下游的靶分子如P70S6K、4EBP1连接起来。但是，在营养素等上游因子不存在时，mLST8将mTOR、raptor紧密地锁在一起，使得mTOR不能与其下游的靶基因结合；当营养素存在情况下，这一复合物发生空间构象改变，使得mLST8和raptor之间的结合断裂，暴露出mTOR，从而使其下游靶基因结合于raptor上[6]。对mTORC2复合物研究不多，目前认为它可以通过磷酸化蛋白激酶C-α(PKC-α)通路来调节肌动蛋白细胞骨架[7]。2mTOR信号传导途径2.1mTOR的上游信号传导途径mTOR可对细胞外包括生长因子、胰岛素、营养素、氨基酸、葡萄糖等多种刺激产生应答。它主要通过PI3K/Akt/mTOR途径来实现对细胞生长、细胞周期等多种生理功能的调控作用。2.1.1经典信号传导途径——PI3K/Akt/mTOR信号通路PI3K可被激活的Ras通路以及一些生长因子及细胞因子激活，如IL-1、IL-2、IL-3、IL-4、IL-6、胰岛素样生长因子、表皮生长因子、血小板源性生长因子、集落刺激因子等[8]。如图3所示，这些细胞外生长因子配体与跨膜的酪氨酸激酶受体如胰岛素受体(IR)结合后，IR的多个酪氨酸残基被磷酸化而激活；活化的IR通过磷酸化其底物蛋白来招募PI3K的p85亚基，并把信号传递给p110亚基，导致PI3K的激活；活化的PI3K催化PI-4-P与PI-4，5-P2的3位磷酸化而生成PI-3，4-P2与PI-3，4，5-P3后，后两者仍然在细胞膜上，召集下游分子Akt到细胞膜上。PI-3，4，5-P3可以激活磷脂酰肌醇依赖性激酶-1(PDK-1)，从而使Akt的308位的Thr磷酸化，在PDK-2的存在下，其473位的Ser再被磷酸化从而使Akt完全被激活。正常情况下，结节性脑硬化复合物-1(TSC-1)和TSC-2形成二聚体复合物，是小GTP酶Rheb(Ras-homologenrichedinbrain)的抑制剂，而Rheb是mTOR活化所必需的刺激蛋白，因此TSC-1/TSC-2在正常情况下抑制mTOR的功能。当Akt活化后，它可磷酸化TSC-2的Ser939和Thr1462，抑制了TSC-1/TSC-2复合物的形成，从而解除了对Rheb的抑制作用，使得mTOR被激活[9]。在整个PI3K/Akt/mTOR信号通路中，有一条十分重要的负反馈调节剂就是10号染色体上缺失与张力蛋白同源的磷酸酶基因(phosphataseandtensinhomologydeletedonchromosome10,PTEN)。PTEN是一个肿瘤抑制基因，位于人染色体10q23。它有一个蛋白酪氨酸磷酸酶结构域，在这条通路中可以将PI-3，4-P2与PI-3，4，5-P3去磷酸化，从而负调节PI3K下游AKt/mTOR信号通路的活性[10]。2.1.2非依赖PI3K/Akt途径越来越多的研究发现AMPK(AMP-activatedproteinkinaseA)与mTOR的活性调节有关。有研究表明在哺乳动物细胞系中，氨基酸的代谢调节不是通过PI3K/Akt/mTOR通路来实现的，而是直接通过LKB1/AMPK/mTOR通路来调节。在细胞中，当ATP/ADP比率下降时，AMP的水平变化比ATP的变化更为敏感。AMPK的活性则对于细胞内AMP水平非常细微的变化都能很快察觉到[11]。在缺乏能量的细胞内，AMPK可以直接磷酸化并提高TSC-2的活性，促进TSC-1/TSC-2复合物形成，抑制Rheb酶活性，从而间接抑制mTORC1通路的活性[12]。AMPK在能量压力下还可以直接磷酸化mTORC1[13]。2.2mTOR的下游信号传导途径活化的mTOR通过磷酸化蛋白翻译过程中的某些因子来参与多项细胞功能，其中最主要的是4EBP1和P70S6K。4EBP1：4EBP1(eIF4E-bindingprotein1)的mRNA中含有从DNA中转录得到的遗传信息，是蛋白质生物合成的模板。在真核生物蛋白质合成的起始阶段，由于5′端mRNA的特殊帽状结构，核糖体不能直接与mRNA相结合，而是需要翻译起始因子的帮助。eIF-4E又称为帽结合蛋白(cap-bindingprotein,CBP)，它与mRNA的5′帽结构结合后再与eIF-4G结合，eIF-4G作为一种支架蛋白募集eIF-4A形成三聚体复合物eIF-4F，而此复合物可以使核糖体结合到mRNA上从而起始蛋白质的翻译。4EBP1有同eIF-4G相似的eIF-4E识别序列，故4EBP1、eIF-4G与eIF-4E的结合存在部分重叠，4EBP1可以通过竞争性抑制eIF-4G与eIF-4E的结合来达到抑制翻译起始的作用。mTOR信号通路通过磷酸化4EBP1，使eIF-4E与其解离并活化，促使翻译起始复合物的形成，从而加速蛋白质的合成(图4)。4EBP1与eIF-4E的解离，在活化一些位于5′-UTR(5′-untranslatedterminalregion)区特殊的调控元件起着重要的作用，如c-myc,cyclinD1以及鸟氨酸脱羧酶。相反，当生长因子或营养素缺乏，或者有mTOR抑制物存在时，4EBP1去磷酸化，并与eIF-4E结合从而抑制翻译起始[14]。3mTOR信号通路与肿瘤的关系近年来，很多关于雷帕霉素及其衍生物如CCI-779、RAD-001的作用研究，向我们展示了mTOR信号通路在肿瘤发生发展中起着重要的作用。与肿瘤密切相关的多项细胞功能如细胞增殖、细胞周期、蛋白合成、细胞迁移等均受控于mTOR的调节。现已发现许多肿瘤如乳腺癌、前列腺癌、肺癌中都有mTOR信号通路的调节异常。3.1PI3K/Akt/mTOR通路的过度激活PI3K/Akt/mTOR信号通路活化与多种肿瘤发生密切相