mTOR信号通路与肿瘤研究进展

作者:陆建国综述,俞松

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是1991年从酵 母中分离出的一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,是多条信号 通路的关键蛋白分子,在体内参与多种细胞增殖、分化、 自噬、凋亡及周期调控,是近年来在肿瘤领域的研究热 点并已取得很大进展。本文就其与常见肿瘤的关系作一 综述。

1 mTOR及其信号通路?

1.1 mTOR mTOR属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶 (PIKK)家族,是PI3K/Akt信号通路下游重要的效应分 子.根据与其结合的物质不同在体内主要以两种高度同 源(70%)的复合体形式存在,即mTORC1和mTORC2。 mTOR与raptor、deptor、PRAS40和mLST8/G[3L等构成 mTORC1。不同形式的mTOR可能产生不同的生理作 用。Lai等[ 1报道,在结直肠癌患者中,deptor的表达量与 mTORC1的活性具有负相关性,即deptor表达量较高的 患者.mTORC1活性较低,表现出较低的肿瘤恶性程度 和转移率。而在多发性骨髓瘤中,deptor与mTORC2含 量同时增多[21,因而各种物质的检测可能作为临床疾病 的预后评估等指标。在mTORC2中以PRAS40替代raptor, 同时也含有mTOR、mLST8/GI3L、rictor、mSinl和protor 等重要分子,形成复合体 ,对雷帕霉素抑制作用敏感 的主要是inTORC1。可被快速抑制。而mTORC2需要雷 帕霉素较长时间作用才能影响其活性。?

1.2 信号通路mTOR的信号通路主要有两条,一条 是PI3K/Akt/mTOR促存活通路,该通路与细胞增殖及肿 瘤血管形成密切相关,包含3个关键蛋白分子,即PI3K、 Akt、mTOR。另一条是LKB1/AMPK/mTOR信号通路,抑 癌基因LKB1通过磷酸化磷酸腺苷激活的蛋白激酶 (AMPK)激活AMPK.进而实现对mTOR的负性调控。?

1.2.1 PI3K的结构和功能PI3K属于磷脂酰肌醇3.激 酶(PI3Ks)蛋白家族,因结构和功能的差异又分为PI3K1、 PI3K2和PI3K3亚型.在参与细胞增殖、分化、凋亡、药 物抵抗以及葡萄糖转运等方面发挥重要作用[6]。其中 研究较为深入的是PI3K1,其是PI3K的同源二聚体,含有 一个调节亚基(pl10)和一个催化亚基(p85),调节亚基 有SH2和SH3 2个结构域,可与相应的靶蛋白结合发挥作用。PI3K可进一步细分为2个亚纲:IA(PI3Ka,B和 8)及IB(PI3K~/).IA类可被酪氨酸蛋白激酶受体激活, IB类则可被G蛋白偶联受体激活[7-81,在多种癌症的发 生发展中都有PI3K的异常活化。例如,乳腺癌患者中 PI3K.pl10的高表达往往预示着较低的存活率I91,PI的 肌醇环上有5个可磷酸化的位点,其中第4、5位点可被 多种激酶磷酸化,因而这2个位点是发生磷酸化修饰的 重要部位。细胞因子如血管内皮生长因子(VEGF)、成纤维 细胞生长因子(FGF)等都能激活PI3K。这始于对生长因 子受体酪氨酸蛋白激酶(RTK)的激活,酪氨酸残基发生 自磷酸化.随即PI3K被招募至细胞膜上使催化亚基激 活,快速导致PI。4,5.P2转化为胞内信使PI一3,4, 5.P3.PIP3招募一些含有PH结构域的信号蛋白到细胞 膜上,包括3.磷酸肌醇依赖性蛋白激酶.1(PDK1)和Akt/ 蛋白激酶B(PKB)等多种信号蛋白,序贯活化下游信号 分子,参与调控细胞生长、凋亡等,Akt/PKB信号通路的 激活能够抑制促凋亡因子如Bad、Procaspase.9、Fas配 体(FasL)的表达;抑制糖原合成酶激酶一3(GSK.3),影响 葡萄糖代谢和细胞蛋白合成等?

1.2.2 Akt的结构和功能 Akt激酶属于AGC激酶家 族成员之一,因其结构中催化亚基的90%与PKA、PKC 相似,故又被称PKB。其本质是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白 激酶,相对分子质量为60x10 [1O-11]。与AMP/GMP激酶等 密切相关.由3个结构域组成.分别是含PH结构域的 N端调节区、中间激酶催化区及含有疏水模体的C端延 长区,人体内多种蛋白均含有PH结构区域,以保证与 细胞膜上PI 3、4-192或PI一3,4,5一P3相结合,且不同时间、 不同位置的结合将有不同的蛋白活性和功能。细胞受到 外界因子刺激时Akt的T308和$473位点会发生磷酸 化而激活,活化后的Akt转移到细胞核、线粒体等多种 细胞组分中,并对其底物进行调节.Akt能影响多种凋亡 相关因子,调控细胞生长和凋亡,是PI3K/Ak TOR信 号轴中重要的极其关键的蛋白分子 。?

1.2I3 LKB1 人LKBl基因又称Serine.ThreonineI 1、 STK11,广泛分布于人体多种组织内,编码LKB1蛋白, 相对分子质量为50x10。,位于人第19号染色体短臂.含有10个外显子,其中9个具有编码蛋白功能,由三大 区域组成,分别是:C端调节域、N端调节域和激酶区域. 在人体多种肿瘤中均发现某区域的突变或者异常表达, 并且与Peutz-Jeghers综合征的发病密切相关l13-1~q。Zhu等 以Wistar.Kyoto鼠为研究对象.发现LKBI/AMPK/p70S6K 信号通路可能参与心肌蛋白的合成,与左心室肥大发病 相关。LKB1成为近年来肿瘤领域的研究热点,还因其 在肿瘤细胞增殖方面也发挥重要作用。Liang等 在研 究LKB1信号通路时发现,沉默LKB1基因可能通过抑 制p53、p16信号途径加速细胞周期进程,促进细胞增殖; 相反,外源性激活LKB1/AMPK信号途径则会使细胞周 期阻滞在G 期,同时伴随细胞周期素cyclin D1、cyclin D3的下调,以及抑癌基因p53、p16和细胞周期蛋白依 赖性激酶抑制剂p21的上调。LKB1至少包含l3种 AMPK家族潜在底物,如AMPK、脑特异性激酶(BRSK) 和盐诱导激酶(SIK)等ll81。虽然细胞内大多数LKB1存 在于细胞核、少数存在于细胞质,但只有细胞质中的成 分才有活性,因为LKB1激活AMPK需要2个细胞质内 的衔接蛋白STE20相关受体蛋白(STRAD)和鼠蛋白25 (MO25)才能展示潜在的AMPK活性,而STRAD仅存 在于细胞质l】91。MO25( 或B)绑定于STRAD使STRAD. LKBl复合体更加牢固 。三者一起构成的复合体LKB1. STRAD仅.MO25cx磷酸化AMPKot亚基的Thr172位点l2", LKB1活性的调节可通过多位点的磷酸化.如Ser31、 Ser325、Thr336、Thr366和Ser428 E ,故相应位点的基因 突变也会影响LKB1磷酸化而影响其活性。?

1.2.4 AMPK AMPK即AMP依赖的蛋白激酶,是生物 能量代谢调节的关键分子,由d催化亚基,p、 调节亚 基组成的异源三聚体,能被细胞压力、激素等多种因素 激活,也是LKB1的直接底物.LKB1通过促进AMPK Ot 亚基上Thr172位点的磷酸化,增强AMPK的磷酸化水平, 从而使AMPK激活。AMPK是一个重要的能量转换器, 通过感受ATP/AMP比例来调节细胞能量状态,直接或 间接调节mTORC1活性,在抗肿瘤、抗感染、预激综合 征等中发挥重要作用[231。Xu等㈣通过激活AMPK达到 抑制mTOR介导的信号通路,促进神经元细胞凋亡。新 近研究显示。哺乳动物体内激活钙调素依赖蛋白激酶的 激酶(CaMKK[3)高表达时AMPK活性增加,利用RNA干 扰或者药物抑制CaMKKI5表达时,AMPK活性可显著 降低,故推测AMPK可能存在另一个上游分子CaMKKI3[z~, 但目前尚不清楚是否和mTOR一起参与肿瘤信号通路 的转导。?

1.2.5 HlT0R及其下游分子mTOR的相对分子质量为 289x103。在分子结构上从氨基端到羧基端依次含HEAT 重复序列,FAT、FRB、激酶区和末端的FATC区域,其本 质是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,由于进化相对保守,故可 以对多种外界刺激。如胰岛素、氨基酸、葡萄糖、生长因 子等产生应答,在细胞生长和增殖方面发挥重要作用。 其作用通过调节蛋白质翻译产生,mTORC1经典的下游分子是P70核糖体S6激酶(P70S6K)和真核生物转录 起始因子结合蛋白(4E.BP1),P70S6K含有Thr229、Thr389 等多个磷酸化位点,mTOR可磷酸化Thr389激活P70S6K. 进一步促使具有5 TOP结构的mRNA翻译成核糖体: 真核生物转录起始因子.4E(elF4E)与转录起始因子结 合蛋白结合后活性降低,此时依赖于eIF_4E的蛋白质合 成将被抑制,mTOR可活化4E.BP1,使二者分离,解除抑 制作用,故mTOR主要通过上述两条途径增加蛋白质翻 译及合成。?

1.2.6 roTOR负性调节结节性硬化症(TSC) TSC是一 种常染色体显性遗传综合征,其发病对神经、心血管、泌 尿等多系统造成严重损害,多数该病患者可检测到突变 的TSC1或TSC2基因,TSC1和TSC2基因分别编码错 构素(hamartin蛋白)、马铃薯球蛋白(tuberin蛋白),二者 常以二聚体形式存在,对mTOR具有抑制作用。原因是 该复合物可以抑制roTOR活化所必需的刺激蛋白小 GTP酶Rheb,促使Rheb—GTP向Rheb.GDP转换 ,进而 间接作用于roTOR。相反,当上游Akt信号被激活时可 使TSC一2的Ser939和Thr146位点磷酸化,废除其抑制 作用.激活mTOR。另一个抑制因子是人第1O号染色体 缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(I~FEN),定位于 10q23.3,该基因的蛋白产物含有与骨架张力蛋白tenasin、 辅助蛋白auxilin同源的区域,而且含有一酪蛋白磷酸酶 而得名。PTEN有多种生物学功能,其编码的蛋白产物促 使PIP3脱磷酸转换为PIP2,进而不能活化下游分子,可 阻止细胞分裂,调控细胞周期,诱导凋亡等,是近年来肿 瘤诊断、治疗和预后评价指标之一。相关Meta分析显示, PTEN的表达缺失或者下游抑制组分的表达上调都将 导致细胞恶性增殖 。国内外学者对roTOR信号通路进 行了大量研究,目前大多数学者致力于mTORC1的研究, 包括InT0RC1促进肝细胞分化[28l、给予抑制剂雷帕霉素 能够抑制成骨细胞活化等lz9l:而mTORC2由于发现相对 较晚.其研究尚处于初步阶段。Huang等在对mTORC2 的研究中,通过敲除小鼠胚胎成纤维细胞 C1或TSC2, 以及沉默Hela细胞TSC2,发现mTORC2活性显著下降, 推测TSC1.TSC2复合体可以与mTORC2结合并增加其 活性 此外,Sangyeul等[3。1检测了结节硬化症患者组织中 mTOR、P—roTOR、ERK、MEK等含量,结果显示,p-ERK、P. Mek在室管膜下巨细胞性星形细胞瘤(SEGA)均有高表 达,而正常组织则不然,并且推断ERK信号通路可能通 过转录后抑制TSC功能,故m r0R尚可能被有丝分裂通 路Ras/MEK/ERK激活。?

2 mTOR信号通路与肿瘤增殖和转移?

肿瘤血管形成是一个极其复杂的过程,其主要机制 是血管生成因子和生成抑制因子失衡的结果,mTOR信 号通路可以增加缺氧诱导因子(HIF)的表达,后者进一 步趋化VEGF的合成,导致新生血管合成。而在多种肿 瘤中均存在mTOR的过度表达,如垂体瘤 、胃癌【331、宫 颈癌㈣、肺癌I35]等。进一步研究发现,晚期肺癌中 PTEN的表达量低于早期,癌组织低于癌旁组织,可见肿瘤抑 制基因PTEN在肺癌发病中发挥重要作用。非小细胞肺 癌细胞株体外实验显示,人乳头瘤病毒16型可能激活 PI3K/Akt信号通路,诱导HIF—IoL、VEGF和IL.8等促血 管生成因子的表达[361。因此,mTOR信号通路抑制剂的 靶向抗血管生成作用在肿瘤治疗领域具有广阔前景[371, 也成为继肿瘤放疗、化疗、手术治疗的一大突破。这与 Zhang等[381以mTOR靶向抑制联合抗雄激素治疗前列 腺癌。其抗肿瘤效应大于单一用药的研究结果一致。肿 瘤转移是肿瘤发生、发展过程中最危险的阶段,也是区 分良恶性肿瘤的确切标准。有报道称超过半数以上晚期 胃癌患者具有远处转移『39]。近期研究显示,胃癌转移患 者淋巴结中P.Akt的表达高于早期胃癌[4o1,Ye等 1通过 靶向抑制PI3K信号途径,达到下调增殖细胞核抗原Ki. 67和基质金属蛋白酶2的表达.进而抑制胃癌细胞生长 和转移。此外,在对mTOR下游信号分子的干预中,Kho. tskaya等[421采用特异性S6K1抑制剂PF.4708671作用 于乳腺癌细胞后,可抑制其迁移。以上研究显示,roTOR 信号通路与肿瘤细胞增殖、迁移密切相关,在不同分子 层面进行干预均可能通过某种机制达到抑制肿瘤细胞 生长作用。?

3 mTOR信号通路与肿瘤细胞凋亡?

细胞凋亡是细胞主动的程序性死亡,对机体稳态发 挥重要作用。有多种基因和蛋白产物参与,如促凋亡基 因、抑制凋亡基因、死亡受体及配体、caspase等。细胞凋 亡途径主要有3条.分别是死亡受体途径、线粒体依赖 途径及内质网应激导致的凋亡。至少有5种死亡受体参 与了细胞凋亡,即TNFR.1、Fas、R3、DR4和DR5,经典的 是膜受体Fas,广泛存在于多种细胞表面,经过其配体 FasL活化后介导细胞凋亡;凋亡诱导因子、细胞色素C 等凋亡相关的基因产物定位于线粒体。当收到凋亡信号 时,线粒体的通透性转换孑L(兀'P)开放,引起一系列凋 亡事件,甚至可以不需要任何辅助因子;内质网途径则 是长时间有害因素刺激下内质网正常生理功能受损. 细胞启动由内质网介导的凋亡通路。Liu等[431研究胃癌 细胞抗增殖效应时发现,紫罗酮以剂量依赖方式激活 PI3K/Akt信号通路。进而诱导胃癌细胞株SGC.7901表达 被切割的caspase.3,抑制bcl-2而促发凋亡。Zhang等 研 究显示。PI3K/Akt/mTOR/p70S6K信号通路参与大叶茜 草素诱导的肿瘤细胞凋亡和自噬。中医药研究发现,姜 黄素也可以时间.剂量依赖的方式抑制急性单核细胞白 血病细胞株,原因可能是同时抑制Akt/mTOR和RAF/ MEK/ERK信号通路活性肿瘤的发生是一个多基因、 多步骤的过程,凋亡在肿瘤发生中起着负向调控作用. 探讨肿瘤凋亡在细胞治疗中的作用,进一步深入研究肿 瘤的治疗方法,有助于提高肿瘤治疗效果。?

4 mTOR信号通路与血管瘤?

mTOR信号通路在血管瘤等良性肿瘤中也异常激 活。吕欣等 检测了不同时期血管瘤标本中HlTOR和p70S6K—a的表达,发现增殖期血管瘤mTOR高表达,消 退期低表达。后期在体外培养血管瘤内皮细胞中予以雷 帕霉素干预后,导致mTOR下降,p70S6K.a表达增加及 GdG 期的细胞数量增多,促进血管内皮凋亡。Ou等 以 重组短发夹RNA腺病毒载体rAd5.Akt与mTOR转染 增殖期血管瘤内皮细胞后,发现增殖细胞核抗原表达减 少.细胞增殖减慢.诱导细胞凋亡和细胞周期阻滞等。基 于以上理论。袁蔚力[491检测了不同浓度普萘洛尔干预人 脐静脉内皮细胞后Akt、mTOR、ERK、FAK等基因和蛋 白的表达情况.模拟普萘洛尔治疗血管瘤的生物学机制, 结果发现,普萘洛尔呈现浓度依赖性抑制上述分子的 mRNA表达及上述血管生成信号分子的磷酸化蛋白表 达水平,提示普萘洛尔可能参与Akt/mTOR信号通路的 激活,进而影响血管瘤的增殖和消退。?

5 小结与展望?

mTOR信号通路的激活与肿瘤关系密切,在肿瘤血 管形成、加速细胞周期、抑制细胞凋亡等方面发挥重要 作用。抗mTOR或成为肿瘤治疗领域的一大突破,雷帕 霉素及其衍生物等mTOR抑制剂相继问世将为肿瘤患 者带来福音。但是,不同患者对于mTOR抑制剂的治疗 反应差异很大,而且长时间给药需要考虑更多药物不良 反应及负反馈激活Akt信号等问题。虽然PI3K/Akt是重 要的roTOR上游转导通路.但在复杂的人体环境中往往 是多因素共同作用形成信号网络。因此,为进一步阐释 疾病的发生发展机制,尚需进行大量的基础与临床研究 工作。?

2015-06-30