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今天我們介紹一個在RTKs下游、與MAPK平行的另一個重要通路— PI3K通路。

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01

PI3K的組成與激活方式

圖 1. PI3K的激活方式

02

P13K催化功能

圖 2. PI3K催化的反應(yīng)

PI3K激活后能夠催化PIP2的3位羥基磷酸化生成PIP3，從而進(jìn)一步促進(jìn)下游通路；恰恰相反， 細(xì)胞中另一種酶PTEN則能催化這個反應(yīng)的逆過程，并對PI3K下游的通路產(chǎn)生抑制作用。

PIP3生成后，可以充當(dāng)?shù)诙攀?，同時(shí)招募PDK1和AKT蛋白到質(zhì)膜上，使PDK1磷酸化AKT蛋白的308號位的蘇氨酸（T308）， 導(dǎo)致AKT部分活化。被活化的AKT將進(jìn)一步激活下游調(diào)控通路。

03

PI3k-AKT 通路

圖 3. PI3K-AKT及下游蛋白

AKT 是一類 AGC 家族的絲氨酸/蘇氨酸激酶，主要包含3 個結(jié)構(gòu)域：PH 結(jié)構(gòu)域（對 PIP3 有親和力，對與胞膜的結(jié)合至關(guān)重要）、催化結(jié)構(gòu)域、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。AKT作為一種原癌基因，在多種細(xì)胞過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，如葡萄糖代謝，細(xì)胞凋亡，細(xì)胞增殖，轉(zhuǎn)錄和細(xì)胞遷移； PI3K/AKT 信號通路失調(diào)見于多種人類疾病，包括癌癥、糖尿病、心血管疾病和神經(jīng)疾病。

AKT下游作用的底物分類繁多，結(jié)合上圖我們對主要的底物進(jìn)行概述：

1、TSC2

TSC復(fù)合體（結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體）包含三個亞基：TSC1，TSC2以及TBC1D7，能夠負(fù)調(diào)控mTORC1復(fù)合體的活性，起到腫瘤抑制的作用。產(chǎn)生這種作用的主要原理是：TSC2包含的GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein，簡稱GAP）結(jié)構(gòu)域，將GTP形式的RHEB（RAS家族的一種小G蛋白）水解為GDP形式的RHEB，導(dǎo)致RHEB失活，不能激活mTORC1的激酶活性，從而抑制細(xì)胞生長。 而AKT誘導(dǎo)TSC2蛋白(tuberin) 的939位Ser和 1462位Thr磷酸化后，活性抑制，導(dǎo)致mTOR通路反而被激活；

2、BAD

BAD（Bcl2相關(guān)的細(xì)胞死亡激動劑）能夠正向調(diào)節(jié)線粒體的凋亡，AKT磷酸化該蛋白后，BAD活性抑制；

3、MDM2

AKT能夠通過磷酸化p53的泛素連接酶—MDM2而使其激活， 從而抑制p53產(chǎn)生的細(xì)胞周期阻滯與凋亡。

4、p21 和 p27

CDK抑制因子p21和p27是兩個重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子，在正常細(xì)胞 DNA受損傷時(shí) , 被P53誘導(dǎo)產(chǎn)生，抑制DNA復(fù)制，增強(qiáng)DNA修復(fù)，起到抑癌作用。 而AKT磷酸化抑制這些CDK抑制因子后能夠抑制其活性。

5、GSK3β

GSK3β（糖原合成酶激酶3β）是一種在進(jìn)化上非常保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與肝糖代謝，在Wnt 通路中扮演重要的角色。正常情況下GSK3β可以磷酸化β-catenin使其經(jīng)蛋白酶體降解， AKT磷酸化GSK3β后，導(dǎo)致GSK3β失活，不能再磷酸化β-catenin，致使β-Catenin在胞漿內(nèi)大量聚集，從而進(jìn)入細(xì)胞核并激活與細(xì)胞分裂和生長調(diào)控相關(guān)的基因（如c-myc和Cyclin D1等）。

6、IKK ( IκB kinase )

IKK ( IκB kinase ) 被AKT磷酸化激活， IKK進(jìn)一步磷酸化抑制能夠抑制NF-kβ途徑的轉(zhuǎn)錄因子IκB（ 注意斷句....），最終結(jié)果是： AKT正向調(diào)控了NF-kβ途徑，從而對細(xì)胞生存、增殖、侵襲、血管生成和化療耐藥產(chǎn)生影響。

7、WEE1

CDK1抑制激酶—WEE1能夠被磷酸化抑制，對有絲分裂產(chǎn)生影響。

8、ASK1

ASK1 （凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1）是一種能夠激活JNK信號通路（MAPK通路的一種，詳情見第二期）的MAPKKK，與凋亡誘導(dǎo)，促凋亡和內(nèi)皮網(wǎng)應(yīng)激(ERS)有關(guān)， AKT磷酸化ASK1后，導(dǎo)致其活性抑制。

9、FOXO

FOXO是一種凋亡誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子，AKT磷酸化FOXO后導(dǎo)致其在細(xì)胞內(nèi)重新定位并失去轉(zhuǎn)錄活性。

綜上所述，我們可以看出： AKT所產(chǎn)生的效應(yīng)最終結(jié)果大多引起細(xì)胞增殖及避免凋亡。

04

PI3K-AKT-mTOR 通路及TORC復(fù)合物

前面我們已經(jīng)說過了， AKT能夠通過抑制TSC2，間接導(dǎo)致RHEB激活mTOR增強(qiáng)。mTOR全稱叫做哺乳動物雷帕霉素靶點(diǎn)（mammalian target of rapamycin， mTOR）。mTOR是一類絲/蘇氨酸激酶，C端與磷脂酰肌醇激酶（PI3K）催化域同源，但是卻不具備酯酶激酶的活性，而具有Ser/Thr蛋白激酶活性。 mTOR 能夠形成兩種復(fù)合物：TORC1和TORC2。

圖 4. PI3K-AKT-mTOR通路

除了能被AKT激活外，mTOR還能根據(jù)細(xì)胞環(huán)境的能量與營養(yǎng)情況被激活或抑制。如上圖所示， 當(dāng)能量不足（AMP/ATP 比例增高）、缺氧時(shí)， TSC2、TSC1形成復(fù)合體增強(qiáng)， 抑制mTOR復(fù)合物形成。當(dāng)溶酶體氨基酸過量時(shí)，H+-vATP酶能夠激活帶有鳥嘌呤核苷酸交換因子（GEFs)的蛋白復(fù)合物Ragulator，從而促進(jìn)TORC1的形成。

圖 5. TORC1與TORC2

前面已經(jīng)提到，mTOR有兩種復(fù)合物： mTORC1 和 mTORC2。 mTORC1 由 mTOR、mTOR 調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白 Raptor、MLST8 和非核心組分 PRAS40、DEPTOR 組成。mTORC2 由 mTOR、mTOR 帕霉素不敏感伴侶 RICTOR、MLST8 和 mSIN1 組成。這兩種復(fù)合物的主要區(qū)別就在于：結(jié)合蛋白是Raptor還是Rictor以及相關(guān)蛋白是PRAS40還是mSIN1。其中， 前者的區(qū)別主要決定TORC1對雷帕霉素敏感，而TORC2對雷帕霉素不敏感；而后者的區(qū)別則在于：PRAS40是AKT的底物，而mSIN1是MAPK的底物。

從功能上來說， TORC2功能較為簡單，它能夠磷酸化AKT從而對mTOR產(chǎn)生正反饋，促進(jìn)mTOR進(jìn)一步活化（ 與前面PDK1的部分活化呼應(yīng)）。 TORC1則不同，能夠繼續(xù)磷酸化下游多種底物，調(diào)控細(xì)胞生存、增殖、蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)生成、血管生成和自噬等生物過程。

05

TORC1 下游底物與效應(yīng)

圖 6. TORC1下游底物及效應(yīng)

TORC1 與蛋白質(zhì)合成

TORC1還可以先磷酸化激活下游AGC家族核糖體S6激酶（S6K1）， S6K1可以磷酸化激活核糖體S6蛋白（RPS6）、PDK1（AKT上游激動蛋白）、MDM2（p53抑制因子）、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子EEF2、接頭蛋白IRS等，磷酸化抑制促凋亡蛋白BAD。最終的效應(yīng)就是：避免細(xì)胞凋亡、促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。

TORC1 與脂質(zhì)合成

TORC1除了促進(jìn)蛋白質(zhì)合成外，還可以 磷酸化激活STAT3 (信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3)促進(jìn)細(xì)胞增殖； 激活SREBPs(固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白)和PPARα和γ(過氧化物酶體增殖物激活受體) 促進(jìn)脂質(zhì)合成。

TORC1 與血管生成

TORC1能夠通過 激活HIF1α促進(jìn)血管生成，而HIF1α也可以間接地激活TSC2，從而對TORC產(chǎn)生負(fù)調(diào)控作用。

TORC1與自噬

TORC1通過 磷酸化抑制下游底物ULK1等自噬相關(guān)蛋白，抑制自噬過程。

綜上所述，TORC1通過磷酸化激活/抑制一系列底物，直接/間接提高了蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的合成、促進(jìn)細(xì)胞增殖，引起細(xì)胞和組織的生長。

06

PI3K-AKT-mTOR 與腫瘤

從上文我們可知，PI3K 通路可以通過多種途徑避免細(xì)胞凋亡，促進(jìn)其存活及增殖。 PI3K/AKT信號通路在腫瘤發(fā)生中廣泛的激活，尤其是PIK3CA，PIK3R1，PTEN，AKT等基因存在高頻突變（其中PIK3CA基因在大約36%的乳腺癌中存在突變），與腫瘤發(fā)生、發(fā)展以及耐藥密切相關(guān)。

目前該通路的主要涉及的突變有：

1、PIK3CA突變

PIK3CA是腫瘤中編碼 PI3K 蛋白 P110 亞基的基因，具有較高的突變比例。在前列腺癌、乳腺癌等多種癌癥中，超過 10%以上的病例存在PIK3CA 突變。其中，激活型突變占80%以上。激活點(diǎn)突變可以讓 PI3K 蛋白不依賴上游信號，而持續(xù)保持激活狀態(tài)。 PIK3CA 突變被認(rèn)為是 EGFR-TKI 治療產(chǎn)生耐藥的潛在原因之一。

2、PTEN突變

前文我們提到， 抑癌基因PTEN能夠產(chǎn)生與PI3K相反的效應(yīng)，因此其突變也導(dǎo)致癌癥發(fā)展。 在子宮內(nèi)膜癌、腦癌、皮膚癌和前列腺癌中， 10%以上的病例存在 PTEN 基因突變。

3、AKT突變

AKT基因家族包括：AKT1，AKT2，AKT3。 AKT 在腫瘤中最常見的突變形式，是激活點(diǎn)突變和基因拷貝數(shù)異常增加。在乳腺癌、結(jié)直腸癌、卵巢癌和膀胱癌中，有相當(dāng)高比例的病例。

圖 7. 針對PI3K-AKT-mTOR通路設(shè)計(jì)的藥物

如上圖所示，目前針對PI3K、AKT以及mTORC靶點(diǎn)的藥物研發(fā)均有一些進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] Robert, Jacques. Textbook of Cell Signalling in Cancer [M]. Springer International Publishing, 2015.

[2] Wagener C , Stocking C , O. Müller. Cancer Signaling - From Molecular Biology to Targeted Therapy[M]. 2017.

[3] Amanda H . Cancer cell signalling[M]. Wiley Blackwell, 2014.

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