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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
，
< br>与
v
．
src
< br>和
v
．
ras
< br>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
(PI
3Ks)
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(
< br>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
< br>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<
/p>
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
(cell
trafficking)
，而未磷酸化的
则不能。<
/p>
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
PI
3K,
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
(isot
ype),
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
p110
α
,
β
,
δ
,
γ
，而
δ<
/p>
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
< br>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
(docking site)<
/p>
。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
(adaptor protein)
。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
integr
in(
非
RTK)
被启动后，粘着斑激
酶
(FAK)
则作为接头蛋白，将
P
I3K
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<
/p>
PIP3
。
PIP3
作为锚定物
(anchor)
许多蛋白含有一个
Pleckstrin Homology(
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。
< br>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(phosphoinositid
e dependent kinase-1)
结合
,
促使
PDK1
磷酸化
AKT
蛋白的
Ser308
导致
AKT
活化。
其它
P
DK1
的底物还包括
PKC(
蛋
白激酶
C)
、
S6K
(p70S6)
和
SGK(serum/glucocorticoid regulated kinases)
。
AKT,
亦称为蛋白激酶
B(PKB)
，
是
PI
3K
下游主要的效应物。
AKT
可分为
3
种亚型
(AKT1
< br>、
AKT2
、
AKT3
或
PKB
α
,
PKB
β
,PKB
γ
)
，
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<
/p>
，
AKT2
和
A
KT3
。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
< br>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
< br>AS160(AKT
底
物，<
/p>
160kDa)
，
进而促进
GLUT4
转座和肌细胞对葡萄糖的吸收。
AKT<
/p>
也磷酸化
GSK3
β
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(tuberous
sclerosis complex)
，
可阻止其对
小
G
蛋白
Rheb(R
as homology enriched in brain)
的负调控，进而使得
Rheb
富集以及对纳巴霉素
(rap
amycin)
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
< br>激酶
(IKK
α
),
导致
NF-
κ
B
的抑制剂
I
κ
B
的降解
,
从而使
NF-
κ
B
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
< br>的活性
,
磷酸化的
MDM2<
/p>
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
F
OXO1
，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
(phosphatase and tensin homology deleted on
chromosome 10),
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<
/p>
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
C
β
(PLC<
/p>
β
)
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<
/p>
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
P
IP
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，<
/p>
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
< br>Ptd Ins(4
，
5)P2(
PIP2
)
转化为
Ptd
Ins(3
，
4
，
5)P3
(PIP3
)
。
PI(3
，
4
< br>，
5)P3
可以和
蛋白激酶
B(
PKB
，
Ak
t
)
的
N
端<
/p>
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)<
/p>
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
< br>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<
/p>
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
PrEN
f Phosphatase and
tensin homolog deleted o chromosome 10
，
第
10
号染色体
磷
酸酶
和
张力蛋白
同源丢失性基因<
/p>
)
编码的产物可以使
PIP3
在
D3
位去磷酸化生成
P
IP2
，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。
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