千乘镜像 | PI3K-AKT信号通路：我们知道哪些？哪些我们不知道？
2022-11-17 互联网
PI3K-Akt通路是一种细胞内信号转导通路,通过对细胞外信号的响应,促进代谢、增殖、细胞存活、生长和血管生成。这是通过一系列下游底物的丝氨酸和/或苏氨酸磷酸化介导的。涉及的关键蛋白是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和Akt/蛋白激酶B。PKB/Akt研究的起源可以追溯到1977年, Staal及其同事的发现的一种以前未被描述的病毒ATK8中的癌基因。这种细胞来源的致癌基因序列被分离并命名为akt。1991年,三个独立的研究小组确定了与PKB/Akt相对应的基因,证实了PKB/Akt是一种广泛表达的新型磷酸化蛋白激酶,并为进一步研究PKB/Akt在多种细胞过程中的作用铺平了道路。1990年,Cantley小组分离出一种称为磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)的酶。1995年,Richard Roth和他的同事报道Akt被胰岛素激活。随后,一些研究表明,由PI3K产生的膜磷脂是PKB/Akt活化所需的一个必要元素。
参与该信号通路的关键分子是受体酪氨酸激酶(RTKs)、磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)、磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)、磷脂酰肌醇-3,4,5-二磷酸(PIP3)和AKT/蛋白激酶B。
RTK是许多多肽生长因子、细胞因子和激素的高亲和力细胞表面受体。该受体有三个功能域:细胞外配体结合域、跨膜域和细胞内酪氨酸激酶域。当生长因子等配体与RTKs结合时,两个RTKs单体靠近并形成二聚体,这导致细胞内酪氨酸激酶结构域的激活和每个单体的自动磷酸化。
PI3K是一种能够磷酸化磷脂酰肌醇肌醇环3位羟基的激酶。PI3K由两个结构域组成:催化结构域P110和调节结构域P85。PI3K的激活通常是通过与激活受体结合的调节亚单位直接刺激或通过诸如胰岛素受体底物(IRS)蛋白质等适配器分子间接激活的结果。PI3K也可以被GTP结合的RAS蛋白激活。
PIP2和PIP3是细胞膜的次要磷脂成分。PIP3通常作为对接磷脂,与特定结构域结合的对接磷脂,促进蛋白质向细胞膜的募集和随后信号级联的激活。在PI3K-AKT途径中,PIP3的3位磷酸基团可与PDK1和AKT蛋白结合,并在细胞膜上募集AKT蛋白,使PDK1进入“激活环”并磷酸化T308,导致PKB/AKT部分激活。然后,通过mTORC2或DNA-PK使羧基末端疏水基序中S473处的Akt磷酸化,刺激完整的Akt活性。
磷脂酰肌醇代谢和PIP2和PIP3的结构
AKT又称蛋白激酶B,是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶,在多种细胞信号传导过程中发挥关键作用。一旦激活,Akt通过磷酸化激活或抑制与细胞生长、增殖、运动、粘附、血管新生和细胞死亡有关的多种蛋白质来调节功能。
PI3K-AKT途径具有许多下游效应。PI3K-AKT通路的负调控可以在PIP3水平和AKT蛋白失活的靶点上实现。磷酸酶和张力蛋白同系物(PTEN)是一种主要的下调蛋白,可将PIP3转化为PIP2。此外,两种负调节蛋白蛋白磷酸酶2A(PP2A)和蛋白磷酸酶PHLPP分别使Akt的Thr308位点和Ser473位点去磷酸化。除了这些调节蛋白外,该途径本身还具有反馈机制:由Akt激活的转录因子NF-κB可调节过氧化物酶体增值物激活受体δ(PPARβ/δ)激动剂和肿瘤坏死因子α(TNFα),后者进而作为正反馈抑制PTEN的表达;负反馈回路由mTORC1和S6K1激活发挥功能。S6K1能够在多个丝氨酸残基处磷酸化IRS-1,防止与RTK结合,从而抑制PI3K活化。
PI3K-AKT通路的正反馈和负反馈机制
一旦激活,Akt可以从细胞膜转移到细胞质和细胞核中,其中有许多底物驻留。Akt的磷酸化可以是抑制性的,也可以是刺激性的,既可以抑制也可以增强靶蛋白的活性。根据靶蛋白的不同,Akt可以调节不同的细胞功能,PI3K-Akt通路的几个主要作用有:
细胞凋亡/存活:
Akt通过阻断促凋亡蛋白的功能和凋亡过程来增强细胞的存活。Akt负性调节Bcl-2家族成员、Bax蛋白和Bim蛋白的功能或表达。Akt还通过影响转录因子(如FOXO和p53)抑制BH3-only蛋白的表达。p53也是一种介导细胞凋亡的癌基因。Akt可通过磷酸化MDM2促进p53降解。Akt还可以在高度保守的N末端调节位点磷酸化GSK3亚型,并使激酶失活,从而通过GSK3调节细胞凋亡和糖代谢。
蛋白质合成与细胞生长:
Akt最保守的功能之一是通过抑制TSC2和间接激活mTOR复合物1(mTORC1)促进细胞生长。mTORC1是翻译起始和核糖体生物发生的关键调节因子,在细胞生长控制中起着进化保守的作用。它可以激活S6K和真核生物起始因子4E(eIF4E)结合蛋白1(4E-BP1),S6K可激活核糖体S6,促进蛋白质合成和细胞生长。
细胞增殖与细胞周期:
P21/Waf1/Cip1蛋白的功能是维持细胞处于静止状态。P27/Kip2在维持细胞处于G1状态方面具有相似的功能。Akt还可以磷酸化P21/Waf1/Cip1和P27/Kip2,并通过将它们保留在细胞质中来抑制它们的抗增殖作用。因此可以促进细胞进入细胞周期进行增殖。
总之,PI3K-AKT信号通路的功能是刺激细胞增殖和生长,同时抑制细胞凋亡。
由于PI3K-AKT通路的一般调控方向是刺激细胞生长和增殖。这种信号通路的过度激活会过度刺激细胞,导致细胞异常增殖,即肿瘤发生。PI3K通路异常在癌症中很常见,并在肿瘤转化中起作用。PI3K本身是突变激活的常见靶点。乳腺癌中最常见的遗传畸变是编码p110α的PIK3CA基因的体细胞错义突变。PIK3CA基因有两种突变,即基因拷贝数异常和点突变,导致PI3K在没有RTKs刺激的情况下持续激活。PI3K点突变80%为E542K、E545K和H1047R突变。这些点突变的患者对EGFR和Her2抑制剂的靶向抗癌药物如拉帕替尼和西妥昔单抗不敏感。AKT和PTEN也是人类癌症中经常发生的基因组和表观遗传学变化的靶点。表达AKT基因最常见的突变是激活点突变和基因拷贝数异常增加。E17L和Q79K的激活突变在乳腺癌、结肠癌、卵巢癌和膀胱癌中非常常见。PTEN基因的常见突变是基因拷贝数的异常丢失和失活点突变,子宫内膜癌、脑癌、皮肤癌和前列腺癌患者中PTEN基因突变率超过10%。
一些抑制PI3K-Akt信号通路的小分子正在临床开发中,主要有四大类抑制剂:双重PI3K-mTOR抑制剂、PI3K抑制剂、Akt抑制剂和mTOR抑制剂。
AD是一种神经退行性疾病,与年龄密切相关,并与记忆、认知障碍和行为改变有关。两个主要病理特征为:以淀粉样蛋白(Aβ)为核心的老年斑(SP)和脑神经细胞中Tau蛋白异常高磷酸化形成神经原纤维缠结(NFT)。
PI3K/AKT信号通路已被证实参与了AD两种特殊病理结构的形成,因此激活PI3K/AKT通路可能有助于延缓AD的进展。PI3K/AKT 信号通路的激活能够保护神经元免受 Aβ 诱导的神经毒性。该通路下游的各种靶点与疾病的发生发展密切相关。例如,GSK-3β 活性的增加与 Aβ 产生和沉积的增加、tau 的过度磷酸化和 NFT 的形成直接相关。在AKT磷酸化过程中,GSK-3β的磷酸化蛋白在Ser9位点失活,从而减弱了Tau蛋白的过度磷酸化,抑制了NFT的形成。与正常人不同的是,AD患者大脑某些区域的神经元数量明显减少。这些变化主要是由氧化应激反应诱导的细胞凋亡和谷氨酸的兴奋性毒性引起的,最终导致神经系统疾病的发生。AD中的细胞死亡与抗凋亡蛋白(Bcl-2、Bcl-xL)表达的变化有关,这些蛋白通过稳定线粒体膜的通透性和阻止线粒体细胞色素C的释放而发挥抗凋亡作用。有趣的是,PI3K/AKT信号通路可以调节线粒体膜通透性蛋白Bcl-2、Bax等蛋白的表达。其他研究表明,PI3K/AKT 的抑制通过介导 P38 激活诱导神经元凋亡。此外,PTEN的过表达与细胞凋亡相关,神经元细胞的存活或死亡可能部分归因于PTEN表达的变化。因此,下调 PTEN 以促进 AKT 的激活可能对维持其神经保护作用具有重要意义。
除此之外, PI3K/AKT 通路还可以调节神经元的突触可塑性。在AD的动物模型中,抑制PTEN有利于维持正常的突触功能,从而提高认知能力。此外,PI3K/AKT信号中的mTOR蛋白通路也参与了神经元树突的发育和树突棘的形成。突触可塑性的增加是以长时程增强(LTP)为特征,这需要激活NMDA受体,从而促进AMPA受体插入突触后膜。一方面,mTOR增加LTP相关蛋白的表达,PI3K也与AMPA受体结合并引导其在膜上的分布。另一方面,NMDA 受体的激活也促进了PI3K的活化。此外,AKT将磷脂酰肌醇(PI)固定在突触后膜上,募集AMPA受体的对接蛋白,促进AMPA受体在突触后膜上的固定。因此,PI3K/AKT/mTOR 信号通路在多个节点调节神经元突触可塑性。
AD发病机制中PI3K/AKT信号的示意图
鉴于PI3K/Akt信号轴在AD进展中的作用,具有调节该信号通路能力的新候选物有希望用于治疗该退行性疾病。事实上,该信号通路的激活或抑制在很大程度上取决于细胞的类型和疾病的阶段。虽然抑制PI3K/Akt轴可以刺激自噬系统以消除有毒蛋白质,但PI3K的激活可以促进神经细胞的存活。因此,这两类药物似乎都可以用来改善AD患者的病情。到目前为止,已经发现一些化合物或天然产物对AD的治疗作用是通过激活PI3K/Akt信号轴介导的,如丹参、姜黄素、栀子苷、葛根素、740-Y-P、APN等。
总之,确定正确的给药时间是这些PI3K/Akt调节剂成功的最重要因素之一。此外,PI3K/Akt信号通路在AD进展或抑制中的作用广泛取决于细胞的环境,一般来说,虽然神经元和神经干细胞中的PI3K/Akt激活是有益的,但小胶质细胞中的PI3K/Akt激活可能是有害的。
参考文献
1.https://www.creative-diagnostics.com/PI3K-AKT-Signaling-Pathway.htm
2.Razani E, Pourbagheri-Sigaroodi A, Safaroghli-Azar A, et al. The PI3K/Akt signaling axis in Alzheimer’s disease: a valuable target to stimulate or suppress?[J]. Cell Stress and Chaperones, 2021: 1-17.
3.Long HZ, Cheng Y, Zhou ZW, Luo HY, Wen DD, Gao LC. PI3K/AKT Signal Pathway: A Target of Natural Products in the Prevention and Treatment of Alzheimer's Disease and Parkinson's Disease. Front Pharmacol. 2021;12:648636. Published 2021 Apr 15. doi:10.3389/fphar.2021.648636
文案 | 灵犀
审核 | 李迪迪 刘泽鹏 李薇
