常立功，黃培林

(東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院病理學(xué)與病理生理學(xué)系，江蘇南京 210009)

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)通路是細(xì)胞內(nèi)重要的信號(hào)傳導(dǎo)途徑，處于該通路中心位置的是mTOR。mTOR廣泛存在于生物界中，其本質(zhì)是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，也屬于磷脂酰肌醇3-激酶相關(guān)激酶蛋白家族。mTOR信號(hào)通路由上游和下游蛋白組成。mTOR通路調(diào)節(jié)著細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)合成以及細(xì)胞分化、增殖。大腸癌(包括直腸癌和結(jié)腸癌)是消化道最為常見(jiàn)的惡性腫瘤之一，其發(fā)病機(jī)制涉及遺傳、環(huán)境等諸多因素。我國(guó)大腸癌的發(fā)病率具有明顯上升趨勢(shì)。越來(lái)越多證據(jù)表明大腸癌的發(fā)生發(fā)展與mTOR信號(hào)通路的過(guò)度激活有關(guān)。作者就mTOR信號(hào)通路與大腸癌演進(jìn)的相關(guān)性作一綜述。

1 mTOR的結(jié)構(gòu)

1.1 mTOR的分子結(jié)構(gòu)

mTOR是1991年人們研究其抑制劑雷帕霉素(rapamycin)作用機(jī)理及耐藥機(jī)制時(shí)被發(fā)現(xiàn)的［1］。編碼人類(lèi)mTOR的基因位于1p36.2，其mRNA編碼含有2 549個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，分子質(zhì)量為289 kD。mTOR的結(jié)構(gòu)域從氨基端到羧基端依次為HEAT重復(fù)序列FAT結(jié)構(gòu)域、FRB激酶結(jié)構(gòu)域、抑制性結(jié)構(gòu)域NRD及FATC結(jié)構(gòu)域［2］。以上結(jié)構(gòu)域共同組成完整的mTOR分子，并相互協(xié)調(diào)共同完成信號(hào)傳導(dǎo)與基因表達(dá)。

在蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)水平，mTOR的N端有20個(gè)重復(fù)的HEAT序列，每個(gè)HEAT含2個(gè)α螺旋，每個(gè)α螺旋有1個(gè)親水基團(tuán)和1個(gè)疏水基團(tuán)［3］，這些基團(tuán)協(xié)助mTOR固定于細(xì)胞膜表面。mTOR的C端是由234個(gè)氨基酸殘基組成的激酶結(jié)構(gòu)域，其結(jié)構(gòu)與磷脂酰肌醇3-激酶的催化域相似，所以mTOR也屬于P13K蛋白激酶類(lèi)家族［4］。激酶結(jié)構(gòu)域上游的是FRB結(jié)構(gòu)域，在雷帕霉素特異性抑制mTOR中起著連接的作用。在N端FRB激酶結(jié)構(gòu)域的上游是一個(gè)相對(duì)較大的FAT結(jié)構(gòu)域，由560個(gè)氨基酸殘基組成，在mTOR的C端最后也有一個(gè)FAT結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域在mTOR活性穩(wěn)定上起著關(guān)鍵作用，相關(guān)研究證實(shí)該結(jié)構(gòu)域內(nèi)一個(gè)氨基酸的缺失能使mTOR通路活性喪失［5］，NRD結(jié)構(gòu)域位于激酶催化域和FATC結(jié)構(gòu)域中間。mTOR分子的各結(jié)構(gòu)域在基因表達(dá)與信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中均發(fā)揮不同的調(diào)節(jié)作用，如NRD起負(fù)性調(diào)節(jié)作用，而FATC則起正性調(diào)節(jié)作用。

1.2 mTOR的存在形式

mTOR至少以兩種復(fù)合物形式存在于生物體內(nèi)，根據(jù)對(duì)雷帕霉素的敏感程度不同，可分為高敏感性的mTORC1低敏感性的mTORC2。mTORC1是由mTOR、調(diào)劑mTORC1轉(zhuǎn)配定位的連接蛋白raptor、mTOR抑制蛋白deptor、mTORC1復(fù)合物抑制蛋白pras40蛋白、調(diào)節(jié)mTORC1穩(wěn)定性的tti1/tel2復(fù)合物以及未知功能蛋白mLST8;mTORC2除具有deptor蛋白、mLST8蛋白、tti1/tel2復(fù)合蛋白之外，還有與raptor蛋白功能類(lèi)似的rictor蛋白、增強(qiáng)mTORC2調(diào)節(jié)SGK1活性的protor蛋白以及調(diào)節(jié)mTORC2組裝和增強(qiáng)其與SGK1聯(lián)系的mSin1蛋白。

兩種復(fù)合物中均含有mLST8蛋白，其功能未知，在mTORC2中的mLST8蛋白對(duì)其全部功能的的發(fā)揮是非常必要的，但在mTORC1中mLST8蛋白對(duì)整個(gè)復(fù)合體功能的發(fā)揮不是必需的［6］。雷帕霉素抑制mTORC1的機(jī)制可能是通過(guò)與細(xì)胞內(nèi)受體FK506(他克莫司結(jié)合蛋白)的小分子蛋白結(jié)合，使mTORC1完整性破壞并最終導(dǎo)致mTORC1活性喪失。而mTORC1的功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)周期和蛋白質(zhì)功能，這就是雷帕霉素用于臨床腫瘤治療的基礎(chǔ)［7］。raptor分子質(zhì)量為150 kD，其氨基端有3個(gè)HEAT重復(fù)序列［8］。raptor蛋白能將mTOR下游的靶分子如 S6K1、eIF3、4EBP1與mTOR復(fù)合物連接起來(lái)。在此過(guò)程中如生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)素等小分子物質(zhì)是直接促進(jìn)上下游蛋白結(jié)合的關(guān)鍵因素，當(dāng)此類(lèi)小分子存在時(shí)，可解除mLST8對(duì)mTOR與raptor復(fù)合物的限制，使得mLST8和raptor之間的結(jié)合斷裂，暴露出 mTOR，從而使 P70S6K、4EBP1結(jié)合，到mTOR［9］?，F(xiàn)有資料對(duì) mTORC2復(fù)合物的研究較少，有研究認(rèn)為該復(fù)合物可以通過(guò)磷酸化蛋白激酶通路來(lái)調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，同時(shí)這些作用的發(fā)揮又依賴(lài)于一些營(yíng)養(yǎng)素、氨基酸、細(xì)胞生長(zhǎng)因子的調(diào)節(jié)［10］。新近研究表明，mTORC2可在關(guān)鍵的調(diào)節(jié)部位直接磷酸化Akt，從而使Akt完全激活，并在某些腫瘤的生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2 mTOR信號(hào)傳導(dǎo)途徑

2.1 mTOR的上游信號(hào)傳導(dǎo)途徑

mTOR的上游信號(hào)傳導(dǎo)途徑可以分為傳統(tǒng)型與非傳統(tǒng)型。傳統(tǒng)型傳導(dǎo)途徑是PI3K/Akt/mTOR途徑，mTOR主要通過(guò)該途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)、細(xì)胞周期等多種生理功能的凋控作用;非傳統(tǒng)型的傳導(dǎo)途徑主要是LKB1/AMPK/mTOR通路，當(dāng)細(xì)胞受到低能量、低氧的刺激時(shí)，會(huì)啟動(dòng)此通路，因此非傳統(tǒng)的傳導(dǎo)途徑通常被認(rèn)為是細(xì)胞的適應(yīng)與應(yīng)激。

2.1.1 傳統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑——PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路 在傳統(tǒng)信號(hào)通路中，PI3K可被激活的Ras通路以及一些生長(zhǎng)因子及細(xì)胞因子如 IL-2、IL-3、EGF、CSF、胰島素等激活［11］。這些細(xì)胞外生長(zhǎng)因子配體與跨膜的酪氨酸激酶受體結(jié)合后，激活酪氨酸激酶受體;活化的酪氨酸激酶通過(guò)磷酸化其底物蛋白來(lái)聚集PI3K的p85亞基，最終導(dǎo)致PI3K的激活;活化的PI3K促進(jìn)磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸轉(zhuǎn)化為磷脂酰肌醇-3，4，5-，三磷酸，后者又催化磷脂酰肌醇依賴(lài)性激酶1。由于PDK-1的催化，使Akt 308位的蘇氨酸磷酸化、Akt 473位的絲氨酸再被磷酸化從而使Akt完全被激活。

生理狀態(tài)下，一些負(fù)性調(diào)節(jié)對(duì)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路起著重要作用，例如10號(hào)染色體上缺失與張力蛋白同源的磷酸酶基因PTEN。PTEN是一個(gè)腫瘤抑制基因，它有一個(gè)蛋白酪氨酸磷酸酶結(jié)構(gòu)域，通過(guò)抑制從PIP2到PIP3的轉(zhuǎn)化而對(duì)PI3K下游Akt/mTOR信號(hào)通路具有負(fù)性調(diào)節(jié)功能［12］。另外還有mTOR活化所必需的刺激蛋白R(shí)heb，由于Rheb小GTP酶的抑制劑是結(jié)節(jié)性腦硬化復(fù)合物TSC-1和TSC-2形成的二聚體復(fù)合物，所以此復(fù)合物在正常情況下可抑制mTOR的活性。但當(dāng)Akt活化后，它可催化TSC-2失活，進(jìn)而抑制TSC-1/TSC-2復(fù)合物的形成，導(dǎo)致Rheb小GTP酶對(duì)mTOR抑制性解除，最終使得mTOR被激活。

2.1.2 非傳統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑——LKB1/AMPK/mTOR通路 該傳導(dǎo)途徑又稱(chēng)非依賴(lài)型PI3K/Akt信號(hào)通路，主要通過(guò)LKB1/AMPK/mTOR通路來(lái)調(diào)節(jié)。有研究發(fā)現(xiàn)，AMPK作為mTORC1能量供應(yīng)的“調(diào)節(jié)劑”，因?yàn)閷?duì)細(xì)胞內(nèi)AMP水平的變化很敏感，在細(xì)胞中當(dāng)ATP與ADP比率下降時(shí)，可以直接磷酸化并提高TSC-2的活性，促進(jìn)C-1/TSC-2復(fù)合物形成，增加產(chǎn)能并降低耗能，C-1/TSC-2復(fù)合物形成抑制Rheb酶活性，從而間接抑制mTORC1通路的活性［13-14］。同時(shí)AMPK在ATP減少的情況下還可以直接磷酸化mTORC1，從而活化mTOR通路［15］。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞系中，某些氨基酸的代謝調(diào)節(jié)不是通過(guò)PI3K/Akt/mTOR通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是直接通過(guò)LKB1/AMPK/mTOR通路來(lái)調(diào)節(jié)。

mTOR通路信號(hào)通路的兩種傳導(dǎo)途徑均需Rheb酶激活，而Rheb酶活性由C-1/TSC-2復(fù)合物抑制，Akt可抑制該復(fù)合物的形成從而激活 mTOR蛋白，而AMPK則可以促進(jìn)C-1/TSC-2復(fù)合物的形成導(dǎo)致mTOR蛋白的抑制，可見(jiàn)C-1/TSC-2復(fù)合物具有調(diào)劑mTOR通路信號(hào)通路活性的功能，該復(fù)合物也或?qū)⒊蔀榭鼓[瘤治療的一個(gè)新的靶點(diǎn)。

2.2 mTOR的下游信號(hào)傳導(dǎo)途徑

上游信號(hào)傳導(dǎo)活化后，mTOR通道被激活，并且促使磷酸化它的兩個(gè)下游翻譯抑制因子，即4EBP1和P70S6K，二者共同參與蛋白質(zhì)的翻譯調(diào)控過(guò)程［16］。

4EBP1與mTOR通路:由于其mRNA 5'端有特殊帽狀結(jié)構(gòu)，核糖體不能直接與mRNA相結(jié)合，而是需要翻譯起始因子的幫助［17］。這個(gè)起始因子是由eIF4E、eIF4G(支架蛋白)、eIF4A(RNA 解旋酶)及eIF3形成的復(fù)合物。4EBP1磷酸化后失活，降低了與eIF4E的結(jié)合能力，解除了eIF4E和4EBP1之間的相互作用，使eIF4E與之分離，之后eIF4E與其他翻譯起始因子結(jié)合通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA編碼蛋白的選擇性翻譯，最終啟動(dòng)蛋白質(zhì)的翻譯調(diào)節(jié)細(xì)胞周期與細(xì)胞增殖。

P70S6K與mTOR通路:P70S6K是核糖體40S小亞基S6蛋白激酶，分子質(zhì)量70 kD，mTOR可以磷酸化并激活P70S6K，之后P70S6K激活S6蛋白;而S6蛋白可以提高 5'Top結(jié)構(gòu) mRNA的翻譯效率［18］。P70S6K激活并促進(jìn) RPS6(核糖體蛋白 S6激酶)、40S、eIF3復(fù)合物的形成，該復(fù)合物再與eIF4E、eIF4G、eIF4A、eIF4B結(jié)合啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄，P70S6K與4EBP1一同作為mTOR通路的下游信號(hào)通路調(diào)控細(xì)胞增殖周期。

3 mTOR信號(hào)通路與大腸癌的關(guān)系

3.1 大腸癌的發(fā)病

在世界范圍內(nèi)，大腸癌在惡性腫瘤中排第3位，在癌癥引起死亡病例中排第4位，每年有100多萬(wàn)的大腸癌新發(fā)病例［19］。其病因有遺傳因素和環(huán)境因素兩方面，隨著對(duì)大腸癌發(fā)病分子機(jī)制的不斷闡明，mTOR信號(hào)通路越來(lái)越受到人們的重視。

3.2 mTOR信號(hào)通路在大腸癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中起重要作用

在大腸癌演進(jìn)過(guò)程中，mTOR信號(hào)通路的過(guò)度活化所導(dǎo)致的通路內(nèi)各信號(hào)蛋白的高表達(dá)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了較多報(bào)道，在多種腫瘤細(xì)胞中，mTOR信號(hào)通路是異常的，并導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞代謝異常，Gustin等［20］認(rèn)為這是腫瘤細(xì)胞的一種適應(yīng)現(xiàn)象，這種代謝異?？梢允鼓[瘤細(xì)胞擺脫環(huán)境因素的制約。Johnson等［21］對(duì)154例大腸癌患者檢測(cè)了mTOR信號(hào)通路組成部分P85a、Akt1、Akt2等5項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)癌組織中的含量均高于正常組織。Slattery等［22］對(duì)1 574例結(jié)腸癌患者和1 940例對(duì)照組進(jìn)行病例對(duì)照分析發(fā)現(xiàn)，mTOR過(guò)表達(dá)與結(jié)腸癌的發(fā)生顯著相關(guān)(OR=1.21，95%CI為1.05～1.38)。提示在大腸癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中確實(shí)存在mTOR信號(hào)通路的異常。

越來(lái)越多的研究表明mTOR蛋白的選擇性抑制劑雷帕霉素具有抗腫瘤作用［23-24］。張燕捷等［25］體外研究發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素抑制人大腸癌細(xì)胞株的生長(zhǎng)活力、阻滯細(xì)胞周期并下調(diào)mTOR/P70S6K/4EBP1信號(hào)通路的活性。Gulhati等［26］早期研究發(fā)現(xiàn)，mTOR特異抑制劑RAPA(又名西羅莫司)可抑制結(jié)直腸癌的增殖。Johnson等［27］發(fā)現(xiàn)，mTOR 抑制劑可以降低 4EBP1、p70S6K及mTORC1磷酸化水平，抑制TOR信號(hào)通路可以抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖。同時(shí)mTOR通路激活也多見(jiàn)于疾病狀態(tài)(如腸道炎癥)和腫瘤組織［28］。與腫瘤密切相關(guān)的多項(xiàng)細(xì)胞功能如細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期、蛋白合成、細(xì)胞遷移等均受控于mTOR的凋節(jié)?？梢?jiàn)mTOR信號(hào)通路在大腸腫瘤的發(fā)生、侵襲和轉(zhuǎn)移中扮演重要角色，其與大腸癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。

3.2.1 mTOR通路的過(guò)度激活可促進(jìn)大腸癌細(xì)胞的惡性表型表達(dá) PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路活化與多種腫瘤發(fā)生密切相關(guān)，它能夠加速細(xì)胞周期、減少細(xì)胞凋亡并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移，這在大腸癌、腦膠質(zhì)瘤、乳腺癌中早已有報(bào)道［29］。活化的PI3K可激活下游的Akt，激活的Akt使腫瘤細(xì)胞對(duì)凋亡誘導(dǎo)耐受、細(xì)胞生長(zhǎng)代謝異常增加。過(guò)度活化的Akt激活其下游的底物，包括P70S6K和4EBP1，二者均是蛋白質(zhì)翻譯的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，多種腫瘤相關(guān)蛋白可被 P70S6K和4EBP1選擇性翻譯，如糖原合成酶激酶3、6-磷酸果糖激酶-2、內(nèi)皮型一氧化氮合酶，這些靶蛋白可以引起腫瘤細(xì)胞的快速增殖和細(xì)胞周期的加快，利于腫瘤的發(fā)生發(fā)展［30］。PTEN是抑制PI3K到Akt信號(hào)通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是抑制整個(gè)mTOR信號(hào)通路的關(guān)鍵分子，Dowling等［31］報(bào)道 PTEN 的失活與 p-Akt、p-mTOR、p-S6K1的增加有關(guān)。這些磷酸化的激活信號(hào)促使下游P70S6K和4EBP1表達(dá)增強(qiáng)，從而增加腫瘤生長(zhǎng)所必需的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、鳥(niǎo)氨酸脫羧酶等蛋白的表達(dá)。

3.2.2 mTOR通路的過(guò)度激也可促進(jìn)大腸癌的轉(zhuǎn)移正常情況下，mTORC1和mTORC2分別介導(dǎo)PP2AErk1、4EBP1和SGK1、FAK等參與細(xì)胞的遷移與促進(jìn)肌動(dòng)蛋白的重構(gòu)，異常情況下，該功能則有助于腫瘤細(xì)胞的遷移。另外mTOR信號(hào)通路可通過(guò)激活p70S6K并促進(jìn)HIF-1α蛋白的合成，然而后者又可增加VEGF的表達(dá)［32］。VEGF是最有效的促血管生長(zhǎng)因子，有助于腫瘤細(xì)胞的遷移和血管通透性的增加。mTOR信號(hào)通路還可上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)的表達(dá)，MMP可降解細(xì)胞外基質(zhì)，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的侵襲能力，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。段思佳等［33］研究了110例大腸癌組織和20例癌旁正常組織，發(fā)現(xiàn)VEGF和MMP在大腸癌組織中的表達(dá)(90.7%、80.0%)明顯高于癌旁正常組織(5%、10%)(P ＜0.05)，且 VEGF、MMP 的高表達(dá)量與大腸癌的發(fā)生發(fā)展及浸潤(rùn)轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，mTOR通路越來(lái)越受到人們的重視，其以不同形式存在于細(xì)胞內(nèi)，調(diào)控著細(xì)胞的生長(zhǎng)與發(fā)育，臨床上常以該通路的阻滯劑作為治療大腸癌的藥物，如雷帕霉素、依維莫司等藥物。大腸癌作為我國(guó)常見(jiàn)的惡性腫瘤，其危害性不言而喻，隨著近幾年基礎(chǔ)性研究的不斷深入，產(chǎn)生了一系列針對(duì)性較強(qiáng)的化療藥物。在大腸癌的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中，mTOR通路的過(guò)度激活可導(dǎo)致大腸癌細(xì)胞的惡行生物學(xué)行為增加與大腸癌的轉(zhuǎn)移。隨著對(duì)mTOR通路更深一步的研究，闡明其作用機(jī)制，將給臨床大腸癌的靶向治療提供指導(dǎo)。

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