・2201・
・综述・
哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路与胶质瘤
程刚 李学元 李新钢
哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)是一个重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,mTOR信号通路通过调节细胞周期、蛋白质合成等途径发挥重要的作用,处于生长调节的中心环节,其异常活跃与胶质瘤等恶性肿瘤的发生、发展有关。GOLPH3是新近发现的癌基因,可同时激活mTORC1和mTORC2,导致细胞内S6K1、Akt同时增高,加速蛋白合成、细胞分裂,抑制细胞凋亡/程序死亡。mTOR信号通路的各个关键激酶和GOLPH3可作为胶质瘤治疗的靶点。
一、mTOR信号通路TOR最初是于1991年在酵母中作为雷帕霉素靶蛋白被发现的,在哺乳动物中同样存在结构和功能相应的TOR,称为
[1唱2]大小为289kD,对于低等和高等动物的生长、发育都是必不可少的mTOR。mTOR是PIKK(phosphoinositidekinase唱relatedkinase)家族成员之一,是一种不典型的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,分子量。mTOR与细胞增殖和凋亡关系密切,其异常活化与多
[3唱5]种人类肿瘤的发生发展有关,肺癌、肾癌、乳腺癌、白血病和胶质母细胞瘤等多种肿瘤均存在mTOR信号通路的过度激活。
细胞内存在两种不同的mTOR复合体,一种是mTOR与raptor(regulatory唱associatedproteinofmTOR)蛋白结合形成雷帕霉素敏感的复合体mTORC1,另一种是mTOR与rictor(rapamycin唱insensitivecompanionofmTOR)蛋白结合形成雷帕霉素不敏感的复合体mTORC2。mTORC1激活后磷酸化S6K的第389位苏氨酸使之激活[5]
mRNA经常编码一些核糖体蛋白和其他翻译调节蛋白,并可作用于低氧诱导因子1,使细胞适应低氧环境下生长mTORC1还可磷酸化4EBP1,解除其对eIF4E的结合,增加促进细胞生长的关键蛋白的翻译[7],增强含嘧啶基序列mRNA的翻译功能,这些[6];活化的
D1、Rb蛋白、低氧诱导因子唱1(hypoxiainduciblefactor唱1,HIF唱1)、c唱Myc和血管内皮细胞生长因子(vascularendothelialgrowthmTORC1,这些蛋白包括细胞周期蛋白factor,VEGF)、CLIP唱170等;而mTORC2则能磷酸化Akt的第473位丝氨酸使之激活,激活后的Akt能抑制细胞凋亡/程序死亡,并可通过磷酸化结节性硬化复合物(tuberoussclerosiscomplex,TSC1/TSC2)使之丧失对mTORC1的抑制作用,或直接激活
[8]。因此mTOR在细胞增殖、分化中起重要作用,如果能抑制mTORC1/mTORC2,就能把细胞周期阻滞在G1期,从而
触发细胞凋亡/程序死亡。
二、mTOR信号通路的调节
肿瘤中常被过度激活,使细胞周期调节失控,引起细胞转化和肿瘤进展。新近研究发现,以前常被人们所忽视的细胞器,如高尔基体也可能与肿瘤有关。Scott等[9]mTOR是细胞生长和增殖的关键调节分子,其活性调控相当复杂,它可接收生长因子、营养、能量等多种信号,通过PI3K/Akt/mTOR途径、氨基酸、能量和环境压力信号途径来发挥作用(图1)。目前研究较多的是PI3K/Akt/mTOR途径,该途径在通过对多种实体肿瘤细胞基因组上5p13拷贝数突变区域进行系统性分析发现,Golgi蛋白GOLPH3是mTOR信号通路调节的又一因素。
1畅胰岛素、生长因子:胰岛素和多种生长因子可与细胞表面受体酪氨酸激酶(receptortyrosinekinases,RTKs)相结合而激活后者,活化的RTKs可以触发激活PI3K(phosphoinositide唱3唱kinase),活化的PI3K催化PtdIinsP2(phosphatidylinositolP2)变成PtdIinsP3,两者仍留在膜上,可以募集下游分子Akt到细胞膜上。PtdIinsP3可激活磷脂酰肌醇依赖性激酶1(PDK唱1),后者可使Akt激活,活化的Akt可直接激活mTORC1,也可通过抑制TSC1/TSC2来激活mTORC1。正常情况下TSC1/TSC2可以抑制Rheb(Ras唱homologenrichedinbrain)的活性,而Rheb是mTORC1的刺激蛋白,因此TSC1/TSC2具有抑制mTORC1的功能。当Akt磷酸化TSC2的Ser939和Thr1462后,抑制了TSC1/TSC2的形成,导致mTORC1激活。在PI3K/Akt途径中,PTENAkt的激活(phosphataseandtensinhomolog)是该通路的负调节剂,它通过抑制PI3K和Akt实现负调节作用,PTEN的缺失或失活会导致
[10]。在正常情况下PI3K/Akt/mTORC1通路受上游酪氨酸激酶受体尤其是胰岛素样生长因子唱1受体(IGF唱IR)的
[11]调控,mTORC1激活后可活化S6K,而细胞内高浓度的S6K,又可磷酸化胰岛素受体底物蛋白(insulinreceptorsubstrate,IRS)的(图2)。636/639位丝氨酸,使之失活,通过PI3K/Akt抑制mTORC1,形成负反馈环路
2畅氨基酸、能量和环境压力信号:mTOR信号通路控制的mRNA的翻译和核糖体的生物合成都需要能量,这就提示细胞的能量水平可能与mTOR信号通路的活性有关。营养缺乏、低能和环境压力加大可以导致细胞生长受抑制。关于氨基酸、能量和环境压力对mTOR信号通路影响的机制至今没有成型的模型,在mTOR信号通路的调节研究中,研究较多的是氨基酸的
DOI:10.3877/cma.j.issn.1674唱0785.2010.11.028基金项目:国家自然科学基金(30672163);山东省自然科学基金(Y2007C108)
作者单位:252000 山东省,聊城市第四人民医院外科(程刚);山东省聊城市脑科医院神经外科(李学元);山东大学齐鲁医院神经外科(李新钢)
通讯作者:李新钢,Email:lixueyuan123@sohu.com
・2202・[12]影响。研究发现培养的哺乳动物细胞在氨基酸尤其是亮氨酸缺乏时,细胞内会发生S6K1和4EBP1去磷酸化,氨基酸水
平降低对5′TOPmRNA和非5′TOPmRNA的翻译都有影响,这种影响可能是低氨基酸水平影响了mTORC1与Rheb的结
[13]合,这一过程可能受到了TSC2的调节。而另外一些实验表明在去除了TSC2的细胞中,去除氨基酸仍然导致了S6K1、
[13]4EBP和elF2去磷酸化,这意味着这种作用可能是非TSC2依赖性的。进一步的研究发现氨基酸调节4EBP1N端RAIPmotif的磷酸化是非雷帕霉素靶敏感性的,可能与mTORC2有关。mTORC1也可能直接感受氨基酸水平的变化。能量减少[14]对mTOR信号通路的调节可能依赖于TSC2,能量的降低使得Rheb活性降低,而这种调节可能与AMPK和mTOR信号通
路之间存在联系有关,AMPK可通过TSC2抑制mTORC1。但也有实验表明能量减少导致的mTOR信号减弱独立于
[13]TSC2。环境压力与mTOR信号通路的关系目前还不清楚。低葡萄糖、低氧会通过AMPK激活TSC2进而抑制Rheb和mTOR,但也不能排除存在其他途径的可能。3畅GOLPH3:又称GPP34、GMx33,由5p13编码,最初是在对小鼠高尔基体进行蛋白质组学分析时发现的,它属于高尔基体基质蛋白,从酵母到人类高度保守。GOLPH3翻译后修饰,与高尔基体反面的基质动态相连,快速从反面高尔基体管网状结
[15]构(TGN)移动到细胞质,并分布于细胞内分泌泡和细胞质膜。像其他TGN蛋白一样,人们起初并未把GOLPH3与肿瘤联
系在一起,直到最近Scott对多种实体肿瘤细胞的基因组上5p13拷贝数增加区域进行系统性分析发现,高乐基蛋白GOLPH3
[9]可能是癌症发生的一个关键因素。GOLPH3与retromer复合体相互作用,其过表达可引起细胞体积增大,分裂加快,而应用
特异性干扰RNA降低GOLPH3,导致细胞体积减小。GOLPH3表达增高可增强EGF引起的S6K升高,促进细胞生长、分裂,同时可通过Ser473磷酸化激活Akt,抑制细胞凋亡/程序死亡。即GOLPH3可通过mTORC1和mTORC2刺激mTOR信号通路,促进肿瘤细胞的生长、增殖(图
3)。
三、mTOR信号通路与胶质瘤的发生、发展mTOR信号转导通路活化可以抑制多种刺激诱发的细胞凋亡,促进细胞周期进展,从而促进细胞的生存和增殖,同时参与血管形成,在肿瘤的形成和发展中扮演非常重要的角色。
1畅抑制细胞凋亡、促进细胞生存:mTOR与rictor结合,形成mTORC2激活Akt,通过调控多个与细胞凋亡有关的家族抑制细胞凋亡。(1)抑制Forkhead家族转录因子活性,从而下调凋亡诱导过程。(2)通过抑制前凋亡蛋白caspase唱3活性,阻止其
[16]136磷酸化,继而与线粒体膜上的Bcl唱2或Bcl唱xl解离,发生抑制细胞凋亡的作用。促凋亡作用;Akt活化可使BAD的Ser唱
(3)上调NF唱κB和Bcl唱2,从而抑制细胞凋亡,促进细胞存活。(4)上调凋亡抑制蛋白(inhibitorofapoptosisproteins,IAPs)的表
[17]达,发挥其抑凋亡作用。(5)mTOR与raptor结合形成mTORC1,通过磷酸化激活S6K及4E唱BP1启动下游信号,促进细胞
蛋白质的合成及细胞分化并可上调细胞周期主要蛋白如细胞周期素(Cyclin)、细胞周期依赖性蛋白激酶4(CDK4)的翻译,促进G1期进展,使细胞周期加速,促进细胞增殖和分化,从而促进肿瘤的发生与发展。
2畅促使细胞适应低氧环境下生存及促进肿瘤血管形成:低氧及其他因素如胰岛素、生长因子可诱导低氧诱导因子1α(HIF唱1α)的表达,进而导致其下游VEGF等血管形成基因的转录,而mTORC1的活化可上调HIF唱1α,促进VEGF的表达,使内
[6]皮细胞迁移形成新生血管,增加肿瘤细胞的血供。Akt的活化可上调环氧合酶2(COX唱2),催化前列腺素样物质合成,进而
・2203・参与肿瘤的血管生成。
四、mTOR信号通路与胶质瘤的治疗
[18]McBride等通过对45例新诊断的胶质瘤标本进行研究,发现在多数低级别胶质瘤中存在mTOR信号通路异常激活,提
示mTOR抑制剂可能对胶质瘤的治疗有效。而其他学者发现约70%胶质母细胞瘤存在PTEN的突变和EGFR的活性增高,导
[19]致mTOR信号通路异常激活,并且mTORC1特异性抑制剂雷帕霉素能促进ACNU诱导的U251胶质瘤细胞凋亡,由此提出
可通过抑制mTOR信号通路的各个关键蛋白治疗胶质瘤。
1畅靶向mTORC1:在哺乳动物细胞中,mTOR通过磷酸化Ser727调控转录激活因子STAT3,使之达到最大转录活化状态,
[20]促进靶基因的转录,而STAT3已被定义为癌基因;mTORC1及其底物S6K、elF4E是细胞内多种重要信号传导通路的枢纽,
调控翻译、转录、蛋白合成等功能,促进细胞的生存、增殖,当其异常激活时可导致细胞不正常的增生和分化。因此,mTORC1通路成为抗癌药物靶向治疗上的一个理想目标。mTORC1特异性抑制剂雷帕霉素可与FKBP12蛋白结合形成复合体,结合mTOR的FRB结构域,竞争性抑制mTOR与raptor结合,阻断mTORC1信号通路,体外细胞培养证实雷帕霉素可抑制胶质瘤、乳腺癌、胰腺癌、黑色素瘤、小细胞肺癌、肝癌等肿瘤细胞生长,目前已被FDA批准进行肿瘤治疗的临床试验。S6K是mTORC1的下游效应蛋白,在多种人类肿瘤中呈高表达,并与肿瘤的预后相关,应用shRNA干扰S6K1的表达,可明显抑制[6]U251、U373细胞的生长,由此提示S6K可作为靶基因治疗胶质瘤;elF4E是mTORC1的又一效应蛋白,体外细胞培养证实elF4E高表达可充分转化细胞,因此elF4E可作为肿瘤治疗的又一靶点。2畅靶向mTORC2:雷帕霉素可抑制mTOR与raptor结合,降低S6K、elF4E水平,抑制细胞异常增生、分裂,但研究证实其效果有限,并不能完全逆转肿瘤进程。2002年在酵母中发现对雷帕霉素不敏感的TOR复合体即TOR与rictor结合形成TORC2,哺乳动物中同样存在mTORC2。雷帕霉素可抑制mTORC1,一方面降低细胞内S6K、elF4E水平,抑制异常增生,但同时减弱了S6K对IRS的抑制作用,使得PI3K/Akt/mTORC1活性增强(图2);同时雷帕霉素不能抑制mTORC2,而后者可通过Ser473磷[16]酸化激活Akt,抑制细胞凋亡/程序死亡,所以可通过靶向mTORC2通路治疗肿瘤。进一步的研究显示敲除Rictor,对于TSC2和S6K没有作用,只影响Forkhead转录因子Foxo1和Foxo3,提示mTORC2只是影响Akt/PKB的特定部分,不是全部活性。Akt是mTORC2的下游蛋白,通过激活mTORC1,促进抑制蛋白家族(IAPS)的表达促进细胞生长,抑制分化、凋亡/程序死亡,因此Akt可作为基因治疗的靶点。目前Akt的抑制剂如perifosine、磷脂酰肌醇醚脂、PX唱3l6、API唱2等已经上市。Survivin为IAPS家族成员,是迄今发现最强的凋亡抑制因子,其表达具有高度的肿瘤特异性,在正常分化组织中极少表达,针对它的靶向治疗具有良好的特异性和安全性,Survivin参与胶质瘤恶性增殖、血管生成和侵袭性生长,可作为基因治疗的另一靶点。
3畅靶向GOLPH3:非小细胞性肺癌、卵巢癌、乳腺癌、前列腺癌以及黑色素瘤细胞5p13区域常发生拷贝数突变,Scott[9]等对该区域进行分析后发现GOLPH3和SUB1与该区域拷贝数增加有关,通过基因敲除/RNA干扰确定GOLPH3是一个癌基因,双杂交系统发现GOLPH3与VPS35高度相关,而后者是retromer复合体的重要组成部分,由此把GOLPH3与mTOR连接起来,推测GOLPH3通过mTOR信号通路实现其致癌性。其过表达可引起细胞体积增大,分裂加快,而应用特异性siRNA抑制其在A549细胞中表达,可见细胞体积缩小,与经雷帕霉素治疗效果相似。随后的工作发现GOLPH3可同时激活mTORC1和mTORC2,导致细胞内S6K1、Akt同时增高,加速蛋白合成、细胞分裂,抑制细胞凋亡/程序死亡。由此提出
[9,21]GOLPH3调控细胞大小和mTOR底物的磷酸化,影响细胞分化、增殖,可能是癌症发生的一个关键因素,并且肿瘤细胞
[9]GOLPH3水平与对雷帕霉素的敏感性呈正相关。胶质瘤细胞中mTOR信号通路异常激活,其靶向治疗是目前研究的重
点,已有多种药物进入临床试验,取得一定的效果。GOLPH3作为新发现的癌基因,能通过mTORC1和mTORC2参与肿瘤进程,作为靶向治疗的又一选择,可与雷帕霉素或其他靶点抑制剂联合应用。但胶质瘤细胞中是否有GOLPH3表达,及其与恶性程度、预后的相关性有待进一步研究。
参 考 文 献
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(本文编辑:郝锐)
哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路与胶质瘤[J/CD].中华临床医师杂志:电子版,2010,4(11):2201唱2204. 程刚,李学元,李新钢.