mTOR信号通路与肿瘤的研究进展

mTOR 信号通路与肿瘤的研究进展 摘要摘要 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin mTOR 是一种丝 苏氨酸 蛋白激酶 在细胞生长 增殖 分化 细胞周期调控等多个方面起到重要作用 近年来发 现 mTOR 相关的信号通路复杂且涉及面广泛 其中多个元素的调控异常都与肿瘤的发生密 切相关 mTOR 抑制剂能够抑制由于该信号通路异常引起的癌基因的转化 肿瘤的生长和 肿瘤血管生成 到目前为止 4 种 mTOR 抑制剂被有效地应用于临床 有的已进入 期临床试验 因此 对 mTOR 信号通路的深入研究对肿瘤的靶向性治疗具有重要意义 关键词关键词 mTOR 信号通路 雷帕霉素 mTOR 抑制剂 肿瘤治疗 ChinaABSTRACT Mammalian target of rapamycin mTOR is a serine threonine protein kinase that is centrally involved in the control of cell growth proliferation differentiation and cell cycle regulation Recent studies have found that the mTOR pathway is complicated and the dysregulation of mTOR pathway is recognized to be associated with lots of tumors Several inhibitors of mTOR could inhibit oncogene transformation growth and angiogenesis of tumors So far four inhibitors of mTOR have been tested in clinical trials and some have been accessed to phase or trial Therefore in this review we discuss the regulators that govern mTOR pathway activity and highlight clinical results obtained with the first generation of mTOR inhibitors to reach the oncology clinics KEY WORDS mTOR signaling pathway rapamycin mTOR inhibitor tumor therapy 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白 mammalian target of rapamycin mTOR 是一种丝 苏氨酸蛋白 激酶 从酵母到哺乳动物其广泛存在 且进化十分保守 mTOR 是 1991 年 HEITMAN 等 在分析不同啤酒酵母突变体对雷帕霉素抵抗作用的差别时发现的 1 mTOR 属于磷脂酰肌 醇 3 激酶相关激酶 phosphatidylinositol 3 kinase related kinase PIKK 蛋白家族 在调节细胞 生长 增殖 调控细胞周期等多个方面起到重要作用 目前发现 mTOR 信号通路的过度活 化与肿瘤的发生 发展密切相关 是肿瘤治疗的一个重要靶点 因此本文就 mTOR 信号通 路与肿瘤的关系及治疗作一综述 1 mTOR 的结构的结构 1 1 mTOR 的分子结构 人的 mTOR 基因位于 1p36 2 上 其 mRNA 翻译后的蛋白质有 2549 个氨基酸残基 其 分子结构复杂 分子质量为 289ku mTOR 的结构域从氨基端到羧基端依次为 HEAT 重复 序列 即 Huntignton EF3 PP2A 一个亚基 TOR1 FAT 结构域 FRB 激酶结构域 NRD 及 FATC 结构域 图 1 mTOR 的 N 端有 20 个重复的 HEAT 序列 每个 HEAT 大约 由 40 个氨基酸残基组成 2 个 螺旋 每个 螺旋都有一个亲水基团和一个疏水基团 这些 重复的 HEAT 模体介导了蛋白质间的相互作用 2 靠近 mTOR 的 C 端有一个激酶结构域 约 234 个氨基酸残基 其结构和磷脂酰肌醇 3 激酶 PI3K 的催化域相似 是 mTOR 属于 PI3K 蛋白激酶类家族的重要原因之一 紧挨着激酶结构域上游的是 FRB FKBP12 rapamycin binding 结构域 它是 FKBP12 rapamycin 复合物的结合位点 在雷帕霉素特异性 抑制 mTOR 中起着连接作用 雷帕霉素可与细胞内的受体 FKBP12 结合形成 FKBP rapamycin 复合物 再与 mTOR 的 FRB 区相结合 从而抑制 mTOR 的激酶活性 3 FRB 激酶结构域的上游是一个相对较大的 FAT focal adhesion targeting domain 结构域 约 568 个氨基酸残基 同样在 mTOR 的 C 端最后也有一个 FAT 结构域 即 FATC focal adhesion targeting domain of C ternimal 结构域 它们在空间上形成特殊的构象以暴露出 mTOR 的激 酶结构域区 FATC 结构域在 mTOR 活性稳定上起着关键的作用 研究表明该结构域内一 个氨基酸的缺失都能使 mTOR 活性丧失 4 NRD negative regulatory domain 结构域位于激 酶催化域和 FATC 结构域中间 是 mTOR 负性调节域 1 2 mTOR 的存在形式 mTOR 在生物体以两种复合物的形式存在 即 mTORC1 及 mTORC2 mTORC1 包括 mTOR mLST8 mammalian ortholog of LST8 又名 G L 和 raptor regulatory associated protein of mTOR mTORC2 包括 mTOR mLST8 mSIN1 mitogen activated protein kinase associated protein 1 及 rictor rapamycin insensitive companion of mTOR 研究表明 雷帕霉 素主要通过与细胞内受体 FKBP12 结合而抑制 mTORC1 但是对 mTORC2 无作用 目前 研究较多的是 mTORC1 复合物 raptor 分子结构相对保守 分子质量为 150ku 所有 raptor 家族成员都在 N 端有一段保守区及 3 个 HEAT 重复序列 mTOR 分子 N 端的重复序列使 得它与 raptor 结合紧密 而 C 端与 raptor 结合较疏松 5 如图 2 所示 raptor 是一种桥梁 分子 它可以将 mTOR 与下游的靶分子如 P70S6K 4EBP1 连接起来 但是 在营养素等 上游因子不存在时 mLST8 将 mTOR raptor 紧密地锁在一起 使得 mTOR 不能与其下游 的靶基因结合 当营养素存在情况下 这一复合物发生空间构象改变 使得 mLST8 和 raptor 之间的结合断裂 暴露出 mTOR 从而使其下游靶基因结合于 raptor 上 6 对 mTORC2 复合物研究不多 目前认为它可以通过磷酸化蛋白激酶 C PKC 通路来调节肌 动蛋白细胞骨架 7 2 mTOR 信号传导途径信号传导途径 2 1 mTOR 的上游信号传导途径 mTOR 可对细胞外包括生长因子 胰岛素 营养素 氨基酸 葡萄糖等多种刺激产生 应答 它主要通过 PI3K Akt mTOR 途径来实现对细胞生长 细胞周期等多种生理功能的调 控作用 2 1 1 经典信号传导途径 PI3K Akt mTOR 信号通路 PI3K 可被激活的 Ras 通路以及一些生长因子及细胞因子激活 如 IL 1 IL 2 IL 3 IL 4 IL 6 胰岛素样生长因子 表皮生长因子 血小板源性生长因子 集落刺激因子 等 8 如图 3 所示 这些细胞外生长因子配体与跨膜的酪氨酸激酶受体如胰岛素受体 IR 结合后 IR 的多个酪氨酸残基被磷酸化而激活 活化的 IR 通过磷酸化其底物蛋白来招募 PI3K 的 p85 亚基 并把信号传递给 p110 亚基 导致 PI3K 的激活 活化的 PI3K 催化 PI 4 P 与 PI 4 5 P2 的 3 位磷酸化而生成 PI 3 4 P2 与 PI 3 4 5 P3 后 后两者仍然在细胞 膜上 召集下游分子 Akt 到细胞膜上 PI 3 4 5 P3 可以激活磷脂酰肌醇依赖性激酶 1 PDK 1 从而使 Akt 的 308 位的 Thr 磷酸化 在 PDK 2 的存在下 其 473 位的 Ser 再被 磷酸化从而使 Akt 完全被激活 正常情况下 结节性脑硬化复合物 1 TSC 1 和 TSC 2 形成二聚体复合物 是小 GTP 酶 Rheb Ras homolog enriched in brain 的抑制剂 而 Rheb 是 mTOR 活化所必需的刺激蛋白 因此 TSC 1 TSC 2 在正常情况下抑制 mTOR 的功能 当 Akt 活化后 它可磷酸化 TSC 2 的 Ser939 和 Thr1462 抑制了 TSC 1 TSC 2 复合物的形成 从而解除了对 Rheb 的抑制作 用 使得 mTOR 被激活 9 在整个 PI3K Akt mTOR 信号通路中 有一条十分重要的负反馈调节剂就是 10 号染色体 上缺失与张力蛋白同源的磷酸酶基因 phosphatase and tensin homology deleted on chromosome 10 PTEN PTEN 是一个肿瘤抑制基因 位于人染色体 10q23 它有一个蛋白 酪氨酸磷酸酶结构域 在这条通路中可以将 PI 3 4 P2 与 PI 3 4 5 P3 去磷酸化 从而 负调节 PI3K 下游 AKt mTOR 信号通路的活性 10 2 1 2 非依赖 PI3K Akt 途径 越来越多的研究发现 AMPK AMP activated protein kinase A 与 mTOR 的活性调节有关 有研究表明在哺乳动物细胞系中 氨基酸的代谢调节不是通过 PI3K Akt mTOR 通路来实现 的 而是直接通过 LKB1 AMPK mTOR 通路来调节 在细胞中 当 ATP ADP 比率下降时 AMP 的水平变化比 ATP 的变化更为敏感 AMPK 的活性则对于细胞内 AMP 水平非常细 微的变化都能很快察觉到 11 在缺乏能量的细胞内 AMPK 可以直接磷酸化并提高 TSC 2 的活性 促进 TSC 1 TSC 2 复合物形成 抑制 Rheb 酶活性 从而间接抑制 mTORC1 通 路的活性 12 AMPK 在能量压力下还可以直接磷酸化 mTORC1 13 2 2 mTOR 的下游信号传导途径 活化的 mTOR 通过磷酸化蛋白翻译过程中的某些因子来参与多项细胞功能 其中最主 要的是 4EBP1 和 P70S6K 4EBP1 4EBP1 eIF4E binding protein1 的 mRNA 中含有从 DNA 中转录得到的遗传信息 是蛋白质生物合成的模板 在真核生物蛋白质合成的起始阶段 由于 5 端 mRNA 的特殊帽 状结构 核糖体不能直接与 mRNA 相结合 而是需要翻译起始因子的帮助 eIF 4E 又称为 帽结合蛋白 cap binding protein CBP 它与 mRNA 的 5 帽结构结合后再与 eIF 4G 结合 eIF 4G 作为一种支架蛋白募集 eIF 4A 形成三聚体复合物 eIF 4F 而此复合物可以使核糖体 结合到 mRNA 上从而起始蛋白质的翻译 4EBP1 有同 eIF 4G 相似的 eIF 4E 识别序列 故 4EBP1 eIF 4G 与 eIF 4E 的结合存在部分重叠 4EBP1 可以通过竞争性抑制 eIF 4G 与 eIF 4E 的结合来达到抑制翻译起始的作用 mTOR 信号通路通过磷酸化 4EBP1 使 eIF 4E 与其解离并活化 促使翻译起始复合物的形成 从而加速蛋白质的合成 图 4 4EBP1 与 eIF 4E 的解离 在活化一些位于 5 UTR 5 untranslated terminal region 区特殊的调控元件起 着重要的作用 如 c myc cyclin D1 以及鸟氨酸脱羧酶 相反 当生长因子或营养素缺乏 或者有 mTOR 抑制物存在时 4EBP1 去磷酸化 并与 eIF 4E 结合从而抑制翻译起始 14 3 mTOR 信号通路与肿瘤的关系信号通路与肿瘤的关系 近年来 很多关于雷帕霉素及其衍生物如 CCI 779 RAD 001 的作用研究 向我们展示 了 mTOR 信号通路在肿瘤发生发展中起着重要的作用 与肿瘤密切相关的多项细胞功能如 细胞增殖 细胞周期 蛋白合成 细胞迁移等均受控于 mTOR 的调节 现已发现许多肿瘤 如乳腺癌 前列腺癌 肺癌中都有 mTOR 信号通路的调节异常 3 1 PI3K Akt mTOR 通路的过度激活 PI3K Akt mTOR 信号通路活化与多种肿瘤发生密切相关 它能够加速细胞周期 减少 细胞凋亡 并促进肿瘤细胞的迁移 这在脑胶质瘤 乳腺癌 卵巢癌中早已有报道 16 18 活化的 PI3K 可激活下游的 Akt 激活的 Akt 使肿瘤细胞对凋亡诱导耐受 细胞生长代谢异 常增加 过度活化的 Akt 激活其下游的底物 包括糖原合成酶激酶 3 glycogen synthase kinase 3 GSK3 6 磷酸果糖激酶 2 BAD 蛋白 内皮型一氧化氮合酶 mTOR 遗传性乳 腺癌与卵巢癌易感基因 hereditary breast and ovarian cancer susceptibility gene BRCA1 其 中激活的靶蛋白 mTOR 可以引起肿瘤细胞的快速增殖 癌蛋白分泌增加 细胞周期加快 G1 期时程缩短 利于肿瘤的迅速发生发展 19 在这条信号通路中 如前所述 PI3K 可以 被 Ras 信号 或者直接被一些生长因子所激活 PI3K 的催化亚基 p110 的异常扩增及突变 亦出现在多种人类肿瘤中 Akt 可被多条途径激活 尤其是 PTEN 基因的突变或缺失 这 在前列腺癌 子宫内膜癌 胶质瘤和黑色素瘤中发生率最高 20 在 1 3 的上皮性肿瘤中发 现了原癌基因 Ras 可激活 Akt 通路 21 在很多肿瘤中发现了活化的受体酪氨酸激酶可以 激活 Akt 可能是通过异二聚体 ErbB 2 ErbB 3 激活 PI3K 途径来完成 22 见表 1 表 1 肿瘤组织中 PI3K Akt mTOR 通路的过度激活 略 3 2 PTEN 功能的缺失 自从 PTEN 发现以来 至今已在多种肿瘤中发现存在着 PTEN 的改变 肿瘤细胞中 PTEN 改变的主要形式之一是突变 包括插入 丢失 替换 移码突变 RNA 异常拼接和 蛋白截短等 其最常见的突变发生于外显子 3 5 8 PTEN 的另一种改变形式是 5 启动子 区的 CpG 岛甲基化 在 PI3K Akt mTOR 信号通路中 PTEN 的功能缺失使其对 PI3K 的抑 制作用解除 从而激活了 Akt mTOR 等下游信号通路 3 2 1 PTEN 的先天性遗传突变 PTEN 在 36 66 的子宫内膜癌中有突变 这在肿瘤中是突变率最高的 同时伴随 Akt 的高磷酸化 33 SOLIMAN 等 34 人在 99 例进展期子宫内膜癌标本中分析 PTEN 磷 酸化的 Akt p Akt Ki 67 细胞增殖的一种标记 的表达 发现 66 的标本不表达或低表达 PTEN 同时有 40 的肿瘤高表达 p Akt PTEN 的低表达与 p Akt 的高表达显著相关 另 外 该研究发现 PTEN 和 p Akt 的患者拥有更高的生存率 p AKT 使得 Ki 67 的表达 下调 且表达低水平 Ki 67 的患者预后相对较好 也许能部分解释该现象 有趣的是 在 子宫内膜非典型增生里 PTEN 的突变率亦高达 20 30 临床上使用口服黄体酮治疗子 宫内膜非典型增生 但是只有 30 50 病例有效 在对黄体酮治疗无反应的患者中发现 有升高的或持续的 p mTOR 表达存在 另外 MUTTER 等 35 研究发现 子宫内膜腺癌中 PTEN 突变率为 83 癌前病变中达 55 而正常子宫内膜中没有 PTEN 突变 同时在富 含雌激素的子宫内膜的上皮组织中的 PTEN 蛋白的表达缺失 这种激素和特殊的基因间的 相互作用可能是导致癌前病变和癌发展的一个重要因素 以上所述均表明 PTEN 突变是子 宫内膜腺癌发生的早发事件 且 PTEN 失活可能加速复杂性增生过长内膜发展为癌 30 40 的胶质瘤中存在 PTEN 的突变 纯合子缺失及不表达 PTEN 的失活与 p Akt p mTOR p S6K1 的增加有关 CHAKRAVARTI 等 36 在 92 例胶质瘤患者中研究发 现 p PI3K p Akt p S6K1 同 caspase3 的水平相反 表明活化的 PI3K 通路抑制凋亡 更 重要的是 PI3K Akt mTOR 通路的激活与胶质瘤的恶性程度增高和患者的生存率下降有关 Cowden 病又称多发性错构瘤综合征 是一种常染色体显性遗传病 以累及所有三胚层 分化组织的多器官 多发性错构瘤 同时存在乳腺癌及甲状腺癌高发病风险 及伴有 PTEN 的体细胞突变为特征 Cowden 的先症者中有 80 有 PTEN 基因种系突变 大约 2 3 发生在外显子 5 7 8 尽管散发的甲状腺癌中少有 PTEN 的体细胞突变 在 20 60 的甲状腺恶性肿瘤中存在 10q23 杂合子丢失 并且发生恶性侵袭性组织类别肿瘤的风险更 高 例如 在 87 例散发甲状腺肿瘤 14 例未分化癌 37 例滤泡性癌 21 例非典型性腺瘤 15 例普通腺癌 中有 6 例标本存在 PTEN 的 mRNA 完全缺失 其中 4 例都是未分化癌 37 3 2 2 PTEN 的后天修饰作用 除了先天因素如激酶区遗传性突变等引起 PTEN 的功能 改变以外 后天修饰如甲基化 与 DNA 病毒癌基因产物结合而失活等 也会导致 PTEN 功能的下降甚至丧失 PTEN 启动子的活性在过表达转录因子早期生长应答蛋白 transcription factor early growth response protein 1 EGR1 时增加 37 同样 使用甲状腺细 胞系及非小细胞肺癌细胞系进行亚临床研究表明 PTEN 基因表达沉默与 EGR1 的 mRNA 缺失相关 38 在人类各种肿瘤中 24 74 肿瘤缺失 PTEN 蛋白的表达 这可能与 EGR1 沉默了 PTEN 的启动子有关 在宫颈癌中 PTEN 突变在早期肿瘤中发生较少 但是在进展期肿瘤中发生率明显增加 尤其是放疗后的肿瘤 相反 PTEN 基因的后天修饰作用 不论是因为杂合性丢失还是启 动子区的甲基化 在早期宫颈癌包括宫颈上皮内瘤变 cervical intraepithelial neoplasia CIN 到进展期肿瘤中都有很多报道 38 CHENG 等 23 对 62 例宫颈鳞癌研究 使用单核苷酸多 态性分析表明没有 PTEN 的突变 仅有 8 例存在杂合性丢失 但是 4 10 例 CIN 病例及 36 62 例宫颈癌病例存在 PTEN 启动子区甲基化 PTEN 的功能丧失与其启动子区的甲基化 有关 该研究表明 PTEN 启动子区甲基化与患者的年龄 肿瘤分期及分级无关 但与预后 有关 存在 PTEN 启动子区甲基化患者预后明显较差 多变量回归分析模型证实 在控制 患者的年龄 病理分级及临床分期后 PTEN 是无瘤生存率的一个重要指标 在胃癌中 KANG 等 39 对 310 例病例研究发现 有 62 20 例胃癌低表达 PTEN PTEN 的低表达与肿瘤生长大小及深度 淋巴结转移 TNM 分级 临床分期 患 者的生存时间显著相关 另外 他们在 66 例病例中发现有 26 例存在 PTEN 启动子区的甲 基化 其中的 19 26 例存在 PTEN 的低表达 该研究表明 PTEN 的低表达与胃癌发生发展 相关 并且这一低表达与其启动子区甲基化有关 4 mTOR 与肿瘤治疗与肿瘤治疗 4 1 mTOR 抑制剂 到现在为止 已有 4 种 mTOR 抑制剂被有效地应用于临床 它们是标准的 mTOR 抑 制剂 雷帕霉素和 3 种雷帕霉素的衍生物 CCI 779 RAD001 和 AP23573 这 3 种衍生物 都在细胞内与 FKBP12 形成复合物而发挥作用 到目前为止还没有发现其他