PI3K-Akt信号通路深度解读：激活/组成/关联/临床意义/检测方法……

▲PI3K-Akt 信号传导与癌症

▲I类PI3Ks呈现为一种异二聚体结构，其核心由p110催化亚基与p85调节亚基共同组成。该类PI3Ks具体可细分为四种催化异构体：p110α、p110β、p110γ和p110δ，它们分别由PIK3CA、PIK3CB、PIK3CG和PIK3CD这些基因进行编码。值得注意的是，PIK3CA在人类癌症中常出现突变现象；PIK3CB与调控亚基存在多种不同的相互作用模式；PIK3CD在白细胞和B细胞中显著表达，对B细胞卵泡的成熟和存活至关重要；而PIK3CG的表达减少可能会促进癌症的生长发育。另一方面，p85调节亚基涵盖了p85α、p85β、p85γ三种类型，其中p85α是最常表达的调节亚基。在I类PI3K的下游，我们找到了多个效应器，如AGC激酶家族的丝氨酸/苏氨酸激酶、在肝细胞癌中活跃的酪氨酸激酶，以及鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs）。

▲II类PI3Ks具有独特的特点，它们缺乏调节亚基，因此通常作为单体被活化。在催化过程中，它们使用PIP作为底物来产生PIP2，而不是PIP3，这与I类和III类PI3K的功能形成了鲜明对比。由于II类和I类PI3K产生的脂质产物存在显著差异，II类PI3Ks很可能激活一系列独特的下游效应物。在哺乳动物体内，研究者们已经成功鉴定出三种II类PI3K的催化亚型。其中，PI3KC2α和PI3KC2β在多种组织细胞中广泛表达，而PI3KC2γ则主要在肝脏中表达。此外，II类PI3Ks还包含一些额外的蛋白质结合结构域以及扩展的N末端区域，这些特征有助于它们在细胞内的准确定位。

▲III类PI3K的唯一成员VPS34（又称PIK3C3）在自噬和巨噬细胞吞噬作用的调控中扮演着举足轻重的角色。VPS34通过与特定的调节亚基和催化亚基结合，形成两种四聚体复合物——复合物I和复合物II。其中，复合物I在自噬体的形成和扩展过程中发挥着关键性的功能，对于自噬体的正常运作至关重要。而复合物II则通过调控内体的成熟过程，进而促进自噬体晚期与内体/溶酶体的融合。尽管VPS34并不直接参与信号转导的调节，但一旦被激活，它能够通过影响多种蛋白激酶来间接转导信号。例如，VPS34能够调节LKB1（也被称为STK11），这是一种AMPK的激活剂，同时也是细胞极性和上皮组织稳态的重要正调节器。

▲PI3K-Akt 信号通路的上游激活

RTKs，即受体酪氨酸激酶，形成了一个跨膜蛋白家族，这些蛋白具有内在的磷酸酪氨酸激酶活性。在这个家族中，主要成员包括表皮生长因子受体（EGFRs）、血管内皮生长因子受体（VEGFRs）以及成纤维细胞生长因子受体（FGFRs）。当RTKs遭遇特定的配体——比如同源生长因子、细胞因子或激素——时，它们会被这些配体激活。一旦被激活，RTKs会进一步触发PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）信号通路的激活。在PI3K的I类成员中，p85亚基会与磷酸化后的RTK结合，这一结合过程会导致PI3K的p110催化域发生构象上的变化，进而激活整个PI3K信号通路。

EGFRs是170-kDa的RTKs，它们通过与配体结合并形成同源或异源二聚体，磷酸化酪氨酸残基并激活I类和II类PI3K信号转导。EGFRs属于RTKErbB家族，该家族还包括ErbB-3、ErbB-4和HER2。HER2与EGFR形成的HER2/EGFR异源二聚体具有更强的信号转导潜力。ErbB-3含有六个酪氨酸磷酸化位点，并能有效地结合PI3K。配体TGF-α与EGFRs结合，激活PI3K信号通路，促进结直肠癌细胞的肿瘤生长和转移。EGFR抗体，如cetuximab和panitumumab，通过与EGFRs竞争性结合来抑制PI3K/Akt信号转导，从而抑制癌症的发生和发展。

VEGFRs是RTKs的一种，主要分为三种类型：VEGFR-1(Flt-1)、VEGFR-2 (KDR, Flk-1)和VEGFR-3(Flt-4)。其中，VEGFR-1和VEGFR-2主要在血管内皮细胞中起作用，而VEGFR-3存在于淋巴管内皮。VEGFR的细胞外域与VEGF结合，导致细胞内酪氨酸激酶域的二聚化和磷酸化，以及下游蛋白的激活。这对新生血管的稳定、细胞存活和迁移至关重要。VEGF与VEGFR-2形成的复合体能激活PI3K/Akt通路，介导肿瘤转移和血管生成。VEGFR-2介导的PI3K/Akt信号通路的激活对肿瘤存活至关重要。配体与VEGFR-2的结合激活了PI3K并磷酸化PIP2，导致PIP3的积累和再激活，从而激活PI3K/Akt信号通路。

FGFRs在癌症转移和血管生成中扮演重要角色。例如，在乳腺癌中，FGFR的扩增会促进下游FRS2的磷酸化，从而激活PI3K/Akt信号通路，影响肿瘤生长。FGFR通路的变化会影响肿瘤细胞及其微环境。抑制FGFR可能导致基因重编程。RTKs参与激活PI3K/Akt通路，其突变可能导致配体非依赖性的信号转导。在非小细胞肺癌（NSCLC）中，通路抑制剂可以抑制这种信号转导。I类API3Ks的激活与RTK信号有关，p85调节亚基对RTK介导的I类A PI3Ks激活至关重要。因此，RTK抑制剂可能会负向调节PI3K信号。

TLRs在免疫和非免疫细胞中表达，并在癌症进展中扮演重要角色。TLRs能够识别保守的微生物模体，如细菌脂多糖（被TLR4识别）和单链或双链RNA（被TLR3识别）。TLRs还能区分并结合内源性配体，从而激活信号通路。一些研究表明，天然TLR4配体能通过增加Akt的磷酸化以时间依赖的方式激活Akt，促进结直肠癌的进展。激活的TLR4能保护细胞免受化疗的影响，导致头颈部鳞状细胞癌的药物耐药性。TLR3的激活能导致癌细胞凋亡，并对肾细胞癌和黑色素瘤具有抗肿瘤效果。

BCRs激活的信号通路对B细胞的发展、激活和分化至关重要，其中PI3K/Akt通路尤为重要。在B细胞中，I类PI3Ks通过B细胞受体相关蛋白（BCAP）被BCRs激活，这是PIP3产生和Akt激活的重要步骤。BCRs和胞质适配器深刻影响PI3K/Akt信号通路的激活，缺乏BCRs时，Akt不会被激活。酪氨酸激酶非催化区域（NCK）家族是一组BCR适配器，被招募到BCR信号复合物中，对激活B细胞功能至关重要。NCK影响B细胞中的PI3K/Akt信号传导，NCK1和NCK2同时缺失时，Akt磷酸化几乎不发生。BCR研究主要集中在慢性淋巴细胞性白血病（CLL），BCR信号对癌细胞存活至关重要，其功能可以通过p110δ或BTK的抑制来下调。

GPCRs是最大的细胞表面蛋白家族，对细胞信号转导至关重要。它们是PI3K/Akt信号通路的常见靶标。GPCRs通过异三聚体G蛋白传递信号，并与多种小G蛋白相互作用，调节下游效应器通路。GPCRs能识别并响应不同化学性质的配体，激活PI3K/Akt信号。GPCRs的持续激活影响有丝分裂和代谢反应，与肿瘤发生相关。GPCRs激活PI3K的主要机制是组织特异性的，许多GPCR配体能激活PI3Ks。GPCRs通过刺激Ras激活PI3K/Akt信号传导，调节癌症和其他疾病。小GTPases通过控制PI3K/Akt信号促进肿瘤转移。

PTEN，作为一种关键的肿瘤抑制因子，对维持人体正常的生理活动具有不可或缺的作用。然而，这种因子在多种偶发性肿瘤中常常会发生突变。PTEN的C2结构域是其正确定位于细胞膜上的必要条件，并且它在体外对磷脂膜展现出了亲和力。在细胞核内，PTEN对于维持染色体的完整性和着丝粒的稳定性同样至关重要。

作为脂质磷酸酶，PTEN在PI3K信号通路中扮演着负向调节的角色，它的主要功能是将PIP3转化为PIP2。当PTEN发生突变或失活时，即使没有外源性的致癌刺激，PI3K信号通路中的效应子，特别是Akt，也会被异常激活。PI3K的作用是将膜结合的PIP2磷酸化生成PIP3，而PIP3与PH结构域的结合则会将Akt锚定在细胞膜上，进一步允许PDK1对Akt进行磷酸化和激活。

此外，PTEN还通过去磷酸化一系列蛋白质靶标，如黏着斑激酶（FAK）、胰岛素受体底物1、c-SRC以及PTEN本身，来参与肿瘤信号转导过程。其中，PTEN导致的Akt过度激活被认为是PTEN缺陷型癌症中最关键的致癌因素。此外，PTEN在控制肿瘤细胞的迁移和血管生成等生理过程中也扮演着至关重要的角色。

mTOR，作为PI3K相关激酶家族中的非典型成员，通常与其他蛋白结合形成两个关键复合物：mTORC1和mTORC2，在细胞内的多个生物过程中扮演着举足轻重的角色。具体来说，mTORC1复合体由mTOR、mLST8、raptor和PRAS40等蛋白质组成，它通过磷酸化S6K1和4EBP1这两种关键的底物来调节细胞生长。而mTORC2则是由mTOR、mLST8、SIN1和rictor等组分构成。许多生长因子及其受体，例如VEGF和VEGFR，作为重要的阳性调节因子，通过PI3K/Akt这一信号通路将信号传递给mTOR。然而，这一过程受到一个关键的负调控因子PTEN的限制，它确保了信号传递的精确性和平衡性。值得注意的是，Akt和mTOR之间存在密切的相互作用。

已有研究证实，Akt通过磷酸化TSC2来激活mTOR，这进一步强调了这两个分子在细胞信号传导网络中的重要性。

GSK3被认为是多种生理途径的节点，GSK3有GSH3α和GSK3β两个亚型，二者有85%的序列同源性，与胰岛素的糖原合成反应有关。不同的GSK3亚型在不同的组织中具有特定的功能。EGFR/RAS/PI3K/PTEN/Akt/GSK3/mTORC1通路在癌症中常见，GSK3是其靶点之一。在Akt诱导Ser21（α）或Ser9（β）磷酸化以响应PI3K介导的信号传导后，GSK3（GSH3α和GSK3β）失活并靶向蛋白酶体降解。

FOXOs作为TFs（转录因子）超家族的一个亚群，显著特点之一是它们对在细胞质和细胞核中定位的严格控制。这种精确的定位调控得益于FOXOs内包含的核定位信号（NLS）域和核输出信号（NES）域，它们共同作用以调控FOXOs的细胞内外穿梭。

FOXO-TFs家族包括Akt的四个直接下游靶标：FOXO1、FOXO3、FOXO4和FOXO6。这些转录因子在细胞中发挥着至关重要的作用，它们通过调控众多靶基因的表达来影响细胞功能。具体而言，FOXO1主要表达于脂肪组织，而FOXO4则主要存在于骨骼肌中。FOXO3的表达则更为广泛，它倾向于在大脑、心脏、肾脏和脾脏等组织中表达。特别值得一提的是FOXO6，它主要在成人大脑中表达，对于维持神经系统的正常功能具有不可忽视的重要性。

包含TSC1和TSC2的复合物抑制mTORC1活性，TSC2将Ras相关的Rheb GTP（mTORC1的有效激活剂）转化为Rheb GDP，从而使mTORC1失活。然而，Akt介导的TSC2磷酸化逆转了这一过程，阻止TSC1、TSC2对小G蛋白RHEB的负调控，从而间接激活mTORC1来促进细胞生长。

MDM2，作为一种与肿瘤发生密切相关的致癌基因，其mRNA的表达水平受到p53的严格调控，这是细胞应对氧化应激和DNA损伤的一种重要机制。磷酸化过程在MDM2从细胞质转移至细胞核的过程中起着关键作用。

特别当PI3K/Akt信号通路被激活时，它能促进MDM2的核转位。一旦进入细胞核，MDM2便与肿瘤抑制因子p53结合，通过抑制p53的转录活性并诱导其降解，从而削弱p53在细胞周期阻滞和凋亡过程中的作用。PTEN通过抑制PI3K/Akt通路保护p53免受MDM2诱导的降解。p53表达与DNA损伤呈正相关。

MAPK/ERK通路同样是调控细胞生长和存活的核心信号网络。PI3K-Akt与MAPK/ERK在多种生长因子和细胞外信号的刺激下共同响应，如EGFR（表皮生长因子受体）的激活。

两者之间存在微妙的交互影响，Akt能间接调控ERK的活化，反之，ERK也可能抑制PI3K/Akt通路的某些成分，展现了这两个通路在细胞信号网络中的动态平衡与交叉调控。

NF-κB通路与PI3K/Akt在细胞生理和病理过程中均扮演重要角色，共同调控细胞的存活、增殖、炎症反应和免疫反应等。Akt能直接或通过其他分子间接激活IKK复合体，促进IκB的磷酸化和降解，从而释放NF-κB进入细胞核，激活目标基因转录。

同时，NF-κB的目标基因中包括一些能调节PI3K/Akt通路的因子，形成了复杂的反馈和正反馈调节网络。

Wnt/β-catenin通路对细胞命运决定、增殖和癌症发生具有重要影响。Akt通过磷酸化GSK-3β（β-catenin的负调控因子）来抑制其活性，使β-catenin在胞内积累并进入细胞核，激活下游基因表达。这种交互揭示了PI3K/Akt通路在Wnt信号通路中的多重调控作用。

JAK/STAT通路是细胞响应外界因子如细胞因子和生长因子的主要途径。Akt在某些情况下能磷酸化STAT蛋白，增强其稳定性或功能，或者通过其他细胞内调节因子间接影响STAT的活性。

PI3K-Akt与JAK/STAT通路在免疫调节和肿瘤发生中常协同作用。

p53作为关键的肿瘤抑制因子，其稳定性和活性受到PI3K-Akt通路的深刻影响。Akt通过磷酸化MDM2促进p53的降解，或通过其他方式抑制p53的稳定性和活性，从而影响细胞周期和凋亡。

AKT可直接或间接抑制凋亡促进因子，如Bad和FOXO转录因子，同时促进细胞周期蛋白如cyclin D的表达。

AKT在胰岛素信号中的作用尤为重要，它影响糖、脂肪和蛋白质的代谢。

AKT可调节细胞骨架和细胞间黏附，影响细胞的迁移和侵袭能力