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4 Ras、PI(3)K和mTOR信号

Feb 16, 2009 No Comments

4 Ras、PI(3)K和mTOR信号

1) 控制肿瘤生长的Ras、PI(3)K和mTOR信号

随着人类基因组测序的完成,目前已发现了几百种蛋白激酶。根据它们结构上的相似性,这些激酶可分为多个蛋白家族,在细胞的增殖、生长、分化和凋亡等过程中发挥重要的生物学功能。Ras、PI(3)K和mTOR就是一类与细胞增殖紧密相关的蛋白激酶。

真核细胞的正常生长受到周围环境所提供的养分的限制。Ras和PI(3)K信号通过调控下游分子mTOR,在调控细胞生长方面起着关键作用。在绝大多数的人肿瘤细胞中,Ras和PI(3)K信号通路中的关键调控因子都发生了明显的突变。究其原因,人们发现这条信号通路如果发生突变,就会导致细胞的存活和生长不再受到养分等环境条件的限制,进而诱导细胞癌变。

Ras、PI(3)K和mTOR是目前研究得最为清楚的信号通路之一。下面,我们将简单地介绍一下这条信号通路中的几个关键组分:

(1) PI(3)K是英文phosphatidylinositol-3-kinase(磷脂酰肌醇-3-激酶)的缩写。它是一个包括许多脂质激酶的家族,由一个调节亚基(p85)和一个催化亚基(p110)组成。当配体与膜受体结合后,受体激活p85并招募p110,进而催化膜内表面的PIP2(phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate)生成PI3P(phosphatidylinositol 3-phosphate)。PI3P作为第二信使,进一步激活AKT和PDK1(phosphoinositide-dependent kinase 1)。

(2) AKT又称作PKB(protein kinase B),是PI3K重要的下游分子,包括至少3种形式,分别为AKT1、AKT2和AKT3。它们对于调控细胞的生长、增殖、存活以及糖代谢都起着十分重要的作用。

(3) mTOR(mammalian target of rapamycin)是一类丝/苏氨酸激酶。1991年,人们在酵母中发现了雷帕霉素(rapamycin)的作用靶点,取名为TOR[7]。与酵母相比,哺乳动物的TOR蛋白在进化和功能上高度保守,也就相应地称为mTOR[8]。mTOR蛋白的C末端具有激酶活性,它是细胞生长和增殖的关键调节分子,可接收生长因子、营养、能量等多种信号,并通过PI3K/AKT或Ras/ERK信号通路来发挥作用,而对mTOR信号通路的抑制可以使细胞停滞在G1期而触发细胞凋亡。

简单地说,当EGF、胰岛素等生长因子结合到细胞膜表面的酪氨酸激酶受体(receptor tyrosine kinase, RTK)后,RTK通过其酪氨酸激酶活性分别激活两个关键的信号转导分子:小G蛋白Ras和激酶PI(3)K,再由Ras和PI(3)K共同激活下游关键分子mTOR(如图10)。激活后的mTOR蛋白促使底物S6K(S6 kinase)和4EBP1(4E binding protein 1)发生磷酸化。由于这两个底物都是蛋白翻译过程中关键性的调节因子,它们的磷酸化导致核糖体蛋白合成的起始和增加。此外,胞外营养物质氨基酸、ATP等也能调控mTOR的激酶活性。于是,mTOR蛋白整合生长因子和环境养分两种信号,通过严格调控细胞有丝分裂和代谢响应不同的环境条件,保证细胞只在有利的环境下增殖。

值得注意的是,一些肿瘤抑制因子,如TSC1、TSC2和LKB1在营养匮乏的条件下减弱了mTOR信号通路的强度。相应地,TSC1、TSC2或者LKB1的失活突变,就会导致相似的癌症症状,并具有共同的临床表现。因此,这条确保细胞在环境适宜条件下发生增殖的信号通路,在被癌细胞利用后就可以使癌细胞在养料匮乏的条件下存活并生长。

在筛选激酶抑制剂的过程中,人们设计了一系列针对mTOR、PI(3)K、RTKs和Raf等激酶的药物。在癌症的分子机理研究中,尽管这条信号通路研究得最透彻,但这些激酶在细胞和生物体内的生理功能远比我们想象的要复杂。

2) Ras-Raf通路与癌症

1982年,美国科学家R.A. Weinberg等人从膀胱癌细胞中克隆得到第一个人类癌基因,由于它和之前发现的鼠肉瘤病毒基因c-ras高度同源,故而被命名为ras基因(rat sarcoma)[9]。Ras基因在进化中高度保守,广泛存在于各种真核生物细胞中。哺乳动物的Ras蛋白家族有三个成员,分别是H-ras、K-ras和N-ras。由于Ras蛋白的相对分子量是21 kDa,故又被称为p21。Ras蛋白定位于细胞膜内侧,为GTP/GDP结合蛋白,通过GTP与GDP的相互转化来调节信号通路的传递;之后,人们又发现了Ras的直接效应因子Raf-1[10],这就将Ras和ERK/MAPK信号通路联系起来。在高等生物中,Raf丝/苏氨酸激酶家族由三个成员组成,分别为A-raf、B-raf和C-raf(也称Raf-1)。

随着研究的深入,Ras信号通路构成一个复杂的网络。简单地说,被生长因子激活的酪氨酸激酶受体RTKs以直接或间接的方式结合GRB2(growth factor receptor-bound protein 2)。GRB2与受体RTK结合后招募鸟苷酸交换因子SOS蛋白定位在与Ras相邻的细胞膜上。这样,SOS与Ras形成复合体后,GTP取代GDP与Ras结合,Ras被激活;而当GTP被水解成GDP后,Ras失活。Ras蛋白被激活后,产生一系列级联放大反应。首先,它招募细胞浆内的Raf1蛋白至细胞膜上。之后,Raf激酶磷酸化MAPK激酶(MAPKK,又称MEK),再由MEK激活ERK1/2(extracellular signal regulated kinase,又称MAPK)。ERK被激活后,转至细胞核内并直接激活转录因子,产生相应的生物学效应(如图11)。需要特别指出的是,Raf的激活并不完全依赖于Ras,ERK也能被除Ras之外的其它蛋白激活。这表明信号通路级联反应中的每一个信号蛋白都可能被多个上游蛋白所控制,而它们也可以有多个下游的靶蛋白,从而形成一个极其复杂的网络调控结构。

随着信号通路研究的拓展,人们开始研究Ras信号致癌的机理。在超过60%的人类恶性黑色素瘤中,都发现了B-raf的激活突变,这种突变还存在于一些直肠癌以及甲状腺和肺部的肿瘤中。B-raf突变后,在某些情况下与C-raf形成异源二聚体,随后持续地激活下游的ERK信号,并最终激活蛋白激酶mTOR(如图11)。肿瘤细胞中也存在不涉及Ras本身的突变而又持续激活Ras的情况。NF1基因是最早被发现的肿瘤抑制基因之一,它是一个GAP蛋白(GTPase-activating protein)。NF1基因缺失突变后,由于GTP水解的减少而导致GTP结合形式的Ras蛋白的积累,从而提高Ras的活性。除此之外,降低miRNA let-7的表达使靶基因Ras mRNA增加,也能提高Ras的活性。这里所提到的这些蛋白成分都是未来很好的药物靶点分子。

3) Ras-PI(3)K信号通路与癌症

早在20年前,PI(3)K信号就被视为一条与病毒癌基因密切相关的信号通路。最近5年,人们发现在所有的散发性肿瘤中这条信号通路最常见。在淋巴瘤、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌、肾癌、肺癌、前列腺癌以及其它癌症中这条通路都具异常性。PI(3)K信号通路可以通过激活RTK和Ras,进而活化下游的靶蛋白mTOR。需要指出的是,丝/苏氨酸蛋白激酶AKT家族的很多成员都是PI(3)K信号通路在癌症中的重要靶点,例如在10%~20%的胰腺癌、40%的肝癌和50%的结肠癌中都可以检测到AKT2基因的大量表达,这是PI(3)K信号通路在癌细胞中异常激活的有力证据。在一些原发性结肠癌和卵巢癌中也检测到PI(3)K调控亚基p85的突变。这条通路中另一个关键的调节因子是PTEN(phosphatase and tensin homolog),作为重要的肿瘤抑制基因,它的突变将会导致第二信使PIP3的大量积累,过度激活下游的mTOR通路而使细胞发生癌变。

4) 结语

Ras-Raf和Ras-PI(3)K以及其所激活的mTOR信号通路涉及了多个癌基因和抑癌基因的激活和失活,与肿瘤的发生密切相关,日益成为肿瘤研究的热点。这些基础研究将为癌症的治疗提供更多的方案。在过去的几年中,激酶mTOR的三种抑制剂,分别是雷帕霉素的类似物everolimus、deforolimus和前体temsirolimus已经进入临床试验阶段。随着这些研究的深入,我们相信会有更多的针对这些信号通路中的分子药物被筛选出来,为最终诊治癌症提供良方。

原文检索:Shaw RJ, Cantley LC. Ras, PI(3)K and mTOR  ignaling controls tumour cell growth. Nature. 2006 May 25; 441(7092): 424-430.

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