PI3K/Akt信号通路
PI3K/Akt信号通路
一、PI3K
PI3K（Phosphatidylinositide 3-kinases，磷脂酰肌醇3-激酶）是一种胞内磷脂酰肌醇激酶。PI3K 可分为 3 型，其结构与功能各异，其中研究最广泛的是能被细胞表面受体所激活的 I 型 PI3K（III型PI3K见帖：细胞自噬）。哺乳动物细胞中 I 型 PI3K 又分为 IA 和 IB 两个亚型，IA 型 PI3K 是由催化亚基 p110（α、β、δ、γ）和调节亚基 p85 所组成的异源二聚体，具有类脂激酶和蛋白激酶的双重活性[1,5]。
1、激活
PI3K 通过两种方式激活。
- 一种是与具有磷酸化酪氨酸残基的生长因子受体或连接蛋白相互作用，引起二聚体构象改变而被激活；
- 另一种是通过 Ras（见帖：Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路）和 p110 直接结合导致 PI3K 的活化。PI3K 激活的结果是在质膜上产生第二信使 PIP3。
2、激活后效应
当接受来自酪氨酸激酶和 G 蛋白偶联受体的信号后，PI3K 的调节亚基 p85 即被募集到临近质膜的部位，催化亚基 p110 通过与调节亚基 p85 结合把底物 PIP2（磷脂酰肌醇二磷酸）转化为PIP3（磷脂酰肌醇三磷酸）[1,5]。
二、第二信使PIP3
1、Akt 转移
PIP3（磷脂酰肌醇三磷酸）可以和蛋白激酶B（PKB，Akt）的 N 端 PH 结构域结合，使Akt 从细胞质转移到细胞膜上。
2、Akt活化
PIP3也可以和 PDK1（3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1）的 PH 结构域结合，促使 PDK1 磷酸化 Akt 蛋白导致 Akt 的活化。
- Akt 只有在其转位至细胞膜并且在胞膜存在PDK1时，其活化环才能被磷酸化，Akt 才被激活[2]。
3、PIP3去磷酸化
PTEN 可以使 PIP3 去磷酸化生成 PIP2，从而实现 PI3K/Akt 信号通路的负性调节。
三、PDK1
PDK1（3-phosphoinositide dependent protein kinase-1,3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1）本身具有活性，并不需要被激活。
- 当 PIP3 存在时，PDK1 能够磷酸化 Akt 活化环；
- 当 PIP3 不存在时，PDK1 不能使 Akt 磷酸化激活。
单纯的 PIP3 与 Akt 结合，并不能使 Akt 激活。因此，PIP3 与 Akt 结合，诱使 Akt 空间构相发生改变，使其可被 PDK1 磷酸化[2]。位于膜上的 PDK1 将 Akt 的 Thr308 残基磷酸化，引起 Akt 的活化[1]。
四、PTEN
类脂磷酸酶 PTEN，是肿瘤抑制基因 PTEN（phosphatase and tensin homology deleted on chromosome 10，第10号染色体磷酸酶和张力蛋白同源丢失性基因）编码的产物。PTEN 可以使 PIP3 去磷酸化生成 PIP2 ，从而实现 PI3K/Akt 信号通路的负性调节。
五、Akt
1、Akt
蛋白激酶B（PKB，Rac，Akt）是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶，与 PKA 和 PKC 均有很高的同源性，该激酶被证明是反转录病毒癌基因 v-akt 的编码产物，故又称 Akt [1]。
- 哺乳动物 AKT 有 3 种主要的异构体：PKBα（Akt1），PKBβ（Akt2），PKBγ（Akt3），它们尽管定位在不同的染色体上，但是彼此之间的氨基酸一致性达到了 80% 以上[3,5]。
- Akt1 在组织中有广泛的表达，Akt2 主要在肌肉和脂肪细胞里表达，Akt3 主要在睾丸和脑中表达。
2、Akt 的历史
- 1977 年，Staal 及同事从患高发病率的自发性淋巴瘤的 AHR 小鼠身上得到了转化的鼠白血病病毒 AKT8 , 发现含有一段细胞来源的致癌序列，将之命名为 akt。人类同源物 Akt1 和 Akt2 也得以发现，并通过裸鼠成瘤实验进一步证明了akt基因的致癌潜能[3]。
- 1991 年，3 家实验室分别克隆了 akt 基因，奠定了 PKB/Akt 作为一种广泛表达的新的磷酸化蛋白激酶的研究基础。1995 年，Akt 作为 PI3K 经多种生长因子活化后的下游靶点的发现，以及糖原合成酶激酶3（GSK-3）作为第一个 Akt 底物的发现，分别揭示了 Akt 在生长因子介导的细胞存活和胰岛素信号通路中的重要作用[3]。
- 随着研究的进一步深入，PKB/Akt 在基本代谢过程（蛋白质和脂类合成、碳水化合物代谢）、转录、细胞生长、存活中的作用也逐渐被阐明[3]。
3、结构域
Akt 蛋白大小约为 60 kD，结构域包括三部分，从 N 端到 C 端依次为：PH 结构域、激酶催化结构域、调控结构域[1,3]。
- Akt 的 PH 结构域主要介导 Akt 与 PIP3 之间的结合；
- 中间的激酶催化结构域含有 Thr308 位点，其磷酸化是活化 Akt 所必需的；
- 位于 Akt 的尾部是一个疏水性的调控结构域，含有活化 Akt 的第 2 个磷酸化位点 Ser473[1]。
4、活化
研究证实，Akt 的活化需要多位点的磷酸化，包括 Thr308、Ser473 的磷酸化[1]。
- 磷酸化 Thr308 位点的激酶是 PDK1[1,3]。
- 对于磷酸化 Ser473 位点的激酶虽然有很多相关报道，提供了很多候选物，如促分裂原活化蛋白激酶-活化蛋白2（MAPKAP）激酶2 、PKB/Akt 自身、PDK1、整联蛋白偶联激酶 （ILK）和蛋白激酶C相关蛋白2（PRK2），但是都没有确切的证据[3]。
5、失活
迄今为止，尚未发现下调 Akt 活性的特异磷酸酶，但用磷酸酶抑制剂处理细胞后，发现 Akt 的磷酸化和活性均有所增加。最近发现 Akt 能被一种 C 末端调节蛋白（CTMP）所失活，CTMP 能结合Akt并通过抑制Akt的磷酸化而阻断下游信号的传递，CTMP 的过表达能够逆转v-Akt转化细胞的表型。热休克蛋白90（HSP90）亦能结合 Akt，阻止 Akt 被 PP2A （PP2A见帖：Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路）磷酸酶的去磷酸化而失活，因此具有保护 Akt 的作用[3]。
六、下游信号
1、PI3K/Akt/GSK-3
GSK-3 是第一个被发现的 Akt 的生理底物。两种形式的 GSK-3 的异构体 GSK-3α 和 GSK-3β 的氨基端都含有 Akt 的磷酸化位点，胰岛素通过磷酸化和失活 GSK-3 促进糖原合成[3]。
Akt 可以通过抑制 GSK-3 而增加 cyclinD 的积累，负调控 p27 和野生型 p53 激活 p21，通过增加 Mdm2 活性导致 p53 降解，调控细胞周期[3]。cyclinD、p27、Mdm2，见帖：细胞周期；p53/p21通路见帖：细胞周期限制点调控。
- p21 是 Akt 的直接底物，磷酸化后解除了对细胞周期的阻滞[3]。
- Mdm2 是 Akt 的底物，磷酸化促使其由向核内移位[3]。
2、PI3K/Akt/mTOR
Akt 通过磷酸化激活 mTOR（见帖子：mTOR信号通路）。另外，Akt 通过磷酸化失活 TSC2，解除了 mTOR 依赖性的对 S6K 的抑制作用[3]。Akt 可直接磷酸化 PRAS40，使其对 mTORC1 抑制作用失效，从而激活 mTORC1 通路[5]。
3、PI3K/Akt/NF-κB
Akt 通过磷酸化 IKK 复合体中的 IKKα，引起 IKKβ 的活化以及后续的 IκBα 的磷酸化，随后 IκB 降解，解除了对 NF-κB 的抑制作用，NF-κB 被激活（见帖子：NF-κB信号通路）[3]。
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参考文献
[1]涂平华,欧云生.PI3K/Akt信号转导通路与椎间盘退行性变的关系研究进展[J].医学综述,2013,19(20):3673-3675.
[2]刘革修.3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1结构和功能[J]. 生命科学, 2005(05):15-19.
[3]周颖,王建,贺福初.蛋白激酶B(PKB/Akt)的结构、调控与功能[J].生命的化学,2006(03):226-228.
[4]丘创华,侯敢,黄迪南.TNF-α信号传导通路的分子机理[J].中国生物化学与分子生物学报,2007(06):430-435.DOI:10.13865/j.cnki.cjbmb.2007.06.002.
