細胞凋亡系列篇【4】抗細胞凋亡的核心樞紐：PI3K/AKT信號通路

在本系列前期幹貨分享中，我們分別展現了細胞凋亡概述與細胞凋亡密切相關的分子信號，包括MAPK信號通路中的多通路途徑調控細胞凋亡，而Caspase蛋白家族則是細胞凋亡的核心執行者。本期的主角是目前公認抗細胞凋亡的關鍵信號—PI3K/AKT信號通路，它既能抑製促凋亡信號也能增強抗凋亡途徑，以維持細胞存活。

一、PI3K/AKT信號通路概述

PI3K/AKT信號通路是細胞內一條高度保守的信號轉導通路，主要通過磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和蛋白激酶B（AKT，又稱PKB）介導，調控細胞的生長、增殖、存活、代謝及凋亡抑製等關鍵生物學過程。該通路通過細胞膜受體，例如受體酪氨酸激酶（RTK）和G蛋白偶聯受體（GPCR）等感知生長因子、激素或細胞因子等信號分子，進而激活下遊效應分子，最終影響細胞性能，尤其是對細胞凋亡的影響。

二、PI3K/AKT信號通路組成

1. PI3K

PI3K是一類能夠催化ATP的γ-磷酸基團轉移至磷脂酰肌醇D3位的脂質激酶家族，同時具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性。根據結構特征與底物類型，PI3K分為I類、Ⅱ類和Ⅲ類：

圖1.PI3K的組成成分[1]

（1）I類PI3K

I類PI3K是一種異二聚體，由一個p110催化亞基和一個p85調節亞基組成，它能直接響應細胞外生長因子的信號傳導，通過與受體結合被激活，進而引起其下遊信號傳遞。I類PI3K是該家族中研究最廣泛、與細胞增殖和凋亡的關系最為密切的類型。I類PI3K又可進一步分為IA型和IB型：

①IA型：由一個催化亞基（p110α、p110β、p110δ）和一個調節亞基（p85α、p85β、p55α、p50α、p55γ）組成。其中，p110α、p110β廣泛分布於各類細胞中，p110δ則在白細胞中表達；p85α是調節亞基的主要亞型，通過SH2結構域結合磷酸酪氨酸位點，抑製p110催化活性，同時具有獨立於 p110 的性能，如信號適配、調控 PTEN等。

②IB型：由催化亞基p110γ和其他調節亞基如p101或p84構成，通過GPCR下遊G蛋白激活，參與免疫和炎癥反應。

圖2. I類PI3K不同亞基的蛋白結構[2]

（2）Ⅱ類PI3K

Ⅱ類 PI3K為單體脂質激酶，無調節亞基，其催化亞基包含 Ras 結合域（RBD）、螺旋結構域和催化結構域。根據催化亞基類型可分為PI3K-C2α、PI3K-C2β和PI3K-C2γ三種亞型，參與葡萄糖轉運、細胞遷移、細胞生長及細胞存活等過程。

（3）Ⅲ類PI3K

Ⅲ類PI3K為異二聚體，由催化亞基VPS34和調節亞基VPS15（p150）組成，其中VPS15通過結合磷脂和鈣離子穩定VPS34的構象並激活其催化活性。VPS34通過磷酸化磷脂酰肌醇來生成磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P），這是一種對自噬體形成至關重要的磷脂。

2. AKT

1977年，AKT首次作為逆轉錄病毒AKT8的癌基因（v-AKT）被發現，可誘導小鼠淋巴瘤的形成。直到1991年，科學家鑒定出人類AKT基因，因與PKA、PKC同源，也被稱為PKB。隨後發現AKT家族包含三個成員：AKT1（PKBα）、AKT2（PKBβ）、AKT3（PKBγ），均由獨立的基因表達產生：

(1) AKT1：基因位於人類染色體14q32，廣泛表達於全身組織，主要在肝臟、心臟和骨骼肌中表達。它通過調控細胞增殖、存活和胚胎發育，在維持組織穩態中起核心作用。

(2) AKT2：基因位於人類染色體19q13，主要高表達於胰島素敏感組織，如骨骼肌、肝臟、脂肪組織和胰腺β細胞。其核心性能是介導胰島素信號傳導，促進葡萄糖攝取和代謝，因此在2型糖尿病和肥胖中起關鍵作用。

(3)AKT3：基因位於人類染色體1q44，主要在大腦和睾丸中表達，它參與神經元存活、腦發育及生殖性能調控，其失調與阿爾茨海默癥、膠質母細胞瘤等神經系統疾病密切相關。

此外，AKT通過兩個位點的磷酸化被激活，分別位於催化結構域的激活環和C端的疏水（HD）結構域。所有AKT蛋白亞型均具有以下結構特征：

(1)N端PH結構域：負責與磷脂結合，包括PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3；該區域與催化結構域連接；

(2)催化結構域：含有關鍵蘇氨酸殘基，AKT 1-3的蘇氨酸殘基位點分別為Thr308、Thr309和Thr305，對酶激活至關重要；

(3)C端HD結構域：位於催化結構域後，含有一個對酶完全激活必須的絲氨酸殘基，AKT1-3的絲氨酸殘基位點分別為Ser473、Ser474和Ser472。

圖3. AKT三種亞型結構域[3]

三、PI3K/AKT信號通路激活與抑製

1. 通路激活

上遊信號分子可以觸發PI3K的激活，包括IGF或EGF等生長因子，激活過程如下：

（1）生長因子結合受體：IGF、EGF等生長因子與細胞膜上的RTK結合，RTK發生二聚化並自磷酸化，進而使銜接蛋白IRS-1磷酸化，形成p85結合位點；

（2）PI3K募集與激活：PI3K的調節亞基p85通過其SH2結構域識別並結合磷酸化的IRS-1，解除其對催化亞基p110的抑製，激活PI3K；

（3）PIP3的生成：活化的PI3K催化底物PIP2轉化為第二信使PIP3；

（4）AKT膜定位與完全激活：AKT通過其PH結構域特異性結合PIP3，被錨定至質膜內側，導致其構象改變，暴露出磷酸化位點Thr308和Ser473；

（5）AKT完全激活：PDK1負責磷酸化Thr308，mTORC2或PDK2負責磷酸化Ser473，雙位點磷酸化後使AKT完全活化，隨後脫離質膜，通過磷酸化下遊靶蛋白以調控細胞存活、增殖和代謝。

圖4. PI3K/AKT激活過程[4]

2. 通路抑製

為維持信號變化平衡，該信號通路受到多層級的負調控，抑製過程如下：

（1）PIP3信號終止：

① PTEN：磷酸酶PTEN通過將PIP3逆向轉化為PIP2，直接終止PI3K/AKT通路的信號傳遞。

② SHIP1/2：可水解PIP3生成PIP2，抑製AKT的膜定位與激活。

（2）抑製AKT激活：

蛋白磷酸酶PP2A和PHLPP分別去磷酸化AKT的Thr308和Ser473位點，阻斷AKT的激活。

（3）下遊負反饋調控：

p53激活PTEN的表達，抑製PI3K/AKT的激活；mTORC1的底物p70S6K抑製mTORC2的活性，從而減少PI3K/AKT的激活，形成負反饋環路。

PI3K/AKT信號通路的異常活化與癌癥、糖尿病及神經退行性疾病密切相關，使其成為抗腫瘤靶向藥物研制的核心靶標。

圖5. PI3K/AKT的抑製[4]

四、PI3K/AKT信號通路抗細胞凋亡機製

PI3K/AKT信號通路是細胞內調控生存與凋亡平衡的核心樞紐之一。在生理狀態下，該通路通過響應生長因子、細胞因子或外界刺激被激活，介導細胞增殖、代謝和存活等關鍵生物學過程。然而，在病理狀態下（如腫瘤發生），PI3K/AKT通路的異常活化通常會抑製細胞凋亡，促進惡性表型的擴展，這一狀況與PTEN等負調控因子的失活密切相關。

圖6.PI3K/AKT磷酸化其下遊底物抑製凋亡https://www.creative-diagnostics.com/PI3K-AKT-Signaling-Pathway.htm

1. PI3K/AKT與Bcl-2家族

Bcl-2家族蛋白主要通過調控線粒體依賴性凋亡途徑來調節細胞凋亡，家族蛋白包括抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-XL等，以及促凋亡蛋白Bad、Bax、PUMA等。PI3K/AKT信號通路是調控Bcl-2家族蛋白活性與表達的重要上遊信號，進而在抗細胞凋亡中發揮關鍵作用[5]。

① Bad：活化的AKT可直接磷酸化Bad的Ser112位點，14-3-3蛋白則與磷酸化的Bad結合，使其與線粒體表面的抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-XL解離，從而抑製Bad的促凋亡活性。

② Bax：AKT磷酸化Bax的Ser184位點，可阻止其向線粒體轉位，抑製其介導的線粒體性能障礙，進而抑製細胞凋亡。

③ PUMA：PI3K/AKT信號通路可通過調控多種下遊效應因子來間接抑製PUMA的表達，包括磷酸化抑製轉錄因子FoxO3a的性能、下調p53的表達等，這些因子都能促進PUMA表達，誘導細胞凋亡。

2. PI3K/AKT/FoxO信號

哺乳動物FoxO蛋白家族是一類轉錄因子，屬於Forkhead轉錄因子超家族中O亞家族成員。該蛋白家族在細胞周期、生長、凋亡以及代謝等細胞生命過程中扮演着重要角色。FoxO可通過多種途徑抑製細胞生長、啟動凋亡信號，包括誘導Bcl-2家族中促凋亡蛋白Bim、PUMA的表達、死亡受體配體Fasl的表達，以及促進細胞周期阻滯蛋白p27和p21的表達。

已有研究表明，PI3K/AKT信號通路的激活可促進FoxO磷酸化，使其與細胞質中的14-3-3蛋白結合，將其隔離在細胞質中，無法向細胞核轉移，失去轉錄活性，抑製凋亡相關基因的表達，進而抑製細胞凋亡。

圖7. PI3K/AKT介導FoxO磷酸化抑製細胞凋亡[4]

3. PI3K/AKT/NF-κB信號

與FoxO轉錄因子的負調控不同，PI3K/AKT可正向調控轉錄因子NF-κB，從而促進細胞存活相關基因的表達。NF-κB是多種抗凋亡基因表達的關鍵激活因子，例如抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-XL以及Caspase8抑製劑FLIP等。PI3K/AKT的激活促進了NF-κB抑製性輔因子IκB的磷酸化，並促使其降解，從而釋放出具有轉錄活性的NF-κB。NF-κB入核後誘導抗凋亡蛋白的表達。相反，當PI3K/AKT信號減弱或抑製時，NF-κB的活性也相應降低，導致細胞更易發生凋亡[5]。

4. PI3K/AKT/mTOR信號

PI3K/AKT/mTOR信號通路通過多層次的調控網絡，在細胞凋亡過程中起着至關重要的作用。mTOR作為PI3K/AKT信號下遊的一個關鍵調控點，主要通過形成mTORC1和mTORC2這兩個不同的復合物來發揮作用。

（1）mTORC1：通過磷酸化激活p70S6K激酶和抑製4EBP1，能夠增強蛋白質合成並幫助細胞代謝需求，從而幫助細胞存活。由TSC1、TSC2和TBC1D7組成的TSC復合物是mTORC1的關鍵負調控因子，其將Rheb維持在GDP結合的非活性狀態，從而抑製mTORC1。在正常細胞中，生長因子激活 PI3K/AKT信號通路，促使AKT磷酸化TSC2，使其脫離溶酶體膜，解除對Rheb的抑製作用；Rheb隨之與GTP結合轉為活性狀態，進而激活溶酶體膜上的mTORC1，促進細胞生長、抑製凋亡。在癌癥中，該通路異常激活會導致mTORC1持續活化，驅動腫瘤增殖、轉移與代謝重編程。

圖8. PI3K/AKT通過TSC復合物調節mTORC1活性，抑製細胞凋亡[4]

（2）mTORC2：PI3K/AKT/mTORC2軸在抗細胞凋亡中也發揮着核心作用。與mTORC1不同，mTORC2與PI3K/AKT信號之間存在密切的正向和反向調控機製：

mTORC2可磷酸化AKT中HD結構域的Ser473，與PDK1協同激活AKT，增強PI3K/AKT信號的抗凋亡性能。

mTORC1下遊的p70S6K可抑製mTORC2的活性，形成對PI3K/AKT信號的負反饋調節，防止AKT過度激活，維持細胞增殖與凋亡的平衡。

5. PI3K/AKT/ GSK-3信號

GSK3是最早發現的AKT底物之一，在哺乳動物中具有GSK3α和GSK3β兩種亞型，它們廣泛參與細胞增殖、分化、凋亡、代謝及轉錄調控等多種生理過程。GSK3通過調控多種轉錄因子、凋亡相關蛋白及信號通路，促進細胞凋亡的發生。例如GSK3通過磷酸化作用抑製Wnt/β-catenin信號通路、降低抗凋亡蛋白MCL-1的穩定性、激活Caspase-9以誘導凋亡小體的形成，促進細胞凋亡。有趣的是，GSK3可磷酸化FoxO3a的非AKT靶點，促進FoxO3a核轉位，增強其轉錄活性，誘導促凋亡蛋白PUMA的表達，進而誘導細胞凋亡[6]。而PI3K/AKT 信號通過磷酸化GSK3α的Ser21和GSK3β的Ser9，抑製它們的活性，從而阻斷其促凋亡性能。

圖9.PI3K/AKT介導GSK3磷酸化參與細胞凋亡調控[4]

6. PI3K/AKT/p53信號

p53是一種經典的腫瘤抑製蛋白，屬於TP53基因編碼的轉錄因子家族。通常情況下，p53與MDM2結合並被泛素化降解，以非活性的形式存在，但當細胞遭受DNA損傷、氧化應激等信號激活p53上遊激酶時，p53的相應Ser/Thr殘基磷酸化，解除其與MDM2結合，穩定p53並激活其轉錄性能。活化的p53可激活Bax、PUMA、Bim、Fas、Fasl等促凋亡基因的表達；也可轉移至線粒體，與抗凋亡蛋白Bcl-2 結合，解除其對Bax/Bak的抑製，誘導凋亡[7]。PI3K/AKT信號則可通過多種途徑降低p53的水平和活性，抑製細胞凋亡：

（1）PI3K/AKT磷酸化MDM2，增強其核定位並與p53結合，促進p53泛素化和蛋白酶體降解，抑製凋亡。

（2）GSK-3β可磷酸化p53的Ser37位點，增強其與DNA結合能力；同時磷酸化Tip60，促進p53的K120乙酰化，穩定p53並激活其轉錄性能；而PI3K/AKT則通過磷酸化GSK-3β的Ser9使其失活，抑製上述過程，從而降低p53活性。

（3）PI3K/AKT也可以直接磷酸化p53的Ser392位點，促進其胞質滯留，減少核內p53的水平。

圖10.PI3K/AKT/p53信號環路及其參與細胞凋亡調控[8]

綜上所述，PI3K/AKT信號通路是細胞維持生存、抵禦凋亡的關鍵樞紐。它通過多層次、多靶點的精密調控網絡，維持細胞存活與凋亡的變化平衡。理解PI3K/AKT信號通路在細胞凋亡中的作用機製，不僅可深化我們對決定細胞的命運機製的認識，也為開發靶向該通路的疾病治療策略供應了堅實的理論基礎。

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參考文獻

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