, 放射主要作用于细胞核DNA, 也可作用于细胞膜或细胞浆而启动一些信号传导路径调整细胞的放射反应, 导致细胞内和(或)细胞间传导信号网络的改变, 使肿瘤细胞或阻滞在某一细胞周期启动DNA放射损伤修复或死亡。PI3K/Akt被发现广泛涉及肿瘤各种异常生物学特征如无限制复制能力、维持细胞在恶性环境下的生存、肿瘤易于向周边组织浸润及远处转移等[1-3]。其主要是通过它的下游效应子来调节细胞增殖、蛋白合成及细胞死亡。
1 PI3K/AKT信号转导通路 1.1 PI3K的生化特征磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidyli nositol 3-kinase, PI3K)由具有调节功能的亚单位p85和具有催化功能的亚单位p110组成[4]。p85的氨基端含有SH3结构域和能与SH3结构域结合的脯氨酸富集区, 其羧基端含有2个SH2结构域及1个与p110结合的区域。PI3K的p110亚基与蛋白激酶具有同源性, 本身既具有Ser/Thr激酶的活性, 也具有磷脂酰肌醇激酶的活性。根据PI3K的p110结构特点和底物分子不同可将其分为三大类:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个亚型。Ⅰ型分为ⅠA和ⅠB亚类, ⅠA亚类包括p110α、p110β、p110γ, 能与p85形成二聚体; ⅠB亚类包括p10γ, 它并不与p85结合, 而是与1个相对分子质量为101 × 103的接头蛋白结合, 此接头蛋白可介导G蛋白的β、γ亚基活化p110[5]; Ⅱ型PI3K是含有C2结构域的PI3K;Ⅲ型PI3K是在哺乳动物细胞内发现的与酵母的VPS34分子结构同源的蛋白。
1.2 AKt的结构与功能Akt, 又称蛋白激酶B (protein kinase, PKB), 一种丝氨酸/苏氨酸激酶, 分子量为57Kd, 是一类调节细胞凋亡/存活的胞浆信号转导蛋白。它们由一个氨基末端PH结构域(plecstrin homology domain, PH)、激酶催化区(T308/ Akt1)和一个羧基末端调节区(Akt丝氨酸残基磷酸化调节区, S473/Akt2)组成。PH域即肌醇磷酯结合区, 调节Akt与3一磷脂酰肌醇的结合; 激酶催化区含有一活化Akt的苏氨酸磷酸化位点, 即T308位点; 羧基末端含有丝氨酸磷酸化位点, 即S473位点[6]。
生理状态下, Akt以低活性(失活状态)存在于细胞浆。当其暴露于各种刺激因素如生长因子缺乏、紫外线照射、或DNA损伤等时, Akt在PI3K调节作用下发生磷酸化而激活, 而T308位点和S473位点的同时磷酸化为Akt活化所必需; 激活的Akt募集至胞浆膜和转位到胞溶质或胞核, 并与相应部位的底物蛋白发生作用, 使底物蛋白特定部位的丝氨酸、苏氨酸磷酸化, 导致细胞存活/增殖, 并保护细胞逃避凋亡, 因而影响癌细胞表型行为[7]。
大量研究证实, Akt作为一潜在的人类癌基因, 在许多肿瘤发生中都有磷酸化Akt/PKB基因扩增, 最早仅在胃癌中检测到, 后相继在人类卵巢癌、胰腺癌、胃癌和乳腺肿瘤中陆续发现。最近研究表明, 在许多恶性肿瘤如子宫内膜癌、肝癌、前列腺癌、结肠直肠癌、滤泡状甲状腺癌和肺癌中, 磷酸化Akt呈持续高度活化, 而且Akt的异常表达与这些肿瘤的发生、发展以及对放化疗产生的耐受密切相关[8]。
国外Lee等[9]应用免疫组织化学法分析了43NSCLC (非小细胞肺癌)中磷酸化Akt的表达, 研究发现, 鳞癌、腺癌、肺细支气管肺泡癌表达磷酸化Akt分别为68.2%、61.5%、75%, 表明磷酸化Akt在NSCLC的形成过程中发挥重要作用。
Brognard[10]等对NSCLC细胞株进行分析, 认为Akt/PKB是促进NSCLC细胞存活的主要活性激酶, 且具有Akt高活性的癌细胞对放化疗具有抵抗性, 并证实通过药理或基因方式调节Akt/PKB活性可改变癌细胞对不同疗法的敏感性。
West[11]等用烟碱NNK (4-methylnitrosamino-1-3-pyri dyl 1-butanone)处理人类气管上皮细胞后发现, 在这些上皮细胞中Akt迅速激活, 并且可以消弱紫外线、过氧化氢等诱发的凋亡。ITOH等[12]研究发现人类结肠直肠肿瘤组织中磷酸化Akt表达增多, 活化的Akt通过促进细胞增殖并抑制其凋亡从而促进肿瘤的发生发展; 研究还发现Akt的活化程度与肿瘤的临床过程和病理学进展有关, 如侵袭范围、浸润深度、淋巴结转移及病理分期等。提示Akt高表达可能是肿瘤不良预后的趋势。
1.3 PI3K/AKT信号转导通路PI3K/Akt信号通路在细胞生物活动中基本机制是当细胞受生长因子等刺激因子刺激后, 作为重要细胞信号蛋白、Ras蛋白效应子的细胞内酯酶PI3K活化, 导致AKt308位上的苏氨酸位点(Thr308)和473位上的丝氨酸位点(Ser473)磷酸化而激活Akt, 进一步激活其下游分子, 磷酸化翻译抑制分子eIF-4E结合蛋白1(4E-BP1)和核糖体蛋白p70S6K, 启动蛋白质的翻译, 促进蛋白质的合成和细胞生存。
一般认为, 包括肺癌在内的绝大多数常见恶性肿瘤组织中存在PI3K/Akt通路的异常活化, 并通过磷酸化Akt充分激活多种下游基因, 抑制细胞凋亡, 促进细胞周期进展[13]。
所以选择性抑制PI3K/Akt信号传导通路活性可增加多种肿瘤的放射敏感性[14-16]。
2 PI3K/Akt信号传导通路与肿瘤的发生关系PI3K/Akt信号传导通路在肿瘤发生、发展中起着非常重要作用。
2.1 抑制细胞凋亡、促进细胞生存PI3K/Akt信号转导通路可抑制前凋亡蛋白BAD及caspase-9的活性, 阻止它们的促凋亡作用; 可抑制Forkhead家族转录因子的活性, 下调Fas\ FasL诱导的凋亡过程; 通过磷酸化mTOR及其下游分子p70s6k、4 E-BP1下传生存信号, 抑制不依赖p53的细胞凋亡, 促进细胞生存[17]; 正调节转录因子NF-κB和bcl-2或者上调凋亡蛋白抑制因子(inhibitor of apoptosis proteins, IAPs)的表达, 从而抑制凋亡作用。
2.2 促进细胞周期运行、促进细胞增殖PI3K可通过Akt、mTOR将有丝分裂信号传递给p70s6k, 使细胞周期驱动蛋白如细胞周期素(cyclin)、细胞周期依赖性蛋白激酶4(CDK4)的翻译上调, 同时减少CDK4抑制剂p21 CIPI等的表达, 加速细胞周期进展, 促进细胞增殖[18]。Chen WS[19]等通过对卷线孢菌素的研究发现, 它能有效抑制肺腺癌A549细胞的增殖, 经过卷线孢菌素处理后能够引起细胞周期阻滞在G0/G1期, 还发现经过处理后的细胞microRNA-638和microRNA-923的表达增加, 而p110α和p-Akt/PKB的蛋白表达降低, 增强了p27蛋白的活性, 认为是通过下调PI3K/AKt通路蛋白使细胞周期阻滞和凋亡。
2.3 对肿瘤血管新生的影响肿瘤的转移扩散依赖于新生血管的形成。在血管生成因子VEGF和PDGF的作用下, 肿瘤细胞通过EGF/P I3K/Akt/FRAP通路促进肿瘤血管形成和生长。研究显示, 激活的P I3K能够明显诱导VEGFmRNA表达, 应用P I3K抑制剂可以显著抑制VEGF mRNA表达。这些证据提示P I3K在恶性肿瘤的血管生成中起重要作用[20]。Akt对于血管的形成具有重要作用。例如, Akt在促血管生成素I和血管内皮生长因子刺激下激活, 阻止内皮细胞凋亡, Akt磷酸化后还可激活内皮一氧化氮合酶(eNOS), 促进血管内皮生长因子诱导的内皮细胞迁移, 导致新生血管形成[21]。
2.4 促进肿瘤侵袭PI3K/Akt信号转导通路与细胞运动及血管发生有关。活化的Akt可增加核转录因子NF-κB的转录活性, 增加肿瘤细胞的运动能力; Akca H[22]等研究表明, PTEN的失活可使PI3K/AKt/NF-κB通路活化, 从而增强了肺癌细胞的侵袭力; mTOR的下游蛋白之一p70s6k活化后可促进细胞运动; PI3K/Akt途径还可上调基质金属蛋白酶-2(MMP-2)的mRNA和蛋白质表达, 后者降解细胞外基质, 促进肿瘤细胞的侵袭和转移[23]; PI3K/Akt通路的活化可通过多种途径上调低氧诱导因子1a (HIF-1a)的表达, 从而启动血管内皮生长因子(VEGF)基因的转录, 促进VEGF的表达, 使内皮细胞迁移形成新生血管, 增加肿瘤细胞的血供。
3 肿瘤的放射敏感性的相关因素肿瘤细胞对于电离辐射的反应, 与其在细胞周期中所处的时相密切相关。G1/S期边界及G2/M期敏感性最高, 而S期, 尤其是晚S期敏感性最低, G1期有一定的抗拒性。
现今研究较多的一些增敏剂就是通过增加辐射引起的原发性损伤、抑制损伤修复、影响细胞周期等, 增强肿瘤细胞对辐射的敏感性[24]。
4 PI3K与肿瘤的放射敏感性肿瘤放疗是临床应用广泛且有效的肿瘤治疗手段之一, 它主要利用电离辐射(包括X射线及放射性同位素发出的α、β、γ射线等)的生物效应杀灭肿瘤细胞, 从而达到治疗目的。但大剂量的电离放射对人体的危害是显而易见的, 因此, 如何提高肿瘤的放疗敏感性, 同时能有效减少放射损伤, 是肿瘤放疗研究的目标。而肿瘤的放射敏感性与哪些因素有关呢?
肿瘤的放射敏感性四个主要因素是肿瘤细胞的固有敏感性, 是否乏氧细胞, 乏氧克隆细胞所占的比例以及肿瘤放射损伤的修复等。而肿瘤细胞的固有敏感性与肿瘤细胞内的信号通路相关。
傅深[15]研究PI3K/AKT传导路径对乳腺癌MCF7细胞株的放射敏感性的影响, 结果显示PI3K抑制剂Ly294002(5mol/ L)可抑制AKT的磷酸化, 与放疗结合可提高对AKT活性的抑制作用, Ly294002在放射前与细胞作用1h及放射后作用10d均可提高MCF7细胞对放射的敏感性, SF4值的放射增敏比为1.25, D0值的放射增敏比为1.42, 说明抑制PI3K通路能够提高放疗的敏感性。
Ogata T[25]等研究肺腺癌A549细胞发现, 与光子辐射相比, 碳离子照射能够有效减少肺癌细胞的侵袭转移能力, 是因为碳离子照射能够减少磷酸化Akt的水平, 所以认为碳离子照射是通过抑制PI3K/Akt信号转导通路来抑制A549细胞的侵袭转移的。
Xing CG等[26]研究发现PI3K抑制剂LY294002能降低胃癌细胞SGC7901的生存率, 并且具有剂量和时间依赖性。可能是通过诱导细胞周期停止在G1/G2期实现。LY294002能降低p85和pAKT的表达, 表明LY294002是通过调节p85和pAKT (Ser473)的表达诱导细胞的凋亡, 所以认为AKT和p85对于细胞的增殖和凋亡起重要作用。
最近一些研究表明[27], 辐射能够诱导神经胶质瘤细胞的迁移, 促进肿瘤细胞局部或全身播散。而照射是否对头颈部肿瘤细胞也有同样的作用呢?结果是缺乏刺激或抑制的情况下, 增加放射剂量能够增加细胞的迁移, 减少细胞的增殖。EGFR抑制后或下游通路被抑制, 能够显著减少细胞的迁移。单独照射后能够显著激活EGFR。作者认为EGFR参与放疗诱导的细胞迁移, 因此EGFR及下游通路可作为治疗头颈部鳞状细胞癌的目标, 从而提高放疗的有效性。
Liu Y等[28]通过对宫颈癌细胞的研究发现, PI3K被LY294002抑制后, 同样能够提高对放疗的敏感性。综上研究表明, PI3K通路与肿瘤的放射敏感性息息相关, 抑制PI3K通路可达到提高放射敏感性的疗效。
5 结语肿瘤细胞放射敏感性是决定放疗疗效的关键原因之一, 它们主要和细胞照射前固有的内在敏感性及照射后细胞如何对损伤进行自我调整相关。从以上综述的文献中不难证明放射可直接或间接激活PI3K/Akt在内的多条传导路径, 改变细胞的放射效应。
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