mTOR信号通路在人类癌症中的作用

摘要

1.简介

细胞行为受到当地环境的调节：营养素和生长因子的缺乏阻碍了新陈代谢，与细胞生理学有关的各种基因的表达也发生了相关变化。蛋白质合成因此被下调，从而对生长和增殖产生负面影响。了解细胞接收和整合细胞外信号的机制，触发影响细胞生长和代谢的细胞内信号级联，对于开发目标明确的化疗至关重要。其中一个机制是mTOR信号通路，它将生长因子、营养素和能量可用性与细胞生存、生长、增殖和运动联系在一起（参考文献综述）[1–三]).

雷帕霉素（TOR）的靶点最初是在芽殖酵母中发现的酿酒酵母作为大环内酯类杀菌剂雷帕霉素的靶标，通过对雷帕霉素表现生长抗性的突变体[4]. 基于雷帕霉素的抑制特性，随后在生化上发现了结构和功能上保守的哺乳动物对应物（mTOR）[5–7]. 迄今为止，每一个被检测的真核生物基因组（包括酵母、藻类、植物、蠕虫、苍蝇和哺乳动物）都含有TOR基因。

mTOR（雷帕霉素的哺乳动物靶点），也称为FRAP（FKBP12-雷帕霉素相关蛋白）、RAFT1（雷帕霉素和FKBP12靶点）、RAPT 1（雷帕霉素靶点1）或SEP（西罗莫司效应蛋白），是一种289kDa丝氨酸/苏氨酸激酶[7]属于PI3K相关蛋白激酶（PIKKs）家族，因为其C类-末端与PI3K的催化结构域有很强的同源性(图1) [8,9].

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图1

mTOR的域结构。这个N个-mTOR的末端包含两个串联重复的HEAT基序（在亨廷顿发现的蛋白质相互作用域、延伸因子3、PR65/A和TOR），然后是FAT（FRAP共享的域、突变的共济失调毛细血管扩张症和TRRAP，均为PIKK家族成员）域，FRB（FKBP12-雷帕霉素结合位点，发现于所有真核生物TOR同源序列中）结构域、PtdIns 3-激酶相关催化结构域、自身抑制（阻遏结构域或RD结构域）和FATC（FATC类terminus）位于C类-蛋白质的末端。FRB结构域形成一个深疏水裂缝，作为抑制复合物FKBP12-雷帕霉素（改编自[10]).

mTOR包含两种功能不同的蛋白质复合物：mTOR复合物1和mTOR复合体2(图2) [11,12]. mTORC1由mTOR、raptor、mLST8和两个负调控因子PRAS40和DEPTOR组成[13–16]. 猛禽调节mTOR活性并作为招募mTORC1底物的支架[13,14]. 最近的研究表明，mTORC1的活性可以通过猛禽的磷酸化状态来调节[17]. mLST8是mTORC1的另一个亚单位，被认为与mTOR的激酶结构域结合，并积极调节mTOR激酶活性，似乎对维持猛禽和mTOR之间的营养素和雷帕霉素敏感性相互作用至关重要[18]. 其他研究表明，mLST8对于维持mTORC2复合物中的rictor-mTOR相互作用也是必要的[19]从而提出mLST8对于在两个mTOR复合物之间穿梭mTOR可能很重要，并且与哺乳动物细胞中这些复合物的动态平衡相一致[20]. mTORC1的另一个亚单位PRAS40通过猛禽与mTORC2结合并抑制其活性[15]. 最近的一项研究确定DEPTOR是一种mTOR相互作用蛋白[16]. DEPTOR与mTORC1和mTORC2相互作用，对其活动进行负调控。

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图2

mTOR复合物（mTORC）的示意成分。mTOR在两种结构和功能不同的蛋白质复合物中发挥作用：mTORC1，它包含两个正调控亚单位，raptor和mLST8，以及两个负调控亚单位PRAS40和DEPTOR；和mTORC2，其中包含rictor、mSin1和Protor，以及mLST8和DEPTOR。

mTORC1被PI3K/AKT途径激活(图3)并被TSC1/TSC2复合物抑制；它是核糖体生物生成和蛋白质合成的主要调节器[21]，通过S6K的磷酸化和活化，以及信使核糖核酸翻译4EBP1的阻遏物的磷酸化和失活。由于S6K和4EBP1是mTOR最具特征的下游靶点，因此它们的磷酸化状态通常用于评估mTORC1活性体内此外，mTORC1还参与其他蛋白质的调节，包括CLIP-170（细胞质连接蛋白-170）[22]，eEF2（真核延长因子2）激酶[23]，ODC（鸟氨酸脱羧酶）[24]，糖原合成酶[25]，HIF-1α（低氧诱导因子1α）[26]、脂质[27]、PKCδ和PKCɛ[28]，PP2A（蛋白磷酸酶2A）[29]、p21Cip1和p27Kip1细胞周期素依赖性激酶抑制剂[30,31]，Rb（视网膜母细胞瘤）蛋白[32]和STAT3（信号转导子和转录激活子3）[33].

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图3

mTOR信号通路图（详见正文）。mTOR是细胞生长和增殖的中央调节器，以应对环境和营养条件。mTOR信号通路由生长因子、氨基酸、ATP和O调节₂水平。通过mTOR的信号传递调节几个下游通路，这些通路调节细胞周期进展、翻译起始、转录应激反应、蛋白质稳定性和细胞存活。

mTORC2包含mTOR、rictor、mLST8、mSim1以及新鉴定的成分Protor、Hsp70和DEPTOR[12,34–36]. Rictor是mTORC2所特有的mTOR相关蛋白[12]. mLST8是两种mTOR复合物的稳定成分[19]. mSin1是mTORC2的一个基本亚单位，对mTORC1的完整性和mTOR对AKT Ser473磷酸化的活性很重要[35]. 原-1（用rictor-1观察到的蛋白质）与rictor相互作用，尽管它对其他mTORC2亚基组装成复合物不是必需的[36]. 热休克蛋白Hsp70是在基础条件下和热休克后mTORC2正确形成和激酶活性所必需的[37]. DEPTOR是mTORC1和mTORC2的负调节器[16].

mTORC2被生长因子激活，磷酸化PKC-α、AKT（Ser473上）和paxillin（局灶性黏附相关衔接蛋白），并调节与细胞存活、迁移和肌动蛋白细胞骨架调节相关的小GTPases Rac和Rho的活性[12,38,39]. 因此，mTORC2和mTORC1具有不同的生理功能。

复合物对大环内酯类杀菌剂雷帕霉素的敏感性不同；mTORC1是敏感的，而mTORC2被认为是耐药的。然而，据描述，雷帕霉素长期治疗（超过24小时）可以通过隔离新合成的mTOR分子来破坏mTORC2的组装和功能[39].

mTORC1信号级联被磷酸化AKT激活(图3). I类PI3K产生第二信使PtdIns（3,4,5）P3[40]. PtdIns（3,4,5）P3与靶蛋白（包括AKT和PDK1）的体液结构域（PH）结合[2]. PtdIns（3,4,5）P3与AKT的PH结构域的结合使该激酶与细胞膜结合，在细胞膜上PDK1通过Thr308的磷酸化激活该激酶[41,42]和mTORC2对Ser473的磷酸化[43]AKT激酶活性的完全激活需要磷酸化[41]. PTEN是AKT激活的负调节因子，因为它将PtdIns（3,4,5）P3转化为PtdIns（4,5[44]. 活化AKT有几个下游底物，包括GSK3、FOXO转录因子和TSC2[45]. TSC2的磷酸化阻止了TSC1/TSC2复合物的形成，从而使小GTP酶Rheb进入GTP结合的活性状态[40]导致Ser2448的mTORC1激活[46,47]. Rheb激活mTORC1的确切机制尚不清楚，但它被描述为需要GTP-结合的Rheb与mTOR激酶结构域的氨基末端叶相互作用[47]以及Rheb在高尔基体和内膜中的法尼基化和随后的定位[48,49]. AKT还磷酸化并抑制PRAS40，PRAS40通过拮抗Rheb对mTORC1的激活而对其进行负调控[15,50].

激活的mTORC1通过S6K和4EBP中猛禽和TOR信号（TOS）基序之间的相互作用磷酸化下游效应器，包括S6K1和4EBP1[51–53]. TOS基序是一个在N个S6K1的终点（Phe-Asp-Ile-Asp-Leu）和C类4E-BP1（Phe-Glu-Met-Asp-Ile）的末端体内mTORC1对这些蛋白的磷酸化[54].

丝氨酸/苏氨酸激酶p70S6K1是mTORC1最著名的下游靶点之一。S6K1也可被TOR敏感性信号通路激活，如PDK1、MAPK和SAPK（应激激活蛋白激酶）。尽管如此，mTORC1对S6K1在Thr389的磷酸化是激活S6K1所必需的，并且S6K1的三个磷酸化位点都可以被mTOR抑制剂阻断[55]. 活化的mTORC1磷酸化S6K1，S6K1磷酸化S6（40S核糖体蛋白S6），用5′末端寡聚嘧啶（5′-TOP）增强mRNA的翻译。S6K1的靶点包括核糖体蛋白、延伸因子和胰岛素生长因子2[56].

4EBP1是另一个特征鲜明的mTORC1靶点。4EBP1通过结合和灭活eIF4E（真核翻译起始因子4E）抑制蛋白质翻译的起始[57]. mTORC1在多个位点磷酸化4EBP1，以促进eIF4E从4EBP1-中分离，减轻4EBP2对eIF4E-依赖性翻译起始的抑制作用[58]. 游离eIF4E可以形成与eIF4G（一种大支架蛋白）、eIF4A（一种依赖ATP的RNA解旋酶）和eIF4B结合的多亚单位eIF4F复合物，实现cap依赖性蛋白翻译，并诱导mRNA在5′-非翻译末端区域（5′-UTR）中的调节元件翻译增加其下游靶基因（例如c-myc、鸟氨酸脱羧酶和细胞周期蛋白D1），它们是G1-S相转变所必需的[56]. 不同的是，在静止细胞或低生长因子水平下，未磷酸化4EBP1与eIF4E结合，抑制蛋白质翻译的启动。雷帕霉素对mTOR的抑制也会导致4EBP1去磷酸化，从而阻止蛋白质翻译[59].

一些研究表明从mTOR-S6K1通路到上游IRS通路存在负反馈回路(图3) [60,61]. mTORC1和S6K1的激活在转录水平和通过特定残基上的直接磷酸化调节IRS-1，阻止其招募和与RTK结合，导致PI3K的负反馈调节[62]和MAPK信号[63].

总之，丝氨酸/苏氨酸激酶mTOR是PI3K/AKT通路的下游效应器，形成两个复合物：mTORC1和mTORC2。复合物由不同的蛋白质组成，并在细胞维持方面发挥不同的功能。mTORC1对雷帕霉素敏感，激活参与mRNA翻译的S6K1和4EBP1。mTORC2被认为对雷帕霉素耐药，激活PKC-α和AKT并调节肌动蛋白细胞骨架。

2.mTOR通路的上游调节

生长因子和激素（如胰岛素）通过激活I类PI3K及其下游效应器AKT调节mTORC1信号传导，从而逆转TSC1/TSC2复合物和PRAS40对mTORCl信号传导的抑制作用[64]. I类PI3K的刺激启动了几个选择性信号级联，导致细胞生长和增殖增加[65].

mTORC1也可以被营养物激活。据描述，氨基酸对S6K1和4EBP1磷酸化的诱导依赖于mTORC1[66]. 另一项研究表明，氨基酸的退出导致S6K1和4EBP1的快速去磷酸化，而氨基酸的添加以雷帕霉素敏感性的方式挽救了这种反应[67]. 此外，有人建议，虽然Rheb–GTP是该反应所必需的，但TSC1/TSC2复合物并非氨基酸调节mTORC1所必需的[68]. 氨基酸可能影响mTORC1活性的另一种机制是通过III类PI3K，hVps34（人类空泡蛋白分类-34）。hVps34被氨基酸激活，并参与调节氨基酸对mTORC1的影响[68,69]. 目前尚不清楚hVps34是通过Rheb发出信号，还是直接影响mTORC1。

细胞能量状态也收敛到mTOR。为了应对能量缺乏（低ATP水平），mTORC1活性通过AMPK（AMP-activated protein kinase）磷酸化TSC2而受到抑制。AMPK被LKB1（肝激酶B1）激活，LKB1直接磷酸化激活环并增加AMPK激酶活性[70]. 有人提出，AKT通过保持保持高水平ATP和低水平AMPK活性的营养摄入来抵消这种影响，从而抑制TSC2和激活mTORC1[71]. 为了应对能量缺乏，细胞还增加了低氧诱导基因REDD1（发育和DNA损伤反应中调节1）的mRNA水平，该基因激活TSC2并抑制Rheb[72].缺氧对mTORC1活性也有抑制作用，其部分由REDD1的诱导介导[73]. 低氧时REDD1的转录上调被描述为依赖于低氧诱导的转录因子HIF-1[74]. 低氧还可以通过诱导能量应激，独立于REDD1和HIF-1抑制mTORC1。AMPK/TSC2/Rheb通路在低氧水平下被激活，导致mTORC1抑制[75].

除PI3K和AMPK激活外，RAS/MAPK信号也被证明触发mTORC1信号的激活。RAS蛋白（H-、K-和N-RAS）作为GDP/GTP调节的开关发挥作用，并可能作为癌蛋白发挥重要作用。在正常静止细胞中，RAS与GDP结合且不活动。在生长因子、激素或细胞因子的刺激下，活化的GTP-结合形式的RAS结合并激活RAF激酶[76,77]. 激活后，RAF磷酸化并激活MEK，从而激活ERK/RSK通路。ERK磷酸化细胞溶质和核底物，从而调节基因表达、细胞骨架和代谢重塑[78,79]. ERK和RSK分别在Ser664和Ser1798诱导TSC2的抑制性磷酸化，从而促进TSC1/TSC2分离，进而导致mTORC1激活[80–82]. 有趣的是，最近有报道称，RSK还通过磷酸化猛禽直接靶向mTORC1复合物，从而促进mTORC1-kinase活性[83]. 由于促肿瘤佛波酯和一些生长因子独立于AKT激活mTORC1信号，RSK对猛禽的磷酸化可能提供了一种机制来克服PRAS40的抑制作用。此外，ERK激活的蛋白激酶MNK1和MNK2（MAPK相互作用蛋白激酶1和2）直接磷酸化eIF4E[84,85]. 总之，这些发现可能表明，有丝分裂原激活的RAS-ERK-RSK信号与PI3K-AKT通路并行，包含一些刺激mTORC1信号的输入。

细胞因子，如TNFα（肿瘤坏死因子α），也可以激活mTORC1[86,87]. 据描述，IKKβ（核因子κB（NFκB）激酶β抑制剂）是TNFα信号通路中的一种主要下游激酶，在Ser487和Ser511磷酸化TSC1，导致抑制TSC1/TSC2复合物的形成和mTORC1的激活[88]. 此外，TNFα也向AKT发出信号[89]. 活化的AKT诱导IKKα，这是TNFα信号通路中的另一个主要下游激酶[90]. 据描述，IKKα以AKT依赖的方式与mTORC1结合。重要的是，AKT在细胞系中有效诱导mTORC1活性需要IKKα[91].

尽管mTORC1活性容易受到细胞外生长因子和应激刺激的多重正调控和负调控，但mTORC2的调控机制仍基本未知。在哺乳动物细胞中，mTORC2在血清刺激下磷酸化AKT，即生长因子，如胰岛素和IGF1（胰岛素样生长因子1），表明mTORC1受PI3K途径调节[35,92]. 然而，胰岛素或其他生长因子激活mTORC2的机制尚不清楚。最近的一项研究主张，生长因子可能通过TSC1/TSC2复合物向mTORC2发出信号。Huang和合著者提出，作为mTORC1上游负调控因子的TSC1/TSC2复合物也可能通过与mTORC2直接结合来结合和调节mTORC3活性[93]. 与mTORC1的负调控不同，TSC1/TSC2似乎以GAP-独立的方式正调控mTORC2活性。GTPase Rheb是TSC1/TSC2的下游，激活mTORC1[62]，似乎不在mTORC2上游运行。由于mTORC2激活不需要TSC1/TSC2 GAP活性，因此它似乎独立于mTORC1激活以及从mTORC 1和S6K1到上游IRS的负反馈回路[94].

因此，mTOR通路可被多种外源刺激激活，如生长因子、营养素、能量和应激信号，以及必要的信号通路，如PI3K、MAPK和AMPK，以调节多种生理事件。

3.mTOR通路在控制生长和寿命中的生理作用

细胞生长包括物质积累的时间和空间过程。在适当的生长刺激物存在下，细胞上调大分子合成，从而增加大小和质量。为了应对压力，细胞抑制大分子合成并增加质量负担的周转。对酵母的研究表明，TOR在控制生长中起着两个基本作用：细胞生长的时间和地点（参见[2]). 当生长条件有利时，TOR是活跃的，酵母细胞保持核糖体生物生成、翻译起始和营养输入的强劲速度。值得注意的是，用雷帕霉素处理过的快速生长的酵母细胞，缺乏氮，或TOR1和TOR2都耗尽，会下调一般蛋白质合成并激活一些应激反应转录因子。中的dTOR突变果蝇哺乳动物系统中的雷帕霉素治疗可显著降低细胞大小[70,95,96]. 这些结果表明，TOR是一种重要的细胞大小调节器。此外，有人认为S6K1和4EBP1是两个特征鲜明的TOR靶点，是调节细胞大小的关键TOR通路元件[96]. TOR2还通过控制肌动蛋白细胞骨架来调节酵母细胞生长的空间方面[2]. 在酵母中，雷帕霉素不敏感的TORC2控制肌动蛋白细胞骨架的细胞周期依赖性极化。TORC2通过激活Rho1 GTPase开关向肌动蛋白细胞骨架发出信号。激活后，Rho1相互作用并激活PKC1，PKC1通过MAPK途径向肌动蛋白细胞骨架发出信号[97,98]. mTORC2也向肌动蛋白细胞骨架发出信号，尽管mTORC1的直接靶点未知，但这种信号可能涉及PKCα和小GTPases Rho和Rac[12,34].

如雷帕霉素处理的哺乳动物细胞微阵列实验所述，mTORC1信号控制许多基因的转录，其中一些涉及代谢和生物合成途径[99]. mTOR还调节营养应答转录程序[100,101]. 此外，mTOR被描述为磷酸化STAT1和STAT3（信号转导子和转录激活子）[102]以雷帕霉素敏感的方式激活核受体PPARγ。

细胞必须有通过严格控制核糖体生物生成来调节其生长和增殖的机制，这是一个消耗能量和营养的过程。对酵母细胞和哺乳动物细胞的研究表明，TOR在多个水平上调节核糖体的生物生成，包括转录、rRNA加工和翻译，这些都可以被雷帕霉素或营养缺乏所抑制[103–105].

mTOR也被描述为自噬的关键信号调节器。自噬是一种高度保守的真核细胞内稳态过程，可降解细胞质成分，包括受损或过剩的细胞器、有毒蛋白质聚集体和溶酶体中的细胞内病原体[106,107]. 在代谢、基因毒性或缺氧应激条件下，自噬可以上调，以确保细胞存活[106]. 特定抑制剂雷帕霉素或营养剥夺对mTOR激酶的抑制可诱导自噬激活[107]. mTOR在自噬中的作用从酵母到哺乳动物都是保守的，并调节自噬过程的诱导[108]. 在哺乳动物中，这一过程可能部分通过eEF2K（真核生物翻译延伸因子2激酶）的mTOR依赖性磷酸化介导，其中mTOR抑制导致eEF2K激活和自噬诱导[109]. 自噬降解中氨基酸的释放导致mTORC1的重新激活和细胞溶酶体群体的恢复[110].

如上所述，mTORC1还通过S6K1和4EBP1调节翻译[21,111].

TOR控制细胞代谢的许多方面，如氨基酸生物合成和葡萄糖稳态[112]. mTORC1似乎也在脂肪生成中起重要作用；雷帕霉素治疗防止脂肪细胞分化和脂质积聚[113]. mTOR控制脂肪生成的机制可能涉及负责能量储存效率的核受体PPARγ[114]，因为雷帕霉素处理会抑制其活性[113]. mTORC1对脂肪代谢的调节还涉及通过S6K1的信号传递。S6K1突变小鼠由于β氧化增强，脂肪组织减少，脂肪堆积减少[115].

酵母、蠕虫和苍蝇中TOR功能的部分抑制可能通过模拟热量限制导致这些生物体的寿命显著延长（参见[116]). 似乎在发育过程中，TOR主要控制生长，而在成人中，当生长相对缓慢时，TOR控制衰老和营养相关生理学的其他方面。最近的研究证实了热量限制在延长哺乳动物寿命中的作用[117,118]. 雷帕霉素是一种mTORC1抑制剂，是唯一一种被描述为模拟热量限制和延长寿命的药物[118].

因此，mTOR通路是基本生物事件的中心协调器，在细胞生长和大小、肌动蛋白细胞骨架的调节、基因转录、核糖体生物生成、mRNA翻译、细胞存活和寿命中发挥关键作用。

4.癌症中的mTOR途径

鉴于mTOR在细胞生长和代谢中的关键作用，可以预测mTOR通路活性与包括癌症在内的病理状态之间存在关联。

mTOR信号的激活与Hanahan和Weinberg描述的一些癌症特征有关[119]. 在许多在体外细胞线和体内小鼠异种移植模型、通过癌基因刺激或肿瘤抑制因子缺失引起的mTOR通路异常激活有助于肿瘤生长、血管生成和转移[56]. 即使在营养缺乏的情况下，也已在少数人类癌症中发现了mTOR基因突变，该突变可赋予mTOR信号的组成性激活，尽管与肿瘤的发展没有明确联系[120]. 尽管如此表1mTORC1上游和下游的信号成分在人类肿瘤中经常发生改变。

上游，PI3K/AKT信号通过多种机制被解除调控，包括生长因子受体的过度表达或激活，如HER-2（人表皮生长因子受体2）和IGFR（胰岛素样生长因子受体）PI3K系列和基因突变/扩增AKT公司[121–123].

PTEN是PI3K信号的负调控因子，在许多癌症中降低其表达，可能通过多种机制下调，包括突变、杂合性丢失、甲基化、调节性microRNA的异常表达和蛋白质不稳定性[124,125].

mTOR下游效应子S6K1、4EBP1和eIF4E与细胞转化有关，它们的过度表达与癌症预后不良有关[127,137,150,151]. 激活的mTOR信号也与包括考登综合征在内的综合征的发展有关(PTEN公司突变），Peutz-Jeghers综合征(LKB1号机组突变）和结节性硬化(TSC1/2号机组突变）[143,152–154]. 这些综合征患者发展为良性肿瘤，其中包含结构紊乱但分化良好的细胞，影响各种组织，包括大脑、皮肤、肾脏、心脏、肺和胃肠道。虽然是良性的，但这些综合征可能发展为恶性肿瘤。

因此，mTOR信号在增殖解除调控和许多癌症类型中被激活。mTOR通路的多种元素的去调节(PI3K系列扩增/突变，PTEN公司乳腺癌、卵巢癌、肾癌、结肠癌和头颈癌等癌症中都有功能丧失、AKT过度表达以及S6K1、4EBP1和eIF4E过度表达的报道。总之，这些数据强调了mTOR信号在癌症中的重要性，并强调了在癌症治疗中考虑mTOR靶向性的重要性。

5.黑色素瘤的mTOR途径

AKT/mTOR信号通路的激活通过调节控制细胞生长、增殖和凋亡的细胞外信号在黑素细胞肿瘤的发生中发挥作用[138,155].

损失PTEN公司PI3K通路的负调控因子在30–50%的黑色素瘤中有表达，并且与黑色素瘤进展和较短的5年生存期相关[156,157]. 对黑色素瘤细胞系和原发性或转移性黑色素瘤的研究表明PTEN公司等位基因缺失或突变与恶性黑色素瘤的发病机制[158,159]. 损失PTEN公司和RAS系统在通过PI3K途径增加致癌信号的能力方面，激活似乎具有可比性[160]，由于PTEN公司黑素瘤宿主的体细胞突变BRAF公司突变，但没有美国国家科学院[161].AKT公司由于1号染色体长臂的拷贝数增加和激活突变，基因扩增也被描述为皮肤黑色素瘤[156,162]. 免疫组织化学研究表明，AKT在60%的黑色素瘤中过度表达，与普通和增生异常痣不同，后者没有明显的AKT表达[163]. 在三种AKT亚型中，AKT3是黑色素瘤细胞中更频繁失调的亚型[164]. 在黑色素瘤中，pAKT表达增加与肿瘤进展和患者生存期缩短相关[164,165]. 值得注意的是，AKT活动似乎在BRAF公司^V600E型-黑色素瘤发育的介导模型[166]. 据描述，AKT的底物PRAS40在黑色素瘤中下调[167]. 我们小组的结果表明，皮肤黑色素瘤中的mTOR通路被激活，在不同的组织学亚型中表现出不同的激活水平，并且与MAPK通路的激活有关。我们的结果表明，mTOR效应器的高表达与预后不良以及与BRAF公司突变[138].

也有证据表明，葡萄膜黑色素瘤中AKT/mTOR通路发生改变[168,169]. PTEN在侵袭性肿瘤中表达降低[170]并且在Ser473磷酸化的AKT的表达被认为是预后较差的标志[168]. 此外，我们小组的结果还表明，mTOR通路在眼部黑色素瘤中被激活，并与MAPK通路激活有关。我们的结果表明，结膜黑色素瘤中的通路激活似乎高于葡萄膜黑色素肿瘤，这种激活似乎与预后不良有关，尤其是在结膜黑素瘤中。此外，在转移性葡萄膜黑色素瘤中发现pAKT Thr308的高表达[169].

总的来说，MAPK主要组成部分的变化，如BRAF公司和美国国家科学院突变和mTOR途径，PTEN公司缺失和AKT过度表达似乎对黑色素瘤的进展有重大影响，这两种途径都与黑色素瘤患者的生存和化疗耐药有关[三,171,172].

6.肿瘤治疗中的mTOR通路抑制剂

mTOR抑制剂可分为两类：雷帕霉素和雷帕霉素类似物，它们是mTORC1的变构抑制剂，小分子则是mTOR激酶抑制剂。

雷帕霉素是首次从细菌中分离出来的吸水链霉菌在复活节岛采集的土壤样本中发现，它是一种杀菌剂，随后被发现具有强大的免疫抑制和抗肿瘤特性[173–175]. 雷帕霉素（rapamycin，sirolimus）作为一种免疫抑制剂，于1999年被美国食品和药物管理局（FDA）批准用于预防肾移植排斥反应[176]. 随后的研究表明，雷帕霉素还可以作为细胞抑制剂，减缓或阻止来自不同肿瘤类型（如横纹肌肉瘤）的细胞系的生长[177]、胶质母细胞瘤[178]、小细胞肺癌[179]，骨肉瘤[180]，胰腺癌[181]，乳腺癌[182]，前列腺癌[183]和B细胞淋巴瘤[184]. 除了直接抗肿瘤作用外，雷帕霉素还抑制细胞增殖、存活和血管生成[185,186].

雷帕霉素的几种衍生物（西罗莫司、惠氏、麦迪逊、新泽西、美国）具有更有利的药代动力学和溶解度特性，已被合成，如CCI-779（替米罗莫司，惠氏、麦迪逊、美国新泽西）、RAD001（依维莫司、诺华、诺华，瑞士巴塞尔）、AP23573（去氟莫司、ARIAD、剑桥、马萨诸塞州、美国）、，32脱氧雷帕霉素（SAR943）或ABT-578（zotarolimus，Abbott Laboratories，Abbott Park，IL，USA）(表2). 像雷帕霉素一样，这些雷帕霉素类似物与细胞内受体FKBP12形成复合物。该复合物与mTOR结合并抑制mTORC1下游信号传导，通过抑制S6K1和4EBP1磷酸化检测[187,188]. FKBP12-雷帕霉素复合物不能直接与mTORC2结合，尽管长时间处理可以干扰mTORC1组装并抑制其下游底物AKT在Ser473上的磷酸化[34,39].

雷帕霉素及其类似物替米罗莫司、依维莫司和去氟莫司目前正在癌症治疗的临床试验中进行评估(表2) [189]. 在临床前研究中，他们被描述为在多种癌症中进行抗增殖活性，并且有临床研究报告在一部分癌症中取得了令人鼓舞的结果[190–192]. 值得注意的是，报道了几种肿瘤类型的雷帕霉素类似物治疗的高客观反应率。在霍奇金淋巴瘤、非霍奇金恶性淋巴瘤和乳腺癌中，依维莫司II期研究的客观缓解率分别为47%、30%和12%，中位缓解期分别为7.2、5.7和13.1个月[193–195]. 用替米罗莫司进行的II/III期研究的客观有效率为4-14%和22%，子宫内膜癌和幔细胞淋巴瘤的中位有效率分别为4.3-5.1和4.8个月[196,197].

然而，一些研究也表明，由于某些肿瘤类型的mTORC2抑制失败，类似物在癌细胞中的抗增殖作用是可变的。RAD001对mTORC1的特异性抑制可能诱导上游受体酪氨酸激酶信号传导和AKT上调，导致其治疗效果减弱[198]. 因此，针对mTOR功能和AKT激活的联合治疗或双特异性药物可能会提高抗肿瘤活性。

值得注意的是，替米罗莫司和依维莫司被FDA批准用于治疗肾细胞癌（RCC）(网址：http://www.fda.gov). mTOR抑制似乎下调了HIF，HIF在RCC中经常过度表达，这是由于VHL（Von Hippel-Lindau）基因功能的丧失[199,200]. 同样，依维莫司被FDA批准用于治疗无法切除、局部晚期或转移性疾病患者以及与结节性硬化症（TS）相关的室管膜下巨细胞星形细胞瘤（SEGA）患者的胰腺源性进行性内分泌肿瘤（PNET）(网址：http://www.fda.gov).

开发了新一代mTOR抑制剂，该抑制剂与mTOR的ATP结合位点结合，并抑制mTORC1和mTORC2的催化活性(表2).

与雷帕霉素类似物不同，这些分子阻断S6K1的mTORC1依赖性磷酸化和AKT Ser473残基的mTORC依赖性磷酸化合。临床前评估中报告的这些抑制剂的抗癌效果优于雷帕霉素类似物。与雷帕霉素相比，这与更有效地阻断细胞增殖、4EBP1磷酸化和蛋白质翻译有关[201,202]. 据报道，两种mTOR活性位点抑制剂PP242和PP30可抑制胰岛素刺激的AKT在Ser473的磷酸化，对蛋白质合成和细胞增殖具有强大的抑制作用[201]. Torin1是另一种选择性ATP-竞争性mTOR抑制剂，直接抑制mTORC1和mTORC2，似乎也比雷帕霉素更有效地抑制细胞生长和增殖[202]. 一些选择性mTOR抑制剂尚处于开发阶段，需要更多的研究来进一步评估这些药物在治疗受PI3K/mTOR通路过度激活影响的癌症中的疗效。

双PI3K-mTOR抑制剂也正在开发中。这类抑制剂包括XL-765（赛诺菲-通风公司/Exelixis公司）[203]正在进行实体瘤和胶质瘤治疗的一期临床试验（NCT00485719、NCT00704080和NCT00777699），PI-103[204]以及NVP-BEZ235（诺华公司），该公司正在进行治疗晚期实体瘤和转移性乳腺癌的I/II期试验[205]. 据报道，这些化合物通过抑制mTORC1和mTORC2，比雷帕霉素更有效地阻止PI3K-mTOR轴生物标记物的活性。双PI3K-mTOR抑制剂仍在进行I/II期临床试验。

迄今为止，对于大多数肿瘤类型，据报道，mTOR抑制剂主要导致疾病稳定，而不是肿瘤退化。假设这些结果，mTOR靶向治疗可用于联合治疗，旨在诱导细胞毒性反应而非细胞抑制反应和随后的肿瘤消退。mTOR抑制剂被描述为与传统化疗药物（如紫杉醇、卡铂、顺铂、长春瑞滨、阿霉素和喜树碱）的添加剂或协同作用[178,213–215]. 与单药治疗相比，雷帕霉素联合化疗可促进细胞凋亡在体外并增强抗肿瘤功效体内雷帕霉素及其类似物与化疗药物联合使用的疗效评估临床试验正在进行中。

雷帕霉素类似物也正在与EGFR或HER-2抑制剂联合进行测试。EGFR抑制剂与类似物联合应用于胶质母细胞瘤患者的早期试验没有发现任何阳性结果，对EGFR抑制剂有耐药性的肺癌患者显示出毒性作用，一些患者需要停药或减少剂量[216,217]. 激素治疗与mTOR抑制剂相结合的试验已在乳腺癌中进行，因为激素治疗的耐药性与mTOR通路的过度激活有关[218]. 曲妥珠单抗联合依维莫司治疗Her-2+转移性乳腺癌的I/II期试验报告了曲妥珠单抗治疗的临床益处和恢复曲妥珠单抗敏感性[219]. mTOR抑制剂与厄洛替尼、吉非替尼或西妥昔单抗联合使用的I期和II期试验正在进行中。

由于mTOR抑制剂下调HIF和VEGF，临床试验正在测试替米罗莫司或依维莫司与贝伐单抗、索拉非尼或舒尼替尼的联合用药。与靶向VEGFR的小分子药物组合相比，与贝伐单抗联合应用似乎更具耐受性和更有效[220]. temsirolimus与索拉非尼联合使用，其靶向RAF-1和除VEGFR外的其他激酶，需要将索拉非尼布的单剂剂量减少50%才能达到可接受的毒性作用范围[221]. 替米司罗莫司与舒尼替尼合用，也抑制VEGFR和其他激酶，导致过度毒性作用[222]. 在一项未经治疗的转移性RCC患者的随机II期研究（NCT00378703）中，正在进行评估替米莫司联合贝伐单抗、替米莫斯联合索拉非尼以及与贝伐单单抗进行比较的试验。此外，一项正在进行的III期试验正在评估贝伐单抗和替米罗莫司联合作为RCC二线治疗（NCT00631371）。其他正在测试的药物组合被引导至mTORC1抑制所触发的反馈回路。雷帕霉素类似物治疗通过IRS-1信号导致AKT激活[223]AKT Ser473的mTORC2磷酸化或MAPK通路的激活[63]，评估了与靶向这些途径的抑制剂的组合。与IGF-1抑制剂或MAPK2抑制剂联合使用的类似物的研究报告了协同作用[224–226]. 一期临床试验正在进行中，以评估这些联合疗法的安全性和耐受性。

关于黑色素瘤，雷帕霉素也可能协同增加黑色素瘤细胞的凋亡和化疗敏感性[227,228]. 雷帕霉素与MAPK通路抑制剂和PI3K抑制剂联合使用，其抗肿瘤作用似乎增强。PI3K抑制剂LY294002消除mTORC1抑制诱导的AKT磷酸化[229]而MAPK途径抑制剂索拉非尼下调抗凋亡蛋白Mcl-1和Bcl-2的表达[225,227]. 替米司罗莫司联合顺铂可有效诱导SCID小鼠黑色素瘤的消退，当作为单一药物使用时，这两种抑制剂的效果要差得多[230]. 尽管单用mTOR抑制剂进行的II期临床试验对黑色素瘤患者产生轻微反应和/或高毒性（参考文献[231])，目前正在进行替米罗莫司和索拉非尼的II期临床试验（NCT00349206）。此外，作为vemurafenib，一个特定的BRAF^V600E型经FDA批准用于治疗患有BRAF的无法切除或转移性黑色素瘤患者的抑制剂^V600E型突变，一项将vemurafenib与mTOR抑制剂结合的试验可能很有价值。

因此，mTOR是一个很有吸引力的治疗靶点。雷帕霉素类似物去氟莫司、依维莫司和替米西罗莫司正在进行临床试验，以单独或与其他途径的抑制剂联合治疗多种癌症。重要的是，替米罗莫司和依维莫司最近被FDA批准用于治疗肾癌、PNET和巨细胞星形细胞瘤。抑制mTOR激酶活性的小分子和双重PI3K-mTOR抑制剂也正在开发中。

7.mTOR治疗预测生物标记物

癌症治疗发展的一个主要挑战是确定疗效的预测性生物标志物。目前还没有已知的预测mTOR抑制剂对癌症疗效或耐药性的生物标记物。通过AKT激活、PTEN缺失、生长因子刺激或异常生长因子受体信号，PI3K信号的激活可能表明肿瘤对mTOR抑制的潜在敏感性[232]. 因此，如胶质母细胞瘤、前列腺癌和乳腺癌细胞系中所述，mTOR途径蛋白（PTEN和活性形式的AKT和S6）的差异表达可能是肿瘤对mTOR抑制反应的预测标记[233,234]. 然而，这些反应预测因子仅基于临床前数据和特定类型的癌症提出，除临床试验中用作评估胶质母细胞瘤对雷帕霉素治疗敏感性的标记物PTEN表达缺失外，尚未得到临床验证[235]. 此外，在对mTOR抑制有反应的肿瘤患者中检测到的治疗益处有很大差异，因为发生表型改变的遗传背景对患者的治疗反应也很重要。

因此，迫切需要确定可能有助于前瞻性选择患有肿瘤的患者的预测性反应标志物，这些患者可能对mTOR抑制疗法有反应并受益。

8.结论

在过去几年中，在理解mTOR信号通路方面取得了重大进展。mTOR被认为在几种正常的生物过程以及疾病中发挥着关键作用。众所周知，mTOR形成两种多蛋白复合物，即mTORC1和mTORC2，它们具有不同的生理功能。据报道，在许多类型的癌症中，mTOR通路的多种元素被解除调控。

大多数关于mTOR信号通路的研究都集中在使用雷帕霉素上，雷帕霉素主要阻断mTORC1活性。抑制mTORC1和mTORC2的新化合物可能揭示出mTOR途径的尚未发现的成分和复杂性。最终，对mTOR通路的研究可能会为mTOR生物学带来新的见解，并有助于开发更有效的治疗策略来治疗mTOR相关疾病，尤其是癌症。现在，mTOR被认为是治疗癌症的一个经证实的靶点。mTOR抑制治疗发展的主要限制是缺乏癌症疗效及其耐药机制的预测性生物标志物。肿瘤常规基因分型的缺乏也是建立预测性生物标记物以用于人类肿瘤谱中mTOR抑制剂的局限性的一部分。对患者进行分层和选择药物组合疗法可以提高mTOR抑制的疗效，从而实现更有效和个性化的癌症治疗。

致谢

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脚注

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