張霞 孫琳琳 綜述 鐘殿勝 審校

作者單位：300052 天津，天津醫(yī)科大學總醫(yī)院呼吸科（張霞，鐘殿勝）；天津醫(yī)科大學總醫(yī)院，天津市肺癌研究所，天津市肺癌轉(zhuǎn)移與腫瘤微環(huán)境實驗室（孫琳琳，鐘殿勝）（通訊作者：鐘殿勝，E-mail:zhongdsh@hotmail.com）

腫瘤可以認為是一種基因疾病，其中癌基因的激活和抑癌基因的失活是腫瘤發(fā)生、發(fā)展過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一[1]。近年來，一個新的抑癌基因LKB1，又名STK11（serine threonine protein kinase 11），在腫瘤中的作用引起了越來越多的關(guān)注。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin, mTOR）信號通路是目前腫瘤信號傳導通路研究的熱點之一。研究[2]顯示LKB1通過磷酸化磷酸腺苷激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase, AMPK），從而激活AMPK，實現(xiàn)對mTOR活性的負向調(diào)控。本文就LKB1-AMPK-mTOR信號通路及其在腫瘤中的研究進展進行簡要的綜述。

1 LKB1的結(jié)構(gòu)與功能

LKB1基因位于人的第19號染色體短臂13.3區(qū)，包含9個編碼的外顯子和1個非編碼外顯子，其編碼的LKB1蛋白由433個氨基酸組成，屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，第44-309位氨基酸為激酶催化區(qū)，N端第38-43位氨基酸殘基是核定位信號序列（nuclear localization signal,NLS），該序列的缺失將導致LKB1遍布整個細胞，但不影響其抑制細胞生長的功能。LKB1蛋白主要定位于細胞核，細胞漿中只有少量表達，但其功能主要與細胞漿內(nèi)的部分有關(guān)[3]。LKB1與STRAD（STE20 related adaptor protein）和MO25（mouse protein 25）蛋白形成復合體，可極大地提高其激酶活性。STRAD蛋白缺少催化蛋白質(zhì)磷酸化所必須的關(guān)鍵殘基（即Vib和VII兩個模體），是一個假激酶，當STRAD與LKB1形成復合體后，可促進后者從細胞核內(nèi)移位到細胞漿內(nèi)[4]；MO25蛋白與STRAD羧基端結(jié)合，增加了LKB1-STRAD復合物在細胞漿中的空間定位和構(gòu)象，使LKB1的活性提高了近10倍[5]。Rowan等[6]研究表明，人體中幾乎所有的組織均有LKB1 mRNA的表達，其中胎兒組織中的表達高于成人，成人以上皮、睪丸生精小管和肝臟表達最強。

LKB1基因的胚系突變（germline mutation）是黑斑息肉綜合征（Peutz-Jeghers syndrome, PJS）的主要致病原因[7]。PJS是一種以胃腸道多發(fā)性錯構(gòu)瘤息肉樣改變和黏膜色素沉著為特征的常染色體顯性遺傳疾病，該類患者的腫瘤發(fā)生率是普通人群的10倍-18倍[8]，以消化道腫瘤最常見，還可伴發(fā)其它部位，如乳腺、子宮、卵巢、睪丸和胰腺等的腫瘤[9]。66%-94%的PJS患者可以檢測到LKB1基因突變，突變類型以點突變、小片段插入或缺失為主，也可有整個外顯子或基因的缺失[10,11]。LKB1基因的突變使LKB1蛋白喪失了激酶活性，從而失去對細胞生長的控制，導致腫瘤的發(fā)生[12]。研究顯示，絕大多數(shù)散發(fā)性腫瘤中，LKB1體細胞突變是罕見的[13]，但在非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）中，LKB1的突變率可高達15%-35%[14]。LKB1可參與細胞內(nèi)多種生物活動，在控制和調(diào)節(jié)細胞能量代謝、細胞增殖、細胞周期、細胞凋亡和細胞極性中發(fā)揮著重要作用[15]。將外源性LKB1基因?qū)霟oLKB表達的HeLa（宮頸癌細胞）和G361（惡性黑色素瘤細胞）中，可導致p21蛋白表達的增加，使細胞周期阻滯于G1期，抑制了細胞的增生[16]。Ji等[17]發(fā)現(xiàn)，LKB1在肺癌的發(fā)生起始、分化、轉(zhuǎn)移中起著至關(guān)重要的作用。關(guān)于LKB1信號傳導途徑，目前了解的并不多。Alessi 等[18]報道，LKB1可以磷酸化AMPKa亞單位活化環(huán)上172位點的蘇氨酸，從而激活AMPK。

2 LKB1是AMPK的上游激酶

AMPK是一個異源三聚體蛋白，由一個具有催化活性的α亞單位及兩個具有調(diào)節(jié)功能的β和γ亞單位組成，各個亞單位又可進一步分為α1、α2和β1、β2，γ1、γ2、γ3，不同的亞單位自由排列組合可以形成多種不同的AMPK三聚體[19]。α亞單位具有催化活性，有2個功能區(qū)，N端含有催化區(qū)域，是活性的核心部位，C末端含有與β和γ亞單位結(jié)合的區(qū)域，負責活性的調(diào)節(jié)；β亞基有2個相同的保守區(qū)域，分別為KIS和ASC區(qū)域。研究[20]表明，哺乳動物的ASC區(qū)域參與α和γ亞基的結(jié)合，KIS區(qū)域可能是一個糖原結(jié)合區(qū)，主要參與糖原的結(jié)合，對異源三聚體的定位非常重要；γ亞基含有4個串行重復的區(qū)域，命名為CBS（cystathionine beta synthase）區(qū)域，CBS在C端有2個這樣的重復區(qū)域，每個區(qū)域約有60個氨基酸殘基，它們借疏水作用力結(jié)合在一起，是AMP的結(jié)合位點。

AMPK是哺乳動物細胞中高度保守的蛋白質(zhì)，是細胞的“代謝和能量感受器”。它對細胞內(nèi)AMP/ATP比值變化相當敏感，在各種應(yīng)激（缺氧、缺血、營養(yǎng)物質(zhì)缺乏、運動等）下，AMP/ATP比值增加，AMPK活化，通過下調(diào)合成代謝過程 （如蛋白質(zhì)、脂肪酸和膽固醇的合成）減低ATP的消耗，同時促進催化氧化過程（如脂肪酸氧化、糖酵解等）以生成更多的ATP，緩解應(yīng)激，維持機體的正常代謝[21]。

研究[22,23]指出，應(yīng)用AMPK激動劑，AICAR（5-氨基-4咪唑甲酰胺核苷酸）和苯乙雙胍，處理HT1080（纖維肉瘤細胞）和LKB1+/+MEF（小鼠胚胎成纖維細胞）細胞，可以使AMPKa亞單位活化環(huán)上172位點的蘇氨酸磷酸化（p-AMPK-a-Thr172），AMPK活化，而HeLa（不表達LKB1）和LKB1-/-MEF則無AMPK的活化；如果將野生型的LKB1基因?qū)際eLa和LKB1-/-MEF細胞后，再給于AICAR等處理，可以觀察到AMPK的活化。Zhong等[24]應(yīng)用AMPK激動劑，2-脫氧葡萄糖（2-deoxyglucose, 2-DG），處理LKB1野生型NSCLC細胞系H1299和H1792后，觀察到p-AMPK-a-Thr172升高，而在LKB1基因突變細胞系A(chǔ)549、H460中，p-AMPK-a-Thr172無改變。上述研究提示LKB1是AMPK的上游激酶。此外，Karuman等[3]報道，在HT1080、IEC16（上皮細胞）和MEF等細胞中，LKB1可誘導細胞凋亡，并與P53蛋白功能有關(guān)。但張霞等[25]研究顯示，P53突變或缺失并未影響到LKB1對AMPK的磷酸化作用，即LKB1-AMPK信號傳導途徑的調(diào)節(jié)與P53基因無關(guān)，所以LKB1與P53之間的信號傳導聯(lián)系還不是非常明確，有待進一步研究。

AMPK除了在調(diào)節(jié)能量代謝方面起重要作用外，活化的AMPK還可以磷酸化結(jié)節(jié)性硬化復合物（tuberous sclerosis complex）TSC1-TSC2，TSC復合物可抑制小GTP酶Rheb（Rashomolog enriched in brain），而后者是mTOR活化所必需的刺激蛋白。在缺氧、營養(yǎng)匱乏等應(yīng)激下，LKB1通過激活AMPK，進而磷酸化TSC1-TSC2，抑制Rheb的活性，負向調(diào)控mTOR的功能[26]。

3 LKB1-AMPK負向調(diào)控mTOR的功能

mTOR蛋白是一種非典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇32激酶相關(guān)激酶（phosphatidylinositol 32 kinase related kinase, PIKK）蛋白家族之一。mTOR蛋白的FRB（FKBP12-rapamycin binding）激酶結(jié)構(gòu)域是雷帕霉素（rapamycin）的結(jié)合位點，當雷帕霉素與FRB區(qū)域結(jié)合后，可以抑制mTOR的激酶活性。

mTOR對生長因子、胰島素、營養(yǎng)物質(zhì)、氨基酸、葡萄糖等刺激產(chǎn)生應(yīng)答，在調(diào)節(jié)細胞生長、增殖、調(diào)控細胞周期等多個方面扮演著重要角色。細胞受到生長因子等刺激后，磷脂酰肌醇3-羥基激酶（PI3K）活化，磷酸化其底物3,4二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）轉(zhuǎn)化成3,4,5三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3），進而通過磷脂酰肌醇依賴性激酶1、2（PDK1、PDK2）磷酸化Akt（蛋白激酶B）第308位點上的蘇氨酸（Thr308）和第473位點上的絲氨酸（Ser473），正向調(diào)節(jié)mTOR的功能[27]?；罨膍TOR主要通過磷酸化蛋白翻譯過程中的核糖體蛋白S6激酶（ribosomal protein S6 kinases, S6K）和真核細胞翻譯啟始因子4E結(jié)合蛋白1（the eIF4E-binding protein1, 4E-BP1）來控制細胞生長，二者是蛋白翻譯的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。S6K第389位蘇氨酸可直接被mTOR磷酸化，磷酸化的S6K（p-S6K）可以促進延長因子-1a（elongation fator-1a, EF-1a）、poly(A)結(jié)合蛋白等蛋白質(zhì)翻譯及表達[28]。S6K在多種人類腫瘤中呈高表達，S6K高表達的腫瘤預后較差[29]。eIF4E（eukaryotic translation initiation factor 4E）是真核細胞翻譯啟始復合體的亞單位之一，可與eIF4G結(jié)合，二者的結(jié)合受到4E-BPs的調(diào)節(jié)。低磷酸化的4E-BP1與eIF4E具有較高的親和力，而處于高磷酸化狀態(tài)的4E-BP1則可釋放出eIF4E，使其與eIF4G結(jié)合，進而啟動的5' cap mRNA的翻譯。所以，當4E-BP1經(jīng)mTOR作用發(fā)生磷酸化后，磷酸化的4E-BP1與elF4E發(fā)生分離，解除了翻譯起始的抑制作用，從而增加了細胞周期蛋白D1、Rb蛋白、低氧誘導因子-1（hypoxia inducible factor-1, HIF-1）、血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、CLIP-170等一組促進細胞生長關(guān)鍵蛋白的翻譯，利于細胞的生長。目前已知，人的4E-BP1磷酸化位點有7個，分別是Thr37、Thr46、Ser65、Thr70、Ser83、Ser101 和Ser112[30]。在生長因子的刺激下，mTOR首先磷酸化4E-BP1的Thr37和Thr46，進而磷酸化Thr70和Ser65。其中Thr70和Ser65的磷酸化對于eIF4E的釋放最為重要，Thr70促進釋放，而Ser65可以防止二者重新結(jié)合[31]，Zhou等[32]研究發(fā)現(xiàn)，mTOR、4E-BP1的磷酸化水平從正常乳腺上皮組織、不典型增生到惡性轉(zhuǎn)化再到腫瘤浸潤漸次增加，4E-BP1磷酸化水平越高，預后越差。所以mTOR信號通路的過度活化與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。

研究[2]表明，在能量短缺時，LKB1通過激活AMPKTSC2，抑制mTOR，抑制S6K和4E-BP1的磷酸化。在LKB1-/-MEF中，LKB1基因功能喪失，mTOR信號高度活化，S6K和4E-BP1磷酸化水平增高；而在HeLa（無LKB1表達）細胞中重新導入野生型LKB1，恢復LKB1的功能，可以觀察到S6K和4E-BP1磷酸化水平的下降。另有研究[33]證明，應(yīng)用AMPK激動劑（AICAR）注射大鼠腓腸肌可導致mTOR Ser2448、S6K Thr389、4E-BP1 Thr37位點磷酸化水平顯著下降，其結(jié)果抑制了mTOR活性和蛋白質(zhì)合成，阻止新生小鼠心肌肥厚。Zhong等[24]應(yīng)用AMPK抑制劑（Compound C）預處理NSCLC細胞系H1299，可以阻止AMPK激動劑（2-DG）引起的S6KThr389位點磷酸化水平減低。綜上所述，LKB1通過AMPK實現(xiàn)對mTOR的負向調(diào)控。

4 結(jié)語和前景

LKB1-AMPK-mTOR信號通路在調(diào)節(jié)細胞代謝、生長、增殖和凋亡中發(fā)揮著重要作用，LKB1的突變失活可導致mTOR信號通路異常活化，從而促進腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。由于LKB1突變率在NSCLC中高達15%-35%，因此在肺癌中對該信號通路進行深入的探索是有意義的，可能為肺癌的靶向治療提供新的思路。