PI3K/AKT путь

PI3K/AKT путь — это внутриклеточный сигнальный каскад, ключевая сигнальная система, регулирующая рост, пролиферацию, выживание, метаболизм и подвижность клеток. Путь активируется в ответ на внеклеточные стимулы, такие как факторы роста, гормоны и цитокины, и играет центральную роль в нормальном развитии тканей и поддержании гомеостаза. Нарушения в работе этого пути являются одними из наиболее частых молекулярных событий при многих типах рака, а также при метаболических и воспалительных заболеваниях.

История открытия

История изучения PI3K/AKT пути началась в 1980-х годах с открытия ферментов фосфоиноситид-3-киназ (PI3K). В 1985 году группа учёных под руководством Льюиса Кантли (США) впервые идентифицировала PI3K как активность, ассоциированную с рецепторами факторов роста. В 1991 году был клонирован первый каталитический субъединичный ген PI3K — p110α. В 1995 году независимо друг от друга группы исследователей из США и Японии открыли протеинкиназу B (PKB), которая позже получила название AKT (по названию вируса мышиной лейкемии AKT8, в котором она была впервые обнаружена). В 1997 году было установлено, что AKT является ключевым эффектором PI3K, и была описана последовательность передачи сигнала: PI3K → AKT → mTOR. В последующие годы были идентифицированы многочисленные регуляторы пути, включая фосфатазу PTEN (1997), которая деактивирует сигнал, и белок TSC1/TSC2 (1997—1998), связывающий путь с mTOR. К началу 2000-х годов PI3K/AKT путь стал одной из наиболее изученных сигнальных сетей в клеточной биологии.

Компоненты и структура пути

Рецепторы и лиганды

Сигнальный каскад запускается при связывании внеклеточного лиганда (например, инсулиноподобного фактора роста 1, IGF-1; эпидермального фактора роста, EGF; тромбоцитарного фактора роста, PDGF) с рецепторной тирозинкиназой (RTK) на клеточной мембране. Активированный рецептор фосфорилирует свои собственные тирозиновые остатки, создавая сайты связывания для адаптерных белков, таких как IRS (субстрат инсулинового рецептора) или GRB2.

Фосфоиноситид-3-киназы (PI3K)

PI3K представляют собой семейство липидных киназ, которые фосфорилируют фосфоиноситиды по 3'-положению инозитольного кольца. У млекопитающих выделяют три класса PI3K (I, II, III), из которых наиболее изучен класс I, подразделяющийся на подклассы IA (каталитические субъединицы p110α, p110β, p110δ) и IB (p110γ). Каталитическая субъединица p110α кодируется геном PIK3CA, мутации в котором часто встречаются при раке. Активация PI3K происходит через связывание с активированным рецептором или через адаптерные белки (например, p85), а также через белки семейства Ras.

Фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PIP3)

Активированная PI3K фосфорилирует мембранный липид фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (PIP2), превращая его в фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфат (PIP3). PIP3 служит вторичным мессенджером, привлекая к мембране белки, содержащие плекстрин-гомологичный (PH) домен, включая AKT и PDK1.

AKT (протеинкиназа B)

AKT — это серин/треониновая протеинкиназа, являющаяся центральным эффектором пути. У млекопитающих существует три изоформы AKT: AKT1 (PKBα), AKT2 (PKBβ) и AKT3 (PKBγ). Для полной активации AKT необходимо два фосфорилирования: по остатку Thr308 в киназном домене (осуществляется PDK1) и по остатку Ser473 в C-концевом домене (осуществляется mTORC2). Активированный AKT фосфорилирует множество субстратов, регулируя ключевые клеточные процессы.

Фосфатаза PTEN

PTEN (гомолог фосфатазы и тензина) — это липидная фосфатаза, которая дефосфорилирует PIP3, превращая его обратно в PIP2, тем самым негативно регулируя сигнал PI3K/AKT. PTEN является одним из важнейших опухолевых супрессоров; потеря её функции приводит к неконтролируемой активации пути.

mTORC1 и mTORC2

mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих) — это серин/треониновая киназа, входящая в состав двух комплексов: mTORC1 и mTORC2. mTORC1 активируется через AKT (посредством фосфорилирования TSC2 и PRAS40) и регулирует синтез белка, рост клеток и аутофагию. mTORC2, в свою очередь, фосфорилирует AKT по Ser473, обеспечивая её полную активацию, и участвует в организации цитоскелета.

Механизм передачи сигнала

1. Активация рецептора: Лиганд связывается с RTK, вызывая её димеризацию и аутофосфорилирование.
2. Рекрутирование PI3K: Адаптерные белки (например, IRS1) связываются с фосфорилированным рецептором и привлекают PI3K к мембране.
3. Продукция PIP3: PI3K фосфорилирует PIP2, превращая его в PIP3.
4. Рекрутирование AKT и PDK1: PIP3 связывается с PH-доменами AKT и PDK1, привлекая их к мембране.
5. Активация AKT: PDK1 фосфорилирует AKT по Thr308, а mTORC2 — по Ser473. Полностью активированная AKT отсоединяется от мембраны и фосфорилирует свои субстраты в цитоплазме и ядре.
6. Регуляция эффекторов: AKT активирует mTORC1 (через ингибирование TSC2), ингибирует апоптоз (через фосфорилирование Bad и каспазы-9), стимулирует синтез белка (через активацию S6K1 и eIF4E), регулирует гликолиз (через активацию PFKFB2) и клеточный цикл (через ингибирование GSK3 и активацию циклина D1).
7. Негативная регуляция: PTEN дефосфорилирует PIP3, прекращая сигнал. Также существуют другие фосфатазы (например, SHIP1/2), которые дефосфорилируют PIP3 по другим позициям.

Роль в нормальной физиологии

PI3K/AKT путь участвует в регуляции практически всех аспектов клеточной жизни:

• Рост и пролиферация: через mTORC1 и регуляцию клеточного цикла.
• Выживание: ингибирование апоптотических белков (Bad, каспазы-9, Forkhead-факторы транскрипции).
• Метаболизм: стимуляция гликолиза, синтеза липидов и белков; ингибирование глюконеогенеза (особенно важна изоформа AKT2 в инсулиновой сигнализации).
• Ангиогенез: активация фактора HIF-1α и продукции VEGF.
• Миграция и инвазия: регуляция цитоскелета через mTORC2 и малые GTPазы.
• Аутофагия: ингибирование через mTORC1.

Патологическая роль

Онкология

PI3K/AKT путь является одним из наиболее часто активируемых сигнальных каскадов при раке. Основные механизмы активации включают:

• Мутации в PIK3CA: активирующие мутации (чаще всего в спиральном и киназном доменах p110α) встречаются в 10–30% солидных опухолей, включая рак молочной железы, яичников, эндометрия, толстой кишки, желудка и лёгкого.
• Потеря PTEN: гомозиготная делеция, мутации или эпигенетическое молчание гена PTEN встречаются в 30–50% опухолей, особенно при раке эндометрия, глиобластоме и раке предстательной железы.
• Амплификация AKT: амплификация гена AKT2 встречается при раке яичников и поджелудочной железы.
• Активация RTK: гиперэкспрессия или мутации рецепторов (EGFR, HER2, IGF-1R) ведут к конститутивной активации пути.

Метаболические заболевания

• Инсулинорезистентность и диабет 2 типа: нарушение передачи сигнала от инсулинового рецептора через PI3K/AKT2 приводит к снижению захвата глюкозы мышечной и жировой тканью. Мутации в AKT2 могут вызывать тяжёлую инсулинорезистентность.
• Ожирение: хроническая активация пути в жировой ткани может способствовать гипертрофии адипоцитов и воспалению.

Воспалительные и аутоиммунные заболевания

Изоформы PI3K p110δ и p110γ играют важную роль в активации и миграции лейкоцитов. Гиперактивация пути в иммунных клетках ассоциирована с ревматоидным артритом, системной красной волчанкой и аллергическими реакциями.

Неврологические расстройства

• Аутизм и шизофрения: мутации в генах PTEN и TSC1/TSC2 связаны с нарушениями развития нервной системы.
• Нейродегенерация: дисбаланс пути может способствовать апоптозу нейронов при болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Клиническое значение и терапевтические подходы

Ингибиторы PI3K

Разработано несколько поколений ингибиторов PI3K:

• Первого поколения: пана-ингибиторы (например, вортманнин, LY294002) — токсичны, не используются в клинике.
• Второго поколения: изоформ-селективные ингибиторы. Иделалисиб (селективный ингибитор p110δ) одобрен для лечения хронического лимфоцитарного лейкоза и фолликулярной лимфомы. Алпелисиб (ингибитор p110α) одобрен для лечения рака молочной железы с мутацией PIK3CA.
• Третьего поколения: ингибиторы, блокирующие мутантные формы p110α (например, ингибитор GDC-0077).

Ингибиторы AKT

Ингибиторы AKT (например, капивасертиб, ипатасертиб) проходят клинические испытания при различных солидных опухолях, особенно при PTEN-дефицитных раках. Показана эффективность в комбинации с гормональной терапией при раке молочной железы.

Ингибиторы mTOR

Рапамицин и его аналоги (эверолимус, темсиролимус) ингибируют mTORC1 и используются при раке почки, нейроэндокринных опухолях и туберозном склерозе. Однако их эффективность ограничена из-за активации обратной связи через AKT.

Комбинированная терапия

Из-за сложной сети обратных связей и перекрёстных взаимодействий, монотерапия ингибиторами PI3K/AKT/mTOR часто приводит к развитию резистентности. Активно изучаются комбинации с ингибиторами других путей (RAS/MEK/ERK, CDK4/6) и с иммунотерапией.

Критика и ограничения

Несмотря на многообещающие результаты, клиническое применение ингибиторов PI3K/AKT пути сталкивается с рядом проблем:

• Токсичность: пана-ингибиторы PI3K вызывают гипергликемию (из-за блокады инсулиновой сигнализации), гепатотоксичность, диарею и иммуносупрессию.
• Резистентность: опухоли быстро адаптируются, активируя альтернативные сигнальные пути (например, RAS/MEK/ERK) или мутируя в генах-мишенях.
• Гетерогенность: эффективность ингибиторов сильно варьирует в зависимости от конкретной мутации и типа опухоли.
• Неполное понимание: роль пути в нормальных тканях (особенно в иммунной системе и метаболизме) ограничивает терапевтическое окно.

Интересные факты

• Ген PIK3CA является одним из наиболее часто мутирующих онкогенов в раке человека, уступая только TP53, KRAS и BRAF.
• Белок AKT был назван в честь вируса мышиной лейкемии AKT8, который был выделен из линии клеток мышиной лимфомы AKR.
• Фосфатаза PTEN является второй по частоте потери опухолевым супрессором после TP53.
• Ингибитор PI3K иделалисиб стал первым одобренным препаратом, нацеленным на этот путь, для лечения гематологических злокачественных новообразований (2014 год).
• Мутации в гене AKT2 могут вызывать редкую форму гиперинсулинемической гипогликемии у детей.

Источники

• Cantley, L. C. (2002). The phosphoinositide 3-kinase pathway. Science, 296(5573), 1655–1657.
• Manning, B. D., & Toker, A. (2017). AKT/PKB signaling: navigating the network. Cell, 169(3), 381–405.
• Fruman, D. A., Chiu, H., Hopkins, B. D., Bagrodia, S., Cantley, L. C., & Abraham, R. T. (2017). The PI3K pathway in human disease. Cell, 170(4), 605–635.
• Engelman, J. A. (2009). Targeting PI3K signalling in cancer: opportunities, challenges and limitations. Nature Reviews Cancer, 9(8), 550–562.
• Vanhaesebroeck, B., Stephens, L., & Hawkins, P. (2012). PI3K signalling: the path to discovery and understanding. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 13(3), 195–203.
• Saxton, R. A., & Sabatini, D. M. (2017). mTOR signaling in growth, metabolism, and disease. Cell, 168(6), 960–976.
• Chalhoub, N., & Baker, S. J. (2009). PTEN and the PI3-kinase pathway in cancer. Annual Review of Pathology: Mechanisms of Disease, 4, 127–150.