在本系列前期干货分享中，我们分别介绍了细胞凋亡概况与细胞凋亡密切相关的分子信号，包括MAPK信号通路中的多通路途径调控细胞凋亡，而Caspase蛋白家族则是细胞凋亡的核心执行者。本期的主角是目前公认抗细胞凋亡的关键信号—PI3K/AKT信号通路，它既能抑制促凋亡信号也能增强抗凋亡途径，以维持细胞存活。

一、PI3K/AKT信号通路概述

PI3K/AKT信号通路是细胞内一条高度保守的信号转导通路，主要通过磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）和蛋白激酶B（AKT，又称PKB）介导，调控细胞的生长、增殖、存活、代谢及凋亡抑制等关键生物学过程。该通路通过细胞膜受体，例如受体酪氨酸激酶（RTK）和G蛋白偶联受体（GPCR）等感知生长因子、激素或细胞因子等信号分子，进而激活下游效应分子，最终影响细胞功能，尤其是对细胞凋亡的影响。

二、PI3K/AKT信号通路组成

1. PI3K

PI3K是一类能够催化ATP的γ-磷酸基团转移至磷脂酰肌醇D3位的脂质激酶家族，同时具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性。根据结构特征与底物类型，PI3K分为I类、Ⅱ类和Ⅲ类：

图1.PI3K的组成成分[1]

（1）I类PI3K

I类PI3K是一种异二聚体，由一个p110催化亚基和一个p85调节亚基组成，它能直接响应细胞外生长因子的信号传导，通过与受体结合被激活，进而引起其下游信号传递。I类PI3K是该家族中研究最广泛、与细胞增殖和凋亡的关系最为密切的类型。I类PI3K又可进一步分为IA型和IB型：

①IA型：由一个催化亚基（p110α、p110β、p110δ）和一个调节亚基（p85α、p85β、p55α、p50α、p55γ）组成。其中，p110α、p110β广泛分布于各类细胞中，p110δ则在白细胞中表达；p85α是调节亚基的主要亚型，通过SH2结构域结合磷酸酪氨酸位点，抑制p110催化活性，同时具有独立于 p110 的功能，如信号适配、调控 PTEN等。

②IB型：由催化亚基p110γ和其他调节亚基如p101或p84构成，通过GPCR下游G蛋白激活，参与免疫和炎症反应。

图2. I类PI3K不同亚基的蛋白结构[2]

（2）Ⅱ类PI3K

Ⅱ类 PI3K为单体脂质激酶，无调节亚基，其催化亚基包含 Ras 结合域（RBD）、螺旋结构域和催化结构域。根据催化亚基类型可分为PI3K-C2α、PI3K-C2β和PI3K-C2γ三种亚型，参与葡萄糖转运、细胞迁移、细胞生长及细胞存活等过程。

（3）Ⅲ类PI3K

Ⅲ类PI3K为异二聚体，由催化亚基VPS34和调节亚基VPS15（p150）组成，其中VPS15通过结合磷脂和钙离子稳定VPS34的构象并激活其催化活性。VPS34通过磷酸化磷脂酰肌醇来生成磷脂酰肌醇3-磷酸（PI3P），这是一种对自噬体形成至关重要的磷脂。

2. AKT

1977年，AKT首次作为逆转录病毒AKT8的癌基因（v-AKT）被发现，可诱导小鼠淋巴瘤的形成。直到1991年，科学家鉴定出人类AKT基因，因与PKA、PKC同源，也被称为PKB。随后发现AKT家族包含三个成员：AKT1（PKBα）、AKT2（PKBβ）、AKT3（PKBγ），均由独立的基因表达产生：

(1) AKT1：基因位于人类染色体14q32，广泛表达于全身组织，主要在肝脏、心脏和骨骼肌中表达。它通过调控细胞增殖、存活和胚胎发育，在维持组织稳态中起核心作用。

(2) AKT2：基因位于人类染色体19q13，主要高表达于胰岛素敏感组织，如骨骼肌、肝脏、脂肪组织和胰腺β细胞。其核心功能是介导胰岛素信号传导，促进葡萄糖摄取和代谢，因此在2型糖尿病和肥胖中起关键作用。

(3)AKT3：基因位于人类染色体1q44，主要在大脑和睾丸中表达，它参与神经元存活、脑发育及生殖功能调控，其失调与阿尔茨海默症、胶质母细胞瘤等神经系统疾病密切相关。

此外，AKT通过两个位点的磷酸化被激活，分别位于催化结构域的激活环和C端的疏水（HD）结构域。所有AKT蛋白亚型均具有以下结构特征：

(1)N端PH结构域：负责与磷脂结合，包括PI(3,4)P2和PI(3,4,5)P3；该区域与催化结构域连接；

(2)催化结构域：含有关键苏氨酸残基，AKT 1-3的苏氨酸残基位点分别为Thr308、Thr309和Thr305，对酶激活至关重要；

(3)C端HD结构域：位于催化结构域后，含有一个对酶完全激活必须的丝氨酸残基，AKT1-3的丝氨酸残基位点分别为Ser473、Ser474和Ser472。

图3. AKT三种亚型结构域[3]

三、PI3K/AKT信号通路激活与抑制

1. 通路激活

上游信号分子可以触发PI3K的激活，包括IGF或EGF等生长因子，激活过程如下：

（1）生长因子结合受体：IGF、EGF等生长因子与细胞膜上的RTK结合，RTK发生二聚化并自磷酸化，进而使衔接蛋白IRS-1磷酸化，形成p85结合位点；

（2）PI3K募集与激活：PI3K的调节亚基p85通过其SH2结构域识别并结合磷酸化的IRS-1，解除其对催化亚基p110的抑制，激活PI3K；

（3）PIP3的生成：活化的PI3K催化底物PIP2转化为第二信使PIP3；

（4）AKT膜定位与完全激活：AKT通过其PH结构域特异性结合PIP3，被锚定至质膜内侧，导致其构象改变，暴露出磷酸化位点Thr308和Ser473；

（5）AKT完全激活：PDK1负责磷酸化Thr308，mTORC2或PDK2负责磷酸化Ser473，双位点磷酸化后使AKT完全活化，随后脱离质膜，通过磷酸化下游靶蛋白以调控细胞存活、增殖和代谢。

图4. PI3K/AKT激活过程[4]

2. 通路抑制

为维持信号动态平衡，该信号通路受到多层级的负调控，抑制过程如下：

（1）PIP3信号终止：

① PTEN：磷酸酶PTEN通过将PIP3逆向转化为PIP2，直接终止PI3K/AKT通路的信号传递。

② SHIP1/2：可水解PIP3生成PIP2，抑制AKT的膜定位与激活。

（2）抑制AKT激活：

蛋白磷酸酶PP2A和PHLPP分别去磷酸化AKT的Thr308和Ser473位点，阻断AKT的激活。

（3）下游负反馈调控：

p53激活PTEN的表达，抑制PI3K/AKT的激活；mTORC1的底物p70S6K抑制mTORC2的活性，从而减少PI3K/AKT的激活，形成负反馈环路。

PI3K/AKT信号通路的异常活化与癌症、糖尿病及神经退行性疾病密切相关，使其成为抗肿瘤靶向药物研发的核心靶标。

图5. PI3K/AKT的抑制[4]

四、PI3K/AKT信号通路抗细胞凋亡机制

PI3K/AKT信号通路是细胞内调控生存与凋亡平衡的核心枢纽之一。在生理状态下，该通路通过响应生长因子、细胞因子或外界刺激被激活，介导细胞增殖、代谢和存活等关键生物学过程。然而，在病理状态下（如肿瘤发生），PI3K/AKT通路的异常活化通常会抑制细胞凋亡，促进恶性表型的发展，这一现象与PTEN等负调控因子的失活密切相关。

图6.PI3K/AKT磷酸化其下游底物抑制凋亡https://www.creative-diagnostics.com/PI3K-AKT-Signaling-Pathway.htm

1. PI3K/AKT与Bcl-2家族

Bcl-2家族蛋白主要通过调控线粒体依赖性凋亡途径来调节细胞凋亡，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信号通路是调控Bcl-2家族蛋白活性与表达的重要上游信号，进而在抗细胞凋亡中发挥关键作用[5]。

① Bad：活化的AKT可直接磷酸化Bad的Ser112位点，14-3-3蛋白则与磷酸化的Bad结合，使其与线粒体表面的抗凋亡蛋白Bcl-2/Bcl-XL解离，从而抑制Bad的促凋亡活性。

② Bax：AKT磷酸化Bax的Ser184位点，可阻止其向线粒体转位，抑制其介导的线粒体功能障碍，进而抑制细胞凋亡。

③ PUMA：PI3K/AKT信号通路可通过调控多种下游效应因子来间接抑制PUMA的表达，包括磷酸化抑制转录因子FoxO3a的功能、下调p53的表达等，这些因子都能促进PUMA表达，诱导细胞凋亡。

2. PI3K/AKT/FoxO信号

哺乳动物FoxO蛋白家族是一类转录因子，属于Forkhead转录因子超家族中O亚家族成员。该蛋白家族在细胞周期、生长、凋亡以及代谢等细胞生命过程中扮演着重要角色。FoxO可通过多种途径抑制细胞生长、启动凋亡信号，包括诱导Bcl-2家族中促凋亡蛋白Bim、PUMA的表达、死亡受体配体Fasl的表达，以及促进细胞周期阻滞蛋白p27和p21的表达。

已有研究表明，PI3K/AKT信号通路的激活可促进FoxO磷酸化，使其与细胞质中的14-3-3蛋白结合，将其隔离在细胞质中，无法向细胞核转移，失去转录活性，抑制凋亡相关基因的表达，进而抑制细胞凋亡。

图7. PI3K/AKT介导FoxO磷酸化抑制细胞凋亡[4]

3. PI3K/AKT/NF-κB信号

与FoxO转录因子的负调控不同，PI3K/AKT可正向调控转录因子NF-κB，从而促进细胞存活相关基因的表达。NF-κB是多种抗凋亡基因表达的关键激活因子，例如抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-XL以及Caspase8抑制剂FLIP等。PI3K/AKT的激活促进了NF-κB抑制性辅因子IκB的磷酸化，并促使其降解，从而释放出具有转录活性的NF-κB。NF-κB入核后诱导抗凋亡蛋白的表达。相反，当PI3K/AKT信号减弱或抑制时，NF-κB的活性也相应降低，导致细胞更易发生凋亡[5]。

4. PI3K/AKT/mTOR信号

PI3K/AKT/mTOR信号通路通过多层次的调控网络，在细胞凋亡过程中起着至关重要的作用。mTOR作为PI3K/AKT信号下游的一个关键调控点，主要通过形成mTORC1和mTORC2这两个不同的复合物来发挥作用。

（1）mTORC1：通过磷酸化激活p70S6K激酶和抑制4EBP1，能够增强蛋白质合成并支持细胞代谢需求，从而支持细胞存活。由TSC1、TSC2和TBC1D7组成的TSC复合物是mTORC1的关键负调控因子，其将Rheb维持在GDP结合的非活性状态，从而抑制mTORC1。在正常细胞中，生长因子激活 PI3K/AKT信号通路，促使AKT磷酸化TSC2，使其脱离溶酶体膜，解除对Rheb的抑制作用；Rheb随之与GTP结合转为活性状态，进而激活溶酶体膜上的mTORC1，促进细胞生长、抑制凋亡。在癌症中，该通路异常激活会导致mTORC1持续活化，驱动肿瘤增殖、转移与代谢重编程。

图8. PI3K/AKT通过TSC复合物调节mTORC1活性，抑制细胞凋亡[4]

（2）mTORC2：PI3K/AKT/mTORC2轴在抗细胞凋亡中也发挥着核心作用。与mTORC1不同，mTORC2与PI3K/AKT信号之间存在密切的正向和反向调控机制：

mTORC2可磷酸化AKT中HD结构域的Ser473，与PDK1协同激活AKT，增强PI3K/AKT信号的抗凋亡功能。

mTORC1下游的p70S6K可抑制mTORC2的活性，形成对PI3K/AKT信号的负反馈调节，防止AKT过度激活，维持细胞增殖与凋亡的平衡。

5. PI3K/AKT/ GSK-3信号

GSK3是最早发现的AKT底物之一，在哺乳动物中具有GSK3α和GSK3β两种亚型，它们广泛参与细胞增殖、分化、凋亡、代谢及转录调控等多种生理过程。GSK3通过调控多种转录因子、凋亡相关蛋白及信号通路，促进细胞凋亡的发生。例如GSK3通过磷酸化作用抑制Wnt/β-catenin信号通路、降低抗凋亡蛋白MCL-1的稳定性、激活Caspase-9以诱导凋亡小体的形成，促进细胞凋亡。有趣的是，GSK3可磷酸化FoxO3a的非AKT靶点，促进FoxO3a核转位，增强其转录活性，诱导促凋亡蛋白PUMA的表达，进而诱导细胞凋亡[6]。而PI3K/AKT 信号通过磷酸化GSK3α的Ser21和GSK3β的Ser9，抑制它们的活性，从而阻断其促凋亡功能。

图9.PI3K/AKT介导GSK3磷酸化参与细胞凋亡调控[4]

6. PI3K/AKT/p53信号

p53是一种经典的肿瘤抑制蛋白，属于TP53基因编码的转录因子家族。通常情况下，p53与MDM2结合并被泛素化降解，以非活性的形式存在，但当细胞遭受DNA损伤、氧化应激等信号激活p53上游激酶时，p53的相应Ser/Thr残基磷酸化，解除其与MDM2结合，稳定p53并激活其转录功能。活化的p53可激活Bax、PUMA、Bim、Fas、Fasl等促凋亡基因的表达；也可转移至线粒体，与抗凋亡蛋白Bcl-2 结合，解除其对Bax/Bak的抑制，诱导凋亡[7]。PI3K/AKT信号则可通过多种途径降低p53的水平和活性，抑制细胞凋亡：

（1）PI3K/AKT磷酸化MDM2，增强其核定位并与p53结合，促进p53泛素化和蛋白酶体降解，抑制凋亡。

（2）GSK-3β可磷酸化p53的Ser37位点，增强其与DNA结合能力；同时磷酸化Tip60，促进p53的K120乙酰化，稳定p53并激活其转录功能；而PI3K/AKT则通过磷酸化GSK-3β的Ser9使其失活，抑制上述过程，从而降低p53活性。

（3）PI3K/AKT也可以直接磷酸化p53的Ser392位点，促进其胞质滞留，减少核内p53的水平。

图10.PI3K/AKT/p53信号环路及其参与细胞凋亡调控[8]

综上所述，PI3K/AKT信号通路是细胞维持生存、抵御凋亡的关键枢纽。它通过多层次、多靶点的精密调控网络，维持细胞存活与凋亡的动态平衡。理解PI3K/AKT信号通路在细胞凋亡中的作用机制，不仅可深化我们对决定细胞的命运机制的认识，也为开发靶向该通路的疾病治疗策略提供了坚实的理论基础。

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参考文献

[1]. Fox, M., H.R. Mott, and D. Owen. Class IA PI3K regulatory subunits: p110-independent roles and structures. Biochem Soc Trans, 2020, 48(4): 1397-1417.

[2]. Fruman, D.A., H. Chiu, B.D. Hopkins, et al. The PI3K Pathway in Human Disease. Cell, 2017, 170(4): 605-635.

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[4]. Glaviano, A., A.S.C. Foo, H.Y. Lam, et al. PI3K/AKT/mTOR signaling transduction pathway and targeted therapies in cancer. Mol Cancer, 2023, 22(1): 138.

[5]. Duronio, V. The life of a cell: apoptosis regulation by the PI3K/PKB pathway. Biochem J, 2008, 415(3): 333-44.

[6]. Schubert, F., J. Rapp, P. Brauns-Schubert, et al. Requirement of GSK-3 for PUMA induction upon loss of pro-survival PI3K signaling. Cell Death Dis, 2018, 9(5): 470.

[7]. Qiu, W., B. Leibowitz, L. Zhang, et al. Growth factors protect intestinal stem cells from radiation-induced apoptosis by suppressing PUMA through the PI3K/AKT/p53 axis. Oncogene, 2010, 29(11): 1622-32.

[8]. Yong Liao, M.-C.H. Physiological regulation of AKT activity and stability. Am J Transl Res, 2010, 2(1): 24.

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