综述：mTORC2激活蛋白激酶AKT/PKB的结构与机制基础

《Biochemical Journal》：Structural and mechanistic basis of mTORC2 activation of protein kinase AKT/PKB

　　

PI3K/AKT/mTOR信号通路在调节细胞生长、存活、代谢和蛋白质合成等基本细胞过程中至关重要。该通路的失调与癌症等疾病密切相关，可驱动不受控制的细胞增殖和存活。mTOR激酶形成两个多蛋白复合物，即mTORC1和mTORC2，它们控制着不同的信号通路。mTORC1受营养调控，控制蛋白质合成、细胞生长和自噬，而mTORC2是磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase, PI3K）和Ras信号通路的中心节点，常在癌症和糖尿病中被破坏。AKT被PIP3招募到质膜后，由PDK1和mTORC2磷酸化，从而使其能够调节多种细胞功能。值得注意的是，mTORC2选择性地磷酸化AKT和PKC，但不磷酸化其他与mTORC1靶向的密切相关的激酶，这反映了高度的底物特异性。这种特异性归因于AKT中与mTORC2亚基mSin1相互作用的结构元件，正如近期使用半合成探针的研究所揭示的，这为设计mTORC2特异性抑制剂铺平了道路。鉴于该通路在疾病进展（特别是癌症）中的重要作用，靶向AKT/mTOR轴具有相当大的治疗前景。然而，由于该通路复杂的调节和反馈机制，挑战依然存在。新兴的联合疗法显示出克服这些障碍的希望。本综述强调了AKT/mTOR通路错综复杂的调节机制及其在开发靶向疗法方面的潜力。

这篇题为“Structural and mechanistic basis of mTORC2 activation of protein kinase AKT/PKB”的综述文章，系统阐述了PI3K/AKT/mTOR信号通路的关键组成、激活机制、结构基础及其在癌症等疾病中的治疗意义。文章主体内容结构清晰，分为多个主要部分，以下将依据小标题依次进行总结。

Introduction

引言部分概述了PI3K/AKT/mTOR信号通路的核心地位。该通路调控细胞生长、存活、代谢和蛋白质合成等关键过程，其失调与多种疾病（尤其是癌症）密切相关。AKT是PI3K的关键下游效应器，其激活依赖于质膜上PIP₃的积累，这促进了AKT被3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶-1（3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1, PDK1）和mTORC2的招募与磷酸化，从而实现完全激活。文章还探讨了AKT与mTOR复合物（mTORC1和mTORC2）之间复杂的相互作用。mTORC1受AKT通过抑制其负调控因子TSC2和PRAS40而激活，进而调控蛋白质合成、细胞生长和自噬。相反，mTORC2直接在Ser473位点磷酸化AKT，使其完全激活并调控众多细胞过程。AKT的PH结构域对其膜靶向和激活至关重要。最后，引言指出了靶向AKT/mTOR信号轴的治疗潜力及其面临的挑战，如通路调控复杂和反馈机制，并提及联合疗法等新兴策略。

AKT: a dominant downstream effector of PI3K signaling

本部分详细阐述了AKT作为PI3K信号关键下游效应器的特性、激活机制及空间调控。

1. 1.
   AKT within the AGC kinase family
   AKT是AGC激酶家族（以蛋白激酶A、G、C命名）的重要成员，该家族包含约60个成员，响应细胞外刺激调节细胞生长、代谢和存活。AGC激酶具有保守的激酶结构域特征。AKT最初被鉴定为急性转化逆转录病毒AKT8的细胞同源物，在哺乳动物中有三个高度保守但功能不同的亚型：AKT1、AKT2和AKT3。它们在组织表达、生理病理功能及底物特异性上存在差异。每个AKT亚型均包含N端PH结构域、中央激酶结构域和C端调节尾。虽然序列高度相似，但PH-激酶连接区和C端尾区的差异导致了亚型特异性调控和底物选择。AKT拥有众多下游底物，其共识基序为R-X-R-X-X-S/T-?。一些已确立的AKT底物包括糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3, GSK3）、叉头框O（Forkhead Box O, FOXO）家族转录因子和TSC2。
2. 2.
   Activation and regulation of AKT by PI3K and PTEN
   AKT通过PI3K驱动的紧密协调的信号级联被特异性激活。生长因子与细胞表面受体（如受体酪氨酸激酶, receptor tyrosine kinases, RTKs）结合后，PI3K被激活，催化质膜上的PIP₂转化为PIP₃。PIP₃的积累为包含PH结构域的蛋白质（包括AKT和PDK1）提供了锚定位点。AKT被招募至膜上后，PDK1在其激活环的Thr308位点进行磷酸化，导致AKT部分激活。然而，AKT的完全激活还需要在位于C端疏水区的Ser473位点发生额外的磷酸化，该过程主要由mTORC2执行。Thr308和Ser473的双重磷酸化使AKT完全激活，进而磷酸化参与细胞存活、生长、代谢和蛋白质合成等多种过程的下游靶点。AKT的底物特异性受Ser473和Thr308磷酸化水平的强烈影响。除了PIP₃，PI3K的另一产物PI3,4P₂也被确定为AKT的重要调节因子，并显示出亚型特异性，例如PI3,4P₂特异性调节AKT2的膜招募。PTEN是该通路关键的负调控因子，能将PIP₃去磷酸化回PI4,5P₂，从而抑制AKT的膜招募和激活。PTEN的功能丧失常见于多种人类癌症，导致AKT过度活化。
3. 3.
   Spatial control of AKT signaling outputs
   AKT的激活最初被认为严重依赖其被PIP₃和PI3,4P₂招募至质膜。然而，后续研究发现AKT的激活延伸至多个细胞区室，包括细胞质、线粒体、溶酶体和细胞核。持续性的AKT活性在很大程度上局限于膜相关区室，一旦脱离膜，AKT会迅速被PHLPP和PP2A等磷酸酶去磷酸化而失活。这种磷酸化与膜定位的耦合确保了AKT活性的严格空间控制。尽管如此，AKT仍可在远离膜的位置发挥调节作用，例如在细胞核中调控FOXO家族转录因子等。此外，磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine, PS）也被认为是质膜上AKT激活的关键调节剂，它能与AKT的PH结构域和C端尾的特定残基结合，促进AKT与PIP₃的结合并促进其激活。

mTOR complexes and AKT: structural and functional integration

本部分深入探讨了mTOR复合物的结构功能及其与AKT的整合。

1. 1.
   mTORC1 and mTORC2: architecture, localization, and function
   mTOR是一种保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，属于PI3K相关激酶家族，是细胞生长、代谢、蛋白质合成、自噬和存活的核心调节器。mTOR通过两个不同的多蛋白复合物发挥作用：mTORC1和mTORC2。它们共享mTOR、mLST8和Deptor这三个核心亚基，但各有独特的复合物特异性蛋白质。mTORC1特异性亚基包括PRAS40和Raptor，而mTORC2特异性亚基包括mSin1、Rictor和Protor。mTORC1主要定位于细胞质并在溶酶体膜上富集，整合营养可用性、细胞能量状态和应激等信号输入，调控蛋白质合成、细胞生长、脂质代谢和自噬。mTORC2则定位于质膜、内质网、线粒体相关内质网膜、内体、溶酶体、细胞核和高尔基体等多个细胞内区室，响应生长因子和PI3K信号激活，主要通过磷酸化AGC家族激酶（如AKT、SGK和PKC）来调节细胞存活、代谢和细胞骨架组织。
2. 2.
   AKT activation of mTORC1
   AKT是mTORC1的关键上游调节因子，将生长因子信号与合成代谢和细胞生长联系起来。AKT激活mTORC1的一个主要机制是通过磷酸化和抑制TSC1-TSC2复合物。AKT还直接磷酸化mTORC1的负调控因子PRAS40，促进其从复合物上解离，从而进一步增强mTORC1活性。一旦激活，mTORC1磷酸化S6K1和4E-BP1等典型底物，通过调控翻译起始和延伸来增强蛋白质合成、核糖体生物合成和细胞生长。mTORC1的Raptor亚基在底物识别中起关键作用。需要注意的是，仅Thr308磷酸化的AKT即可磷酸化TSC2和PRAS40，尽管Ser473的磷酸化能增强催化效率并拓宽底物结合范围。
3. 3.
   Structural basis of AKT recognition and phosphorylation by mTORC2
   AKT本身是mTORC2的直接底物。该复合物在Ser473位点磷酸化AKT，这是AKT实现完全激活和最大信号输出的关键步骤。在mTORC2识别AKT底物的过程中，调节亚基mSin1起着关键作用。这种识别通过两个不同的长程对接界面介导：mSin1 CRIM与AKT激酶结构域N叶的相互作用，以及mSin1 N端区域与AKT激酶结构域C叶的相互作用。这些界面远离mTOR活性位点。mSin1 CRIM结构域使mTORC2能够磷酸化疏水基序（如AKT的Ser473和SGK的Ser338）上的底物。此外，mTORC2还稳定某些磷酸化事件，如AKT的转角基序磷酸化。这种基于对接的识别机制解释了mTORC2对AGC激酶（如AKT、SGK和PKC）的选择性。
4. 4.
   Feedback regulation, substrate specificity, and cross-talk of AKT and mTOR complexes
   AKT-mTOR信号网络受多个反馈回路调节。AKT激活mTORC1及其下游效应器S6K1，导致胰岛素受体底物（包括IRS1和IRS2）的磷酸化，从而负向调节PI3K活性，防止mTORC1过度激活。同时，mTORC2也参与对PI3K和RTKs的反馈调节。mTORC1和mTORC2的底物识别策略根本不同。mTORC1识别其底物中一个称为TOR信号基序的线性基序。相比之下，mTORC2利用由mSin1介导的三维对接相互作用来结合其底物。这些机制共同说明了AKT如何作为mTORC1和mTORC2信号的中心整合器，协调生长因子输入与代谢和存活反应，同时保持严格的调控控制。

Functions of PH domain in mTORC2 activation of AKT

本部分聚焦于PH结构域在AKT激活中的多功能角色。

1. 1.
   General properties of PH domains
   PH结构域是介导多种细胞内信号通路中磷脂-蛋白质相互作用的小蛋白模块。尽管氨基酸序列差异显著，但PH结构域共享一个保守的三级结构。虽然PH结构域通常与磷酸肌醇结合相关，但只有一部分显示出对膜脂的高亲和力和特异性。
2. 2.
   PH domain-mediated membrane targeting of AKT
   PH结构域功能的一个典型例子是其在丝氨酸/苏氨酸激酶AKT定位于质膜中的作用。早期模型提出，非活性AKT的PH结构域与细胞质蛋白接头相互作用，促进其被招募到质膜。最近的研究发现，泛素样蛋白4A是胰岛素刺激后有效实现AKT膜定位和激活所必需的因素，它通过促进肌动蛋白分支使AKT靠近质膜。
3. 3.
   PH domain-driven autoinhibition of AKT
   除了膜靶向作用，AKT的PH结构域还调节其激酶活性的自抑制。PH结构域与激酶结构域发生分子内相互作用，将激酶维持在非活性状态。PIP₃与AKT全长蛋白的PH结构域结合，被认为可能通过将PH结构域从激酶结构域上置换下来，从而将AKT从其自抑制状态释放出来。
4. 4.
   Structural and biochemical models of AKT PH-kinase regulation
   与抑制剂VIII结合的AKT1结构被用作AKT天然自抑制形式的模型。核磁共振数据显示，在非活性状态与抑制剂结合的AKT中，PH结构域采用不同的构象。最近的研宄还发现了一个PH结构域残基网络对调节自抑制至关重要。这些发现支持了一个模型，即脂质结合是解除PH介导的自抑制所必需的，并强调了分子内结构域相互作用在限制AKT活性中的重要性。
5. 5.
   mTORC2 and AKT docking at the plasma membrane
   AKT的转运和激活过程也受mTORC2的影响。mTORC2和AKT在质膜上的对接依赖于mTORC2复合物内的四个PH结构域。有趣的是，mTORC2中mTOR在质膜上的取向与mTORC1在溶酶体表面的取向相反。这些独特的取向可能有助于mTOR复合物的体内特异性。

Implications for cancer and therapeutic targeting

本部分讨论了该通路在癌症中的意义及治疗靶向策略。

1. 1.
   Current therapeutic strategies targeting the AKT/mTOR pathway
   AKT/mTOR信号通路在癌症发生发展中起核心作用，是治疗干预的关键靶点。针对该通路的几种治疗策略正在探索中。PI3K抑制剂（如idelalisib, copanlisib, duvelisib）已获FDA批准。除了PI3K抑制剂，还开发了AKT抑制剂以直接靶向和阻断AKT亚型的活性。尽管面临挑战，但ATP竞争性AKT抑制剂capivasertib已在联合治疗方案中获得FDA批准。同时，多种泛AKT抑制剂也正在临床试验中评估。
2. 2.
   mTOR inhibitors and pathway feedback
   除AKT抑制剂外，mTOR抑制剂如雷帕霉素及其衍生物（雷帕霉素类似物）也常用于通过FKBP12依赖性结合靶向mTORC1，通常对mTORC2的直接影响最小。另一方面，ATP竞争性抑制剂如Torin 1和Torin 2靶向mTOR催化位点，由于两个复合物活性位点配置几乎相同，因此能抑制两种mTOR复合物。尽管这种更广泛的抑制可以更有效地抑制致癌信号，但同时抑制mTORC2会破坏AKT信号，可能导致胰岛素抵抗和糖尿病样表型。这些反馈机制凸显了实现有效和选择性治疗调控mTOR通路的挑战。
3. 3.
   Future directions: selective targeting and combination therapies
   展望未来，选择性mTORC2抑制剂的开发为癌症治疗提供了一个有前景的方向。通过靶向mTORC2的独特特征（如其通过mSin1 CRIM结构域与AKT的相互作用），有望开发出特异性阻断mTORC2活性而不影响mTORC1的抑制剂。这将为mTORC2失调驱动的癌症提供更精确有效的治疗，减少与广谱mTOR抑制剂相关的副作用风险。同时，将AKT/mTOR抑制剂与免疫疗法或化疗等其他疗法相结合，可以解决癌症进展中涉及的多种通路，从而带来更好的患者预后。

Summary

总结部分概括了PI3K/AKT/mTOR信号通路作为细胞生长、代谢、存活和蛋白质合成等关键功能的核心调节器的作用。AKT通过PI3K信号及其与PIP₃和PI3,4P₂等磷酸肌醇的相互作用而被激活，并通过PDK1和mTORC2介导的复杂磷酸化事件协调许多过程。mTORC1和mTORC2在细胞调控中扮演不同角色。这些通路受到AKT的PH结构域的严格控制，确保了精确的膜靶向和激活，同时也调节其自抑制。该通路的失调，特别是通过PTEN等调节蛋白的突变或功能丧失，极大地促进了疾病进展，尤其是在癌症中，驱动了不受控制的细胞增殖和存活。因此，靶向AKT/mTOR通路已成为一种有前景的治疗干预策略。然而，由于该通路的复杂性、亚型特异性信号和反馈机制，实现选择性和有效靶向仍然面临挑战。包括联合疗法在内的新兴策略为克服这些挑战带来了希望。更好地理解AKT的调控及其与mTOR复合物的相互作用对于推进这些治疗方法至关重要。