一、PI3K的组成与激活机制
磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，同时具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性。根据结构特征，PI3K可分为三类，其中研究最为深入的为I类PI3K。该类PI3K以异源二聚体形式存在，由一个调节亚基和一个催化亚基共同组成。
催化亚基包括α、β、δ、γ四种类型。其中，α、β、δ三类催化亚基主要与p85α、p85β或p55等调节亚基结合；而γ类催化亚基则与p101或p84/87调节亚基相结合。调节亚基含有SH2结构域，能够识别受体酪氨酸激酶（RTKs）的胞内激酶结构域，进而诱导催化亚基的活化。
图 1. PI3K的激活方式
PI3K的激活主要涉及四种机制。如图1所示：第一，当胰岛素家族生长因子激活相应RTKs时，调节亚基可通过接头蛋白（如IRS1）间接被活化（a）；第二，其他家族生长因子与RTKs结合后，调节亚基也可直接识别RTKs的酪氨酸激酶结构域而激活（b）；第三，活化的RAS蛋白（RAS-GTP形式）能够直接激活PI3K的催化亚基（c）。RAS同时调节Raf和PI3K，构成MAPK通路与PI3K通路之间交叉对话的主要分子基础；第四，γ型PI3K催化亚基还可被部分G蛋白偶联受体直接激活（d）。
二、PI3K的催化功能
PI3K被激活后，可催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）的3位羟基磷酸化，生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3），进而启动下游信号转导。相反，细胞内另一种酶——PTEN，则催化该反应的逆过程，将PIP3去磷酸化恢复为PIP2，从而负向调控PI3K介导的信号通路。
图 2. PI3K催化的反应
PIP3生成后作为第二信使，同时将PDK1与AKT蛋白招募至质膜。在质膜上，PDK1磷酸化AKT蛋白第308位苏氨酸残基（T308），促使AKT发生部分活化。活化的AKT进一步作用于下游多条调控通路，介导细胞生长、代谢及存活等生物学过程。
三、PI3K-AKT信号通路及其下游效应
AKT属于AGC家族丝氨酸/苏氨酸激酶，主要包含三个结构域：PH结构域（对PIP3具有亲和力，对膜结合至关重要）、催化结构域及调节结构域。AKT作为一种原癌基因，在葡萄糖代谢、细胞凋亡、细胞增殖、转录调控及细胞迁移等多种细胞过程中发挥关键作用。PI3K/AKT信号通路的失调见于多种人类疾病，包括癌症、糖尿病、心血管疾病及神经退行性疾病。
AKT下游作用的底物种类繁多。结合图3，对主要底物概述如下：
图 3. PI3K-AKT及下游蛋白
TSC2
TSC复合体包含TSC1、TSC2及TBC1D7三个亚基，可负向调控mTORC1复合体活性，发挥肿瘤抑制作用。其机制在于：TSC2含有的GTP酶活化蛋白结构域可将GTP形式的RHEB水解为GDP形式，使RHEB失活，从而抑制mTORC1激酶活性，阻碍细胞生长。AKT磷酸化TSC2蛋白的Ser939及Thr1462位点后，TSC2活性受到抑制，进而导致mTOR通路被激活。
BAD
BAD可正向调节线粒体凋亡。AKT磷酸化BAD后，其活性受到抑制。
MDM2
AKT通过磷酸化p53的泛素连接酶MDM2而激活后者，从而抑制p53介导的细胞周期阻滞与凋亡。
p21与p27
CDK抑制因子p21与p27是重要的细胞周期调节分子。在正常细胞DNA受损时，它们被诱导产生，抑制DNA复制并增强DNA修复，发挥抑癌作用。AKT通过磷酸化抑制这些CDK抑制因子的活性。
GSK3β
GSK3β是一种进化上保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，参与肝糖代谢及Wnt信号通路。在正常情况下，GSK3β可磷酸化β-catenin，使其经蛋白酶体降解。AKT磷酸化GSK3β后，导致GSK3β失活，无法磷酸化β-catenin，使β-catenin在胞浆内大量聚集并进入细胞核，激活与细胞分裂及生长调控相关的基因（如c-myc与Cyclin D1）。
IKK
IKK被AKT磷酸化而激活。活化的IKK进一步磷酸化IκB（一种抑制NF-κB通路的转录因子），最终结果为正调控NF-κB通路，从而影响细胞生存、增殖、侵袭、血管生成及化疗耐药性。
WEE1
CDK1抑制激酶WEE1可被AKT磷酸化而抑制，从而影响有丝分裂进程。
ASK1
ASK1是一种可激活JNK信号通路的MAPKKK，与凋亡诱导、促凋亡及内质网应激相关。AKT磷酸化ASK1后，其活性受到抑制。
FOXO
FOXO是一种诱导凋亡的转录因子。AKT磷酸化FOXO后，导致FOXO在细胞内重新定位并丧失转录活性。
综上所述，AKT所产生的生物学效应总体上倾向于促进细胞增殖并抑制凋亡。
四、PI3K-AKT-mTOR通路及TORC复合物
如前所述，AKT可通过抑制TSC2间接促使RHEB激活mTOR。mTOR全称为哺乳动物雷帕霉素靶点，是一类丝氨酸/苏氨酸激酶。其C端与磷脂酰肌醇激酶催化结构域同源，但不具备磷脂酰肌醇激酶活性，而是具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性。mTOR可形成两种复合物：TORC1与TORC2。
图 4. PI3K-AKT-mTOR通路
除受AKT激活外，mTOR还可根据细胞内的能量与营养状况被调控。如图4所示，当能量不足（AMP/ATP比例升高）或缺氧时，TSC1与TSC2形成复合体的能力增强，从而抑制mTOR复合物的形成。当溶酶体内氨基酸过量时，H⁺-ATP酶可激活含有鸟嘌呤核苷酸交换因子的Ragulator蛋白复合物，进而促进TORC1的形成。
图 5. TORC1与TORC2
如前所述，mTOR存在两种复合物：mTORC1与mTORC2。mTORC1由mTOR、Raptor、MLST8以及非核心组分PRAS40和DEPTOR组成。mTORC2由mTOR、RICTOR、MLST8和mSIN1组成。两者主要区别在于：mTORC1含有Raptor，对雷帕霉素敏感；mTORC2含有RICTOR，对雷帕霉素不敏感。此外，PRAS40是AKT的底物，而mSIN1是MAPK通路的底物。
从功能上看，TORC2的作用相对专一，可磷酸化AKT，对mTOR形成正反馈调节，促进mTOR进一步活化。TORC1则功能更为广泛，可继续磷酸化下游多种底物，调控细胞生存、增殖、蛋白质合成、脂质生成、血管生成及自噬等生物学过程。
五、TORC1下游底物及其生物学效应
图 6. TORC1下游底物及效应
TORC1与蛋白质合成
真核起始因子4E是一种帽结合蛋白，能够特异性识别mRNA 5′端的帽子结构，在真核翻译起始过程中发挥关键作用。当其阻遏蛋白4EBP1处于低磷酸化状态时，eIF4E无法被释放，从而不能招募核糖体以启动翻译。TORC1通过磷酸化4EBP1，解除其对eIF4E的抑制作用，进而促进翻译及蛋白质合成。
TORC1还可先磷酸化激活下游的AGC家族核糖体S6激酶（S6K1）。S6K1可进一步磷酸化多种底物，包括核糖体S6蛋白（RPS6）、PDK1（AKT上游激活蛋白）、MDM2（p53抑制因子）、转录调节因子EEF2以及接头蛋白IRS等；同时，S6K1还可通过磷酸化抑制促凋亡蛋白BAD。上述效应共同促进蛋白质合成并抑制细胞凋亡。
TORC1与脂质合成
除促进蛋白质合成外，TORC1还可通过磷酸化激活STAT3促进细胞增殖；同时激活SREBPs以及PPARα和PPARγ，从而促进脂质合成。
TORC1与血管生成
TORC1能够通过激活HIF1α促进血管生成。值得注意的是，HIF1α也可间接激活TSC2，从而对TORC1产生负反馈调控作用。
TORC1与自噬
TORC1通过磷酸化抑制下游底物ULK1等自噬相关蛋白，从而负向调控自噬过程。
综上所述，TORC1通过磷酸化激活或抑制一系列下游底物，直接或间接促进蛋白质与脂质合成，推动细胞增殖，最终引起细胞与组织的生长。
六、PI3K-AKT-mTOR通路与肿瘤发生
如前所述，PI3K信号通路可通过多种机制抑制细胞凋亡、促进细胞存活与增殖。在肿瘤发生过程中，PI3K/AKT信号通路广泛处于激活状态，其中编码关键组分的基因如PIK3CA、PIK3R1、PTEN及AKT等存在高频突变。以PIK3CA基因为例，其在约36%的乳腺癌病例中发生突变，与肿瘤的发生、进展及耐药性密切相关。
目前该通路涉及的主要突变类型包括：
1. PIK3CA突变
PIK3CA基因编码PI3K催化亚基p110，在多种肿瘤中具有较高的突变频率。在前列腺癌、乳腺癌等癌症类型中，超过10%的病例存在PIK3CA突变，其中激活型突变占比超过80%。这些激活点突变可使PI3K蛋白不依赖上游信号而持续处于活化状态。PIK3CA突变被认为是EGFR-TKI治疗产生耐药性的潜在原因之一。
2. PTEN突变
如前所述，抑癌基因PTEN可拮抗PI3K的生物学效应，因此其突变亦促进肿瘤发展。在子宫内膜癌、脑癌、皮肤癌及前列腺癌中，超过10%的病例存在PTEN基因突变。
3. AKT突变
AKT基因家族包括AKT1、AKT2和AKT3。在肿瘤中，AKT最常见的突变形式为激活点突变及基因拷贝数异常扩增。在乳腺癌、结直肠癌、卵巢癌及膀胱癌中，AKT突变的比例均较高。
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