Akt/PKB -signalväg - Akt/PKB signaling pathway
Den Akt signalvägen eller PI3K-Akt signalvägen är en signaltransduktion väg som främjar överlevnad och tillväxt som svar på extracellulära signaler. Viktiga proteiner är PI3K ( fosfatidylinositol 3-kinas ) och Akt ( proteinkinas B ).
Initial stimulering av en av tillväxtfaktorerna orsakar aktivering av en cellytreceptor och fosforylering av PI3K. Aktiverat PI3K fosforylerar sedan lipider på plasmamembranet och bildar andra messengerfosfatidylinositol (3,4,5) -trisfosfat (PIP 3 ). Akt, ett serin/treoninkinas , rekryteras till membranet genom interaktion med dessa fosfoinositid -dockningsplatser, så att det kan aktiveras fullt ut. Aktiverad Akt förmedlar reaktioner nedströms, inklusive cellöverlevnad, tillväxt, proliferation , cellmigration och angiogenes , genom att fosforylera en rad intracellulära proteiner. Vägen finns i alla celler i högre eukaryoter och är mycket bevarad.
Vägen är starkt reglerad av flera mekanismer, ofta involverande cross-talk med andra signalvägar. Problem med PI3K-Akt-vägreglering kan leda till en ökad signalaktivitet. Detta har kopplats till en rad sjukdomar som cancer och typ 2 -diabetes . En viktig antagonist för PI3K -aktivitet är PTEN (fosfatas och tensinhomolog), en tumörsuppressor som ofta muteras eller går förlorad i cancerceller. Akt fosforylerar så många som 100 olika substrat, vilket leder till ett brett spektrum av effekter på celler.
Mekanism
PI3K -aktivering
Det finns flera typer av fosfoinositid 3-kinas men endast klass I är ansvarig för lipidfosforylering som svar på tillväxtstimuli. Klass 1 PI3K är heterodimerer sammansatta av en regulatorisk subenhet p85 och en katalytisk subenhet p110, benämnd efter deras molekylvikter.
Vägen kan aktiveras av en rad signaler, inklusive hormoner , tillväxtfaktorer och komponenter i den extracellulära matrisen (ECM). Det stimuleras genom bindning av en extracellulär ligand till ett receptortyrosinkinas (RTK) i plasmamembranet, vilket orsakar receptordimerisering och korsfosforylering av tyrosinrester i de intracellulära domänerna. Den regulatoriska subenheten p85 binder till fosforylerade tyrosinrester på den aktiverade receptorn via dess Src -homologi 2 (SH2) -domän . Den rekryterar sedan den katalytiska subenheten p110 för att bilda det fullt aktiva PI3K -enzymet. Alternativt binder adaptermolekylen Grb2 till fosfo-YXN-motiv i RTK och rekryterar p85 via Grb2-associerat bindnings (GAB) ställningsprotein.
P110 -subenheten kan också rekryteras oberoende av p85. Till exempel kan Grb2 också binda Ras-GEF Sos1, vilket leder till aktivering av Ras . Ras-GTP aktiverar sedan p110-subenheten i PI3K. Andra adaptermolekyler som insulinreceptorsubstrat (IRS) kan också aktivera p110.
PI3K kan också aktiveras av G-proteinkopplade receptorer (GPCR), via G-protein βγ-dimerer eller Ras som binder PI3K direkt. Dessutom aktiverar Gα-subenheten Src-beroende integrinsignalering som kan aktivera PI3K.
Fosfoinositidbildning
Aktiverat PI3K katalyserar tillsättningen av fosfatgrupper till 3'-OH-positionen inositolringen av fosfoinositider (Ptdlns), producerar tre lipidprodukter, PI (3) P, PI (3,4) P 2 och PI (3,4, 5) P 3 :
Fosfatidylinositol (PI) → PI 3-fosfat , (PI (4) P) → PI 3,4-bisfosfat , (PI (4,5) P 2 ) → PI 3,4,5-trifosfat
Dessa fosforylerade lipider är förankrade till plasmamembranet, där de direkt kan binda intracellulära proteiner som innehåller en pleckstrinhomologi (PH) eller FYVE -domän . Till exempel binder trifosfatformen (PI (3,4,5) P 3 ) Akt och fosfoinositidberoende kinas 1 (PDK1) så att de ackumuleras i närheten av membranet.
Akt aktivering
Akt bor i cytosolen i en inaktiv konformation tills cellen stimuleras och den translokerar till plasmamembranet. Den Akt PH-domänen har en hög affinitet för andra budbärare PI (3,4,5) P 3 , bindning till det preferentiellt framför andra fosfoinositider. Således är PI3K -aktivitet avgörande för translokation av Akt till membranet. Interaktion med PI (3,4,5) P 3 orsakar konformationsförändringar och exponering av fosforyleringsställen Thr308 i kinasdomänen och Ser473 i den C-terminala domänen. Akt aktiveras delvis genom fosforylering av T308 med PDK1. Full aktivering kräver fosforylering av S473, som kan katalyseras av flera proteiner, inklusive fosfoinositidberoende kinas 2 (PDK2), integrinlänkat kinas (ILK), mekanistiskt mål för rapamycinkomplexkomplex 2 (mTORC2) och DNA-beroende proteinkinas ( DNA-PK). Regleringen av Ser473 -fosforylering är inte helt klarlagd men kan också påverkas av autofosforylering efter Thr308 -fosforylering. Efter stimulering, nivåerna av PIP 3 är minskning och Akt-aktivitet dämpas av defosforylering av serin / treonin- fosfataser .
PI3K-oberoende aktivering
Även om PI3K är det huvudsakliga sättet för Akt -aktivering, har andra tyrosin- eller serin/treoninkinaser visat sig aktivera Akt direkt, som svar på tillväxtfaktorer, inflammation eller DNA -skada. Dessa kan fungera även när PI3K -aktivitet hämmas. Andra studier har visat att Akt kan aktiveras som svar på värmechock eller ökningar i cellulär Ca 2+ -koncentration via Ca 2+ /Calmodulin-beroende proteinkinaskinas ( CAMKK ).
| Aktiverar Kinase | Akt fosforyleringssajt | Detaljer |
|---|---|---|
| Aktiverat CDC42 kinas 1 (Ack1) | Tyr176 | Akt binder företrädesvis till fosfatidsyra (PA) istället för PIP 3 vilket möjliggör translokation till plasmamembranet. |
| Src | Tyr315, Tyr326 | Kräver interaktion mellan Src SH3-domänen och den prolinrika regionen vid C-terminalen i Akt. |
| Proteintyrosinkinas 6 (PTK6) | Tyr215, Tyr315 och Tyr326 | Aktiverar Akt som svar på epidermal tillväxtfaktor (EGF) |
| IκB kinas ε (IKKε) | Ser137, Thr308 och Ser473 | Oberoende av PH -domänen, PI3K, PDK1 och mTOR |
| TANK-bindande kinas 1 (TBK1) | Thr195, Ser378 och Ser473 | Som svar på avgiftsliknande receptoraktivering i makrofager. |
| DNA-beroende proteinkinas (DNA-PK) | Ser473 | Aktiveras av dubbelsträngade DNA-brytningar som bildas av joniserande strålning. |
Förordning
PI3K-Akt-vägen har många nedströmseffekter och måste regleras noggrant. Ett av sätten vägen är negativt reglerad är genom att minska PIP 3 -nivåerna. Fosfatas och tensin-homolog (PTEN) antagoniserar PI3K genom omvandling PI (3,4,5) P 3 in i PI (4,5) P 2 . Förlust av PTEN-funktion leder till överaktivering av Akt och är vanligt i cancerceller (PTEN är en tumörsuppressor ). SH2-innehållande Inositol Phosphatase (fartyg) defosforylerar också PI (3,4,5) P 3 , vid positionen av inositolringen 5' . PI3K-Akt-vägen reglerar PTEN-nivåer genom att påverka dess transkription och aktivitet. Transkriptionsfaktor NF-κB , aktiverad av Akt, reglerar peroxisomproliferatoraktiverade receptordelta (PPARβ/δ) agonister och tumörnekrosfaktor α (TNFα), som i sin tur undertrycker PTEN-uttryck. NEDD4-1, ett E3-ligas som känner igen PTEN för nedbrytning uppregleras av PI3K-vägen. Därför, när Akt är aktiverat, undertrycks PTEN ytterligare i en positiv återkopplingsslinga .
Vägen styrs också av proteinfosfatas 2A (PP2A), som defosforylerar Akt vid Thr308 och fosfatas PHLPP dephosphorylates Akt vid Ser473. Ett annat protein som är viktigt vid Akt -dämpning är Carboxy Terminal Modulator Protein (CTMP). CTMP binder till den regulatoriska domänen för Akt, blockerar dess fosforylering och aktivering.
När vägen aktiveras genom insulin , insulinreceptorsubstrat 1 är (IRS-1) transkription nedregleras, i en återkopplings negativ slinga via mTORC1 och S6K1 aktivering. S6K1 kan också fosforylera IRS-1 vid flera serinrester, vilket förhindrar bindning till RTK. En annan negativ feedback -kontrollmekanism som reglerar vägen involverar FoxO -transkriptionsfaktorer . Aktiverad Akt orsakar FoxO -nedbrytning, så det kan inte längre hämma PP2A, vilket leder till en minskning av Akt -fosforylering.
Nedströms effekter
När den är aktiv, translokerar Akt från plasmamembranet till cytosolen och kärnan , där många av dess substrat finns. Akt reglerar ett brett spektrum av proteiner genom fosforylering. Akt-målsubstrat innehåller en minimikonsensus- sekvens RXRXX- [Ser/Thr] -Hyd, där Hyd är en hydrofob aminosyra , även om andra faktorer som subcellulär lokalisering och tredimensionell struktur är viktiga. Fosforylering av Akt kan vara hämmande eller stimulerande, antingen undertrycka eller öka aktiviteten hos målproteiner.
Cellöverlevnad och apoptos
Akt-PI3K-vägen är väsentlig för cellöverlevnad eftersom aktiverad Akt påverkar många faktorer som är involverade i apoptos , antingen genom transkriptionsreglering eller direkt fosforylering. I kärnan hämmar Akt transkriptionsfaktorer som främjar uttrycket av celldödsgener och förbättrar transkription av anti-apoptotiska gener. Ett välstuderat exempel är transkriptionsfaktorerna i Forkhead -familjen (FoxO/FH), varav FKHR/FoxO1 , FKHRL1/FoxO3 och AFX/FoxO4 direkt fosforyleras av Akt. Denna fosforylering inducerar export till cytosolen där de avskiljs av 14-3-3 proteiner och slutligen genomgår nedbrytning via ubiquitin-proteasomvägen .
Akt reglerar också positivt några transkriptionsfaktorer för att möjliggöra uttryck av överlevnadsgener. Akt kan fosforylera och aktivera IκB-kinas IKKa, vilket orsakar nedbrytning av IκB och kärntranslokation av NF-κB där det främjar uttryck av caspasinhibitorer, c-Myb och Bcl-xL . Främjande av cellöverlevnad fosforyleras cAMP-responselementbindande protein (CREB) av Akt vid Ser133, vilket stimulerar rekrytering av CREB-bindande protein (CBP) till promotorn för målgener, såsom Bcl-2 . Akt har också visat sig fosforylera murin dubbelminut 2 (Mdm2), en nyckelregulator för DNA -skadesvar, vid Ser166 och Ser186. Fosforylering av Mdm2 av Akt uppreglerar dess ubiquitin -ligasaktivitet och undertrycker därför indirekt p53 -förmedlad apoptos. Ett annat mål för Akt är det Yes-associerade proteinet (YAP), fosforylerat vid Ser127 vilket leder till 14-3-3-bindning och cytosolisk lokalisering. Därför kan den inte samaktivera p73 -förmedlad apoptos som svar på DNA -skada.
Akt reglerar negativt pro-apoptotiska proteiner genom direkt fosforylering. Till exempel orsakar fosforylering av BAD , Bcl-2-familjemedlemmen, på Ser136 translokation från mitokondriemembranet till cytosolen, där det avskiljs av 14-3-3 proteiner . Akt fosforylerar Caspase-9 på Ser196, vilket förhindrar en caspas-kaskad som leder till celldöd. Akt fosforylerar också MAP-kinaskinaskinaser (MAPKKK) uppströms om den stressaktiverade proteinkinasvägen (SAPK). Fosforylering av apoptos signalreglerande kinas 1 (ASK1) på Ser83 och blandad kinas 3 (MLK3) på Ser674 hämmar deras aktivitet och förhindrar MAP-kinasinducerad apoptos.
Lysosombiogenes och autofagi
Akt reglerar TFEB , en huvudkontrollant för lysosomal biogenes, genom direkt fosforylering av TFEB vid serin 467. Fosforylerad TFEB är utesluten från kärnan och mindre aktiv. Farmakologisk hämning av Akt främjar nuklear translokation av TFEB , lysosomal biogenes och autofagi.
Progression av cellcykeln
Akt främjar G1-S -fascellscykelprogression genom fosforylering och inaktivering av glykogensyntaskinas 3 (GSK-3) vid Ser9. Detta förhindrar fosforylering och nedbrytning av cyklin D1 . Därför främjar Akt G1 -fasprogression i en positiv återkopplingsslinga. Akt främjar cyklin D1 -translation via indirekt aktivering av mTOR . mTOR ökar translationen av cyklin D1 genom att aktivera ribosomalt protein S6K och hämma eukaryot translation-initieringsfaktor 4E-bindande protein (4E-BP), vilket ökar eIF4e- aktiviteten.
Akt både indirekt och direkt reglerar cyklinberoende kinas (CDK) -hämmare p21 Cip1 och p27 Kip1 , vilket möjliggör cellcykelprogression. Akt fosforylerar p27 kip1 vid Thr157, vilket förhindrar dess kärnkraftsimport. Dessutom fosforylerar Akt Thr145 och Ser146 av p21 Cip1 , vilket förhindrar PCNA -bindning och minskar stabiliteten. Aktfosforylering av Foxo -transkriptionsfaktorer påverkar också cellcykeln, eftersom hämmande fosforylering av FoxO4 (även benämnt AFX) förhindrar p27 -genuttryck.
Cellmigration
Akt fosforylerar många proteiner involverade i polymerisation och stabilisering av aktin cytoskelettet . I normala celler kan detta antingen öka stabiliteten hos cytoskeletkomponenter eller främja migration via ombyggnad. Exempel listas nedan:
- Aktinfilament - Akt fosforylerar aktin direkt
- Akt fosforyleringsförstärkare (APE), även kallad girdin - fosforylerad vid Ser1416 orsakar translokation till filamentens framkant, avgörande för migration
- Natriumväteväxlare 1 (NHE1) - fosforylerad vid Ser648, främjar cytoskeletala omarrangemang och migration
- Filamin A - fosforylerad vid Ser2152, främjar caveolin -1 -medierad cellmigration
- Kank - njure -ankyrin -upprepande innehållande protein - negativt reglerande RhoA -aktivering och cellmigration som svar på insulin och EGF
- Tuberös skleroskomplex 2 (TSC2) - Akt1 destabiliserar Rho GTPas, hämmar F -aktinsamling och minskar cellmigration
- Palladin- Akt1 fosforylerar det aktinbindande proteinet vid Ser507, vilket stör tvärbindningen av F-aktinbuntar
Akt främjar cellmigration genom att interagera med andra cytoskeletkomponenter. Typ III mellanliggande filament Vimentin fosforyleras av Akt1 vid Ser39, vilket förhindrar nedbrytning. I normala celler bibehåller detta vävnadsstabilitet. S-fas kinasassocierat protein 2 (Skp2)-Ser72-fosforylering förbättrar E3-ligasaktivitet och cytosolisk lokalisering, vilket främjar cellmotilitet. Akt fosforylerar GSK3 beta , indirekt aktiverar mikrotubuli -bindande protein adenomatös polyposis coli (APC). Endotel kväveoxidsyntas (eNOS) fosforyleras vid Ser1177, vilket leder till NO -syntes och endotelcellsvandring. Dessutom fosforyleras det pro-migrerande GTPas-aktiverande proteinet RhoGAP22 vid Ser16.
Oxidativ stress
Under oxidativ stress främjar miR-126 Akt/PKB-signalvägsaktivering. Detta ökar cellernas biologiska funktion under oxidativ stress. Detta är viktigt vid endotelcellstransplantation för att behandla akut hjärtinfarkt (AMI) och kan fungera som en ny terapeutisk metod för behandling av AMI.
Roll i cancer
Avvikande aktivering av Akt, antingen via PI3K eller oberoende av PI3K, är ofta associerad med malignitet. Studier har identifierat genförstärkning av Akt -isoformerna i många typer av cancer, inklusive glioblastom , äggstockar , bukspottskörtel och bröstcancer . Akt är också uppreglerat när det gäller mRNA-produktion vid bröst- och prostatacancer . Funktionell inaktivering av PTEN, den huvudsakliga PI3K -antagonisten, kan uppstå i cancerceller genom punktmutation , genradering eller epigenetiska mekanismer. Mutation i vägen kan också påverka receptortyrosinkinaser, tillväxtfaktorer, Ras och PI3K p110 -subenheten, vilket leder till onormal signalaktivitet. Därför är många av proteinerna i vägen mål för cancerterapi. Förutom dess effekter på cellöverlevnad och cellcykelprogression, främjar PI3K-Akt-vägen andra egenskaper hos cancerceller . Hyperaktivitet i vägen främjar epitel-mesenkymal övergång (EMT) och metastasering på grund av dess effekter på cellmigration.
Angiogenes
Angiogenes , bildandet av nya blodkärl, är ofta avgörande för att tumörceller ska överleva och växa i näringslära. Akt aktiveras nedströms vaskulär endotel tillväxtfaktor (VEGF) i endotelceller i blodkärlens slemhinnor, vilket främjar överlevnad och tillväxt. Akt bidrar också till angiogenes genom att aktivera endotel kväveoxidsyntas (eNOS), vilket ökar produktionen av kväveoxid (NO). Detta stimulerar vasodilatation och vaskulär remodellering. Signalering genom PI3K-Akt-vägen ökar translationen av hypoxia-inducerbara faktor α (HIF1α och HIF2α) transkriptionsfaktorer via mTOR. HIF främjar genuttryck av VEGF och glykolytiska enzymer, vilket möjliggör metabolism i syreutarmade miljöer.
Glukosmetabolism
I cancerceller korrelerar en ökning av Akt -signalering med en ökning av glukosmetabolismen, jämfört med normala celler. Cancerceller gynnar glykolys för energiproduktion framför mitokondriell oxidativ fosforylering , även när syretillförseln inte är begränsad. Detta är känt som Warburg -effekten , eller aerob glykolys. Akt påverkar glukosmetabolismen genom att öka translokationen av glukostransportörerna GLUT1 och GLUT4 till plasmamembranet, öka hexokinasuttrycket och fosforylera GSK3 som stimulerar glykogensyntesen . Det aktiverar också glykolysenzymer indirekt via HIF-transkriptionsfaktorer och fosforylering av fosfofruktokinas-2 (PFK2) som aktiverar fosfofruktokinas-1 (PFK1).