文摘
针对mTORC1已经在癌症治疗彻底。鼓励临床前研究后,mTORC1抑制剂然而未能在癌症患者提供实实在在的利益。几耐药机制已确定包括mTOR的突变和激活备用扩散途径。此外,新兴证据披露瘤内异质性mTORC1活动,进一步有助于降低mTORC1抑制剂的抗癌功效。肿瘤的遗传异质性,以及异构条件环境,如缺氧深刻的肿瘤,因此修改mTORC1活动影响的反应肿瘤mTORC1抑制剂。有趣的是,mTORC1活动的异质性也发生对其底物在单细胞水平,作为mTORC1下游效应器的互斥的激活模式一直在报道肿瘤。之后简要描述mTORC1生物学和mTORC1抑制剂的患者的使用,本文将概述在抵抗mTORC1抑制癌症的概念,重点关注瘤内mTORC1活动的异质性。
1。介绍
癌症通常是由遗传和表观遗传改变的积累促进细胞生长和免疫逃避。因此,阻止这些变化代表着肿瘤的主要治疗方法(1]。伊马替尼在慢性粒细胞白血病的最初的成功证明了这种方法的可行性在癌症治疗(进一步广泛发展2]。患者分层,根据癌症的基因,旨在识别肿瘤的驱动力,应该帮助选择适当的治疗。然而,多年来,发现一些缺陷,限制了该方法的有效性。特别是,肿瘤异质性强调癌细胞的复杂性,经常超过一个驱动力在癌症(肿瘤恶化不同类地共存3]。此外,不仅一个随机突变积累诱发肿瘤的异质性,而且事实上肿瘤环境特征变量添加另一个水平的复杂性这一过程(4]。除了肿瘤异质性,细胞耐药性的发展到一个特定的治疗是靶向治疗癌症的一个主要障碍。耐药机制几件物品已经被确认,包括二次改变分流机制的目标和激活(5]。因此,尽管有前途的临床前研究,大多数靶向治疗未能在癌症患者提供长期的好处。
在个性化治疗癌症的上下文,哺乳动物雷帕霉素靶complex-1 (mTORC1)代表一个非常吸引人的话题,已经被广泛的研究。mTORC1完全反映了靶向治疗的问题,在概念上和功能型的承诺目标,但只显示有限的功效,如果mTORC1抑制剂在临床试验的目标。几个因果因素在有限的效率mTORC1抑制剂已确定,并将本文中描述与特定的瘤内异质性mTORC1活动。
2。mTORC1和癌症
mTORC1是一个无所不在地表达复杂的蛋白质,控制细胞生长,诱导蛋白质和核苷酸合成核糖体生物起源、脂肪生成和通过阻断自噬(图1)[6,7]。mTORC1能够感知环境信号包括生长因子和营养和启动细胞生长有利的环境条件。相比之下,酸度和缺氧等不利条件,经常遇到在肿瘤微环境,抑制mTORC1活动(8,9]。在不同信号通路传输细胞外信号mTORC1,致癌PI3K / AKT和RAS /皇家空军/ MEK / MAPK通路已经被研究的很透彻了。这些通路的激活导致的磷酸化和TSC2抑制,与TSC1协会,形成蛋白质复合体抑制mTORC1 [10- - - - - -12]。值得注意的是,突变TSC1或TSC2基因负责结节性硬化症(TSC),一种疾病的特点是各种良性肿瘤中发现的多个器官,包括大脑、肾脏、肝脏、心脏和肺13]。激活后,mTORC1磷酸化等多种基质S6K1 4 e - bp1,导致整体的合成代谢细胞反应,导致细胞生长和增殖6,14,15]。
自从mTORC1控制细胞生长,它代表了癌症治疗的一个潜在的目标。mTORC1 hyperactivation是零星的癌症,而且经常观察到通过激活突变的上游效应器mTORC1 mTOR本身或通过激活突变(16- - - - - -18]。此外,增强观察到激活mTORC1错构瘤综合征包括Peutz-Jeghers综合症,Cowden疾病,TSC具有良性肿瘤的发展和肿瘤抑制基因的突变,负调节mTORC1活动(19]。
除了mTORC1之外,另一个名为mTORC2存在的蛋白质复合体(20.]。mTORC1相比,所知甚少mTORC2功能。它主要是由生长因子激活优先属于AGC蛋白质磷酸化和激活蛋白激酶家族包括一种蛋白激酶(Ser 473)和SGK1 (Ser 422)。因此,mTORC2也促进肿瘤的生长,并阻止其活动显示antitumoral效果在各种临床前模型(21- - - - - -25]。然而,对于本文的目的,我们将主要关注mTORC1抑制癌症的影响。
目标mTORC1不同选项的存在。到目前为止,三代mTORC1抑制剂开发(26]。雷帕霉素及其衍生物称为rapalogs是第一代mTORC1抑制剂。他们抑制mTORC1美联储FKBP12一起绑定到域、域毗邻mTOR的激酶结构域,限制基质活性激酶网站的访问(27,28]。值得注意的是,rapalogs只有不完全阻止mTORC1,,例如,mTORC1 Thr-37磷酸化,Thr-46网站4 e - bp1的雷帕霉素不敏感(29日]。除了rapalogs, mTOR的第二代,称为ATP-competitive mTOR的抑制剂,已生成的。他们抑制mTOR的激酶结构域,因此阻止mTORC1和mTORC2 [30.,31日]。rapalogs相比,他们表现出更深刻的抑制mTORC1。由于激酶mTOR相似性和其他激酶PI3K等这些激酶抑制剂mTOR也块PI3K除了mTORC1和mTORC2 [30.]。最后,最近,mTOR电阻突变rapalogs和mTOR的激酶抑制剂已确定(32]。为了克服这种阻力,mTOR抑制剂开发的第三代,称为Rapalink,含有交联的激酶抑制剂雷帕霉素mTOR在同一分子(32]。
3所示。教训mTORC1抑制剂在临床上的使用
Rapalogs已经在临床上经常使用,尤其是作为免疫抑制剂。相比之下,ATP-competitive抑制剂mTOR尚未批准,进行临床试验。Rapalink只是实验的发展。因此,信息mTORC1抑制的病人大多是从rapalogs聚集的。总的来说,rapalogs untransformed细胞表现出抗增殖效果。事实上,他们有效地阻止移植患者的t细胞增殖(33,34]。同样,重要的抗肿瘤反应rapalogs观察TSC的良性肿瘤(35,36]。例如,75%的患者呈现室巨细胞星形细胞瘤有体积减少30%以上的病变在6个月的治疗37]。类似的效果被发现在TSC患者其他类型的良性肿瘤,包括肾血管肌脂肪瘤、筋膜血管纤维瘤,lymphangiomyomatosis,心脏横纹肌瘤,视网膜星形错构瘤(35]。然而胸腺肿瘤停止治疗,证明rapalogs比细胞毒性,而抑制细胞生长的。
的抗肿瘤疗效rapalogs更令人失望的在零星的癌症21,38]。总的来说,rapalogs没有提供任何持久的好处,增加总体中位数生存只有几个月。然而,rapalogs目前批准用于治疗肾细胞癌(39,40)、先进的胰腺神经内分泌肿瘤(41绝经后激素受体阳性),晚期乳腺癌结合依西美坦(42),和先进的非功能性神经内分泌肿瘤的肺或胃肠道43]。在欧洲,他们进一步批准用于治疗复发或难治性套细胞淋巴瘤(44]。大多数时候rapalogs引起疾病稳定和未能诱导肿瘤回归,进一步突出rapalogs抑制细胞生长的。因此,尽管几个临床试验仍在调查rapalogs的抗癌功效,很可能rapalogs会治愈癌症。
临床试验与rapalogs透露,阻塞mTORC1与不可忽视的副作用(45,46]。因为mTORC1是广泛表达,阻止其活动在癌症治疗缺乏特异性。副作用包括各种皮肤代谢,肾、血液和呼吸毒性往往需要减少剂量。这些副作用大多是温和但也可以致命的肺炎。通过生成不适,mTORC1抑制剂停药后还负责一个重要的流行(45]。mTORC1抑制剂的毒性因此应牢记,尤其是当结合疗法被认为是。
4所示。mTORC1抑制剂在癌症治疗的局限性
尽管在临床前模型显著功效,临床肿瘤反应rapalogs是适度的。有好几种因素可以解释这种影响有限在临床应用47]。如前所述,rapalogs只提供一个不完整的抑制mTORC1 [48]。为了克服这个限制,ATP-competitive抑制剂mTORC1生成完全阻止mTORC1。这些抑制剂进一步阻止mTORC2,比rapalogs代表一个额外的优势。在体外和体内实验显示出更强的抗癌功效的第二代抑制剂相比rapalogs [49,50]。ATP-competitive mTOR的抑制剂目前正在进行临床试验,但到目前为止,充足的抗肿瘤反应没有报道(51]。此外,其他几个目标的局限性mTORC1癌症治疗的描述,包括mTOR的治疗耐药突变,备用增殖信号通路的激活,瘤内异质性mTOR的活动(图2)。这些将进一步讨论。
5。治疗耐药突变mTOR
二级靶向激酶的基因改变代表一个典型的耐药机制,已确定在各种肿瘤患者的激酶抑制剂(5,52- - - - - -54]。同样,获得性耐药突变的癌细胞暴露mTORC1抑制剂已报告(32]。治疗MCF-7乳腺癌细胞系与雷帕霉素或mTOR的ATP-competitive抑制剂导致耐药的出现三个月殖民地。基因组测序显示,雷帕霉素耐药克隆存在美联储的突变mTOR的领域。相比之下,ATP-competitive抑制剂耐药克隆包含一个位于mTOR突变激酶结构域。这两种类型的耐药性突变负责(32]。美联储域突变干扰之间的交互mTOR FKBP12-rapamycin,与在酵母(图生成的数据一致2)[55,56]。突变赋予抵抗ATP-competitive抑制剂mTOR没有改变绑定生成的药物mTOR但激酶的亢奋状态。有趣的是,这种类型的突变诱发mTORC1和mTORC2的亢奋状态,强调抵抗ATP-competitive mTOR的抑制剂可以从mTORC1和mTORC2发生。更重要的是,这两种类型的突变被发现在未经治疗的患者中,表明某些类型的癌症在本质上对mTORC1抑制剂(32]。美联储的域电阻突变也被证明是获得与rapalogs人类接受治疗。事实上,抵抗了一个病人接受rapalog RAD001为转移性甲状腺未分化癌在最初18个月的响应(57]。全基因组测序表明美联储这个肿瘤包含一个域突变治疗后,起初是不存在的。值得注意的是,它还发现了一个无义突变的TSC2可以解释这个肿瘤RAD001(最初的高灵敏度57]。
相反,一些识别hyperactivating mTOR的突变与对雷帕霉素的敏感性增加,表明癌细胞窝藏这样的突变有mTOR依赖扩散模式(18]。在这些患者,这种突变可以作为生物标志物在预测癌症应对mTORC1抑制剂。符合这个观察,包含一个转移移行细胞癌患者mTOR hyperactivating突变经历了一个完整的放射反应,持续14个月后开始治疗的RAD001结合酪氨酸激酶抑制剂pazopanib [17]。
6。激活备用mTORC1抑制后增殖信号通路
mTORC1属于复杂网络的监管反馈回路负责限制增殖信号通过上游效应器mTORC1一旦被激活(图2)[47,58,59]。例如,mTORC1 / S6K1介导胰岛素受体底物(IRS-1)磷酸化增强其退化PI3K / AKT信号的后续中断(60- - - - - -62年]。同样,mTORC1激活导致血小板衍生生长因子受体α和β退化和衰减的PI3K / AKT活动(60]。同样,mTORC1稳定Grb10,导致抑制PI3K / AKT和MEK / MAPK通路(63年,64年]。mTORC1激活也会导致mTORC2活动的直接还原。例如S6K1磷酸化Sin1, mTORC2的一个组成部分,在398年86年和刺刺,导致Sin1 mTORC2和抑制的离解mTORC2-mediated激活一种蛋白激酶(65年,66年]。的观察S6K1磷酸化rictor(刺1135),另一个组件mTORC2,表明额外的反馈机制之间存在mTORC1 / S6K1和mTORC2 / AKT;其功能相关性但需要进一步表征(67年,68年]。因此,阻断mTORC1结果增殖通路的激活,将抵消mTORC1抑制剂的抗癌功效69年,70年]。例如,增加一种蛋白激酶的磷酸化(Ser 473)是注意到患者的肿瘤转移rapalogs [71年,72年]。类似的研究结果发表在与雷帕霉素治疗胶质母细胞瘤患者;增加一种蛋白激酶磷酸化(Ser 473)是进一步发展短时间(73年]。上游增殖通路的激活rapalogs并不局限于一种蛋白激酶,rapalogs也显示增加MAPK活性。事实上,RAD001治疗前后肿瘤活检证明MAPK磷酸化(刺202 /酪氨酸204)是增加治疗后(74年]。在实验设置,阻断一种蛋白激酶或MAPK强的抗癌疗效rapalogs,强调rapalogs-mediated AKT和MAPK overactivation抑制了其功效[71年,74年]。
第二代mTORC1抑制剂也取消负面反馈循环。因此,其抗肿瘤活性也降低了上游通路的激活69年]。像rapalogs mTOR激酶抑制剂增加PI3K的活动。因此,AKT Thr308磷酸化是钢筋,足以推动一种蛋白激酶信号尽管损失AKT Ser473磷酸化的激酶抑制剂的抑制mTORC2 mTOR [75年]。令人惊讶的是,恢复与双PI3K / AKT信号后治疗mTOR激酶抑制剂也被报道(76年]。在这种情况下,PI3K-independent机制负责一种蛋白激酶磷酸化和活动(77年]。除了一种蛋白激酶,overactivation mTOR的MAPK激酶抑制剂也被描述(78年,79年]。有趣的是,激活MAPK激酶抑制剂的mTOR是PI3K的独立,主张mTORC1之间不同的循环和MAPK除了之前确定循环rapalogs [74年]。此外,由于不涉及PI3K的反馈循环,双PI3K / mTOR同样增加MAPK活性(69年]。
7所示。mTORC1活动是异构的癌症
最近,一个旧的范式,即肿瘤的异质性,已经重新审视在癌症生物学(80年,81年]。新兴的证据表明,遗传异质性在单细胞水平存在于癌症,因此参与抵抗特定治疗(82年,83年]。像其他信号通路、异构mTORC1活动肿瘤的报道。例如,免疫组织化学染色的人类乳腺癌phospho-4E-BP1(刺70)和phospho-S6 (Ser 240/244),作为mTORC1活动的标记,表明癌细胞中一个显著的异质性,表现出强或弱染色相同的肿瘤(84年,85年]。此外,基因组测序的不同地区人的肾细胞癌显示mTOR的激酶结构域突变并不是存在于每个肿瘤区域(图2)[86年]。肿瘤细胞显示这种突变的染色显示增加phospho-S6 (Ser 235/236)和phospho-4EBP1刺(37/46),表明突变赋予mTORC1活动增加。本研究进一步表明,遗传intratumor异质性相关的功能异质性mTORC1激酶活性和敏感性mTORC1抑制剂(32]。值得注意的是,这种mTOR突变中没有检测到肿瘤转移,进一步强调异质性之间的原发肿瘤和转移86年]。后者观察回声与先前的一项研究显示,一个贫穷的一致性mTORC1活动主要乳房肿瘤及其相应的转移,通过免疫组织化学染色的phospho-4E-BP1 (Ser 65) (87年]。其他突变的mTOR进一步被确认,但是他们的空间分布在肿瘤尚未透露17,18,88年,89年]。遗传异质性肿瘤也被报道为蛋白质,属于导致mTORC1激活的信号通路,如PI3K / AKT和Ras /皇家空军/ MEK / MAPK通路。高差异之间的PI3K基因突变主要乳房肿瘤及其转移报道(90年]。更重要的是,野生型PI3K突变PI3K (H1047R)和突变PI3K (E542K)都发现在不同的肿瘤区域相同的原发肿瘤。同样,瘤内异质性对k的样本中发现人类大肠癌(91年,92年]。尽管mTORC1活动不是特别确定在这些研究中,我们可以推测,上游效应器的异构激活mTORC1有助于一个瘤内mTORC1活动的异质性。
有趣的是,新兴证据描述mTORC1活动对其下游效应器也是异类在肿瘤(图2)[93年,94年]。使用多路复用荧光显微镜方法在人类结肠癌,这是证明S6 (Ser 235/236)的磷酸化,磷酸化4 e - bp1(刺37/46)很少发生在相同的癌细胞,而是相互排他性(93年]。尽管相声和其他途径无法完全排除在外,本研究支持mTORC1其下游目标的功能变化。最有可能,不同的机制,仍然需要被识别,调节mTORC1 S6和4 e - bp1信号。此外,由于rapalogs不块mTORC1-mediated 4 e - bp1磷酸化(刺37/46),癌细胞显示模式本质上可能是耐rapalogs尽管mTORC1活动在这些细胞的存在。
肿瘤异质性并不局限于基因组进化,也包括其他类型的异质性(3,94年]。例如,肿瘤微环境的物理化学性质,如氧气浓度和pH值,肿瘤区域之间相差很大,因此导致异质性和影响对治疗的反应。事实上,缺氧的地区经常出现在肿瘤由于高癌症细胞增殖率结合减少灌注引起的血管结构异常(95年]。毫不奇怪,mTORC1由缺氧体外抑制,几项研究已经表明,肿瘤缺氧地区mTORC1活动减弱或消失(图2)。例如,mTORC1活动就是明证S6核糖体蛋白的磷酸化形式组织化学染色(Ser 235/236)负相关,这种染色,缺氧的标记HT29肿瘤异种移植和MC-38肿瘤移植(96年]。同样,在CAKI-1肿瘤异种移植肿瘤区域HIF-1呈阳性α没有或很少phospho-S6染色(Ser) 235/236 (97年]。此外,在人体头颈部鳞状细胞癌,癌症细胞的染色模式受缺氧葡萄糖转运体Glut-1与phospho-S6染色呈负相关(Ser) 235/236 (98年]。此外,治疗Rag2M老鼠轴承MCF-7肿瘤异种移植显著降低肿瘤缺氧和mTORC1活动增加了通过免疫印迹HIF-1减少α表达和增加S6K1磷酸化(刺412),分别为(99年]。胰腺神经内分泌肿瘤的小鼠模型,phospho-S6染色(Ser 235/236)仅限于常氧区域的肿瘤治疗后抗血管新生化合物舒尼替或axitinib [One hundred.]。最后,在patient-derived肾细胞癌肿瘤异种移植,phospho-S6染色(Ser 235/236)是主要观察肿瘤周围血管和与乳酸转运MCT-1明确表示在常氧肿瘤区域(101年]。综合这些研究表明mTORC1活动主要是在常氧地区发现的肿瘤缺氧,进一步强调,作为一个环境信号,能够直接影响mTORC1等信号通路。他们进一步突出,地区差异占瘤内异质性不仅是随机采集的突变的结果。换句话说,肿瘤异质性不仅限于克隆差异(3]。
因为缺氧肿瘤细胞仍积极参与肿瘤恶化,这些报告进一步显示,肿瘤区域显示低水平的氧气独立mTORC1增长,因此对mTORC1抑制。符合这一假说,它是发现,而雷帕霉素降低癌症细胞增殖nonhypoxic肿瘤区域,肿瘤缺氧地区没有影响,强调雷帕霉素对肿瘤区域选择性抗增殖作用(96年]。观察雷帕霉素降低癌症细胞增殖在外层血管肿瘤区域而不是肿瘤的hypovascular部分进一步证实这个假说(102年]。因此,这些观测结果表明,在癌症治疗中,mTORC1抑制剂应结合治疗针对肿瘤低氧舱。在这种背景下,阻止碳酸酐酶第九,是专门调节肿瘤缺氧和参与肿瘤恶化,是一种很有前途的方法(103年]。事实上,第九碳酸酐酶的抑制RNA干扰或乙酰唑胺、碳酸脱水酶的特异性抑制剂,雷帕霉素的抗癌疗效增加癌症的小鼠模型(96年]。
重要的是要注意,缺氧不一定导致mTORC1抑制。某些肿瘤细胞能够保持高水平的mTORC1肿瘤缺氧区域的活动,增加另一个层面的复杂性之间的关系mTORC1和缺氧104年]。的分子机制涉及hypoxia-mediated mTORC1抑制某种程度上的特点。它们涉及HIF1α全身REDD1表达式(105年,106年]。反过来,mTORC1 REDD1灭活活动TSC1 / TSC2依赖机制。共济失调的毛细管扩张突变(ATM)蛋白质也会导致hypoxia-mediated mTORC1通过磷酸化的HIF1抑制α这是必要的诱导REDD1表达式(104年]。因此,肿瘤细胞窝藏了组件的信号通路,如低水平的ATM,显示一个矛盾的高架mTORC1肿瘤缺氧区域的活动(104年]。在这种背景下,hyperactivating突变抑制mTOR也诱导阻力的由高水平的REDD1和可能导致高水平的维修mTORC1活动在缺氧(89年]。
除了缺氧,肿瘤也经常港地区低pH值(107年]。的确,肿瘤细胞优先进行糖酵解尽管氧气的存在,因此诱导酸度和创造一个敌对酸性肿瘤微环境(108年]。最近的体外研究支持酸度的作用抑制mTORC1 [9,109年,110年]。让癌细胞酸性pH值的差别导致了对这些mTORC1活动(图2)。因此,像缺氧,癌细胞在酸性条件下培养独立于mTORC1繁荣。然而未来的研究需要描述的分子机制参与acidity-mediated mTORC1抑制和地址是否酸度有助于mTORC1活动异质性肿瘤。
8。结论
尽管在临床前模型有前途的抗癌效果,mTORC1抑制没有达到预期的临床试验。然而大多数试验都表现在晚期癌症,可能减少mTORC1抑制剂的成功的机会。然而,限制因素几件物品已经被确认,帮助理解弱者的临床反应。事实上,新兴证据表明一个特别异构mTORC1活动在肿瘤的疗效的一个重要限制因素mTORC1抑制剂。几个元素造成这一异质性包括基因和功能异质性以及肿瘤组织缺氧。尽管肿瘤基因筛查发现mTOR TSC突变与长期疗效相关,大多数肿瘤最终在一到两年内复发。未来的治疗方法将不得不承认和方法肿瘤异质性,mTORC1抑制剂在单一疗法未能治愈癌症。
缩写
| 4 e - bp1: | 真核翻译起始因子4 e结合蛋白1 |
| 自动增益控制: | 蛋白激酶A、G、C家庭 |
| ATG13: | Autophagy-related蛋白质13 |
| ATM机: | 共济失调毛细血管扩张突变蛋白 |
| ATP: | 三磷酸腺苷 |
| 计算机辅助设计: | Carbamoyl-phosphate合成酶2 |
| FKBP12: | 吸收FK506结合蛋白12 |
| 美联储: | FKBP-rapamycin绑定域名 |
| GLUT1: | 葡萄糖转运体1 |
| GRB10: | 生长因子receptor-bound蛋白10 |
| HIF1α: | 低氧诱导因子1α |
| k: | 克里斯汀•鼠肉瘤 |
| MAPK: | 增殖蛋白激酶 |
| MC-38: | 小鼠结肠细胞腺癌行38 |
| MCF-7: | 密歇根癌症Foundation-7 |
| MCT-1: | Monocarboxylate转运体1 |
| MEK: | 地图(增殖)激酶/ ERK(细胞外signal-regulated激酶) |
| mTOR: | 机械的雷帕霉素的目标 |
| mTORC1: | 复杂机械的雷帕霉素的目标1 |
| mTORC2: | 复杂机械的雷帕霉素的目标2 |
| PI3K: | 磷脂酰肌醇3-kinase |
| REDD1: | 蛋白质的监管发展和DNA损伤反应1 |
| RNA: | 核糖核酸 |
| S6K1: | P70核糖体蛋白S6激酶1 |
| SGK1: | 血清和glucocorticoid-inducible蛋白激酶1 |
| Sin1: | 压力激活蛋白激酶相互作用蛋白1 |
| ,如: | 固醇调节元件结合蛋白 |
| TSC1: | 结节性硬化症复杂1 |
| TSC2: | 结节性硬化症复杂2 |
| ULK-1: | UNC-51-like激酶1。 |
相互竞争的利益
没有披露潜在的利益冲突。
确认
这项工作是由瑞士国家科学基金会研究经费支持(310030 _146592)和皮埃尔Mercier基础。