细胞生长是生物体发育和体内平衡的重要基础。磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳动物西罗莫司靶蛋白（PI3K/Akt/mTOR）信号通路是调控细胞生长功能的信号通路之一，通过磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）激活蛋白激酶B（PKB/Akt）作用于哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mTOR）以及下游有效的效应因子，在许多细胞功能上具有直接或间接的重要调节作用[1]。Han等[2]研究发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路中的关键基因影响奶牛的生长性能。Chaput等[3]研究发现，乳汁合成效率可以通过利用乳腺中参与脂肪、蛋白质和乳糖合成的蛋白质编码基因的转录和转录后调控提高，在调控脂肪、蛋白质和乳糖合成过程中PI3K/Akt/mTOR信号通路是中心调控者。通过探究PI3K/Akt/mTOR信号通路在牛细胞生长的分子机制中所产生的作用，确保细胞的生长发育达到最佳状态。文章针对PI3K/Akt/mTOR信号通路对牛脂肪细胞、乳腺上皮细胞、卵母细胞和胚胎发育、炎症反应等多方面的作用影响进行综述，旨在为将来有关PI3K/Akt/mTOR信号通路与牛细胞生长的深入研究提供参考。1PI3K/Akt/mTOR信号通路的组成成分1.1磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）PI3K是磷脂酰肌醇激酶的主要组成成分之一，具有蛋白激酶和磷脂激酶的双重活性，大部分存在于真核生物的细胞质中。PI3K能够磷酸化PI上肌醇环的D3羟基，生成第二信使，使得细胞质基质中的信号蛋白被招募到细胞膜上，激活一系列的信号通路[4]。PI3K家族成员参与葡萄糖代谢、脂质代谢、蛋白质合成、细胞增殖和细胞迁移等。PI3K根据结构和底物特异性的不同分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类[5]。Ⅰ类PI3K根据区分调节亚单位和上游调节分子被分为ⅠA类（包括PI3Kα、PI3Kβ和PI3Kδ）与ⅠB类（PI3Kγ）两型。ⅠA类PI3K是由调节亚基p85和催化亚基p110组成的异二聚体，普遍存在于细胞中，具有两种活性：类脂激酶和蛋白激酶活性[6]；ⅠB型PI3K是由催化亚基p110γ和调节亚基p101、p84或p87其中之一组成异二聚体，p110γ可直接与Ｇ蛋白耦联受体（GPCR）上的Gβγ亚基结合活化，仅存在于白细胞内[7]。Ⅱ类PI3K只含一个类似p110的催化亚基，生成的第二信使不同，Ⅱ类PI3K在细胞迁移和调控膜运输中发挥着重要作用[8]。Ⅱ类PI3K可以被划分为三类：PI3KC2α、PI3KC2β和PI3KC2γ。PI3KC2γ主要在肝、胰腺实质以及乳腺、前列腺和小肠中表达，PI3KC2α和PI3KC2β普遍在生物体内高度表达[9]。Ⅲ类PI3K存在于所有的真核生物中，参与PI的磷酸化过程，生成第二信使磷脂酰肌醇-3-磷酸，介导营养胁迫下的自噬和蛋白质合成过程[10]。Ⅲ类PI3K目前仅由液泡分选蛋白34一个部分组成，并在所有生物体中较为保守，参与液泡运输和自噬。当肾小球脏层细胞中缺乏Vps34的时候，导致细胞膜形态的异常、脏层细胞功能障碍等现象[11]。1.2蛋白激酶B（AKT/PKB）PI3K信号转导过程中，丝氨酸/苏氨酸激酶AKT是最关键的部分之一，属于PI3K下游的关键蛋白，位于N端的PH（pleckstrin homology）结构域、位于中部激酶区域以及C端的调节区域（RD）[12]。AKT的活性降低和失活，大部分均由于PH结构域缺失或者突变所致。AKT家族根据其在激酶域和调节域上苏氨酸和丝氨酸残基差异，分为三种亚型，即AKT1（PKBα）、AKT2（PKBβ）和AKT3（PKBγ），协同作用具有调控细胞的大小、发育及新陈代谢的功能[13]。AKT1和AKT2广泛表达，AKT1可促使细胞增殖和存活对胎盘发育、动物生长和脂肪生成具有重要作用；AKT2通常对胰岛素较为敏感，在动物体的肝脏、骨骼肌和脂肪组织等具有高度表达；AKT3的表达仅限于心脏、肾脏、大脑、睾丸、肺和骨骼肌[14]。1.3哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mTOR）mTOR是PI3K/Akt/mTOR信号通路下游的重要靶蛋白之一，营养素和生长因子的作用下控制其下游靶物激活磷酸化，与细胞生长和增殖密切相关的蛋白质结合。mTOR靶点是一种进化保守的丝氨酸-苏氨酸激酶[15]，以mTOR复合体1（mTOR1）和mTOR复合体2（mTOR2）的形式存在，哺乳动物mTORC1由mTOR和受体蛋白相互结合作用生成。mTORC1磷酸化后成为促进合成代谢以支持细胞生长和增殖的底物，促进新陈代谢、控制细胞生长发育以及凋亡[16]；哺乳动物mTORC2也是由mTOR和受体蛋白结合作用生成，提升蛋白激酶C的磷酸化水平，进一步调控肌动蛋白细胞骨架[17]。因此，mTOR是细胞生长和代谢的中央控制中心，通过PI3K/Akt/mTOR途径被激活，进一步调控下游蛋白协调合成代谢和细胞质量积累等多种生理功能[18]。mTOR不仅调节细胞的生长，而且对哺乳动物的早期胚胎发育甚至出生后的生长均有影响。PI3K/Akt/mTOR信号通路成员及功能见表1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2022.09.030.T001表1PI3K/Akt/mTOR信号通路成员及功能成分类别功能文献来源磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）Ⅰ类PI3KⅠA类存在于不同类型的细胞中，具有类脂激酶和蛋白激酶活性两种活性；ⅠB类只存在于白细胞中，可直接与Ｇ蛋白耦联受体上的亚基结合并活化Fruman等[6]、Yu等[7]Ⅱ类PI3K在细胞迁移和调控膜运输中发挥作用；还可划分为PI3KC2α、PI3KC2β和PI3KC2γ三类，PI3KC2γ主在肝、乳腺、小肠等表达，其他两类广泛存在Gulluni等[8]、De等[9]Ⅲ类PI3K存在于真核生物中，参与PI磷酸化过程；目前仅有液泡分选蛋白34一部分，参与液泡运输和自噬Backer[10]、Venkataerddy等[11]蛋白激酶B（Akt）Akt1、Akt2、Akt3属于PI3K下游中关键蛋白，位于PH区域、激酶区域和调节区域；根据激酶域和调节域上苏氨酸和丝氨酸的差异分为AKT1、AKT2和AKT3三种亚型，互作调控细胞大小、数量以及生长发育；AKT1和AKT2广泛表达，AKT3表达仅在心脏、肾脏、大脑等Manning等[12]、Roy等[13]、Huang等[14]哺乳动物西罗莫司靶蛋白（mTOR）mTOR1mTOR1磷酸化会是合成代谢和细胞生长的底物，进而促进细胞发育的过程Dibble等[16]mTOR2mTOR2会提升蛋白激酶C的磷酸化水平，进而调控细胞骨架生长发育Liu等[17]2PI3K/Akt/mTOR信号通路对牛细胞生长的影响细胞生长是一个受多维度多因素影响的协调过程，需要在细胞、组织和生物体中与营养物质、生长因子以及细胞周期的紧密调控才够正常生长，精确调控细胞生长对组织内环境稳定、能量平衡和发育至关重要，反之导致过度生长或增殖疾病[19]。为满足组织发育和内环境稳定的复杂需求，需要机体中各通路的协调作用。研究发现，PI3K/AKT/mTOR信号通路在哺乳动物的生长发育和新陈代谢中有着不可缺少的重要作用，是多种细胞功能的枢纽[20]。2.1PI3K/Akt/mTOR信号通路对脂肪细胞生长的影响脂肪是一种松散的结缔组织，由脂肪细胞组成，也是动物能量储存和内分泌功能的主要器官，不仅在调节新陈代谢方面起着重要作用，而且调节脂肪沉积量，以提高动物健康和肉品质。脂肪生成是前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞的过程。Wang等[21]观察出在体内和体外牛脂肪生成过程中，PI3K/Akt/mTOR信号通路受到miR-145表达下调的干扰，抑制牛前脂肪细胞分化。PI3K/AKT/mTOR通路传递G蛋白耦联受体（GPCR）和受体酪氨酸激酶的下游信号控制细胞增殖。Wang等[22]研究表明，牦牛纤维细胞中，PI3K/AKT途径的下游信号PIK3CG因OxGR1（GPCR中间产物之一）上调表达被激活，可上调CDK1、PCNA和CyclinD1基因表达，从而促进细胞增殖。Zhang等[23]研究发现，PI3K/Akt/mTOR途径受到IGF2影响，从而调节成纤维细胞生长增殖的过程。随高通量测序技术的成熟，部分研究运用高通量测序筛选牦牛和安格斯牛不同品种间脂肪组织中的差异基因，通过GO和KEGG数据库富集得到PI3K/Akt/mTOR信号通路，分别与脂肪生成和细胞生长有关[24]，确定安格斯牛脂肪组织生长发育的关键通路。研究不同阶段脂肪生成特征的过程发现，Akt在5-HTR2A过度表达时会被激活进一步调节脂肪细胞分化[25]。2.2PI3K/Akt/mTOR信号通路对乳腺上皮细胞生长的影响牛奶蛋白作为牛奶中重要的组成部分，是人类营养来源之一。牛乳腺上皮细胞（BMECs）合成乳蛋白能力是奶牛产奶最重要的决定因素之一，合成受到由PI3K/Akt/mTOR通路介导mRNA翻译以及内分泌信号的调节[26]。PI3K/Akt/mTOR信号通路通过调节氨基酸、营养素和激素等条件，影响BMECs与乳蛋白合成相关的信号分子和转录因子。Hu等[27]发现，氨基酸可被乳腺用作底物合成乳蛋白1，作为信号因子通过mTOR途径调节酪蛋白转录和翻译，进而生成乳腺上皮细胞生长过程中产生影响。奶牛围产期的研究结果表明，脂肪组织中mTOR和胰岛素会随着奶牛围产期生理状态变化而变化[28-29]。激活PI3K/Akt/mTOR信号通路对启动乳蛋白基因的转录和翻译也至关重要，研究以牛乳腺上皮细胞和组织为试验模型，结果表明乳腺上皮细胞中PI3K/Akt/mTOR信号通路因MEN1/Menin改变激素的作用，进而在乳蛋白合成中发挥调节作用[30]。乳腺发育和泌乳过程中PI3K/Akt/mTOR信号通路受microRNA（miRNA）上下调表达的影响[31]，乳腺发育和泌乳过程中受到影响。Johan等[32]提出一个转录网络模型（包含一个复杂的蛋白质网络），通过乳脂、蛋白质和乳糖调节之间的互作关系控制牛奶的合成，PI3K/Akt/mTOR途径作为中心枢纽发挥其作用。2.3PI3K/Akt/mTOR信号通路对卵母细胞和胚胎发育的影响环境稳定在哺乳动物卵母细胞发育过程中是重要的因素之一。在卵黄成熟早期时，Akt活性能够高度表达，当抑制PI3K/Akt信号通路时显著减少卵母细胞成熟，进一步降低胚胎发育能力。Ei等[33]研究发现，在卵黄成熟过程中加入SH6（一种特异性Akt抑制剂）可以显著降低卵母细胞的成熟、卵丘细胞的扩张和囊胚发育，说明抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路会降低卵母细胞生长以及影响胚胎发育。此外，研究Akt抑制剂对早期胚胎发育的影响时发现，在外源性卵泡抑制素治疗时会增加Akt的磷酸化，使Akt抑制剂失去作用[34]。在卵母细胞生长和获得能力的过程中，卵泡将卵母细胞封闭在微环境中。卵泡细胞和卵母细胞之间存在动态的相互作用。Andrade等[35]研究发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路与卵母细胞能力相关，在具有高质量卵母细胞的卵泡细胞中表达上调，使得卵母细胞达到囊胚阶段，表明PI3K/Akt/mTOR信号通路促进卵母细胞的生长发育。研究表明，PI3K/Akt/mTOR信号通路调控卵母细胞生长，mTOR是以浓度依赖的方式影响卵母细胞的成熟率，且得到mTOR和牛胚泡形成之间可能存在关联[36]。2.4PI3K/Akt/mTOR信号通路对其他方面的影响PI3K/Akt/mTOR信号通路除在产肉、产奶和胚胎发育方面具有重要的调控作用以外，在代谢病和炎症反应等方面发挥一定的作用。牛在急性瘤胃酸中毒期间的研究结果发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路抑制D-乳酸诱导IL-6和IL-8的表达和分泌，减少促炎反应[37]。以甲状腺激素对新生小牛睾丸支持细胞增殖和分化的影响为目的，发现PI3K/Akt/mTOR信号通路中某些基因的基因表达和蛋白水平受到T3负调控，进而抑制新生小牛支持细胞增殖，可能促进其分化[38]。已知许多病毒控制关键的细胞信号通路以促进病毒感染为主。研究表明[39]，PI3K/Akt/mTOR信号通路被牛疱疹病毒1型感染后可以诱导两个激活阶段，早期短暂激活和晚期持续激活，在产后奶牛中会经历一个与营养缺乏状态相似的炎症状态。营养素是免疫细胞激活和炎症平衡的关键协调器，可能通过PI3K/AKT/mTOR信号通路在细胞水平上发挥作用[40]。3PI3K/Akt/mTOR信号通路对牛细胞生长影响的机制PI3K/AKT/mTOR信号通路影响牛细胞生长是一个循环渐进的多步骤过程，PI3K被生长因子、受体酪氨酸激酶、细胞因子或者RAS蛋白直接激活后生成PIP3，PIP3与AKT的PH结构域相互识别，引导AKT从胞浆转移至胞膜，于磷酸肌醇依赖性激酶1（PDK1）紧密定位在膜上，PIP3与AKT在PDK1的作用下使苏氨酸蛋白磷酸化，在磷酸肌醇依赖性激酶2（PDK2）的作用下丝氨酸蛋白也磷酸化，因此AKT需要双重磷酸化才能够被彻底激活[41]。激活的AKT由细胞膜转移到细胞质中，mTOR活化后作用于下游的有效因子，促进牛脂肪细胞和牛乳腺上皮细胞生长分化以及卵母细胞分化和胚胎发育等过程[42-43]。在脂肪细胞生长的初始阶段中，PI3K/Akt/mTOR信号通路被胰岛素受体底物1（IRS1）的刺激信号激活，可以促进前脂肪细胞分化为成熟脂肪细胞[44]，Peng等[45]研究表明，在脂肪细胞分化过程中若缺少Akt或mTOR，均无法完全分化成脂肪细胞，因此PI3K/Akt/mTOR信号通路在脂肪细胞生长分化过程中需要一个完整的调节过程。在乳腺上皮细胞分化过程中，亮氨酸（Leu）和蛋氨酸（Met）进入细胞后可直接作用于PI3K/AKT/mTOR信号通路，通过刺激相关蛋白活性的调节分子使得乳腺上皮细胞生长，进而完成调节乳蛋白和乳脂肪的合成[46-47]。雌激素和催乳素作为主要的泌乳激素，通过PI3K/AKT/mTOR信号通路激活其下游效应蛋白S6K1（S6蛋白激酶1）和4EBP1（真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白1）控制乳腺上皮细胞生长，影响乳蛋白的合成过程[48]。在卵母细胞成熟过程中激活PI3K/AKT/mTOR信号通路，Akt通过激活和调节减数分裂所需的磷酸二酯酶3A（PDE3A）和细胞周期蛋白依赖激酶1（CDK1）促使卵母细胞第一次有丝分裂的完成，当PI3K/AKT/mTOR信号通路完全磷酸化，诱导卵母细胞生长和分化[49-50]。PI3K/Akt/mTOR信号通路调节脂肪细胞和乳腺上皮细胞生长以及胚胎发育等过程中发挥的作用机制，表明PI3K/AKT/mTOR是牛细胞生长过程中的重要部分，基于这些刺激因子作为胞外或胞内的影响因子，在不同的细胞表面受体或靶蛋白接收信号，调控下游多种信号调节细胞生长[51]。4结论PI3K/Akt/mTOR信号通路在调控细胞生长中是重要的参与者，通过激活PI3K、AKT、mTOR以及下游的有效因子，发挥出调节牛脂肪细胞和乳腺上皮细胞生长以及卵母细胞分化和胚胎发育等重要作用。未来家畜细胞生长研究可以结合基因组学、代谢组学以及高通量测序等技术，探讨家畜细胞生长过程中PI3K/Akt/mTOR信号通路的调控和协调；揭示更多有关牛细胞生长生理功能的调控机制；构建控制牛细胞生长和组织发育的稳定网络，为培育高效生长发育的动物品种提供参考。