PI3K/Akt/mTOR信號通路在神經性疾病中的研究進展

王彬，廖燁暉，趙云欣，陳茉弦，劉垚，敖麗娟

(昆明醫科大學康復學院，昆明 650500)

與單細胞相比，多細胞是可控的集合，其維持不但取決于物質的能量代謝，也決定于細胞間交流和內部信號變化。然而，細胞間交流和內部不同信號通路變化調節或影響著各種生命活動和細胞行為。當機體遭受各種內外致病因素的刺激與干擾時，細胞內多種信號通路產生過度應激或過度抑制、組織穩態失衡，進而導致各類疾病的發生，其中包括神經性疾病。據世界衛生組織統計，全球有數億人受到神經性疾病的干擾，如阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、亨廷頓病(Huntington′s disease，HD)、神經病理性疼痛(neuropathic pain，NP)、癲癇以及多發性硬化癥等，成為影響人類軀體功能和生活質量的主要疾病負擔[1-5]。因此，對神經性疾病相關的潛在分子機制進行研究較為迫切。有研究表明，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)及其下游效應因子哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一類信號轉導通路，該通路參與了人類疾病的發生，并能對機體內多種生物學功能進行調節[6-7]。另外，有文獻報道雖然該通路多與腫瘤發生有關，但其在人類其他疾病中亦可出現異常，特別是在神經性疾病的發生及進展中發揮重要的調控作用[8]?，F就PI3K/Akt/mTOR信號通路在神經性疾病中的研究進展予以綜述。

1 PI3K/Akt/mTOR信號通路

1.1PI3K PI3K是脂質激酶家族一員，通過磷酸化質膜磷脂酰肌醇上的3-羥基來激活[9]。根據其結構和底物特異性，PI3K可分為3種亞型：Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類。而在這些激酶中，研究最為廣泛的是Ⅰ類PI3K，可以直接被細胞表面受體激活[10]。Ⅰ類 PI3K由調節亞基(p85α、p85β以及p85γ)和催化亞基(p110α、p110β、p110δ以及p110γ)組成并構成異二聚體[11]。另外，Ⅰ類PI3K根據其激活方式進一步分為ⅠA和ⅠB類。其中，ⅠA類PI3K的p85調節亞基直接與細胞膜上酪氨酸受體結合，而酪氨酸受體可由血小板源性生長因子和相關受體蛋白的配體激活。因此，這種結合會激活催化亞基p110，以促進細胞膜上磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸轉化而產生第二信使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)[12]。PIP3調節的下游途徑之一是與含有plekstrin同源(plekstrin homology，PH)結構域蛋白Akt和磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositide-dependent protein kinase 1，PDK1)結合，調節PDK1促使Akt上的絲氨酸(serine，Ser)308磷酸化以激活Akt。ⅠB類PI3K是通過p101調節亞基和p110γ催化亞基結合而構成異二聚體，可經由p110γ與G蛋白偶聯受體上的Gβγ亞單位直接結合而活化[13]。

1.2Akt 哺乳動物中的Ser/蘇氨酸(threonine，Thr)激酶Akt又稱PKB，有Akt1、Akt2和Akt3三種亞型，它們是PI3K信號轉導通路中的關鍵分子[14]，分別由PKBα、PKBβ和PKBγ編碼[15]。Akt1在調控中起主要作用并廣泛在組織中激活，Akt2主要在胰島素組織中激活，而Akt3在大腦和睪丸中激活[16]。3種Akt亞型的絕大多數氨基酸序列同源并具有非常相似的三維結構，它們由3個不同功能域組成，如PH結構域、中心催化結構域和C端調節域。其中，PH結構域主要介導Akt激活后的膜轉位。中心催化結構域含有ATP結合位點，Akt激活依賴其內部Thr308位點的磷酸化。C端調節域包含大量脯氨酸，含有Akt激活所需的另一個磷酸化Ser473位點[17]。因此，PI3K調節亞基可與細胞膜上的相應受體結合，對其催化亞基進行激活以催化PIP3形成，隨后將PDK1和Akt募集到細胞膜上而起作用[18]。

1.3mTOR mTOR來自Ser/Thr蛋白激酶，是相關激酶蛋白家族成員，其參與對胞內相關營養信號的傳導并調節細胞生長和增殖[19]。mTOR由兩個不同核心蛋白質復合物組成，分別為mTOR復合物(mammalian target of rapamycin complex，mTORC)1和mTORC2[20]。其中，mTORC1由mTOR、Raptor、mLST8、PRAS40及Deptor組成，主要是對細胞生長、能量代謝及蛋白合成進行調節，可受雷帕霉素治療的影響。而mTORC2是由mTOR、Rictor、mLST8、mSIN1及Deptor組成，主要是對肌動蛋白、細胞代謝及存活進行調節，但對雷帕霉素治療不敏感[21]。一方面，mTORC1是Akt下游效應因子，能被磷酸化的Akt激活。另一方面，mTORC2亦能使Akt Ser殘基Ser473磷酸化并刺激PDK1對Thr殘基Thr308磷酸化，最終導致Akt完全激活[22]。

2 PI3K/Akt/mTOR信號通路與神經性疾病

2.1AD AD是臨床較為常見的神經性疾病，其特征改變為記憶障礙和執行功能障礙等。AD典型異常包括突觸改變、神經元損傷、腦部炎癥等。微觀上，AD的腦部特征是兩種異常結構的共同存在，即細胞外淀粉樣斑塊和神經內神經原纖維纏結[23-24]。β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)(老年沉淀斑塊的主要成分)是跨膜淀粉樣前體蛋白的蛋白水解片段，而Tau蛋白是腦特異性軸突富集的微管相關蛋白[25]。Tau蛋白對維持微管組成和結構完整性較為重要，然而AD中異常Tau蛋白的過度磷酸化和累積是線粒體功能障礙、神經退行性改變和認知障礙的生物標志物，會促使微管內部結構紊亂和神經原纖維纏結形成，最終導致神經元死亡和老年斑沉積[26]。

Akt介導Tau蛋白Thr212、Ser214、Ser202以及Thr205的磷酸化，該過程主要由PI3K-PDK1催化[27]。PIP3在質膜上合成增加，促進Akt和PDK1結合以激活激酶介導的磷酸化過程。研究指出，Tau蛋白聚集是通過糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3 beta，GSK-3β)[28]和PI3K的刺激作用發生，PI3K通過激活Akt以抑制GSK-3β磷酸化，而Akt激活可對Tau蛋白聚集起到抑制作用[29]。因此，對PI3K/Akt/mTOR信號通路進行抑制或減弱可以激活GSK-3β，從而促使Tau蛋白磷酸化，最終誘導神經原纖維纏結形成[30]。同時，Aβ也與PI3K/Akt/mTOR信號通路相互作用[31]。Song等[32]通過使用五味子醇A減少海馬神經元內細胞凋亡、相關凋亡蛋白表達及氧化應激等，從而對神經細胞起保護作用。并證實五味子醇A對神經元的保護作用是由于激活胞內PI3K/Akt/mTOR信號通路而減弱Aβ誘導的細胞自噬的毒性反應，進而能夠預防和治療AD。Xu等[33]研究發現，Aβ亦可通過激活GSK-3β以抑制或減弱神經元和神經干細胞中的PI3K/Akt/mTOR信號通路激活，導致Tau蛋白過度磷酸化，最終誘導神經毒性反應。另外，有研究者通過使用新型藥物cubeben發現，其通過抑制PI3K-Akt信號通路誘導了異常細胞的自噬，進而達到清除Aβ以保護細胞的目的，并避免該信號通路誘發的毒性反應[34]。近年Chu等[35]使用氧化石墨亦證實，通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路能進一步誘導AD小鼠的自噬，并進一步改善AD小鼠的認知功能。然而，以上兩個研究均是通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路而改善AD，這與Song等[32]和Xu等[33]的研究認為通過激活該通路而治療AD的結論相矛盾，產生此矛盾的原因可能由于藥物選擇、研究對象等不同所致?？梢?，不管是抑制或激活PI3K/Akt/mTOR信號通路，其最終均是通過降低神經毒性反應而達到治療AD的目的。

2.2PD PD是重要的神經性疾病，涉及許多典型異常運動表現，如靜止性震顫、動作和面部僵硬及運動遲緩等[36-37]。此外，亦有非運動表現，如自主神經、精神、感覺及認知障礙[37]。

盡管多年來學術界對PD開展了多方面研究，但其具體發病機制尚未完全了解。雖然目前的治療方法可以很好地控制運動癥狀，但不能改變疾病的發展[38]。因此，尋找潛在的分子靶標在臨床治療PD中較為重要[39]。有研究發現，Akt在PD患者黑質致密部的表達明顯減少[40]。而PI3K/Akt/mTOR信號通路的激活可通過抑制細胞凋亡來促進多巴胺神經元存活和生長，起到減慢PD發展的作用[41-42]。Peng等[40]則研究證實，通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路能抑制黑質內多巴胺神經元的凋亡和自噬，對神經元起保護作用并減緩PD的進展。亦有文獻報道，PI3K/Akt/mTOR信號通路是導致PD失調的途徑之一，通過上調或激活該通路可能達到改善PD癥狀的目的[40,43]。Wang等[44]采用神經毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)建立PD模型，發現胰島素樣生長因子1能通過促進Akt和mTOR磷酸化以降低神經毒性反應，進一步抑制多巴胺能神經元上MPTP誘導的自噬，啟動神經元保護作用，從而明顯緩解PD癥狀，說明激活PI3K/Akt/mTOR信號通路與治療PD高度相關。此外，有研究指出生物堿治療PD的機制同樣是通過上調PI3K/Akt/mTOR通路而有效保護神經元免受PD小鼠模型中MPTP引起的毒性反應[45-46]。這與Salama等[47]在PD大鼠中得到的研究結果類似。Huang等[48]選用一種特殊中藥“玉竹”進行研究，發現該藥能激活Akt/mTOR通路而產生抗凋亡和抗氧化作用，起到改善由MPTP誘導PD小鼠的運動障礙和減輕對多巴胺神經元的損傷作用，這更加說明了PI3K/Akt/mTOR信號通路在治療PD中的巨大潛力，并可能成為未來研究的熱點?？梢?，在PD的發展過程中激活該通路可以抑制神經細胞的凋亡和自噬，從而有效改善疾病帶來的影響。

2.3HD HD通常表現為不規則的肌肉抽搐，亦有手指彎曲和伸展、點頭和面部肌肉抽搐。隨著病情進展，HD會進一步發展為面部、頸部、四肢以及軀干出現非自主性舞蹈樣運動，隨后產生精神癥狀表現為抑郁性情緒和人格變化[49-50]。

在神經生長因子刺激作用下，對RAS/PI3K/Akt通路上任何靶點進行抑制均會顯著降低神經元的存活率[51]。RAS作為上游效應因子能通過PI3K抑制細胞凋亡，提示PI3K及其下游效應因子是細胞存活和神經元保護的關鍵[52]。腦源性神經營養因子在神經元存活和生長中也起著重要作用。一些研究表明，腦源性神經營養因子通過與其受體原肌球蛋白受體激酶B結合以激活PI3K/Akt通路，進而起到神經元保護作用并減緩HD發展[53-55]。除AD外，Tau蛋白也可在HD神經元中被過度磷酸化而成為HD病理變化的標志[56-57]。此外，亦有研究發現GSK-3β可通過PI3K/Akt通路使Tau蛋白過度磷酸化，而通過PI3K/Akt通路也能負向調節該過程，故通過作用于此信號通路能改變GSK-3β活性以影響Tau蛋白過度磷酸化水平，從而間接參與HD的發生[58-59]。另外，有部分研究者得出相反結論，認為在HD發展過程中PI3K/Akt/mTOR信號通路處于過度激活狀態，因此通過抑制PI3K/Akt/mTOR信號通路可以達到治療HD的目的。Yue等[60]研究發現，G蛋白偶聯受體30的激活可減少由谷氨酸誘導的神經元過度自噬，并保護神經元免受興奮性毒性的影響，而這一作用主要是通過調節PI3K/Akt/mTOR信號通路并抑制其磷酸化實現。同時，有研究表明對該通路進行干預可以促進神經元存活并減少細胞凋亡，更加證明了此通路是負向調節而加速HD的發展，對其阻斷將能有效治療HD[61]。然而，目前對PI3K/Akt/mTOR信號通路進行激活或抑制治療HD的報道尚存在差異，產生這種情況的原因可能由于研究設計、動物選擇、藥物機制等方面的不同，未來仍需進一步研究。

2.4NP 作為另一種神經性疾病，NP的發生同樣多見。國際疼痛研究協會將NP定義為“由軀體感覺系統的損傷或疾病引起的疼痛”[62]。據統計，受該病影響的患者占7%～10%[4]。NP由各種原因引起，包括組織或神經損傷，以自發性疼痛、超敏和痛覺過敏為特征[63]。目前，抗抑郁和抗癲癇等藥物已運用于NP的治療，但這些藥物均有副作用且效果欠佳[64]。因此，臨床對NP的治療仍較困難。

NP的發生涉及多種機制，而其中研究較為廣泛的是中樞敏化，其是疼痛維持和形成的核心機制[65]。以往有研究表明，PI3K/Akt通路的激活對脊髓中樞敏化形成是必需的[66]。而mTOR是PI3K/Akt下游的一種重要效應因子，可通過改變核糖體激酶活性來調節突觸蛋白合成，改變突觸傳遞的興奮性，進而維持異常長時間疼痛。有研究指出，mTOR在疼痛相關的中樞神經系統中被激活[67]，是周圍神經損傷誘導NP的有效靶點[68]。而對其阻滯將起到有效緩解疼痛的作用。Duan等[69]發現，使用mTOR抑制劑可明顯降低由硼替佐米誘導的NP，證明mTOR是治療NP的一個關鍵靶點。Guo等[70]在慢性壓迫性損傷大鼠模型中研究PI3K/Akt/mTOR信號通路與慢性NP和脊髓小膠質細胞的相關性，發現對PI3K/Akt/mTOR信號通路進行抑制能有效減輕疼痛并減少骨髓中小膠質細胞的活化，提示該通路與疼痛發展有關，可能是治療NP的有效靶通路。此外，Liu等[71]對PI3K/Akt/mTOR信號通路進行研究亦證實，使用該通路抑制劑不僅減少P物質和降鈣素基因相關肽等疼痛介質的表達，也能改善大鼠坐骨神經內膜異位癥誘發的疼痛超敏反應。近年，Liu等[72]研究表明通過大鼠脊神經結扎手術能夠顯著誘發NP，而在高壓氧的干預下大鼠疼痛明顯緩解，其有效機制是通過抑制Akt-mTOR信號通路實現，進一步提示PI3K/Akt/mTOR通路與NP顯著相關?？梢?，PI3K/Akt/mTOR信號通路可能參與并維持NP的發生，未來對該通路進行調控而緩解NP具有顯著的臨床價值。

2.5其他神經性疾病 PI3K/Akt/mTOR信號通路介導的神經性疾病不僅包括AD、PD、HD、NP，該通路的異常還與其他神經性疾病的發生也有關。Chen等[73]在探討聚焦超聲干預癲癇大鼠時對PI3K/Akt/mTOR信號通路的影響，發現通過聚焦超聲刺激后大鼠癲癇癥狀減輕、神經元異常放電減弱以及PI3K/Akt/mTOR信號通路表達下調，提示該通路與癲癇發作有關，抑制此通路有望達到治療癲癇的目的。同樣，有學者在大鼠癲癇模型中也發現通過調節PI3K/Akt/mTOR信號通路能有效緩解記憶力減退[74]。另外，諸多學者在缺血缺氧性腦損傷[75-76]、腦外傷[77]以及脊髓損傷[78-79]等疾病中發現PI3K/Akt/mTOR信號通路介導了疾病發展，以致對該通路進行調控能明顯抑制神經元凋亡，促進細胞存活，從而有效保護神經元，最終能應用于疾病的治療。對于多發性硬化癥，有研究顯示PI3K/Akt/mTOR信號通路能在免疫調節上發揮作用以預防或延緩疾病的復發，最終可達到減慢患者殘疾進程的目的[80-81]。以上研究表明，在許多神經性疾病進程中PI3K/Akt/mTOR信號通路均有參與并在其中發揮重要作用。雖然目前該通路影響疾病的具體調節機制仍不清楚，但以其作為靶標可能成為神經性疾病治療的一種新策略。

3 小 結

PI3K/Akt/mTOR信號通路是重要的信號轉導途徑，參與了細胞生理過程的調控，與細胞生長、增殖、癌癥和壽命等直接相關，并由哺乳動物酶聯受體介導。該通路的激活伴隨Akt、mTOR及其下游相關效應因子磷酸化水平的升高并調控著信使RNA翻譯和蛋白合成過程，進而對生物功能產生不同影響。PI3K/Akt/mTOR信號通路參與了生物體細胞內相關代謝，其活性的上調或下調均與神經性疾病的發生具有緊密聯系。不同細胞中，PI3K/Akt/mTOR信號級聯反應可產生不同生理和病理變化，從而介導不同生物學反應。

然而，該信號通路的結構和功能及其與上游和下游效應因子的關系較為復雜，因此需要進一步開展相關方面的研究。有諸多研究報道，PI3K/Akt/mTOR信號通路與大多數神經性疾病發生有關，如AD、PD、HD、NP、癲癇、缺血缺氧性腦損傷、腦外傷、脊髓損傷及多發性硬化癥等[32，44，60，70，76-79]。未來，對PI3K/Akt/mTOR信號通路的關鍵調控過程進行深入探索將有助于闡述上述神經性疾病的發病機制，并為人類疾病治療提供新的分子靶標和方向。