蛋白激酶在脊髓損傷中作用機制的研究進展

郭垠利 白 潔 (昆明理工大學醫學院，云南 昆明 650500)

脊髓損傷(SCI)分為原發性脊髓損傷和繼發性脊髓損傷〔1〕。炎性因子、活性氧、興奮性毒性和代謝異常是導致繼發性損傷的主要原因。正常或病理條件下，磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)/磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路在中樞神經系統(CNS)中扮演著不同的角色，兩條通路的激活均能夠誘導細胞結構和功能的改變。本文就PTEN/PI3K和MAPK信號通路在脊髓損傷中的作用及其分子機理進行綜述。

1 PTEN和PI3K/Akt/mTOR信號通路

1.1 PTEN PTEN為第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源等位基因，高度表達在CNS成熟的神經元中〔2〕。PTEN定位于染色體10q23.3，編碼一個含403個氨基酸，相對分子量為56 kDa的蛋白質，PTEN具有脂質磷酸酶以及蛋白磷酸酶雙特異性活性〔3〕，在細胞增殖和神經細胞的生長中發揮重要作用。相關研究發現，抑制PTEN的活性可對神經元前體細胞產生保護作用，即敲除PTEN基因的神經元前體細胞對氧化應激損傷具有更強的抵抗作用。PTEN作為PI3K的拮抗劑，它限制了CNS中軸突的再生能力。有研究表明:在培養的海馬神經元中過表達PTEN，Akt的水平下降，而在不表達PTEN的神經元中Akt的水平升高。同時PTEN過表達組的神經元在興奮性谷氨酸誘導的神經元死亡實驗中的死亡數量明顯高于PTEN低表達或不表達組，說明PTEN可通過Akt依賴的信號途徑調節神經元的存活和死亡〔4〕。此外，PTEN拮抗肽(PAPs)通過與PTEN相關的結構域結合從而抑制PTEN的活性，阻斷PTEN的下游信號通路，促進軸突的生長。在背側半切損傷的小鼠模型中，PAPs可抑制PTEN的功能，從而誘導脊髓前端皮質脊髓束(CST)增多。PTEN的缺失能夠激活哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)，上調受損的視網膜神經節細胞(RGCs)和下行CST的神經細胞〔5〕。因此，CNS損傷后，下調PTEN的表達能夠激活PI3K/Akt/mTOR等多種信號轉導通路，促進軸突的再生并起到神經保護作用〔6〕。

1.2 PI3K/Akt信號通路 PI3K/Akt信號通路是重要的細胞存活信號通路，能夠被多種神經營養因子(NGF)以及多種細胞因子受體激活從而抑制細胞凋亡，發揮神經保護作用。PI3K被上游信號激活后生成3，4二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)和3，4，5三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)。PIP3作為多用途的第二信使，將Akt和磷酸肌醇依賴性激酶(PDK)募集到胞膜區，PDK磷酸化后可活化下游Akt的The308和ser473，誘發后續的級聯反應。活化的Akt由細胞膜釋放，通過一系列的底物磷酸化活化可抑制下游靶蛋白，進而調節細胞增殖、分化、凋亡和侵襲。PI3K/Akt作用取決于PTEN，PTEN抑制PI3K的激酶活性，使PIP3去磷酸化而轉化為PIP2，當細胞內PIP3含量降低，無法激活下游的Akt，則抑制了PI3K/Akt信號轉導通路，進一步抑制細胞存活，促進細胞凋亡〔7〕。因此，下調PTEN的活性，上調PIP3的生成是PI3K通過Akt介導促存活的必要條件。有研究表明:在脊髓損傷的病灶區域內磷酸化的Akt表達下降，然而在周圍的損傷半影區，神經元中磷酸化的Akt是上調的。圍繞病灶中心周圍的組織，Akt-Ser-437位點磷酸化水平在損傷8 h后達到最高峰并在受損24～48 h后逐漸消失〔8〕。由此可見，脊髓損傷后，磷酸化的Akt信號分子參與了細胞的凋亡與存活過程。此外有研究證實:當發生了SCI后，小鼠后肢的運動能力明顯降低，神經營養因子3(NT-3)以及胰島素生長因子(IGF-1)的表達都明顯降低，PI3K，p-Akt/Akt的比值也明顯降低，而活化的天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶3(caspase-3)表達卻增多。通過負荷跑臺運動能夠增強SCI小鼠后肢的運動能力，上調神經營養因子(NGF)，NT-3，IGF-1，抑制caspase-3的表達，增強運動功能〔9〕。由此可知，PI3K/Akt信號通路是促進神經細胞增殖，軸突再生的關鍵信號傳導通路。

1.3 mTOR通路 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，由2 549個氨基酸殘基組成，分子量為289 kD。其在感受營養信號，調節細胞生長與增殖中起著關鍵作用，同時參與基因轉錄、蛋白質翻譯、核糖體合成和細胞凋亡等生物過程，是細胞在應激狀態時的重要的調節分子，也是抑制細胞凋亡、抑制細胞自我吞噬的蛋白〔10〕。作為Akt的下游靶蛋白，Akt激活mTOR有兩種方式:Akt可直接磷酸化mTOR的Ser2448位點，激活mTOR以及其下游途徑，調控細胞生長與增殖;mTOR也可間接的被Akt激活，在正常情況下，結節性腦硬化復合物TSC1和TSC2形成的二聚體復合物是小GTP酶Rheb的抑制劑，而Rheb是mTOR活化所必需的刺激蛋白，因此TSC1/TSC2在正常情況下可抑制mTOR的功能，當Akt活化后，其可磷酸化TSC2，從而抑制了TSC1/TSC2復合物的形成，解除了對Rheb的抑制作用，使得mTOR被激活〔4〕。隨著PTEN的敲除，活化的mTOR同樣參與軸突的再生過程〔11〕。

mTOR主要下游效應器是核糖體蛋白p70S6激酶和4E結合蛋白1。4E結合蛋白1是翻譯的負調控因子，當受到外界刺激時，mTOR磷酸化4E結合蛋白1，通過一系列反應之后促進翻譯的起始。p70S6激酶是核糖體40S小亞基S6的蛋白激酶，mTOR通過磷酸化S6蛋白從而調控下游蛋白的翻譯。因此，mTOR調控著翻譯元件的生物合成，是蛋白質生物合成的基礎〔12〕。近來有報道指出，脊髓損傷后的第10天及第31天，在灰質神經元中觀察到了核糖體蛋白S6的上調〔13〕，這說明脊髓損傷后，活化的mTOR很可能參與到了促進存活以及抑制凋亡的信號通路中來。有研究表明:當敲除PTEN之后，激活了Akt/mTOR信號通路，從而促進了細胞的增殖以及CST的生長〔14〕。因此，通過抑制PTEN的活性或表達激活 PI3K/Akt/mTOR均可以起到促進細胞存活和抑制細胞凋亡的保護作用。然而，近來有研究證實:在SCI的小鼠模型中，使用雷帕霉素抑制mTOR的活性，可增強細胞自噬的活性，降低神經元的損傷程度、下調細胞凋亡。當mTOR的活性被抑制后，小鼠后肢的運動功能顯著性增強。在SCI的急性損傷階段，抑制mTOR信號通路能夠起到神經保護作用并且弱化后期的繼發性脊髓損傷〔15〕。在SCI中，mTOR信號通路的作用是雙向的，不同的損傷階段，mTOR扮演的功能作用是不同的。

2 MAPK信號通路

MAPK在神經系統內扮演許多重要的角色，包括促進細胞增殖、存活以及提高神經可塑性等。MAPK包括四個亞家族:細胞外信號調節蛋白激酶(ERK)、p38MAPK、c-jun N-末端蛋白激酶(JNKs)以及ERK5，每個亞族又可以分為幾個不同的亞型:ERK 1/2亞型、JNK1、JNK2和JNK3。這些信號通路的機制已經被廣泛的研究和報道過，例如MAPKs通過酪氨酸受體激酶、生長因子、炎癥細胞因子或其他受體激活，可產生分子效應的級聯反應〔16〕。

2.1 ERK信號通路 在MAPK家族中，ERK是最先被發現并且研究最多的成員。ERK包括兩種異構體，分別是ERK1和ERK2，分子量分別為44 kDa和42 kDa。ERK信號通路是多數生長因子、細胞因子調控細胞增殖的重要途徑，參與細胞周期的調控。ERK的分子機制都已被深入的探討過〔17〕，各種基因的突變都可引起ERK信號傳導的失調，可與多種神經系統發育異常相關，包括X連鎖智力遲鈍、努南綜合征和多發性神經纖維瘤病1 型等〔18〕。

在神經創傷的研究中，對ERK的神經保護作用和促進細胞凋亡作用一直存在分歧。有研究表明:在中樞神經系統遭受損傷后，多種細胞類型中均有磷酸化 ERK的表達〔19〕。通過NGF以及ERK激酶的治療，過表達的ERK能夠促進神經細胞的存活以及軸突的生長。磷酸化的ERK對大腦缺血性死亡還可以起到神經保護作用〔16〕，在脊髓損傷后，活化的ERK可介導腦源性神經營養因子(BDNF)的上調并且下調有害的神經生長因子前體，發揮神經保護作用。ERK能夠通過膠質細胞源性神經營養因子(GDNF)介導軸突再生長，從而促使神經細胞粘著分子(NCAM)發揮修復神經系統 SCI的作用〔20，21〕。因此，ERK信號的上調可以發揮神經保護、修復以及功能恢復等作用。

另一方面，活化的ERK對中樞神經系統也會有負面作用〔21〕。SCI后，抑制 ERK1/2 的表達能夠阻止細胞凋亡〔22〕。在中樞神經系統中，活化的ERK與疼痛信號也具有相關性〔23〕，ERK參與疼痛的超敏反應主要通過與上調NMDA受體(NMDA)的亞單位未實現〔24〕。有研究表明:在體內，ERK1的缺失對于脊柱的疼痛幾乎不產生任何影響，然而活化的ERK2上調在疼痛反應的機制中卻起了很大的作用〔25〕。這說明，每個ERK的異構體在不同的刺激條件下可能扮演不同的角色。在SCI后，利用RNAi技術敲除蛛網膜下腔以及椎管內的的ERK2蛋白，有助于機體功能的恢復。在脊髓損傷1 d后，磷酸化的ERK 1/2顯著上調，這種增高現象可持續3 d〔26〕。說明活化的ERK在神經保護作用十分重要，在不同的損傷情況下ERK發揮不同的作用。

2.2 p38和JNK信號 p38和JNK信號通路通常與細胞的炎性反應及應激反應相關，同屬于應激激活的蛋白激酶。p38由360個氨基酸殘基組成，分子量為38 kD。p38信號通路是MAPK通路的一個重要分支，它在炎癥、細胞應激、凋亡、細胞周期和生長等多種生理和病理過程中起重要作用。p38MAPK可隨著損傷后的應激反應而被激活，激活的p38 MAPK通過下游的許多效應器完成炎性應答〔27〕。有研究表明:在受損的脊髓神經元、星形膠質細胞和巨噬細胞內，p38MAPK的表達上調〔28〕。活化的p38可蛋白也可以促進細胞的增殖和存活。有研究表明:各類應激源激活p38MAPK之后，活化的p38將MK2磷酸化，磷酸化的MK2作為活性形式與結合于熱休克蛋白27(Hsp27)的Akt接近，將Akt絲氨酸473位點磷酸化，激活Akt促存活通路，同時磷酸化的MK2也可將Hsp27磷酸化，使之解聚為分子量較小的多聚體或者單體磷酸化Hsp27，磷酸化的Hsp27作為一類小分子熱休克蛋白，在多種應激事件之后，常作為保護機制而迅速升高，抵御應激造成的機體損傷，減少凋亡的發生〔28〕。同時有研究表明:在坐骨神經的慢性壓迫性損傷(CCI)中，通過阻斷p38MAPK的活性能夠有效地弱化神經性疼痛〔29〕，由此可見，p38與脊髓神經損傷關系密切。

JNK位于胞質，是分子質量為54 kD的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通常參與炎癥和細胞死亡。有研究表明，JNK通路的激活與多種系統的促凋亡作用有關〔30〕。在脊髓損傷中，活化的JNK增強軸突變性并且降低機體功能的修復能力〔31〕。雖然JNK/SAPK信號傳遞途徑的激活與細胞凋亡密切相關，但是有些研究表明，在某些類型的應激刺激下，激活JNK/SAPK并不導致細胞凋亡，都可能與細胞增殖反應有關。

3 總結

SCI一直以來都是難以攻克的難題，雖然目前在臨床上，我們已經找到了治療的手段能夠可有助于SCI的恢復，然而對于徹底根治SCI還有待提高。本篇綜述了在脊髓損傷中，PTEN/PI3K/AKTmTOR以及MAPK信號通路，以及這些信號通路在脊髓損傷后相關的修復以及誘導繼發性損傷的作用機理，為研究創傷性中樞神經系統產生的繼發性損傷以及組織病變提供了理論依據。

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