磷脂酰肌醇-3磷酸激酶／AKT／雷帕霉素靶蛋白信號通路參與中樞神經損傷保護與修復的研究進展

匡巍，余昌胤

（遵義醫學院附屬醫院神經內科，貴州遵義 563003）

不同原因造成的中樞神經系統損傷都可表現為突觸連接中斷甚至神經細胞死亡。與周圍神經不同，成年哺乳動物中樞神經對缺血、缺氧等損傷刺激耐受差，當損傷后其再生能力弱［1］。目前對神經損傷后神經功能恢復仍無有效治療方法，這給患者身心、家庭及社會帶來巨大的壓力，因而如何促進神經再生成為國內外研究的熱點及難點。目前研究發現激活PI3K／AKT／mTOR信號通路不僅減少神經損傷，促進突觸重塑，還可誘導神經分化，這些作用均有助于對神經疾病治療。

1 磷脂酰肌醇-3磷酸激酶／AKT／雷帕霉素靶蛋白（PI3K／AKT／mTOR）信號通路關鍵信號分子

1.1 PI3K 為原癌基因編碼，是細胞內信號傳導相關酶。根據一級結構、調控機制和底物特異性不同可將PI3K分為3種亞型，其都具有磷酸化磷脂酰肌醇第3位羥基的能力［2］。

（1）PI3KⅠ型：由催化亞基和調節亞基組成的異二聚體，直接參與細胞表面受體的激活，通過其基因序列又分為ⅠA和ⅠB兩個亞型。PI3KⅠA型由催化亞基 p110和調節亞基 p85組成，可以被RTKs、GPCRs及某些原癌基因如Ras激活。在哺乳動物體內，PIK3R1，PIK3R2和PIK3R3基因編碼表達 p85α、p55α、p50α、p85β和 p55γ調節亞基，其中前三種調節亞基由PIK3R1通過不同剪切產生，這五種調節亞基統稱為p85。調節亞基p85含有SH2結構域，可與含有相應結合位點的靶蛋白相作用，如SH2能與胞外激活的生長因子受體上磷酸化的酪氨酸殘基結合或與Ras結合 ，促使p85及p110產生構象變化從而活化P110。活化后的催化亞基p110能催化4，5-二磷酸磷脂酰肌醇磷酸化為3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇。PI3KⅠB型由催化亞基p110γ和調節亞基p101組成，可以被G蛋白偶聯受體激活，調節亞基p101通過與G蛋白Gβγ亞基結合活化催化亞基p110γ。

（2）PI3KⅡ型：由單一催化亞基構成，分為PI3KC2α，PI3KC2β和 PI3KC2γ三種亞型，可通過酪氨酸激酶受體、細胞因子受體和整合素激活，催化磷脂酰肌醇、4-磷脂酰肌醇磷酸化為3-磷脂酰肌醇、3，4-磷脂酰肌醇。目前對PI3KⅡ型的功能調控及生理作用尚未研究清楚。

（3）PI3KⅢ型：其結構與Ⅰ型相似，由催化亞基Vps34和調節亞基Vps15／p150組成，只能將磷脂酰肌醇磷酸化為3-磷脂酰肌醇。Vps34在所有真核生物中表達保守，是膜信號轉運重要調節蛋白，其活性受到糖、氨基酸等營養物質及G蛋白偶聯受體調節，并可通過激活mTOR1促進細胞合成，顯示其具有潛在的生長調節功能。此外，PI3KⅢ也參與細胞自噬調控［3］。

1.2 AKT 又名蛋白激酶B（PKB），因其能磷酸化絲氨酸／蘇氨酸（Ser／Thr），被稱為絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。AKT有3種結構相似的亞型：AKT1，AKT2和 AKT3，分別由 PKBα、PKBβ、PKBγ基因編碼，廣泛存在于各種組織。三種亞型均在氨基末端含有一個PH結構域，一個中央絲氨酸／蘇氨酸催化域和一個碳末端調節域，當3-磷脂酰肌醇與AKT氨基末端的PH結構域結合促使AKT構象變化，從胞質轉移到胞膜上，在3-磷脂酰肌醇依賴激酶1（PDK1）的協同作用下，在Thr308位點磷酸化AKT。AKT S473位點則主要通過PDK2、整合素鏈激酶（ILK）、雷帕霉素復合物2（mTORC2）和 DNA依賴性蛋白激酶（DNA-dependent protein kinase，DNA-PK）磷酸化，也可受到Thr308磷酸化后的AKT自磷酸化影響［4］。AKT不同位點磷酸化使其對底物選擇及活性上產生差異，從而產生復雜的調控方式［5］，然而目前尚不明確AKT在不同位點磷酸化產生的生理功能調控作用差異。

1.3 mTOR 是PI3K相關激酶家族成員及PI3K／AKT信號通路的下游分子，屬于不典型的絲氨酸／酪氨酸蛋白激酶。mTOR通過與其結合亞基不同分為 mTORC1和 mTORC2。mTORC1由mTOR、Deptor、MLST8、PRAS40、Raptor組成，受胰島素、生長因子、磷脂酸、氨基酸及其衍生物、機械刺激和氧化應激的調控，調節細胞能量代謝及蛋白合成。mTORC2由 mTOR、Deptor、MSIN1、GβL、RtctorTTI1和TEL2組成。目前對mTORC2信號知之甚少，mTORC2通過尚不確定的機制可對生長因子刺激產生反應，其過程同樣需要PI3K參與。mTORC2控制AGC亞家族成員的幾種激酶，如血清和糖皮質激素誘導的蛋白激酶（SGK1）和蛋白激酶C-α（PKC-α），并在S473位點磷酸化AKT使其完全激活［6］。

1.4 PTEN 作為PI3K天然抑制劑，參與PI3K通路負調節，在體內細胞中廣泛表達，參與細胞周期的調控，防止細胞生長和分裂過快。其主要包括一個磷酸酶結構域和C2結構域。磷酸酶域為其活性部位，而 C2結構域促使其與磷脂膜結合，因而PTEN通過其磷酸酶結構域和C2結構域與磷脂膜結合，將與膜結合的PIP3脫去磷酸，從而抑制AKT激活［7］。

2 PI3K／AKT／mTOR信號通路保護損傷的神經細胞

PI3K／AKT／mTOR信號通路是調節細胞周期的重要通路，該通路可促進細胞增殖、生長，維持細胞存活。研究發現在誘導中樞神經神經損傷時通過激活PI3K／AKT／mTOR信號通路可減輕對神經細胞的損傷作用，減少細胞死亡，而抑制該通路后可導致神經損傷加重，這種保護作用主要通過阻止細胞凋亡及抑制自噬產生。

凋亡是細胞主動死亡的過程，多種損傷刺激包括缺血缺氧、藥物、代謝廢物堆積、持續癲癇發作等均導致中樞神經細胞凋亡。研究發現激活AKT后可通過多種途徑抑制神經細胞凋亡：P-AKT可將Bad磷酸化，從而抑制Bad游離及向線粒體轉移，游離態的Bad可與Bax從Bcl-X中置換，Bax游離后形成二聚體移位到線粒體膜上使細胞色素氧化酶C從線粒體中釋放，激活caspase級聯反應，導致細胞凋亡；P-AKT可直接磷酸化caspase 9抑制其活性，阻止細胞凋亡［8］；當轉錄因子FOXOs轉移至細胞核中，可促進凋亡因子轉錄，誘導細胞凋亡，而P-AKT可通過磷酸化FOXOs使其固定在細胞質中，抑制細胞凋亡［9］；p-AKT還參與 CREB激活，活化后的CREB可促進一些細胞因子如BDNF轉錄表達，BDNF通過PI3K通路作用，加強對受損神經保護［10］；神經細胞受到傷害刺激后可快速激活NF-κB，NF-κB可促進抗細胞凋亡蛋白IAP1／2合成，p-AKT則可通過激活IκB激酶促進NF-κB向核內轉移啟動IAP1／2基因轉錄及蛋白合成，抑制細胞凋亡［11］。

自噬是細胞自我消化的過程，其對維持細胞存活的作用具有雙重性，在正常生理環境中細胞通過自噬作用清除胞內有害物質以及促進細胞器更新，但在病理環境中細胞自身代謝障礙、營養缺乏，在損傷早期可通過有限的自噬作用回收一些大分子蛋白以應對環境壓力，促進細胞存活，然而過度的自噬作用將導致維持細胞基本活動的蛋白、細胞器等被消化，細胞則會死亡。自噬可通過多種途徑調控，其中AMPK及mTOR1信號通路占主導作用。mTOR1激活可抑制自噬，AMPK激活促進自噬［12］。自噬在中樞神經損傷中的作用同樣具有雙重性：一方面，在大部分中樞神經損傷過程中，損傷刺激往往產生嚴重或快速的自噬反應，導致神經細胞死亡，當激活 mTORC1可減少神經細胞自噬死亡［13-14］；另一方面在阿茨海默病發生發展過程中自噬作用是有利的，阿茨海默病發生是由于Aβ蛋白堆積導致神經元死亡，Aβ蛋白可通過自噬作用清除，減少毒性物質積累，因此可通過抑制mTORC1加強細胞的自噬作用，延緩阿茨海默病的發展［15］。

3 PI3K／AKT／mTOR信號通路保護血腦屏障

血腦屏障（BBB）是在中樞神經系統中將血液與腦細胞外液分割的高選擇性半透膜屏障，腦血管內皮細胞間形成的緊密連接是決定BBB滲透性的重要因素。BBB功能及結構完整性維持了神經正常功能活動。腦卒中、創傷及某些系統性疾病往往造成 BBB破壞，造成神經炎癥反應，加重神經損傷［16］。

通過激活PI3K／AKT可緩解BBB破壞。Wang等［17］發現堿性成纖維細胞生長因子（bFGF）通過PI3K／AKT途徑激活Rac1抑制RhoA，上調p120-連環蛋白、β-連環蛋白表達，促進緊密連接蛋白合成，保護BBB。Li等［18］發現粒細胞刺激因子（G-CSF）可通過PI3K／AKT途徑抑制糖原合酶激酶3β（GSK-3β），GSK-3β抑制后一方面通過減少血管細胞粘附分子（VCAM）和細胞間粘附分子（ICAM）表達，減輕免疫細胞對毛細血管滲透作用，減輕神經炎癥反應，另一方面GSK-3β抑制后也可促進緊密連接蛋白合成，維持BBB穩定。

4 PI3K／AKT／mTOR信號通路可促進損傷后突觸修復

中樞神經細胞間通過復雜的突觸連接進行信號傳遞與信息處理，然而各種神經損傷往往造成髓鞘脫失，突觸連接中斷，這導致了神經功能缺損。

研究發現通過激活 PI3K／AKT／mTOR信號通路，可促進神經突觸再生。Park等［19］最先報道了該通路對中樞神經軸突再生作用，他通過對敲除抑癌因子 Rb、P53、Smad4、Dicer、LKB1和 PTEN基因的小鼠視神經（RGCs）進行物理損傷，發現當敲除PTEN基因的小鼠RGCs在損傷2周后再生的神經軸突明顯延長，在損傷后第4周再生的軸突已延伸到視交叉區，而其他組無此變化。當敲除PTEN后發現PI3K及其下游分子激活增強，促進了軸突的再生。Miao等［20］也通過對視神經Raptor敲除后發現受mTORC1調控的4E-BP和S6K磷酸化減少，軸突的再生能力減弱，這說明mTORC1可通過磷酸化4E-BP和S6K促進軸突相關結構蛋白合成。當抑制mTORC1上游AKT的激活后，軸突再生的抑制作用比抑制 mTORC1還強，因為 AKT除了激活mTORC1，其還可通過磷酸化作用失活GSK3β，從而減弱 GSK3β對突觸再生的抑制作用。目前對mTORC2在神經再生中的作用尚不明確，有研究認為mTORC2可在S473位點磷酸化AKT增強其激活mTOR1的能力，從而促進神經再生，然而也有研究認為S473位點磷酸化的AKT對GSK3β磷酸化作用下降，從而抑制神經再生。

神經髓鞘可以促進神經沖動傳遞，減少相鄰突觸間干擾，并營養神經細胞。髓鞘損傷后可導致神經沖動傳導異常甚至導致神經細胞死亡，因此神經髓鞘修復對神經纖維再生的意義同樣重要。研究發現PI3K／AKT／mTOR信號通路除了促進神經突觸再生，在神經髓鞘的形成中也起著重要作用。Zou等［21］發現當抑制mTORC1后，髓鞘前體細胞分化減少，髓鞘無法正常形成。Goebbels等［22］通過激活PI3K／AKT／mTOR通路后發現在無髓鞘的小腦浦肯野細胞平行纖維上形成了髓鞘結構。

5 PI3K／AKT／mTOR信號通路調控神經干細胞分化、生長

以前認為神經細胞作為一種永久性細胞，在神經損傷后往往無法恢復，然而目前發現在腦室周圍及海馬區域還存在部分神經干細胞。雖然這些細胞仍具有向神經分化能力，但在一般情況系這些細胞也很難向病灶處遷移，分化替代死亡的神經細胞。通過激活PI3K／AKT／mTOR信號通路可促進神經干細胞分化及神經細胞成熟。

研究發現 PI3K／AKT／mTOR信號通路激活可促使并調控神經干細胞分化，尤其在中樞神經發育早期PI3K／AKT／mTOR信號通路就處于較強的激活狀態。Fishwick等［23］發現雞胚神經管部位的AKT及 mTOR信號活躍，當給予小分子抑制劑LY294002（PI3K抑制劑）或雷帕霉素（mTOR抑制劑）后，這些區域分化的神經細胞會減少。此外，在雷帕霉素的作用下，一些表達早期神經元標記的細胞出現在異常的部位。離體實驗同樣證明PI3K／AKT／mTOR信號通路可調控神經分化。Lee等［24］發現通過持續激活PI3K／AKT／mTOR信號通路可促進神經干細胞（NSCs）向多巴胺能神經分化，而其分化率與mTORC1激活程度呈正相關。Ojeda等［25］發現適度抑制激活的PI3K可增加誘導的NSCs的運動神經元轉錄因子HB9表達，促進NSCs向運動神經元分化，但過度抑制PI3K則抑制了細胞分化。這些發現表明，PI3K／AKT／mTOR信號是啟動神經元分化的必要條件，并具有調控神經分化的作用。

PI3K／AKT／mTOR信號通路調控分化后神經細胞成熟和突觸生長。Cloetta等［26］發現mTORC1主要調空分化后神經元大小和細胞數量，當敲除胎鼠腦部神經祖細胞的 Raptor基因，選擇性抑制mTORC1表達，小鼠出現了嚴重的小顱畸形，腦內神經元減少，相對膠質細胞增多了。mTORC2則在神經發育過程中影響著神經元的大小、形態及神經元功能，當敲除胎鼠神經祖細胞的rictor基因后，也表現出小顱畸形，鼠腦內神經元體積減小，細胞形態及突觸結構異常［27］。

PI3K／AKT／mTOR信號通路在神經發育過程中起著重要作用，但隨著中樞神經發育逐漸成熟，該通路作用被逐漸抑制，這可能是造成潛在的神經干細胞處于休眠狀態的原因，因此可通過再激活PI3K／AKT／mTOR信號通路促進神經干細胞分化替代缺失神經元來治療神經系統疾病。

6 激活中樞神經PI3K／AKT／mTOR信號通路可能的風險

激活 PI3K／AKT／mTOR信號通路對損傷后中樞神經保護及神經再生有利，然而該通路是一把雙刃劍，可能帶來治療風險。一方面，在神經發育階段PI3K／AKT／mTOR信號通路過度激活會導致如巨腦癥、局灶性皮質發育不良、結節性硬化癥（TSC）等疾病，出現難治性癲癇和智能減退等神經癥狀［28］。在神經修復過程中，該通路特別是mTOR的激活在促進神經突觸重塑的同時，可能導致癲癇發生［29］。另一方面，在神經 PI3K／AKT／mTOR信號通路作為細胞主要促活途徑在神經腫瘤發生中也起著重要作用，研究發現多種神經腫瘤由于PTEN突變導致PI3K激活造成［30］。

7 小結與展望

隨著中樞神經疾病治療技術及檢查手段日益成熟，中樞神經系統疾病治療效果得也到部分提高，然而目前治療技術對神經功能缺損仍無法完全恢復。PI3K／AKT／mTOR信號通路被抑制是造成神經損傷修復困難的重要原因，一方面在中樞神經神經發育過程中為避免神經過度生長及突觸錯誤連接，隨著神經成熟PTEN表達逐漸增多，另一方面當中樞神經神經損傷后細胞代謝障礙也可進一步抑制該信號通路［31］。因此，在中樞神經損傷過程中通過激活PI3K／AKT／mTOR信號通路可減少神經細胞死亡，促進突觸再生甚至通過潛在干細胞分化替代死亡的神經元，讓神經功能缺損恢復成為可能。然而在激活PI3K／AKT／mTOR通路治療過程中仍需考慮誘導癲癇、腫瘤等風險。目前發現許多藥物及細胞因子可通過PI3K／AKT／mTOR信號通路保護治療神經疾病，但該信號通路在神經中樞的調控作用及機制仍不明確。因此，更準確的了解PI3K／AKT／mTOR信號通路在生理、病理環境中如何調控中樞神經細胞功能活動，將有助于我們有目的地利用該通路相關分子作為靶點對神經疾病進行安全、有效的治療。

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