PI3K/Akt/mTOR信號通路穩態與心血管疾病的研究進展

李悅，李夢杰，張蕾，周明學，李思耐，劉衛紅

(首都醫科大學附屬北京中醫醫院北京市中醫研究所，北京100010)

近年來，組織穩態失衡致病的作用與機制受到學者們的廣泛關注。當人體處于健康狀態時，機體免疫系統、循環系統、神經系統及各個器官協調運轉，維持機體內環境相對穩定。當機體遭受各種內外致病因素的刺激與干擾時，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，這也是多種人類疾病發生的共同病理基礎，包括心血管疾病。目前，心血管疾病已成為全球重大的公共衛生問題，發病率及致死率極高，嚴重威脅人類生命健康。因此，深入研究心血管疾病的機制、提高心血管疾病的診療水平以及探索維持心血管系統穩態的調節方式成為學者們關注的焦點[1]。有研究證明，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號轉導通路參與了多種生物學功能的調控，在人體各類疾病[2-5]，尤其是心血管疾病發展進程中發揮重要的調節作用[6]?，F就PI3K/Akt/mTOR信號轉導通路穩態與心血管疾病的研究進展予以綜述。

1 PI3K/Akt/mTOR信號通路的組成與功能

1.1PI3K 作為PI3K/Akt/mTOR信號通路的始動因子，根據結構和功能不同PI3K可分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三類，其中最受關注的為Ⅰ類PI3K[7]。PI3K是由調節亞基(p85)和催化亞基(p110)組成的異二聚體脂質激酶，具有絲氨酸/蘇氨酸激酶活性和磷脂酰肌醇激酶雙重活性[8-10]。其中，PIK3調節亞基(phosphoinositide-3-kinase regulatory subunit，PIK3R)1、PIK3R2和PIK3R3分別編碼p85α、p85β和p85γ調節亞基；催化同工型p110α、p110β和p110δ分別是PIK3催化亞基(phosphoinositide-3-kinase,catalytic subunit，PIK3C)A、PIK3CB和PIK3CD的產物[11-12]。研究表明，聯合敲除p85α、p50α和p55以及定點突變失活p110δ(p110δD910A)，可導致B細胞發育嚴重受阻[13-14]。當配體與膜受體結合后，受體激活p85并招募p110，進而催化膜內表面的磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸，磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸作為第二信使，激活Akt和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(3-phosphoinositide-dependent protein kinase，PDK)1[15-16]，從而進行下一步的信號轉導。

1.2Akt 作為PI3K/Akt/mTOR信號通路的信號轉導樞紐和重要的下游靶蛋白，Akt是一種具有廣泛底物的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[17-18]。Akt對細胞的生長、增殖、遷移、存活以及糖代謝等有重要的穩態調節作用[19]。Akt家族包括Akt1、Akt2和Akt3三個高度保守的亞型，三者雖具有高度的序列同源性，但功能各異[20-21]。其中，Akt1具有促進細胞增殖和存活的作用；Akt2主要參與胰島素對糖類物質代謝的穩態調節；Akt3對細胞大小及數目起重要的調控作用[22-24]。Akt的PH結構域與PI3K的產物磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸結合可引起Akt構象變化，而細胞內的PDK1和PDK2可以結合到Akt上，使Akt蘇氨酸308和絲氨酸473的磷酸化位點磷酸化，進而導致Akt的激活，其中蘇氨酸308能被PDK1磷酸化，而絲氨酸473則被PDK2激酶磷酸化[25]。激活后的Akt再次被轉移至細胞質或細胞核內，繼續靶向調控下游信號分子，通過磷酸化多種酶、激酶和轉錄因子[如mTOR、細胞周期蛋白D1、核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)]等發揮細胞穩態調節功能[26-27]。

1.3mTOR mTOR不僅是PI3K/Akt/mTOR信號轉導通路的穩態調節物質，還是該通路的能量代謝控制中心及免疫調節劑[28]。作為下游重要的調控分子，mTOR是所有真核生物中高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶[29]，屬于PI3K相關激酶家族[30]。其C端的催化結構域與PI3K的催化結構域高度同源，這種高度同源性在一定程度上解釋了靶向PI3K化合物對mTOR的交叉抑制作用，雖然具有這種序列同源性，但實際上mTOR僅作為蛋白激酶發揮作用[31]。mTOR存在兩種不同的復合物，即mTOR復合物(mammalian target of rapamycin complex，mTORC)1和mTORC2。mTORC1由mTOR/Raptor/mLST8/RAS40/FKBP38組成，對雷帕霉素及其衍生物(雷帕洛斯)敏感；mTOR2包含mTOR/Rictor/mLST8/SIN/Protor，對雷帕霉素顯示出耐受特性[32-33]。mTOR激活后可調節下游真核翻譯起始因子4E結合蛋白和核糖體S6激酶1兩種蛋白，起到監測外部環境變化、細胞能量水平、氧含量、有絲分裂信號等多種作用，同時調控細胞的生長、增殖，促進合成代謝和能量的儲存利用[34]。

綜上，PI3K/Akt/mTOR信號通路在多水平、多靶點共同調節細胞增殖、分化和凋亡，在組織穩態調控方面，尤其在心血管疾病生理過程中發揮重要作用[35]。人類經過億萬年的不斷進化，之所以能夠適應不斷變換的外界環境而生存，機體的穩態調節起到了不可替代的作用。機體內各項理化因素保持動態平衡，各系統有序運行，并與外界環境保持正常的相互作用，組織形態、功能、能量代謝維持在相對穩定的狀態，人體則可免受疾病困擾。在此復雜過程中，PI3K/Akt/mTOR信號轉導通路的重要調控作用不容忽視，值得深入研究。

2 PI3K/Akt/mTOR信號通路與心血管疾病

心血管疾病是全球死亡的主要原因之一[36-37]。2013年，心血管疾病在全球造成約1 700萬人死亡，且多集中于低收入和中等收入國家[38-39]。我國流行病學調查研究顯示，心血管疾病居中國居民死亡原因的第一位，預計未來10年心血管疾病患病人數仍將快速增加[40]。目前，心血管疾病的直接經濟負擔日漸加重，已成為我國面臨的重大公共衛生問題。因此，深入探索心血管疾病的發病機制，提高心血管疾病的診療水平顯得尤為重要[41-42]。

PI3K/Akt/mTOR信號通路參與了多種心肌細胞的病理生理過程，在維持心血管穩態調節方面發揮重要作用。Wu等[43]利用網絡藥理學的方法，對47種靶向心力衰竭的相關蛋白進行了途徑富集分析，結果顯示，PI3K/Akt/mTOR信號通路通過氧輸送、葡萄糖利用和線粒體生物發生等在心肌能量代謝過程中發揮重要作用，進而影響心臟功能。PI3K/Akt/mTOR信號通路的激活還可以減少炎癥因子的釋放和細胞凋亡，減輕大鼠心肌缺血再灌注導致的心肌損傷[44]?？梢?，PI3K/Akt/mTOR通路與心血管疾病的發生、發展密切相關。

2.1PI3K與心血管疾病的關系 PI3K作為脂質激酶家族一員，在細胞的生長、存活和運動中發揮重要作用[17,45]，其中Ⅰ型PI3Kα對心臟發育和成年心臟生理至關重要，可調控心肌細胞大小、心臟的生理性生長[46]以及整體心臟大小等[47]。在心肌細胞中，PI3K是響應胰島素作用的主要調節因子，對胰島素或胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor 1，IGF-1)反應最敏感。胰島素可通過強烈激活PI3K及其下游效應因子Akt的表達，促使凋亡蛋白磷酸化、失活，保護心肌細胞免受氧化應激誘導的細胞凋亡[48]。胰島素/PI3Kα信號通路激活可導致相關心肌細胞的病理生理變化，包括心肌肥厚以及心臟收縮力增加等[49]。心肌細胞收縮是由電壓依賴性L型鈣離子通道的內向鈣離子電流啟動，PI3K中的p110α可調控心肌細胞的L型鈣離子通道[50]。研究證實，PI3Kα選擇性參與了胰島素的正性肌力作用，其活性增加可能通過維持心臟中的脂肪酸氧化和Akt活化，保護心臟免受慢性心肌梗死后功能障礙的影響；若PI3Kα基因敲除，則會損害成年小鼠心肌細胞胰島素信號的正常傳導，導致心肌收縮功能障礙和心功能惡化[51]。此外，p110α還可通過rAAV6-caPI3改善小鼠心肌重構功能，增強其抗氧化能力[52]，且p110α活性的增加對壓力超負荷模型小鼠的心臟功能和抗心肌纖維化均具有良性調控作用[53]。以上研究表明，增強p110α活性可以延遲或預防心臟病的發展，同時這也可能是一種通過運動方式誘導心臟保護作用的調節機制。動脈粥樣硬化作為一種慢性疾病，由于大量白細胞浸潤、動脈壁增厚以及脂肪斑塊形成，最終會引發血栓形成和心肌梗死等。研究證實，Ⅰ型PI3K的亞型PI3Kγ在心血管損傷相關的炎癥反應中起重要作用，PI3Kγ的表達水平在動脈粥樣硬化患者和小鼠模型中均上調[54]。此外，PI3Kγ引起的白細胞浸潤還是壓力超負荷引起心臟適應性不良重構的主要決定因素，表達無催化活性的PI3Kγ或接受PI3Kγ選擇性抑制的小鼠，在橫向主動脈縮窄術后16周內，心肌纖維化程度減輕并保留了部分心臟功能[55]。同時，心肌細胞中的PI3Kγ還可通過相關蛋白和脂質激酶功能影響β-腎上腺素能受體，進而抵消PI3Kα發揮的正性肌力作用[56]。由此認為，未來PI3K基因療法或可應用于緩解心臟功能障礙、維持心血管穩態的治療。

2.2Akt與心血管疾病的關系 作為PI3K/Akt/mTOR信號通路的信號轉導中樞，Akt對下游靶標的調控作用決定了其在心血管疾病中的生理功能，包括細胞存活、生長、增殖、血管生成、血管舒張以及細胞代謝等[26,57-59]。血管平滑肌細胞凋亡可能會增加動脈粥樣硬化斑塊不穩定和破裂，進而導致心肌梗死、腦卒中和猝死等。研究證實，Akt可通過IGF-1受體信號轉導在平滑肌細胞凋亡中起作用，IGF-1表達下調使Akt下游靶標中的叉頭框蛋白3a和糖原合成酶激酶3磷酸化失調，進而引起血管平滑肌細胞凋亡[60]。在生長初期，Akt激活可增加心臟血管生成和心肌細胞凋亡，但隨著機體生長、發育以及各種理化因素的誘導刺激，Akt活性增強可能引起心肌肥厚甚至心力衰竭等。有研究發現，在Akt轉基因小鼠模型中，過表達的Akt可能會使心肌細胞體積變大，并在一定程度增加心肌細胞收縮性[61]。且上調心肌中還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4也可激活Akt-mTOR和NF-κB信號通路，引起心臟重構[62]。此外，心臟Akt也可由miRNA間接調控，上調miR-214的表達可降低PI3K/Akt/mTOR水平，進而緩解由缺氧引起的心肌細胞凋亡和自噬[31]。同時，Akt1也是肺血管重構和肺動脈高壓發展的重要信號分子[63]。雖然目前關于Akt的大多數研究集中于癌癥領域，但心血管疾病的某些病理狀況與癌癥相似，未來應開展更多的研究，進一步了解Akt在心血管疾病中的作用。

2.3mTOR與心血管疾病的關系 在心血管系統中，mTOR同樣參與了心臟的多種生理、病理過程。目前的研究顯示，mTOR已成為心血管胚胎發育、體內穩態以及適應壓力的重要調節劑，其中mTORC1和mTORC2對早期心臟結構的維持、心血管的生長以及血管完整性至關重要[64-65]。同時，mTORC1和mTORC2也是使心臟適應機械壓力、促進代償性肥大以及限制心肌細胞死亡所必需的調控因子。研究表明，心臟特異性mTOR基因缺失的小鼠患有擴張型心肌病、心力衰竭和代謝紊亂等疾病[66]，具體表現為肌節紊亂、凋亡、自噬以及線粒體功能障礙等[67]。Mazelin等[68]發現，心臟生長早期mTOR基因缺失的小鼠具有心肌細胞生長缺陷、心臟擴張、纖維化、細胞凋亡和心力衰竭等病理表現，并于3周后死亡，而凋亡與p53及錨蛋白重復域1積累有關；另外，這些小鼠還表現出c-Jun氨基端激酶激活、缺氧誘導因子1α下調和心臟肌紅蛋白水平降低等，這些均表明產后早期心肌中的mTOR是心肌細胞生長以及維持氧氣供應必需的因子。但心肌mTOR在慢性應激過程中的活化也顯示出多種不良作用，如促進病理性肥大、錯誤折疊蛋白質積累以及能量應激[69]。抑制mTOR活化，在各種促肥厚性疾病中均顯示出有益作用[70]。在橫向主動脈縮窄術后心肌肥大的小鼠模型中，mTOR特異性抑制劑雷帕霉素可改善失代償性心肌肥大小鼠的左心室收縮末期尺寸和射血分數；同時，雷帕霉素還改變了某些胎兒基因的表達，部分逆轉了α-肌球蛋白重鏈和肌質網鈣離子-腺苷三磷酸酶的改變[71]。另外，Akt-mTOR軸在離心性肥大中起關鍵作用，mTOR活性定量地確定了離心性肥大進展的速率[72]。越來越多的證據表明，mTOR還可調節心臟能量缺乏以及對缺血的適應，介導心肌缺血期間的心肌細胞反應，這是細胞存活的重要決定因素[67,73-74]。同時，心臟mTORC1活化也會加速由代謝紊亂(如糖尿病和肥胖癥)引起的心臟疾病的發展進程。在肥胖小鼠中，mTOR激活、自噬體形成減少、心功能降低，而給予雷帕霉素可以在一定程度上減輕對應的心肌損傷[75]。不僅如此，多種不同的纖維化刺激也會導致心臟成纖維細胞中的mTOR活化，在這種情況下，mTOR表達上調與膠原蛋白合成、成纖維細胞增殖以及成纖維細胞轉化為成肌纖維細胞等過程密切相關[76]。Lian等[77]發現，mTOR具有介導肝素結合性表皮生長因子誘導心肌纖維化的作用，在過表達肝素結合性表皮生長因子轉基因小鼠的心臟中，心臟成纖維細胞中Akt和mTOR的磷酸化水平均被上調，小鼠出現心臟收縮功能障礙、心肌纖維化以及射血分數降低等病理表現；此外，在肝素結合性表皮生長因子培養的心臟成纖維細胞中，Akt-mTOR活化與膠原蛋白合成及成纖維細胞增殖相關?？傊?，mTOR同時發揮適應性和適應不良性的功能。因此，探索雙重功能的潛在機制，找到高度選擇性和安全的mTOR調節劑，并應用于心血管疾病的治療可能成為未來的研究熱點。

3 PI3K/Akt/mTOR信號通路與臨床藥物應用

3.1抑制劑 近年來，PI3K/Akt/mTOR抑制劑已被證明在心血管疾病治療方面具有良好的應用前景和潛力[78-80]。雖然PI3K第一代化合物(如Wortmannin和LY294002)因某些不良脫靶作用，在使用上受到限制，但研究從未停止[81]。Jin等[82]比較了在栓塞性腦卒中自發性高血壓大鼠模型中單獨應用PI3Kγ選擇性抑制劑AS605240與AS605240聯合溶栓治療對神經血管的保護作用，結果發現，AS605240聯合溶栓治療可將溶栓治療窗口延長至缺血性腦卒中后6 h；AS605240通過抑制PI3Kγ活性顯著抑制了大腦中動脈閉塞引起的循環血小板活化和血小板白細胞(如中性粒細胞、單核細胞)聚集，進而減輕了微血管損傷程度。其他PI3K抑制劑(TGX-221[10]、AZD6482[83]、TG100-115[84]等)也顯示出一定的有益作用。Akt活性在細胞存活中起著至關重要的作用，MK-2206作為Akt變構抑制劑，已在臨床試驗中用作抗癌藥物[85-86]，但具體作用機制目前尚不明確。研究表明，向細胞培養基中添加MK-2206可導致細胞增殖和細胞活力的降低[87-89]。Bjune等[90]發現，Akt抑制劑MK-2206可誘導固醇調節元件結合蛋白水解，促進低密度脂蛋白受體的表達和低密度脂蛋白的攝取，同時增強他汀類藥物對低密度脂蛋白受體和低密度脂蛋白的吸收作用。這說明在心血管疾病治療方面，Akt抑制劑可能作為一種潛在的降低膽固醇藥物應用于臨床實踐。此外，雷帕霉素作為一種有效的特異性mTOR抑制劑[91]，在心血管疾病治療方面也具有重要的調控作用[92]，尤其在抗動脈粥樣硬化方面，在一定程度上可以改善血脂異常的情況[93]。另有研究表明，雷帕霉素還可以有效促進小鼠胚胎干細胞分化[94]，減輕腎移植患者的左心室肥大程度[95]，并通過誘導和促進細胞自噬[96]，減少衰老相關標志物表達，維持細胞內穩態，進而提高健康水平[97]。以上研究表明，雖然靶點抑制劑的作用機制以及臨床依據尚不明確，但以PI3K/Akt/mTOR為靶點的藥物可能代表了一種心臟保護的治療策略。

3.2中醫中藥 隨著自然科學的不斷發展和中西文化的進一步交流，中醫與西醫的結合已成必然。越來越多的證據表明，中醫藥在治療心血管疾病方面具有獨特優勢[98-99]。近年研究發現，紅景天苷可以抑制一氧化氮合酶、環加氧酶2、NF-κB和PI3K/Akt/mTOR信號通路的激活，進而改善脂多糖誘導的內毒素血癥大鼠的心臟功能；同時，在脂多糖刺激的H9c2細胞中使用活性氧類清除劑——乙?；?L-半胱氨酸發現，紅景天苷可以阻斷活性氧類介導的PI3K/Akt/mTOR通路磷酸化，并抑制該通路表達上調，故紅景天苷的心臟保護作用可能與其在體內和體外抑制心肌脂質過氧化反應以及抑制炎癥細胞因子的能力有關[100]。Qin等[101]發現，人參皂苷可通過激活PI3K/Akt/mTOR通路上調缺氧誘導因子1α水平，保護心肌細胞免受缺氧誘導的細胞損傷。另外，PI3K/Akt/mTOR信號轉導通路還與敗血癥的心肌損傷過程有關，有研究證明，白藜蘆醇可以通過激活PI3K/Akt/mTOR通路，并抑制NF-κB以及腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-6、白細胞介素-1β等相關炎癥因子，保護敗血癥的心肌細胞[102]。此外，丹皮酚[103]、黃芪總苷[104]以及中藥復方芪藶強心[105]、復心湯[106]等也可通過PI3K/Akt/mTOR通路發揮一定的治療作用。

4 小 結

穩態是生命最重要的特質，從宏觀到微觀包括個體穩態、組織穩態、細胞穩態、分子穩態等多個方面。任何穩態失衡均會導致多種人類疾病的發生。通過研究PI3K/Akt/mTOR信號轉導通路在心血管疾病穩態中的調控作用，可以深刻認識PI3K/Akt/mTOR通路失衡致病的現狀及重要性。未來，需更加深入地研究和探討PI3K/Akt/mTOR通路的作用機制，進一步認識疾病發生、發展及治療中存在的問題，為新藥的研發提供新思路。同時，結合多種醫學干預手段，多層次、多靶點地調節復雜信號網絡，使機體恢復相對穩定的狀態，提高患者生活質量，延長壽命。