mTOR的生物學作用及其在認知障礙性疾病發病機制中的新進展

張 穎， 楊紅彥綜述， 孫晨龍審校

mTOR作為機體重要的調節樞紐，參與細胞的存活與凋亡、細胞的分化及成熟、自噬調節、抗炎、氧化應激、蛋白質合成、葡萄糖的代謝、脂質的合成等方面。過去的研究主要集中于mTOR與腫瘤、內分泌、呼吸系統、免疫系統等方面，近年來的研究顯示，mTOR蛋白及其相關信號通路的失調也被認為與許多神經系統疾病的發生發展有關，尤其伴發認知障礙的神經系統疾病，可能的原因可歸于mTOR對于神經元的分化與成熟、神經調控以及突觸可塑性極為重要，但具體涉及的分子機制并未明確。本文將對近年來國內外探究mTOR在伴發認知障礙的神經系統疾的發病機制進行綜述，明確mTOR與伴發認知障礙的神經系統疾病之間的致病關聯，為mTOR介導的認知神經網絡調節提供理論基礎，同時以mTOR為靶點治療伴發認知障礙的神經系統疾病具有重要的研究價值。

1 mTOR概述

mTOR于1964被發現，其分子結構復雜，具有Ser/Thr激酶活性，但不具有磷脂酰肌醇激酶的活性。由2549個氨基酸殘基組成，分子量約為289kDa，屬于PI3K家族，參與機體許多基本的生理功能調節，磷酸化的雷帕霉素靶蛋白(p-mTOR)是其主要的激活方式[1]。人、小鼠和大鼠的mTOR蛋白在氨基酸水平具有95%的同一性，mTOR與其他亞單位相互作用可形成兩個不同的復合物，即mTOR復合物1(mTOR complex-1，mTORC1)和mTOR復合物2(mTOR complex-1，mTORC2)。mTOR在哺乳動物細胞中必須形成復合物才能激活其信號級聯，發揮細胞中的基因轉錄、蛋白質合成、脂質脂質代謝，葡萄糖代謝與胰島素調節、細胞生長分化、細胞增殖與存活、組織再生及自噬功能[1，2]。mTOR在腫瘤與內分泌系統、免疫系統、呼吸系統等多個系統中扮演重要的信號調節樞紐。近年來的研究發現，mTOR信號通路在神經突觸可塑性、信息傳遞和加工、神經調控等方面發揮重要作用，許多神經系統疾病的發生發展mTOR 信號通路失調有關，目前部分mTOR及其衍生物抑制劑已通過臨床評估實驗，被用于治療相關疾病，但目前研究尚未完善，作用機制并未完全明確，以mTOR或mTOR信號通路中的其他信號調節分子為靶點的抗腫瘤藥物、抗慢性炎癥、腦保護藥物是目前極具研究價值的方向。

1.1 mTORC1[2]mTORC1由mTOR、Raptor、PRAS40、mLST8、Deptor構成(見圖2)，其中mTOR、Raptor、mLST8是mTORC1的核心組件，PRAS40、Deptor為抑制性亞基，抑制亞基激活，mTORC1活性降低。mTOR的分子結構復雜，在羧基末端為FATC結構域，決定mTORC1活性的關鍵區域。在羧基端中部為激酶域(kinase)，mLST8可加強激酶域的活性，但對于mTORC1的活性影響很小，其主要體現在mTORC2中，mLST8的丟失會阻止mTOR與Rictor、Sin1結合，損害mTORC2激酶活性[3]。kinase臨近FRB結構域，此域為雷帕霉素抑制mTOR的作用位點；在FRB的下游為FAT結構域，FAT結構域可與FATC結構域空間結合暴露mTOR催化域，而Deptor則通過作用于FAT域達到負性調控的作用，且Deptor的表達受氨基酸信號的調控。在mTOR的氨基端為HEAT序列，決定mTOR的蛋白穩定性。PRAS40作為mTORC1的特異性抑制蛋白，可直接與Raptor結合調控HEAT序列，且PRAS40的磷酸化對于調控mTORC1活性極為重要，其受氨基酸的調控，對于細胞的存活及凋亡有重要影響。mTORC1作為細胞內重要的生長調節分子，對于生長因子、能量代謝、葡糖糖及氨基酸等信號的反應是極為敏感的。其中，葡萄糖，三磷酸腺苷和氨基酸是mTORC1的主要刺激物，在營養及能量充足的情況下激活mTORC1以促進生長和增殖，相反則抑制mTORC1活性。外界刺激通過PI3K/AkT/AMPK信號通路調控mTORC1的活性變化，但氨基酸信號則通過Lamtor1-Lamtor5在溶酶體膜上形成Rag復合體將信號指向 mTORC1調節合成代謝及分解代謝。mTORC1的下游分子信號：如核糖體蛋白S6激酶β-1(S6K1)的磷酸化參與細胞生長；真核翻譯起始因子4E結合蛋白1(4E-BP1/2)及真核細胞翻譯起始因子(eIF4G)參與mRNA翻譯及合成；自噬基因(Atg13)參與自噬功能；轉錄因子EB(TFEB)磷酸化后與溶酶體生物合成、自噬密切關聯；過氧化物酶體增殖物激活受體(PPAR)、類固醇調節元件結合蛋白-1 (SREBP-1)激活后參與脂質合成與代謝；過氧化物酶體增殖激活受體γ輔助激活因子α(PGC1α)參與線粒體代謝過程[4]。由此可見，mTORC1是機體營養和代謝的重要橋梁[5]。

1.2 mTORC2[2，6]mTORC2，除了與mTORC1所共享的mTOR、mLST8、Deptor蛋白結構外，mTORC2的不同之處在于，Rictor是mTORC2的另一核心組件，二者結合能夠激活AKT。mTORC2中的Protor1/2本身不參與mTORC2的構成，其可與Rictor結合。研究發現，Protor1/2缺少并不影響mTORC2的活性表達，但可影響mTORC2激活SGK1[7]。另外，mTORC2還存在mSin1組件，但具體的效應未明確。與mTORC1相比，mTORC2中不存在雷帕霉素作用位點，因此mTORC2對雷帕霉素不敏感。此外，mTORC2的上游信號和下游底物已知的較少。與mTORC1相比，mTORC2 也是通過PI3K途徑對胰島素、IGF等生長因子、細胞因子(TNF、IL4，IL5，BAFF等)、炎癥小體能夠識別病原相關分子模式(PAMPs)、T細胞(抗原)受體(T cell receptor，TCR)聚集作出反應(見圖1)，對營養物質不敏感。mTORC2的幾個重要的下游靶點：如mTORC2通過激活PKC調節細胞骨架構建、信號傳遞及生化反應；通過激活SGK1調控電壓門控K+離子通道及載體的活性[8]；通過Akt途徑促進細胞存活及調節葡萄糖代謝；而AKT的活化可進一步使得mTORC1的上游抑制劑TSC2磷酸化，由此可見，mTORC2的激活可以使mTORC1失活。反之，mTORC1-S6K軸也可以直接磷酸化mTORC2的核心成分mSin1并使其失活。因此，mTORC1和mTORC2形成了一個調節復雜活動的反饋回路。

圖1 mTORC1及mTORC2上游和下游信號分子；mTORC1及mTORC2的信號調節網絡

圖2 mTORC1和mTORC2復合物組成及主要的下游信號通路

2 mTOR在神經系統中的作用

mTOR在神經系統中作用極為重要，多項基礎研究已證實其參與神經元的存活、分化和成熟，軸突的生長以及突觸可塑性，信息的傳遞及加工，神經網絡的調控，學習、認知和記憶形成[9][8，10]。研究顯示，在遺傳性疾病、癲癇、腦腫瘤、腦卒中和神經退行性疾病[阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)，帕金森氏病(Parkinson’s disease，PD)、亨廷頓病(Huntington’s diseases，HD)]以及神經發育障礙性疾病[(注意缺陷多動障礙(attention-deficit/hyperactivity disorder，ADHD)、孤獨癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)]中觀察到mTOR調控失衡及其活性的改變。

2.1 mTOR與癲癇 研究顯示癲癇患者的生殖系和體細胞中mTOR通路的相關基因發生突變，引起mTOR過度活化，尤其是在癲癇灶中發生的腦細胞突變，是頑固性局灶性癲癇的主要病理機制[11]。目前臨床上用于癲癇治療的藥物均為對癥治療，不能干預癲癇的發生及進程，約1/3的患者因得不到有效控制長期受到癲癇發病的困擾。最近有證據表明，使用mTOR抑制劑可以有效控制癲癇發作[12]。

2.2 mTOR與腦卒中 mTOR介導神經細胞增殖、發育分化、軸突再生、髓鞘形成以及突觸重塑，在腦梗死、腦部創傷、脊髓損傷、腦組織缺血、腦出血等疾病中發揮積極作用。在腦部創傷、脊髓損傷、腦組織缺血、腦出血等病理條件下，激活哺乳動物大腦室管膜下區 (subventricular zone，SVZ)內AKT/mTOR信號通路，上調mTOR表達，調控新生神經元遷移至梗死灶修復受損腦組織，應用mTOR抑制劑可降低mTOR表達量，阻斷mTOR對受損腦組織的恢復作用。mTOR信號通路與記憶形成和鞏固密切相關，并參與到阿爾茨海默病的認知功能損傷中。此外，mTOR信號通路與腦缺血后伴發的認知功能損害進程中有著千絲萬縷的聯系，具體機制可能是通過影響神經元凋亡及改變突觸可塑性參與了腦缺血損傷后的認知缺陷。

2.3 mTOR 與阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD) mTOR與學習記憶相關的興奮性神經突觸的喪失、學習記憶功能受損密切相關。AD是一種常見的與老化密切相關的神經退行性疾病，在正常大腦中，β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)的生理濃度可參與調節神經發生和突觸可塑性。然而，過量的Aβ的產生、聚集和沉積會對許多重要的神經細胞產生有害影響。Aβ的聚集被認為是AD的病理特征[13]。研究發現，mTOR的異常活化導致自噬功能障礙在Aβ肽的累積中起到了重要作用。同時，由于病程遷延，Aβ不斷的累積，mTOR超活化狀態進一步加重，自噬功能進一步惡化，翻過來又促進了Aβ的產生、聚集和沉積。另外研究顯示，mTOR也參與tau蛋白降解，在神經元纖維變性中也起到了重要的作用。80%的老年AD患者在發病早期就已出現晝夜節律紊亂，而晝夜節律紊亂又會進一步加重AD的其它臨床表現，如學習記憶功能障礙和認知缺陷等，國內王昌圖等[14]研究發現mTOR抑制劑雷帕霉素可明顯改善β-淀粉樣蛋白聚集所致小鼠晝夜節律紊亂，有一定的腦保護以及抗衰老作用。

2.4 mTOR 與帕金森病(Parkinson’s disease，PD) mTOR信號通路活性的改變與PD發病有密切聯系，Zhai等[15]的研究中揭示了6-羥基多巴胺誘導的帕金森模型大鼠中腦和紋狀體mTOR水平顯著降低。同樣，Zhang等[16]研究中魚藤酮誘導的帕金森動物模型中也觀察到Akt和mTOR的下調。另外，軸突變性是導致帕金森患者黑質紋狀體系統多巴胺缺乏出現運動遲緩、強直和震顫的原因，而自噬是導致軸突變性的重要機制，在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(MPTP)誘導的PD小鼠體中，ULK1(是一種驅動自噬小體形成的啟動激酶)的表達可以減輕軸突神經變性，提示ULK1也可能是PD治療的一個新靶點[17]。

2.5 mTOR與亨廷頓舞蹈病(Huntington’s diseases，HD) 亨廷頓舞蹈病是一種涉及基底神經節和大腦皮質中神經元相對選擇性的神經退行性病變。自噬和凋亡調節對于神經退行性疾病極為重要。由于亨廷頓蛋白基因突變后不能從神經元中有效地清除，使得毒性聚集物在細胞內累積而導致神經元變性死亡。在患有HD的人類大腦和小鼠模型中，mTOR被螯合在這種毒性聚集物中[18]。mTOR抑制劑可誘導自噬，減少亨廷頓蛋白的聚集和毒性聚集物導致相關神經元的死亡。

2.6 mTOR與注意缺陷多動障礙(Attention-deficit/hyperactivity disorder，ADHD) ADHD是一種表現為與年齡和發育水平不相稱的注意力不集中和注意時間短暫、多動和沖動，并伴有認知障礙和執行功能缺陷的神經發育障礙性疾病，目前臨床上多選用哌甲酯(MPH)控制ADHD癥狀(I 級推薦，A 級證據)，其MPH的作用主要基于對多巴胺轉運蛋白的抑制，但對細胞內的效果仍然未知[19]。Schmitz等[10]研究發現哌醋甲酯(MPH)對細胞內的效應機制是通過調控AKT-mTOR信號通路及其相關蛋白實現細胞內蛋白合成、細胞存活、突觸可塑性及記憶加工整合。

2.7 mTOR與孤獨譜系疾病(autism spectrum disorder，ASD) ASD是一類神經發育障礙性疾病，其發病機制被為是遺傳因素和多種環境因素共同作用的結果。研究表明，mTOR信號通路失調可導致ASD的發生，mTOR 抑制劑雷帕霉素及其衍生物(西羅莫司、依維莫司)可以改善ASD癥狀[20]。2014年Tang等[21]發現ASD顳葉V層錐體神經元樹突棘密度增加，發育性樹突棘修剪減少。同時，在ASD模型小鼠中也觀察到mTOR持續過度活化，導致出生后樹突棘修剪減少、自噬功能障礙和ASD樣的社會行為，mTOR抑制劑可改善mTOR過度活化的ASD模型的自噬功能、突觸可塑性以及社會行為缺陷。ASD患者的mTOR的下游分子信號(如磷酸化的eIF4E(p-eIF4E)、S6K1、ERK及磷酸化的MAPK作用激酶(phosphorylated MAPK-interacting kinase，p-MNK1)表達升高，且臨床表現越嚴重，表達越高。

2.8 mTOR與抑郁癥 抑郁癥是一種普遍、慢性、易復發的精神疾病，其發病機制復雜，Wu等[22]通過行為學及分子實驗，揭示了抑郁小鼠模型海馬內存在Akt-mTOR信號轉導障礙，阻斷了mTOR以及下游信號分子的表達。氯胺酮是一種以NMDA受體為靶點的抗抑郁藥，其通過激活mTOR信號通路，上調mTOR蛋白的表達量，提高神經突觸的數量以及成熟程度，逆轉小鼠的行為缺陷及Akt-mTOR信號轉導損傷，從而達到抗抑郁的作用；在動物實驗中阻斷mTOR信號通路會完全中斷氯胺酮誘導的抗抑郁作用。可見mTOR可作為開發更多選擇性速效抗抑郁藥物一個潛在的靶點，從而顯著改善抑郁患者的治療方式。

3 mTOR與多巴胺神經元及其受體的調控關系

多巴胺(dopamine，DA)是一種內源性神經遞質，調節嚙齒類動物認知靈活性，控制多種大腦功能，包括情緒、認知和運動，與許多神經退行性疾病及其他神經系統疾病(精神分裂癥、抑郁癥，注意缺陷/多動障礙)有關。多巴胺受體(Dopamine receptors，DR)作為G蛋白偶聯受體的一員，包括DRD1-5，根據耦合的G蛋白不同(Gαs或Gαi)，分為D1類(DRD1和DRD5)和D2類(DRD2、DRD3、DRD4)，D1類受體負向調節自噬，而D2類受體正向調節自噬。Dongmei等[23]發現了多巴胺受體在自噬調節中的作用和機制。其發現特異性敲除DRD3使得mTOR下游信號分子phospho-p70-S6K(T389)、Ser-473和sr-308水平增加，而敲掉DRD5則表現出相反的效果，由此可見D1和D2類受體均能通過調節AKT-mTOR信號途徑調節自噬功能，只是作用方式相反。這一發現不僅有助于更好地了解多巴胺受體相關的神經退行性變疾病，同時也揭示mTOR與多巴胺系統的關聯以及兩者在認知調控中的潛在作用。Liu等[8]利用病毒(AAV2-Cre-GFP)特異性敲除成年雄性mTOR loxP/loxP小鼠腹側被蓋區(VTA)的mTOR蛋白，研究結果顯示mTOR對VTA神經元胞體大小和樹突形態并無明顯影響，但mTOR缺失導致VTA中磷酸化酪氨酸羥化酶(pTH-Ser40)水平降低；此外，mTOR缺失導致VTA多巴胺能神經元興奮性增強和GABA能抑制性降低，改變了興奮性和抑制性突觸傳遞的平衡，顯著降低了NAc中多巴胺轉運體的表達、多巴胺的釋放以及再攝取，研究了VTA-mTOR信號調節機制，以及mTOR在調節神經元形態、突觸傳遞、突觸可塑性以及在多巴胺動力學中的作用。另外，在Leng等的研究中[24]，證明了DRD5激動劑(SKF83959)激活DRD5，增加了活性氧(ROS)的產生，抑制了mTOR途徑，誘導了自噬，該研究揭示了DRD5激動劑抑制腫瘤生長的機制，提出了DRD5激動劑通過調控mTOR誘導自噬治療不同人類腫瘤和癌癥的潛在方法。

4 展 望

mTOR通過多種信號途徑參與認知神經網絡的調節，對于神經元的調控、突觸可塑性以及學習、記憶的形成至關重要。其中，mTOR與多巴胺系統相互關聯共同參與認知調控的機制有待進一步闡述，相信兩者對于認知調控的機制是未來的研究熱點。目前市面上以mTOR為靶點的抑制劑已應用于控制系統性紅斑狼瘡患者、支氣管哮喘等免疫炎性疾病病程演變[25，26]；此外對于惡性腫瘤細胞過度增殖、抗新生血管生成甚至逆轉癌變療效顯著[27，28]。因此研究以mTOR為選擇性靶點治療伴發認知障礙的神經退行性疾病以及神經發育障礙性疾病是極具研究價值的方向，這將是伴發認知障礙的臨床病患以及社會醫療的一大福音。

doi:10.1016/j. jaut. 2019.102373.