PI3K/Akt/mTOR信號通路在骨關節炎中的作用

李田洋，鄭曙光

（1.貴州中醫藥大學基礎醫學院，貴州貴陽550025；2.貴州中醫藥大學第一附屬醫院，貴州貴陽550002）

骨關節炎（Osteoarthritis,OA）是一種以關節軟骨軟化剝脫、軟骨下骨密度增加及關節間隙變窄為特征的慢性退行性疾病。其主要表現為關節疼痛、僵硬和活動受限，伴有少量積液和不同程度的局部炎癥[1]。OA 影響全球3 億多人，目前我國患病率約為15%，不同地區之間存在差異，中老年患者的女性發病率明顯高于男性[2-3]。其致畸率、致殘率較高，嚴重影響患者的日常生活，給患者家庭和社會帶來巨大的經濟負擔。其發病機制較為復雜，可能與年齡、肥胖、性別、炎癥、和損傷等因素有關[4]。磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase,PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B,Akt）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）通路在細胞中廣泛存在，在調控細胞增殖、凋亡、自噬、血管生成等方面起著重要作用[5]。有研究顯示PI3K/Akt/mTOR 通路在OA 的發生、發展中扮演重要角色[6]。本文就近年來關于PI3K/Akt/mTOR 通路在OA 中的分子機制研究進展做一綜述。以期為OA 防治提供新的思路。

1 PI3K/Akt/mTOR信號通路

PI3K/Akt/mTOR 是體內最重要的細胞內通路之一，參與調控細胞周期的各個環節如細胞的生長、分化、代謝和細胞骨架重組等。胰島素受體酪氨酸激酶（insulin resistance, InsR）、胰島素樣生長因子1 受體（insulin-like growth factor-1 receptors, IGF-1R）、表皮生長因子（epidermal growth factor, EGF）、血小板衍生生長因子受體（platelet derived growth factor-1 receptors, PDGF-R）、G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors, GPCRs）等均可激活PI3K/Akt/mTOR 通路[7]。

1.1 PI3K

PI3K 是由催化亞基p110 和調節亞基p85 構成的異源二聚體。根據p110 亞基的結構和底物分子的不同PI3K 分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型研究最為廣泛，分為ⅠA 和ⅠB。與p85 結合形成二聚體的為ⅠA 亞類，包括催化亞基p110α、p110β、p110δ 和調節亞基p85α、p85β、p55γ；不與p85 結合的為ⅠB 亞類，包括調節性亞基p101 和催化亞基p110γ[8]。可由生長因子、細胞因子、受體酪氨酸激酶和GPCRs 激活或RAS 蛋白直接激活[9]。激活后PI3K 催化產生二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2），PIP2 磷酸化磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3 與下游含Pleckstrin（PH）結構域的靶分子結合并活化。人第10 號染色體缺失的磷酸酶張力蛋白同源物（PTEN）通過PIP3 去磷酸化為PIP2，并抑制PI3K的活性，對PI3K/Akt/mTOR 信號通路進行負向調節[10]。

1.2 Akt

Akt 是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是生長因子誘導的細胞存活的關鍵介質。哺乳動物中Akt 有3 種亞型，分別為Akt1、Akt2、Akt3，由有N 端的PH 結構域、中間激酶結構域及包含疏水基序的羧基端調節域構成。PH 結構域與PI3K 產生的第二信使PIP3 結合，在3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1 的蘇氨酸蛋白Thr308 位點發生磷酸化；哺乳動物雷帕霉素復合物1（mammalian target of rapamycin complex 2, mTORC2）催化絲氨酸Ser473 位點的磷酸化并激活Akt[11]。該位點磷酸化后Akt 達到完全激活。然后Akt 進入胞質和細胞核進而繼續對下游信號分子進行靶向調控，如mTOR、叉頭轉錄因子、轉錄因子和糖原合酶激酶3[12]。

1.3 mTOR

mTOR 屬于PI3K 家族成員，是PI3K/Akt/mTOR信號軸的重要蛋白。mTOR 有2 種結構相似和功能不同的復合體，哺乳動物雷帕霉素復合物1（mTORC1） 和哺乳動物雷帕霉素復合物2（mTORC2）。mTORC1 是自噬的主要負調節因子，調節p70 核糖體S6 蛋白激酶（p70S6K）、真核起始因子4E、自噬激酶1、轉錄因子EB、激活轉錄因子4、缺氧誘導因子1α 等蛋白的磷酸化或表達，并介導蛋白質、脂質和核苷酸合成[13]。mTORC2 調節Akt、血清/糖皮質激素調節激酶、蛋白激酶C 等的磷酸化或活性，從而控制細胞生長、增殖、自噬和代謝[14]。

2 PI3K/Akt/mTOR通路對OA炎癥反應的調節

疼痛是OA 最突出的表現，是各種刺激因素所引發炎癥反應的結果。炎癥是機體應對感染、損傷的應激反應。在OA 發病過程中，炎癥反應持續存在。白細胞介素-1β（Interleukin-1β, IL-1β）是一種促進軟骨降解的炎癥細胞因子，在OA 早期IL-1β便大量表達，通過激活有絲分裂原激活的蛋白激酶、細胞外信號調節激酶和特異性蛋白1增加骨形態發生蛋白和基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP）的水平，促進關節軟骨降解[15]。LOU 等[16]通過給小鼠注射丹皮酚，研究其在OA 中IL-1β 誘導PI3K/Akt/核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）信號通路炎癥的抑制作用，發現丹皮酚可抑制IL-1β 誘導的NF-κB 活化、PI3K 和Akt 磷酸化，并逆轉誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, INOS）、環氧化酶2（Cyclooxygenase-2, COX-2）、MMP-1、MMP-3 和MMP-13 的過量生產，抑制軟骨的降解。大蒜素是膳食大蒜的活性成分，具有抗炎作用。大劑量大蒜素可以抑制軟骨細胞中IL-1β、一氧化氮、INOS、前列腺素E2（prostaglandin E2, PGE2）、COX-2 和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha,TNF-α）和白細胞介素6（Interleukin-6, IL-6）過量產生，逆轉聚集蛋白聚糖（Aggrecan, ACAN）和減少產生Ⅱ型膠原蛋白[17]。TNF-α 是巨噬細胞和單核細胞在急性炎癥過程中產生的炎癥細胞因子，負責細胞內各種信號傳導事件，TNF-α 可誘發細胞壞死或凋亡。羅沙替丁為H2 受體拮抗劑，常用于治療胃和十二指腸潰瘍。ZE 等[18]發現羅沙替丁降低了人軟骨細胞中TNF-α 誘導的Iκ 激酶、κB 抑制劑α、NF-κB p65 及其核易位，消除NF-κB 信號通路的激活，羅沙替丁可能是抗骨關節炎的潛在藥物。ZHAO 等[19]研究發現，皮質抑素與腫瘤壞死因子受體1和腫瘤壞死因子受體2競爭性結合，抑制TNF-α的促炎功能。另一項研究發現，柚皮苷減弱了軟骨細胞中TNF-α 介導的炎癥和分解代謝[20]。

3 PI3K/Akt/mTOR 通路對OA miRNA 的調節

miRNA 是近年來發現的一類重要基因調節分子，其表達水平與骨關節炎發展進程中軟骨退化變性、軟骨細胞凋亡、炎癥及疼痛等病理變化關系密切[21]。CHEN 等[22]研究發現Wnt1 誘導信號通路蛋白1（wnt1-induced signaling pathway protein 1,WISP1）過表達抑制軟骨細胞的增殖，誘導細胞凋亡、細胞外基質（extracellular matrix, ECM）降解，促進產生炎癥細胞因子。蒲博強等[23]研究發現蒼術提取物可抑制IL-1β 誘導的軟骨細胞miR-378c 的表達，上調細胞周期蛋白D1 和凋亡抑制蛋白（B-cell leukemia-2, Bcl-2）蛋白表達，降低P21 和Bcl-2 相關X 蛋白（Bcl-2 associated X, Bax）蛋白表達，促進增殖活性，抑制細胞凋亡，提示蒼術提取物具有成為治療骨關節炎潛在藥物。SUN 等[24]研究發現miR-4262 上調促進TNF-α 誘導的細胞損傷，抑制軟骨細胞自噬，沉默調節蛋白1 型的過表達可以逆轉miR-4262 對TNF-α 處理的軟骨細胞的作用，這一過程可能是由PI3K/Akt/mTOR 信號通路的激活介導的。ZHANG 等[25]的一項臨床研究顯示OA 患者的miR-132 表達水平下降，通過PTEN/PI3K/Akt 信號通路促進Bax 的表達，激活半胱氨酸蛋白酶-3/9，增加炎癥因子降低軟骨細胞的細胞增殖并誘導細胞凋亡；相反，miR-132 過表達提高細胞增殖，降低了軟骨細胞的凋亡。LU 等[26]研究發現，OA 患者的軟骨細胞和軟骨組織中的miR-218-5p 明顯上調，抑制miR-218-5p 可提高2 型膠原α1 鏈基因和ACAN 的表達，降低血小板結合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAMTS-5）和MMP-13 的表達，故認為miR-218-5p 是通過調節PI3K/Akt/mTOR 信號傳導而引起軟骨破壞的新型誘導劑。

4 PI3K/Akt/mTOR 信號通路對OA 軟骨細胞凋亡的調節

細胞凋亡又稱程序性細胞死亡，正常的凋亡是細胞更新，免疫系統正常的運行，維持內環境穩定的重要機制，凋亡失調可誘發多種疾病。近來研究表明PI3K/Akt 在OA 軟骨細胞凋亡中起著重要作用[6]。中藥的一些活性成分通過調節PI3K/Akt/mTOR 通路而表現出抗軟骨細胞凋亡作用，對OA有良好的療效。WU 等[27]研究發現紅景天苷通過抑制PI3K/Akt 可促進軟骨細胞增殖，抑制IL-1β 誘導的細胞凋亡和炎癥，并清除軟骨細胞的活性氧（reactive oxygen species, ROS）和一氧化氮，在軟骨細胞中上調Bcl-2，下調Bax，抑制Caspase-3/Caspase-9 的產生和PI3K、Akt 的磷酸化，延緩OA的發生、發展。三七總皂苷（PNS）是從三七體育植物中提取的活性提取物。PNS 具有抗炎、抗氧化和抗衰老的藥理作用。ZHANG 等[28]研究發現，PNS 顯著抑制了OA 軟骨細胞的衰老和凋亡，在PNS 處理的OA 軟骨細胞中，自噬相關蛋白和Bcl-2 的表達水平顯著增加，而Bax 和Caspase-3 的表達水平降低，MMP-3 和MMP-13 表達降低，抑制Ⅱ型膠原蛋白的降解，從而減弱了OA 中的軟骨破壞。PNS 可通過抑制PI3K/Akt 途徑來保護骨關節炎軟骨細胞免于衰老和凋亡，從而延遲關節軟骨的降解。馬錢苷是山茱萸和馬錢子主要活性成分。YANG 等[29]研究發現馬錢苷降低OA 軟骨細胞中Bax 和Caspase-3的表達，增強Bcl-2 的表達，減少IL-1β 誘導的MMP-3、MMP-13 以及ADAMTS-4、ADAMTS-5 的釋放，延緩ECM 分解代謝。WU 等[30]研究發現，反式肉桂醛處理的IL-1β 誘導的軟骨細胞中IL-8、TNF-α 和PGE2 的蛋白質水平顯著降低。此外，隨著反式肉桂醛濃度的增加，IL-1β 誘導的軟骨細胞中MMP-13、INOS、COX-2 和ADAMTS-5 的mRNA表達以及Akt 和PI3K 的磷酸化明顯降低，反式肉桂醛通過PI3K/Akt 途徑抑制軟骨細胞IL-1β 誘導的炎癥反應，提示反式肉桂醛可能是骨關節炎的潛在治療劑。

5 PI3K/Akt/mTOR 信號通路對OA 自噬的調節

自噬又被稱為Ⅱ型程序性細胞死亡，主要作用是利用溶酶體降解自身受損的細胞器和生物大分子，保護生物體免受正?；虿±硇运ダ?，是維持細胞內穩態的關鍵途徑。自噬參與了軟骨細胞代謝，激活自噬可以抑制軟骨細胞凋亡，延緩細胞衰老和死亡，從而延緩骨關節炎的進展。HUANG 等[31]發現阻斷PI3K/Akt/mTOR 信號通路可促進大鼠關節軟骨細胞自噬，減輕炎癥反應，證明腎母細胞瘤過表達因子通過抑制PI3K/Akt/mTOR 信號通路，改善IL-1β 誘導的分解代謝、軟骨基質降解，促進自噬。WU 等[32]研究發現硫化氫可通過ROS 介導的PI3K/Akt/mTOR 級聯反應，降低細胞凋亡，促進自噬。自噬基因是酵母自噬蛋白的哺乳動物直系同源物，在自噬過程中起著核心作用，它與輔助因子相互作用以調節脂質激酶Vps-34 蛋白，促進Beclin 形成1-Vps34-Vps15 核心復合物，從而誘導自噬[33]。微管相關蛋白1 輕鏈3（LC3）是酵母Atg8 的哺乳動物直系同源物，是促成自噬主要步驟的關鍵蛋白。ZHANG 等[34]研究發現Akt 激活和自噬誘導后，Beclin-1 和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ蛋白水平顯著升高，對細胞凋亡顯著抑制。TAKAYAMA 等[35]在小鼠OA 模型局部關節內注射雷帕霉素，可以降低mTOR、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、COL10A1 和MMP-13 的表達，激活LC3，雷帕霉素的局部關節內注射可能是預防OA 的潛在療法。Torin1 是一種可引起自噬的mTOR特異性抑制劑，與雷帕霉素相似[36]。CHENG 等[37]研究顯示在兔關節腔內注射Torin1 導致軟骨細胞中Beclin-1 和LC3 表達增加，MMP-13 和VEGF 的表達降低，顯著降低了OA 誘導后關節軟骨的變性。CHEN 等[38]研究發現，異補骨脂素可顯著提高LC3-Ⅱ和溶酶體相關膜蛋白1 的表達，顯著降低p62/SQSTM1 的表達；認為補骨脂素通過促進自噬通量改善軟骨細胞凋亡。LI 等[39]研究顯示，黃芩苷通過上調自噬標志物Beclin-1 的表達和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比例并促進自噬通量，增加自噬保護人OA 軟骨細胞免于IL-1β 誘導的細胞凋亡和ECM 降解。楊陽等[40]提取了正常大鼠軟骨細胞進行體外培養，并用脂多糖誘導軟骨細胞自噬，發現白楊素可以下調Beclin-1 和LC3Ⅱ的表達，抑制PI3K/Akt 信號通路，從而保護軟骨細胞；其研究只表明在白楊素可以抑制正常軟骨細胞自噬，未進行OA 軟度細胞模型的實驗。雖然，目前認為自噬對軟骨細胞具有細胞保護作用，自噬減少與衰老和OA 發病有關，但其效果受諸多條件的影響。因此，需要對自噬進行更深入的研究，以確定其對細胞存活和死亡的影響。

6 總結與展望

PI3K/Akt/mTOR 是一個復雜的信號通路，由多個調控因子和效應因子組成。OA 作為常見的關節疾病，因其高致畸率、致殘率給社會帶來了較大的經濟負擔。但由于其發病機制較為復雜，除了晚期關節置換外尚無有效藥物或者手段逆轉關節的退變。在臨床上通過在OA 發病早期檢測PI3K/Akt/mTOR 的表達來判斷病情的發生、發展。對其進行盡早的干預治療，對延緩關節退化進程和患者后期關節功能恢復有著重要的意義。但PI3K/Akt/mTOR 在OA 發病中的生理病理階段中的作用尚不清楚。PI3K/Akt/mTOR 信號通路在OA 發病中的重要作用可能為治療OA 提供新的靶點。闡述清楚PI3K/Akt/mTOR 信號通路在OA 發病中的具體的分子機制及與其他信號通路是如何相互作用，讓以PI3K/Akt/mTOR 信號通路為基礎的OA 治療變得安全有效，是未來需要解決的問題。