PI3K/AKt信號通路與神經損傷修復的研究進展

李想 李安特 孫秋霞 畢佳璇 于潤澤 周澤宇 付秀美 (承德醫學院，河北 承德 067000)

磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(PKB，又稱AKt)信號通路作為抗細胞凋亡、促細胞存活的信號通路廣泛存在于各種類型的細胞中，參與細胞的生長、增殖和分化，是細胞內重要的信號通路。近年來研究顯示〔1～6〕，在神經系統中，PI3K/AKt信號通路受多種神經營養因子的調節，參與了神經細胞的增殖、分化、突觸可塑性等生理過程，并對損傷后的神經發揮促進其再生修復的重要作用。因此，PI3K/AKt信號通路在神經系統損傷修復中的作用和影響頗受關注。本文分別從PI3K/AKt信號通路的結構與組成、PI3K/AKt信號通路的激活、PI3K/AKt信號通路調節神經細胞的生理過程、PI3K/AKt信號通路與神經系統疾病的關系及總結與展望五方面進行展開論述，希望可以為神經系統疾病的基礎實驗研究及其臨床治療方面提供新的思路。

1 PI3K/AKt信號通路主要分子的結構與組成

1.1PI3K PI3K為胞內磷脂酰肌醇激酶，根據脂質底物的特異性和同源性的不同，PI3K可分為三類：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，目前以Ⅰ型的研究最為廣泛〔7〕。Ⅰ型PI3K又分為ⅠA與ⅠB兩種亞型，其中ⅠA型是由調節亞基p85與催化亞基p110組成的異源二聚體〔8〕。調節亞基p85又包含了SH2和SH3兩個重要結構域，催化亞基p110則具有磷脂酰肌醇激酶和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的雙重活性〔9〕。當神經營養因子或胞外生長因子與跨膜的酪氨酸激酶受體(RTKs)結合后，RTKs則會發生自身磷酸化，從而募集PI3K至RTKs磷酸化部位。上述調節亞基p85與催化亞基p110可幫助PI3K進行活化，活化后的PI3K可催化磷脂酰肌醇2磷酸(PIP2)，使其轉為磷脂酰肌醇3磷酸(PIP3)，PIP3可繼續與下游靶點分子結合，從而發揮生物學作用〔10～12〕。

1.2AKt AKt是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PIP3重要的靶點分子，在葡萄糖代謝與細胞的生長存活中發揮重要作用〔13〕。AKt可分為AKt1、AKt2和AKt3 三種亞型，其結構相似，并且在許多組織中都有表達。其中AKt1是最重要的亞型，在心、腦、肺等組織中的表達量最高〔14，15〕。AKt是PI3K/AKt信號通路下游一個重要的靶激酶，可被多種蛋白或者酶類激活，諸如受體酪氨酸激酶、整合素、B細胞和T細胞受體、G 蛋白偶聯受體、細胞因子受體等。PI3K活化后的產物與AKt的PH結構域結合，使其移位、并發生構象改變，同時Ser473 和Thr308的位點發生磷酸化，從而活化AKt。另外，磷脂酰肌醇依賴性蛋白激酶(PDK)在AKt的激活過程中起了重要作用，其具有磷酸化Ser473位點的能力，從而形成PDK-1/PDK-2復合體，使AKt活化。

2 PI3K/AKt信號通路的激活

PI3K/AKt信號通路是通過PI3K的激活來啟動的。PI3K的激活有兩種方式，一種是與RTKs等受體相互作用，如生長因子或神經營養因子等與其相應受體結構域結合使受體磷酸化，募集PI3K至受體磷酸化部位，從而激活PI3K。另一種是通過Ras與催化亞基p110直接結合，從而使PI3K活化。活化后的PI3K將PIP2轉化為PIP3，PIP3與AKt的PH結構域結合并使Akt轉移至細胞膜上，從而催化AKt磷酸化。如上所述PDK也參與了AKt的活化，在兩者的共同作用下，AKt的Ser473和Thr308兩個位點發生磷酸化，使AKt激活。需要注意的是直接使AKt磷酸化的并不是PI3K活化后所產生的PIP3，而是PDK-1。當細胞在胞外信號的刺激下，PI3K首先被激活，隨之活化的PI3K產生PIP3。PIP3可以使AKt由細胞質轉位到細胞膜，從而獲得催化活性，進而使其自身的Thr450和Ser124發生磷酸化；同時和PDK-1一起錨定在細胞膜上，在PDK-1的催化下使Ser473和Thr308磷酸化，從而活化AKt，引起級聯反應。活化的AKt(又稱p-AKt)可繼續調控下游多種靶點分子，如B細胞淋巴瘤(Bcl)-x1/Bcl-2相關死亡啟動子(Bad)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、糖原合成酶激酶(GSK)-3β因子，核因子(NF)-κB及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-9等來發揮生物學效應，如調節細胞存活、蛋白質合成、身體器官生長發育及促進血管生成等〔9，11〕。

3 PI3K/AKt信號通路調節神經細胞的生理過程

PI3K/AKt信號通路活化后可以促進/抑制神經細胞內多種蛋白質的磷酸化，發揮調控神經細胞存活、增殖、分化、自噬及調控神經細胞突觸可塑性等作用。

3.1細胞自噬 自噬是存在于真核細胞內的一種自穩機制，是一種溶酶體依賴性降解系統。自噬在實現細胞免疫調節及維持細胞內代謝平衡的過程中起到了一定的積極作用。PI3K/AKt信號通路是機體調控細胞自噬過程的主要信號通路，其磷酸化后可上調下游信號分子mTOR的表達，進而抑制細胞自噬〔16〕。Gao等〔17〕的研究顯示在面神經損傷的模型中，趨化因子(CXCL)12預處理可降低PI3K、AKt和mTOR的磷酸化水平及增加自噬標志物LC3Ⅱ/Ⅰ的表達，因此CXCL12誘導的施萬細胞遷移作用分別通過3-甲基腺嘌呤(MA)和胰島素樣生長因子(IGF)-1預處理抑制自噬和激活PI3K通路而明顯減弱。總的說來，激活后的PI3K/AKt信號通路可抑制細胞自噬的進程，是細胞自噬調控的主要節點之一〔18,19〕。

3.2神經細胞的增殖分化 在神經系統，PI3K/AKt信號通路激活后，可縮短神經前體細胞的細胞間期，使之迅速進入細胞分裂期，因而可使神經細胞的增殖和分化進程加快，這將促進神經細胞增殖分化，對神經的再生修復有極大的促進作用〔20〕。有研究表明DIXDCI可能通過靶向周期蛋白(Cyclin)D1和p21，部分通過激活PI3K/AKt信號通路參與施萬細胞的增殖〔21〕。Wang等〔22〕實驗結果揭示IGF-1與其受體(IGF-1Rs)相結合后可使PI3K/AKt和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細胞外調節蛋白激酶(ERK)信號通路激活，促進視網膜母細胞在體外增殖和分化，這對視網膜退行性疾病的細胞治療可能是至關重要的。

3.3突觸可塑性 研究表明神經細胞的突觸可塑性增加表現為長時程增強(LTP)，突觸可塑性減弱則表現為長時程抑制(LTD)〔23〕。在這一過程中，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體的激活是重要的一環，活化后的NMDA可促進α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體進入突觸后膜。Parkinson等〔24〕實驗結果顯示PI3K能與AMPA受體結合，并引導其在突觸后膜上的分布。NMDA受體激活導致鈣離子內流和鈣調蛋白的激活，同時也能激活PI3K，二者相互促進。此外，AKt還可將磷脂酰肌醇固定于突觸后膜，并招募AMPA受體的對接蛋白，有利于AMPA受體在突觸后膜的固定，從而為其發揮生物學作用提供了保證〔25，26〕。故PI3K/AKt信號通路在突觸可塑性方面發揮了一定作用。

4 PI3K/AKt信號通路與神經系統疾病的關系

4.1PI3K/AKt信號通路與運動神經元病的關系 運動神經元病除了導致運動功能障礙，也對視覺、呼吸、語言、認知等功能存在影響，同時也會影響壽命。據以往的研究來看運動神經元的發病原因有以下幾種：谷氨酸誘導的興奮毒性、炎癥反應、氧化應激、線粒體膜改變、呼吸鏈酶受損和蛋白質降解機制受損等〔27〕。Lunn等〔28〕發現使用G93A-超氧化物歧化酶-1對大鼠進行轉基因操作，建立大鼠肌萎縮性側索硬化癥體外模型，研究結果顯示模型組大鼠的細胞在大量G93A-超氧化物歧化酶-1的作用下會使軸索發生變性并激活caspase-3，從而引發細胞凋亡。若在運動神經元培養基中加入血管內皮生長因子(VEGF)，可以在一定程度上減輕G93A-超氧化物歧化酶-1的毒性作用；同時研究還發現VEGF抑制細胞凋亡的神經保護作用在PI3K/AKt信號通路的作用下可以得到顯著加強。

4.2PI3K/AKt信號通路在常見神經退行性疾病中的作用 常見的神經退行性疾病包括帕金森癥(PD)，亨廷頓病(HD)，肌萎縮側索硬化(ALS)，阿爾茨海默病(AD)，多發性硬化(MS)等。PI3K/AKt信號轉導通路的激活可以減少缺血缺氧性腦損傷，發揮保護腦組織的作用，并在缺血缺氧所致的腦癱的病理生理過程中發揮重要的調節作用〔29，30〕。在MS患者中，PI3K/AKT/mTOR信號通路在髓鞘的發育和再髓鞘形成過程中可調控少突膠質前體細胞的分化，進而促進髓鞘形成〔31〕。證明該信號通路在促進損傷神經細胞修復中具有極其重要的意義。在PD模型中，PI3K/AKt信號通路則受到抑制，體內Sonic hedgehog(SHH)信號通路對PI3K/AKt信號通路具有一定的調控作用；而PI3K/AKt信號通路在SHH信號通路的激活可改善小鼠的運動協調能力、保護多巴胺能神經元、抑制小膠質細胞的激活及炎癥因子的表達等方面同樣發揮著重要的作用〔32〕。

4.3PI3K/AKt信號通路在周圍神經損傷(PNI)中的作用 PNI作為臨床上常見的損傷性、致殘性疾病，其患者多表現為神經性疼痛、肌肉萎縮、甚至癱瘓。現已知的致病因素大多數為機械損傷和意外傷害等。如超出神經拉伸限度的拉伸力導致的神經撕裂、利器所致的刀割傷及交通事故導致的神經壓挫傷和/或斷離損傷等。神經受損如離斷、碾壓挫傷及變構，常導致神經本身及其支配的靶組織或者靶器官發生多種功能障礙包括感覺、運動、營養等方面。與中樞神經系統不同的是，周圍神經系統在一定程度上具備自我再生修復的能力。當神經受損程度低于神經自我修復限度的臨界值，并且在施萬細胞的基底膜完整時，損傷神經就可以實現再生修復〔33〕。PI3K/AKt信號通路作為細胞內重要的信號轉導通路，參與了神經細胞的生長、分化和成熟等過程，并在其中發揮了積極的作用。神經干細胞(NSCs)是一類具有分化潛能和自我更新能力的母細胞，可以通過不對等的分裂方式產生神經元、星型膠質細胞、少突膠質細胞等神經組織的多種細胞。研究顯示PI3K/AKt信號通路在NSCs向神經元的誘導分化中起到了積極的促進作用。L-正丁基苯酞可通過上調CyclinD1來促進NSCs的增殖、遷移和神經分化，PI3K/AKt信號通路可能是這一過程中的一個重要的靶點。Sang等〔34〕在坐骨神經損傷模型研究中，發現姜黃素可刺激NGF的釋放，增加的NGF可進一步激活TrkA和PI3K/Akt細胞存活信號通路，發揮對損傷神經元的保護作用。

綜上，PI3K/AKt信號通路廣泛存在于各種細胞中，通過PI3K和/或AKt的激活，進而調控其下游的多種信號分子來發揮作用。在神經系統中，該通路激活后可上調/下調神經細胞內多種蛋白磷酸化水平，從而參與調控神經細胞的存活、自噬、發生及神經細胞的增殖、分化和突觸可塑性等。因此，在運動神經元疾病、神經退行性疾病及周圍神經損傷后的再生修復過程中，PI3K/AKt信號通路發揮了十分重要的作用。而且，近年來研究發現該信號通路和很多其他信號通路存在著關聯，比如MAPK/ERK、NF-κB和β-連環蛋白等〔35，36〕。因此，通過對該信號通路中分子及與其相互作用的通路分子進行研究，可為神經系統疾病的機制研究及相應藥物開發提供新的思路。