mTOR在運(yùn)動(dòng)防治阿爾茨海默病中的作用研究（綜述）

吳文豪+徐波

摘要：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（ mTOR）信號(hào)通路參與細(xì)胞衰老，機(jī)體老化和年齡相關(guān)的疾病。在多細(xì)胞生物中，mTOR調(diào)節(jié)細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)代謝，生長(zhǎng)因子和細(xì)胞能量的狀況。近年來(lái)許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)mTOR作為可能是治療阿爾茨海默病（AD）的潛在靶點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)預(yù)防和改善阿爾茨海默病的發(fā)生有重要作用。這里從mTOR分子信號(hào)途徑探討體育運(yùn)動(dòng)影響AD的內(nèi)在分子機(jī)制。以期為運(yùn)動(dòng)緩解AD的人體這一系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)緩解AD病理的發(fā)生提供另一個(gè)嶄新的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：阿爾茨海默??；mTOR；運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練

中圖分類(lèi)號(hào)：G804 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-2808（2015） 05-0079-07

阿爾茨海默?。?AD）的發(fā)生被歸類(lèi)為一個(gè)與年齡、代謝相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病。據(jù)估計(jì)，全世界有超過(guò)3億人患有這一疾病。約95%的AD患者屬于散發(fā)性且病因不清楚，而其余的家族性患者是由早老素蛋白1和2，和淀粉樣前體蛋白（APP）基因突變引起的。目前為止，尚無(wú)徹底治療AD的特效辦法。許多研究證實(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的體育鍛煉對(duì)AD的預(yù)防和治療有不可替代的作用。但其內(nèi)在的分子機(jī)制卻依然不明。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號(hào)通路對(duì)于衰老和能量代謝研究是一個(gè)關(guān)鍵分子。因其參與了衰老和能量代謝相關(guān)的許多過(guò)程，可能對(duì)年齡相關(guān)的退行性疾病有重要作用。因此，本研究將把mTOR看作位于多個(gè)信號(hào)途徑的共通點(diǎn)并進(jìn)行一個(gè)綜合全面的分析，希望能更好的解釋運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練改善AD的病因和發(fā)病機(jī)制。

1 阿爾茨海默病概述

阿爾茨海默病是老年癡呆癥最常見(jiàn)的一種形式。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，65歲以上的老人近乎10%得有此病，而85歲以上近乎50%。目前在在AD腦內(nèi)觀察到的神經(jīng)病理特征包括老年斑的堆積和神經(jīng)纖維的纏結(jié)。而這些神經(jīng)特征的變化往往伴隨著腦內(nèi)海馬和頂葉灰質(zhì)皮層的萎縮和神經(jīng)元的丟失。最終觀察到灰質(zhì)和白質(zhì)都存在異常。

AD的臨床表現(xiàn)包括短期記憶和執(zhí)行功能障礙，這和相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能區(qū)域產(chǎn)生神經(jīng)退行性病變有關(guān)。AD發(fā)病過(guò)程一直被認(rèn)作是一種神經(jīng)退行性疾病。眾所周知的是，在AD患者末期階段，患者體力出現(xiàn)明顯下降。說(shuō)明AD的發(fā)病過(guò)程從中樞神經(jīng)系統(tǒng)延伸至全身。這種體力的下降在一定程度上可以肯定的說(shuō)是源于中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性導(dǎo)致的漸進(jìn)性的功能和行為能力的下降。

2 mTOR復(fù)合物及信號(hào)網(wǎng)

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶2549的氨基酸，屬于磷脂酰肌醇3-激酶相關(guān)激酶（ PIKK）家族蛋白。mTOR是一種廣泛表達(dá)蛋白，主要定位在細(xì)胞質(zhì)中，調(diào)節(jié)諸如細(xì)胞增殖，死亡，生存和蛋白質(zhì)合成過(guò)程。目前已知mTOR存在兩種不同的蛋白復(fù)合物形式：mTORCl和mTORC2。二者主要在某些組分，上游和下游的信號(hào)通路和對(duì)雷帕霉素的敏感性方面存在差異。二者都存在mTOR催化亞基、mLST8（ mammalian le-thal with SEC13 protein8）、DEP結(jié)構(gòu)域（即含有與mTOR相互作用的蛋白）和Ttil/Te12復(fù)合物。

相反，mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白和富含脯氨酸的Akt底物（PRAS40）是只存在于mTORCl，而對(duì)雷帕霉素不敏感的伴隨物（ Rictor），哺乳動(dòng)物應(yīng)激激活的蛋白激酶反應(yīng)蛋白1（msinl），與Rictor同時(shí)觀察到的蛋白1和2是特定存在mTORC2中。

mTORCl中主要的主要特征成分是Raptor，它是一種支架蛋白負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)復(fù)合物的組裝和底物的識(shí)別。Raptor相對(duì)分子質(zhì)量為150kDa，可以緊密結(jié)合于mTOR分子N端，之后攜帶他們至mTOR催化結(jié)構(gòu)域以磷酸化mTOR的下游蛋白如p70s6ks， 4ebps， STAT3。PRAS40和Deptor是mTORCl的負(fù)調(diào)控分子。PRAS40通過(guò)調(diào)節(jié)mTOR和Raptor之間的相互作用從而阻止了mTOR訪問(wèn)其底物mTORCl來(lái)負(fù)向調(diào)控mTOR信號(hào)通路。而當(dāng)mTORCl被激活，它能夠直接磷酸化和減少PRAS40和Deptor功能。

mTORC2包含對(duì)雷帕霉素不敏感的組成成分Rictor，這種成分對(duì)急性雷帕霉素治療有耐受性，然而，延長(zhǎng)雷帕霉素的干預(yù)時(shí)間可損害mTORC2的組裝合成。但是，新合成的Rictor能親和雷帕霉素，表明只有預(yù)合成的mTORC2耐受雷帕霉素，也許mTORC2通過(guò)改變空間結(jié)構(gòu)，從而阻止結(jié)合FRB。sinl是mTORC2另一個(gè)獨(dú)特的蛋白組成成分，其功能十分復(fù)雜，目前為止尚不清楚，但可以肯定的是其有十分重要的功能因?yàn)槿狈inl可導(dǎo)致胚胎死亡。TORC2在肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的組成中起了一定的作用，同時(shí)能磷酸化激活A(yù)kt，激活TORC1和抑制FOXO核募集。

由蛋白結(jié)節(jié)性硬化癥1/2（TSCl/TSC2）組成的異源二聚體是調(diào)節(jié)mTOR的一個(gè)關(guān)鍵上游蛋白。TSCl/2可以通過(guò)其下游靶蛋白R(shí)heb抑制mTORCl/2。通過(guò)Rheb（Ras在大腦中的同源基因表達(dá)），這種RAS家族的鳥(niǎo)苷三磷酸酶刺激使活化的GTP結(jié)合的Rheb反轉(zhuǎn)為失活的GTP結(jié)合的形式。一些激酶通過(guò)磷酸化來(lái)控制TSCl/2的活性從而調(diào)節(jié)這種異源二聚體的形成。在mTOR抑制或激活的狀況下，這些激酶根據(jù)磷酸化受體的氨基酸殘基決定是否繼續(xù)磷酸化。GSK3β（糖原合成酶激酶3β）也可通過(guò)磷酸化TSC2激活TSCl/2，從而抑制mTORC1。

3 PI3 K/Akt/mTOR信號(hào)通路

通過(guò)激活磷脂酰肌醇-3激酶（PI3-K），PI3-K/Akt/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路通過(guò)一些細(xì)胞生長(zhǎng)因子如胰島素，胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGFS）和表皮衍生生長(zhǎng)因子受體（EGFR）參與了細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程。這些生長(zhǎng)因子信號(hào)主要通過(guò)IGFs或胰島素調(diào)節(jié)mTORCl，首先IGFs或胰島素與胰島素受體（IR）/胰島素樣生長(zhǎng)因子受體（IGF-1/，2α-2B亞基酪氨酸激酶結(jié)合形成配基受體復(fù)合物，引起受體酪氨酸發(fā)生白體磷酸化并通過(guò)胰島素受體底物（IRS）激活PI3-K。PI3-K與IRS綁定使細(xì)胞膜上上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）轉(zhuǎn)化成磷脂酰肌醇三磷酸（PIP3） 。脂質(zhì)磷酸酶PTEN可拮抗PIP3的積累。endprint

增加PIP3水平可使Akt從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上，并在3-磷酸肌醇依賴(lài)性蛋白激酶1（PD-KI）、mTORC2和依賴(lài)于脫氧核糖核酸的蛋白激酶（DNA-PK）的輔助下，Akt蛋白上的蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)（Thr308）和絲氨酸磷酸化位點(diǎn)（Ser473）發(fā)生磷酸化從而使其激活。反過(guò)來(lái)，Akt的磷酸化能抑制TSC2活性，而上述我們知道TSC2是mTORCl的負(fù)調(diào)節(jié)因子。

而mTOR/p70S6K的激活是抑制Akt活性的一個(gè)主要負(fù)反饋抑制通路。這種機(jī)制是通過(guò)mTOR介導(dǎo)的絲氨酸磷酸化IRS-1，誘導(dǎo)IRS-1失活和降解，從而解除PI3-K/Akt信號(hào)中胰島素和IGF-1受體及其他受體的耦合狀態(tài)。這也是發(fā)生胰島素抵抗的主要原因之一。

此外，雖然mTORC2能使Akt蛋白上絲氨酸磷酸化位點(diǎn)（Ser473）發(fā)生磷酸化從激活PI3-K/Akt/mTOR信號(hào)通路但同時(shí)也促進(jìn)了Akt蛋白降解。這就如JNK在炎癥通路中的作用（如TNF拮抗α），所以可以通過(guò)阻斷PI3-K/Akt，來(lái)調(diào)節(jié)IRS-1的活性。細(xì)胞生長(zhǎng)因子也能通過(guò)Ras信號(hào)通路作用于ERKl/2和核糖體S6蛋白激酶激活rriTORC。

mTORC2能控制AGC蛋白激酶家族成員酶活性，包括Akt，血清和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的蛋白激酶1（SGKl），和蛋白激酶C（PKC-a）。mTORC2可通過(guò)磷酸化Akt蛋白的絲氨酸第473位點(diǎn)直接激活A(yù)kt，這個(gè)位點(diǎn)的磷酸化需要Akt最大限度的激活。Akt對(duì)mTORCl的調(diào)控作用也驗(yàn)證了mTORCS復(fù)合物之間有著潛在的信號(hào)關(guān)聯(lián)。

4 mTOR與AD

在過(guò)去的十年中，人們對(duì)AD患者和AD動(dòng)物模型腦內(nèi)的mTOR信號(hào)通路進(jìn)行了多方面的研究發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)退行性過(guò)程的發(fā)展過(guò)程中mTOR信號(hào)通路均顯示出異常上調(diào)。對(duì)AD患者大腦在海馬和其他腦區(qū)驗(yàn)尸表明mTOR在ser-2448和ser-2481位點(diǎn)磷酸化水平，以及它的兩個(gè)下游目標(biāo)蛋白p70S6K和eIF4E的表達(dá)均有增加。

此外，mTOR過(guò)度活化與AD患者的認(rèn)知功能密切相關(guān)。最近對(duì)AD和MCI患者腦頂葉研究發(fā)現(xiàn)mTOR及其下游信號(hào)蛋白p70S6K和4EBP表現(xiàn)出過(guò)度活化。與這結(jié)果一致的是，大量的研究表明，AD大腦內(nèi)mTOR的上游信號(hào)通路PI3-K/Akt信號(hào)軸受損。在AD患者大腦皮質(zhì)和海馬神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)PI3-K，Akt活化增加，而PTEN失活。細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERKl/2）能磷酸化并抑制TSCl/TSC2，它是mTOR另一個(gè)調(diào)節(jié)mTOR的上游信號(hào)通路，研究發(fā)現(xiàn)AD腦內(nèi)ERKl/2通路可以被激活。

研究顯示AD腦內(nèi)PI3 K/AKT/mTOR信號(hào)通路長(zhǎng)期處于激活狀態(tài)導(dǎo)致IRS-1受到抑制，使通過(guò)胰島素激活PI3-K/Akt的途徑受阻。

反過(guò)來(lái)，一些研究表明，不同類(lèi)型的Aβ包括單體和水溶性低聚物，可以過(guò)度激活PI3-K/Akt/mTOR信號(hào)軸。Aβ單體和水溶性低聚物結(jié)合到胰島素受體底物（IRS），可誘使胰島素受體（IR）在神經(jīng)元上內(nèi)化，并從樹(shù)突中脫落。這與是在AD患者腦內(nèi)可觀察到的現(xiàn)象。此外，Aβ可以增加PI3-K/Akt和mTOR活性。不同濃度的原代神經(jīng)元暴露在合成的Aβ單體和低聚物中可上調(diào)mTOR信號(hào)。在這些研究結(jié)果注入自然分泌Aβ可使野生型小鼠和12個(gè)月齡的APP轉(zhuǎn)基因小鼠的海馬mTOR信號(hào)活性增加，這充分表明Aβ沉積使mTOR過(guò)度活化。

5 體育活動(dòng)與AD

體育運(yùn)動(dòng)和引起的良好生理適應(yīng)已得到人們的普遍認(rèn)同，包括改善心血管健康，改善代謝功能如減少身體脂肪和增加胰島素敏感性，并能改善身體成分如增加受體重和骨密度。

研究表明，運(yùn)動(dòng)不僅能提高身體上的健康而且能通過(guò)一些潛在機(jī)制影響大腦的功能，從而起到體育鍛煉降低患AD的風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為對(duì)大腦，尤其對(duì)海馬有營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)。如運(yùn)動(dòng)能增加腦內(nèi)BDNF和其它腦內(nèi)的神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，證明了運(yùn)動(dòng)對(duì)腦細(xì)胞的生長(zhǎng)存活扮演重要角色。研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練導(dǎo)致成年動(dòng)物神經(jīng)元增加表明了運(yùn)動(dòng)可引起神經(jīng)發(fā)生。此外，運(yùn)動(dòng)可以調(diào)控動(dòng)脈粥樣硬化之類(lèi)的血管類(lèi)疾病的發(fā)生，還可以防治心臟病，中風(fēng)，糖尿病，這些疾病加大了患癡呆，血管性癡呆和AD的風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，AD發(fā)生伴隨有炎癥的發(fā)生，而運(yùn)動(dòng)可以降低全身性炎癥標(biāo)記物。

此外，許多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均表明長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能改善AD小鼠的生理病狀。Donmez等研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)激活Sirtl蛋白表達(dá)從而促進(jìn)α分泌酶活性，促使APP水解途徑向非Aβ途徑轉(zhuǎn)移，減少Aβ生成有關(guān)。Mesa等研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)月跑輪運(yùn)動(dòng)減少了轉(zhuǎn)基因AD小鼠海馬Aβ40的水平，但雌性小鼠海馬Aβ40的水平未改變。而6個(gè)月的運(yùn)動(dòng)對(duì)AD雄性和雌性小鼠海馬Aβ40的水平都有所抑制。KANG等研究也發(fā)現(xiàn)，12周跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)降低轉(zhuǎn)基因鼠p分泌酶水平，減少Aβ42沉積。Ad-lard等研究發(fā)現(xiàn)5個(gè)月自主跑輪訓(xùn)練對(duì)TgCRND8 AD小鼠大腦皮質(zhì)和海馬區(qū)Aβ斑塊、Aβ40、Ap42表達(dá)水平均有所下降，且其空間記憶能力顯著增強(qiáng)。Hyun等選用NSE/APPsw轉(zhuǎn)基因AD鼠作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)16周的跑臺(tái)訓(xùn)練顯著降低小鼠腦內(nèi)Aβ42肽水平。Liu等通過(guò)APP/PS1轉(zhuǎn)基因鼠發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期跑臺(tái)訓(xùn)練抑制其AD病癥，減少了Aβ沉積。

6 mTOR在運(yùn)動(dòng)改善AD中的可能機(jī)制

6.1 體育運(yùn)動(dòng)改變葡萄糖穩(wěn)態(tài)進(jìn)而影響AD

近年來(lái)有學(xué)者提出，葡萄糖穩(wěn)態(tài)的破壞可能是腦慢性代謝性疾病發(fā)?。ㄈ鏏D）的基礎(chǔ)。腦葡萄糖代謝障礙也許是由于葡萄糖運(yùn)輸發(fā)生改變或氧化代謝功能障礙的結(jié)果，這可能是導(dǎo)致AD患者腦中代謝異常的原因。據(jù)推測(cè)，葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)異?？赡芘c胰島素抵抗和細(xì)胞內(nèi)代謝改變導(dǎo)致的線粒體功能障礙有關(guān)，而這兩種現(xiàn)象在AD患者都有發(fā)生。而上文分析指出胰島素抵抗和長(zhǎng)期mTOR的激活有莫大聯(lián)系，那么體育活動(dòng)是否通過(guò)調(diào)節(jié)ATP/AMP比值進(jìn)而影響AMPK，并最終經(jīng)過(guò)mTOR信號(hào)途徑改善AD。

6.2 自然衰老與AD

一直以來(lái)，AD的發(fā)生與年齡的增長(zhǎng)呈正相關(guān)。從某種程度上來(lái)說(shuō)，AD就意味生物年齡增高，并導(dǎo)致神經(jīng)突觸受損，神經(jīng)細(xì)胞凋亡。研究表明，mTOR能調(diào)節(jié)人的壽命，其機(jī)制可能通過(guò)調(diào)節(jié)與營(yíng)養(yǎng)和能量相關(guān)的下游目標(biāo)蛋白4EBP1和p70S6K來(lái)完成的。在不同的研究生物模型均表明，mTOR信號(hào)的障礙可導(dǎo)致壽命的延長(zhǎng)。那么，體育活動(dòng)是否通過(guò)改善了大腦內(nèi)營(yíng)養(yǎng)和能量狀況，并通過(guò)mTOR影響了神經(jīng)細(xì)胞蛋白合成延長(zhǎng)壽命蛋白進(jìn)而對(duì)抗AD的發(fā)生。

7 結(jié)語(yǔ)

近十年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉在防治AD方面有重要作用。而許多研究都指向mTOR分子的激活與AD的發(fā)生存在千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。那么，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是否通過(guò)mTOR這一信號(hào)網(wǎng)改善AD，盡管mTOR信號(hào)通路繁多復(fù)雜，但隨著研究不斷深入，這一機(jī)制必將被闡明。

不斷有學(xué)者提出，AD的發(fā)生不僅僅要從神經(jīng)退行性疾病這一點(diǎn)研究，AD的發(fā)生是一個(gè)全身系統(tǒng)性疾病。如首先表現(xiàn)在體力的明顯下降，之后是認(rèn)知功能衰退并最終導(dǎo)致壽命的終止。而mTOR生物學(xué)功能繁多，如在細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育、蛋白合成、免疫均有重要作用。此外，mTOR信號(hào)通路與葡萄糖代謝、白噬功能、壽命的延長(zhǎng)存在緊密聯(lián)系。目前，mTOR在生命科學(xué)中研究不斷深入，而與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練間的聯(lián)系卻剛剛起步。體育活動(dòng)可以引起廣泛的生理適應(yīng)，包括改善心血管健康，血管的健康，改善代謝功能如減少身體脂肪和增加胰島素敏感性，并能改善身體成分如增加受體重和骨密度。此外，體育活動(dòng)對(duì)眾多疾病均有緩解和改善的效果，如動(dòng)脈粥樣硬化、中風(fēng)、心臟病、糖尿病、血管性癡呆和AD等。體育活動(dòng)對(duì)人體這種全身性的改善的機(jī)制機(jī)理與mTOR分子及其參與的眾多信號(hào)通路存在極大的呼應(yīng)之處。故闡明體育科學(xué)領(lǐng)域與mTOR這一信號(hào)聚集點(diǎn)的關(guān)系有重要意義，對(duì)探討改善AD這一疾病機(jī)理十分必要，也有極高的實(shí)用價(jià)值。endprint