mTOR信號通路在視神經(jīng)再生中的研究進展

王夢迪，崔極哲

(吉林大學白求恩第二醫(yī)院 眼科中心，吉林 長春130041)

成年哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)(Central Nervous System,CNS)軸突再生能力差，在神經(jīng)元損傷后可形成永久性的功能障礙[1]。視神經(jīng)是CNS中的一部分，發(fā)生損傷(如創(chuàng)傷、缺血或退行性疾病)，則同樣不能再生。目前理論認為：成熟神經(jīng)元受損軸突再生失敗主要在于CNS組織和神經(jīng)元中的生長抑制分子的調控以及損傷后生長反應激活不足。增加細胞內在關鍵生長促進因素如哺乳動物雷帕霉素靶點(mTOR)[2]，腦源性神經(jīng)生長因子(BDNF)[3]，或睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)[4]等，或通過下調軸突生長的轉錄抑制因子如Kruppel樣因子4(KLF4)[5]或細胞因子信號傳導抑制因子(SOCS3)[6]，可以實現(xiàn)CNS軸突部分再生。盡管在視神經(jīng)受損后恢復視力仍然是一個難以企及的目標，近年來對哺乳動物雷帕霉素標靶蛋白(mTOR)等關鍵生長調節(jié)因子的研究揭示了開發(fā)新的藥物干預措施的潛力，將來這些干預措施可以轉化為眼科醫(yī)生的治療選擇。

1 視神經(jīng)損傷軸突再生障礙與mTOR的關系

再生障礙的原因包括：(1)內在因素：損傷后的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(RGCs)固有生長程序的再激活能力較弱[7]。RGC中促進軸突再生的相關基因及營養(yǎng)因子的表達不足。事實上，自出生后細胞內在生長抑制因子轉錄因子家族隨視網(wǎng)膜發(fā)育上調，而生長誘導轉錄因子在RGCs和其他CNS神經(jīng)元中下調[5]。(2)外在因素：RGCs的周圍環(huán)境不利于軸突再生。在發(fā)育過程中，神經(jīng)元周圍環(huán)境由促進細胞生長，隨機體成熟而轉變?yōu)橐种萍毎L[8]。而在損傷后，視網(wǎng)膜中RGCs周圍的細胞表達髓鞘蛋白抑制軸突再生[9]。同時，在突觸發(fā)育、傳輸和可塑性中起重要作用的星形膠質細胞[10]形成物理和分子屏障阻止RGCs軸突再生，無長突細胞釋放鋅被RGCs內化后阻止其再生[11]。(3)RGCs凋亡。軸索損傷啟動RGCs凋亡，通過p53上調下游因子及從線粒體電子傳遞鏈增加RGCs中的超氧化物水平，導致RGCs進一步死亡[12]。

mTOR是一種絲氨酸-蘇氨酸激酶，在營養(yǎng)傳感途徑中起作用，是細胞蛋白質合成和存活的最重要的調節(jié)者之一，與各類細胞生長、增殖和分化密不可分[13]。mTOR信號傳導通路的失調往往發(fā)生在多種的癌癥中[14,15]。在視網(wǎng)膜軸突中，成熟的RGCs再生潛力的喪失伴隨著mTOR活性的下調，且在細胞損傷后的進一步減少[2]。

2 經(jīng)典mTOR信號傳導通路

mTOR本身可以形成兩種效應復合物。mTORC1，其主要涉及蛋白質合成，生長和存活。mTORC 2功能不明確，考慮在細胞骨架中起作用。PI3K/AKT/mTOR是經(jīng)典的mTOR信號通路，在細胞分解代謝和合成代謝過程中起著至關重要的作用[16,17]。

在經(jīng)典通路中，上游激動劑是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)，抑制劑是磷酸酶和張力蛋白同系物(PTEN)和結節(jié)性硬化復合體(TSC1/2)。位于細胞膜上的磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸鹽(PIP2)與活化的PI3K結合，磷酸化為PIP3(PTEN對此過程起負調控作用)。PIP3將兩個含PH域的激酶-磷脂酰肌醇依賴性激酶-1(PDK1)和Akt募集到細胞膜上，隨后通過mTORC2以及PDK1介導的磷酸化激活Akt。Akt可以磷酸化TSC2并抑制TSC1/2的形成(TSC1/2是包含TSC1和TSC2的異源二聚體)，從而解除對Rheb(Rashomolog enriched in brain，一種mTORC1激活劑)的抑制，激活Mtor[16,17]。

mTORC1由活性mTOR與Raptor蛋白結合形成，通過磷酸化下游效應物p70核S6蛋白激酶(S6K1)和4E結合蛋白(4E-BP1)，調控蛋白質的翻譯過程[20]。在蛋白質翻譯過程中，真核生物蛋白翻譯起始因子eIF4E與eIF4G的結合，形成活化的eIF4F(eIF4E-eIF4A-eIF4G)起始復合物，識別帽結構開始翻譯。而在基礎條件下，4E-BP1具有同eIF4G相似的eIF4E的識別序列，與eIF4E結合形成復合物，抑制蛋白翻譯。mTOR1通過對4E-BP1的磷酸化，釋放eIF4E，進而促進蛋白質的合成[16,17]。另外，磷酸化的S6K1顯著激活核糖體S6蛋白的活性[18]，并促使eIF4B募集到起始復合物上[19]。其中，核糖體S6蛋白的激活對于刺激含有5′-寡嘧啶束的mRNA的翻譯效率非常關鍵，這個mRNA的亞組主要編碼參與翻譯過程本身的蛋白[20]。

3 mTOR在視神經(jīng)軸突再生實驗室研究中的進展

3.1 激活mTOR通路是促進軸突再生最有效方式之一

Park[2]等首次證實敲除mTOR信號通路上游抑制劑，使受損軸突獲得明顯再生。該研究通過在成年小鼠玻璃體腔內注射腺病毒，選擇性敲除RGCs中編碼mTOR信號通路上游抑制劑PTEN或TSC1的基因，激活損傷RGCs中的mTOR通路。其中，在敲除PTEN的成年小鼠擠壓損傷2周后觀察到約45%的RGCs存活，而對照組約為20%。大約8%-10%存活的RGCs顯示神經(jīng)突從損傷的視神經(jīng)纖維中生長約0.5 mm以上，一些甚至延伸超過3 mm，這些纖維隨著時間的推移沿著視神經(jīng)繼續(xù)生長。在損傷4周后，一些再生纖維甚至延伸到視交叉區(qū)域。隨后，激活mTOR信號通路可使RGCs存活數(shù)目明顯增多及大量神經(jīng)纖維再生，這一結論被其它實驗室相繼證實[21-25]。也有少數(shù)實驗室證實mTOR抑制劑Rapamycin對損傷的RGCs有保護作用[26,27]。

3.2 mTOR通路的激活聯(lián)合多種再生調節(jié)因素共通促進軸突再生

選擇性敲除編碼mTOR信號通路的上游抑制劑聯(lián)合其它神經(jīng)再生的調節(jié)因子共同作用于受損視神經(jīng)可形成促進軸突再生的疊加效果。SOCS3[22]和PTEN基因的共同敲除或PTEN敲除與炎性分子(癌調蛋白或酵母多糖)[21]，CPT-cAMP[21,23]及c-myc[25]的聯(lián)合應用引起視神經(jīng)軸突顯著再生。但是，除de Lima et al[21]報道PTEN敲除/ cAMP過表達/ 玻璃體腔注射癌調蛋白三聯(lián)治療方法可促使小鼠RGCs軸突生長至外側膝狀體和上丘靶位置，同時小鼠部分視功能恢復外，絕大多數(shù)聯(lián)合治療方案都不能刺激RGCs軸突再生回大腦，而是觀察到再生的RGCs軸突在視交叉處停頓或出現(xiàn)U形轉向，再生的軸突折返或向對側眼生長[22-23]，造成RGCs與腦中靶目標分離的現(xiàn)象。當然，并不是所有的聯(lián)合治療均出現(xiàn)疊加效應。敲除RGCs中的雙亮氨酸拉鏈激酶(DLK)[24]，通過改變細胞凋亡途徑增強了RGCs視神經(jīng)損傷后的存活，但同時也限制了基于PTEN敲減對軸突再生的增強。

3.3 mTOR通路的激活聯(lián)合神經(jīng)電活動促進再生軸突與大腦重建突觸關系

軸突的再生只是視神經(jīng)損傷修復的開始，視覺功能恢復意味著受損的軸突再生到外側膝狀核(中繼到視皮層)和上丘。也就是說，再生的RGCs軸突不僅需要再生長度到達8 mm以上，還需與大腦中的靶目標建立正確的突觸關系[28]。在發(fā)育期，自發(fā)和視覺驅動的電活動提高RGC連接，并通過增加對營養(yǎng)因子的反應性來增強RGCs軸突生長[29]。Lim J HA[38]證實增加對視神經(jīng)損傷模型成年小鼠的RGCs高對比度視覺刺激可以促進損傷后的軸突再生。相反，降低RGCs的神經(jīng)活動水平會抑制細胞存活。雖然單獨增加RGCs視覺刺激不足以支持RGCs軸突再生進入大腦，但實驗表明增強視覺刺激和激活mTOR的聯(lián)合對軸突的再生具有協(xié)同作用，當縫合小鼠對側健眼時，這種協(xié)同作用發(fā)揮至最大，可促使部分軸突長距離再生回大腦，且再生的RGCs軸突與大腦靶目標形成正確的連接，同時還能避免功能不正確的連接。這一發(fā)現(xiàn)是視神經(jīng)再生研究中重要的進展。

4 總結與展望

視覺修復的研究集中在損傷后維持RGCs存活，促使軸突再生成視神經(jīng)，并重建其與大腦正確的突觸關系。mTOR信號通路的激活聯(lián)合其他治療方案在軸突長距離再生及與大腦建立正確突觸聯(lián)系方面取得重大進展。但是這些進展還局限于實驗室階段，且在考慮mTOR的臨床應用時仍存在不少障礙：(1)mTOR的激活必須在RGCs軸突損傷之前，才能發(fā)揮促進再生作用[30]；(2)mTOR廣泛影響細胞生長[16-20]，眼內應用可能導致視網(wǎng)膜腫瘤形成[31]；(3)mTOR聯(lián)合治療促進RGCs軸突的再生作用仍然是有限的，可能需要更有力的RGCs再生刺激劑來激發(fā)RGCs軸突生長到腦中，并且同時支持RGCs軸突再生和連接的長期存活；(4)即使再生軸突與大腦建立正確突觸聯(lián)系，仍不能預測視覺功能恢復[30]。

綜上，mTOR信號通路在視神經(jīng)再生方向取得的一系列新的進展，使視神經(jīng)損傷后視覺功能恢復逐漸成為一個可以實現(xiàn)的目標。

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