哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路在心臟發(fā)育和重構(gòu)中作用的研究進展

劉杰 綜述 李景東 審校

(華中科技大學協(xié)和醫(yī)院心內(nèi)科，湖北武漢430022)

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian or mechanistic target of rapamycin,mTOR)是一種相對分子量為28.9×104非典型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)相關(guān)激酶家族。在哺乳動物中由同一基因編碼，行使其生理功能主要通過兩種不同的蛋白質(zhì)復合體mTORC1(mTOR complex 1,mTORC1)和mTORC2(mTOR complex 2,mTORC2)。mTORC1主要由mTOR相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白(regulatory-associated protein of mTOR,Raptor)、哺乳動物致死因子半胱氨酸13蛋白8(mLST8或GβL)、相對分子量為4.0×104富含脯氨酸Akt底物蛋白(proline-rich Akt substrate of 40 kDa,PRAS40)、含DEP結(jié)構(gòu)域mTOR相互作用蛋白(DEPTOR)和mTOR組成。而mTORC2主要由mTOR雷帕霉素不敏感伴侶(rapamycin-insensitive companion of mTOR,Rictor)、mLST8、DEPTOR、哺乳動物應激激活蛋白激酶相關(guān)蛋白1和mTOR組成。其中mTORC1對mTOR抑制劑雷帕霉素敏感，而mTORC2對雷帕霉素不敏感[1]。mTORC1主要參與蛋白的合成、細胞的增殖分化、核糖體及線粒體的生物合成、自噬及新陳代謝，而mTORC2則與細胞的生存及細胞骨架形成有關(guān)[2-3]。近年研究表明，mTOR在心血管病理生理中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，現(xiàn)對mTOR信號通路在心臟發(fā)育和重構(gòu)中的作用的研究進展進行綜述。

1 mTOR信號通路

1.1 mTORC1途徑

1.1.1 mTORC1的激活

mTORC1的激活有依賴和不依賴PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信號通路兩種方式。生長因子如胰島素樣生長因子1和胰島素結(jié)合其受體，能夠激活PI3K/Akt信號通路。mTORC1是Akt公認的下游底物，Akt家族有三種成員：Akt1、Akt2和Akt3，在心臟中均有表達；但以Akt1和Akt2占優(yōu)勢。Akt1主要調(diào)節(jié)生理狀態(tài)下心臟的生長，而Akt2調(diào)節(jié)心臟的代謝和心肌細胞的存活，兩者都具有心臟保護作用。Akt調(diào)控mTORC1的途徑包括4種：(1)Akt能夠磷酸化抑制結(jié)節(jié)性硬化癥復合體1/2(tuberous sclerosis 1/2 complex,TSC1/2)，而TSC1/2是mTORC1的上游調(diào)控關(guān)鍵分子，為富含腦的Ras同源物Rheb(Ras homolog enriched in brain)的GTP酶活化蛋白。Rheb是mTORC1的直接激活劑，TSC1/2能夠使GDP結(jié)合活化的Rheb，進而抑制mTORC1。有研究表明，心臟特異性Rheb轉(zhuǎn)基因小鼠，在缺血狀態(tài)下mTORC1的活性是增加的[4]。(2)Akt能磷酸化PRAS40(mTORC1的抑制劑)使其從Raptor上分離下來，進一步活化mTORC1。(3)Akt能夠磷酸化抑制糖原合成酶激酶-3α/β(glycogen synthase kinase 3 alpha and beta,GSK3α/β)，緩解了GSK3α/β對mTORC1活化的抑制作用。無翼相關(guān)的小鼠乳腺腫瘤病毒整合位點(wingless-related MMTV integration site,Wnt)信號通路在動物發(fā)育過程中高度保守，對細胞增殖、分化和極性或移動起著決定性作用。健康成人的心血管系統(tǒng)中存在少量Wnt活性，但在心血管病理過程中觀察到該通路的再激活。Wnt信號通路能夠抑制依賴TSC2的GSK3的磷酸化，此過程不依賴標準的β-連環(huán)蛋白的調(diào)節(jié)，從而激活mTORC1途徑[5]。(4)Akt能夠磷酸化BECN1基因編碼的具有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)的Bcl-2相互作用蛋白(BECN1:coiled-coil,moesin-like BCL2-interacting protein,Beclin1)，依賴Akt的Beclin1磷酸化能夠直接抑制脂質(zhì)激酶液泡分選蛋白34(vacuolar protein sorting 34,Vps34)復合物的活化，而Vps34是PI3K-Ⅲ類復合物的催化亞單位[6]，可見Akt在活化mTORC1、抑制自噬過程中起著重要作用。

mTORC1的激活不依賴PI3K/Akt信號通路的方式有四種。(1)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)的激活能抑制TSC1/2且活化Raptor，進而激活mTORC1[7]。(2)ERK下游分子，p90核糖體S6激酶1也能夠抑制TSC1/2并激活Raptor促進mTORC1活化。ERK和p90核糖體S6激酶1的激活有助于苯腎上腺素誘導的成年大鼠心室肌細胞中mTORC1的活化和蛋白質(zhì)合成[8]。(3)核因子κB信號通路相對保守，貫穿哺乳動物的一生并可以調(diào)節(jié)很多生物學過程。核因子κB信號通路上游激酶核因子κB抑制蛋白激酶β在非心肌細胞中能夠磷酸化抑制TSC1激活mTORC1[9]，在心肌細胞中核因子κB抑制蛋白激酶β也能夠激活mTORC1[10]。核因子κB抑制蛋白激酶α也被報道能夠活化mTORC1[11]，由此可見，mTORC1信號通路與核因子κB信號通路存在緊密聯(lián)系。(4)氨基酸特別是亮氨酸和精氨酸，以一種不依賴PI3K/Akt和TSC的方式激活mTORC1，Rag亞家族Ras相關(guān)的小GTP酶的研究能夠促進人們對氨基酸激活mTORC1過程的理解[12]。

1.1.2 mTORC1的抑制

(1)腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是細胞內(nèi)的能量感受器，當細胞內(nèi)的ATP水平降低、AMP水平升高時被激活，AMPK通過多種方式負性調(diào)節(jié)mTORC1的活性。AMPK能夠磷酸化并且增強TSC1/2的活性，同時能夠磷酸化Raptor誘導它結(jié)合14-3-3蛋白，這兩者都能抑制mTORC1[13]。AMPK能夠直接磷酸化unc51樣自噬激活激酶1(unc51-like autophagy activating kinase 1,ULK1)誘導自噬，而mTORC1能夠破壞AMPK與ULK1間的相互作用進而抑制自噬的發(fā)生[14]。(2)GSK3α/β最初被定義為負性調(diào)節(jié)糖原合成，現(xiàn)在認為GSK3能夠調(diào)節(jié)許多細胞功能包括凋亡等。如前所述，Akt可以磷酸化抑制GSK3。GSK3通過磷酸化TSC2進而抑制mTORC1[5]。(3)死亡相關(guān)蛋白激酶2是一種鈣/鈣調(diào)蛋白調(diào)節(jié)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在心肺、骨骼肌細胞中高表達，死亡相關(guān)蛋白激酶2可以磷酸化Raptor抑制mTORC1[15]。(4)發(fā)育和DNA損傷反應調(diào)節(jié)蛋白1(regulated in development and DNA damage response-1,REDD1)是一種由缺氧誘導表達于各種組織中的蛋白質(zhì)，REDD1能夠抑制TSC2與14-3-3蛋白的相互作用，導致依賴于TSC2的mTORC1的抑制[16]。盡管REDD1在心臟中的作用還沒有得到充分證明；但是REDD1敲除會損害肥大型心肌細胞中的自噬[17]。

1.1.3 mTORC1下游效應分子

mTORC1主要的功能是促進蛋白質(zhì)合成，其次是細胞生長，其下游最主要的分子是S6K1(P70 ribosomal S6 kinase1)和4EBP1(eIF4E-binding protein 1)。S6K1是核糖體40S小亞基S6蛋白激酶，可以激活S6；S6 可以提高含5’-TOR(5’-terminal oligopy rimidine tract)的一類mRNA的翻譯效率。mTORC1可以磷酸化激活S6K1，促進mRNA的翻譯及蛋白質(zhì)的合成。4EBP1通過競爭性抑制 eIF-4G與eIF-4E的結(jié)合來達到抑制翻譯起始的目的。mTORC1通過磷酸化4EBP1，使eIF-4E與4EBP1解離,促使翻譯起始復合物的形成,從而促進蛋白質(zhì)的合成[18]。mTORC1不僅促進合成代謝而且抑制分解代謝。自噬是一種進化上高度保守降解細胞內(nèi)蛋白質(zhì)及細胞器的過程，mTORC1的激活能夠抑制自噬。如前所述，mTORC1能夠磷酸化ULK1抑制自噬[14]。此外，mTORC1在調(diào)節(jié)細胞代謝過程中發(fā)揮重要作用。

1.2 mTORC2途徑

與mTORC1相比，人們對mTORC2信號通路所知甚少。mTORC2能夠調(diào)控一些AGC亞家族激酶：Akt、血清和糖皮質(zhì)激素誘導的蛋白激酶1(serum- and glucocorticoid-responsive kinase-1,SGK1)和蛋白激酶C-α(protein kinase C alpha,PKC-α)。mTORC2能夠磷酸化Akt(Ser473)，而Akt第473位絲氨酸的磷酸化為Akt完全活化所必需。mTORC2相關(guān)的Akt第473位絲氨酸的磷酸化缺陷會損害一些Akt下游分子的磷酸化，如叉頭框蛋白O1/3a，而TSC2、GSK3β、mTORC1、S6K1和4EBP1不受影響[19]，在缺乏mTORC2的細胞中Akt活性沒有完全消除的事實可能解釋這些結(jié)果。與Akt不同的是，在缺乏mTORC2時，SGK1的活性被完全阻斷，SGK1已被證明能促進心肌細胞存活，同時抑制心肌肥大[20]，然而在心力衰竭期間，SGK1慢性激活是有害的[21]。mTORC2還通過調(diào)節(jié)PKC-α和Ras同源基因家族成員來調(diào)節(jié)細胞極性和細胞骨架結(jié)構(gòu)[22]，PKC-α也顯示負性調(diào)節(jié)心肌收縮力[23]。

2 mTOR通路與心臟生長發(fā)育

心臟的發(fā)育在胚胎期主要通過心肌細胞的增殖來完成，而出生后心臟的增殖能力很快消失，并主要通過心肌細胞的生理性肥大進一步完成心臟的生長發(fā)育。mTOR對胚胎時期心肌細胞的增殖有重要影響。研究表明，胚胎心臟特異性mTOR的敲除能夠顯著減少心肌細胞增殖和增加心肌細胞凋亡。成年小鼠心肌中mTOR的消除，引起細胞凋亡、自噬增加及4EBP1的累積，易導致致命的擴張型心肌病，加速心力衰竭進展[24]。

mTOR對出生后心肌細胞發(fā)育的調(diào)節(jié)與Rheb基因有關(guān)，心臟特異性敲除Rheb小鼠在出生后第3天心臟的S6K1或4EBP1的磷酸化水平?jīng)]有顯示差異；但與對照組相比，在出生后第5天或第8天顯示出衰減[26]。這提示Rheb在心臟中只在出生后調(diào)節(jié)mTORC1。Rheb基因敲除小鼠快速發(fā)展為心臟擴張、心功能障礙，并在出生后第10天死亡。此外，在Rheb基因敲除小鼠中消除4EBP1，可以改善了mRNA翻譯、心臟肥大生長、肌節(jié)成熟和存活，這表明mTORC1在出生后心臟結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮重要作用。

mTORC2與心肌細胞的生存及細胞骨架形成有關(guān)，最新研究發(fā)現(xiàn)mTORC2能夠負性調(diào)節(jié)哺乳動物不育系20樣激酶1(mammalian sterile 20-like kinase 1,MST1)，進而發(fā)揮保護心臟結(jié)構(gòu)和功能的作用[26]。MST1是Hippo信號通路的重要組成部分，Hippo信號通路是新近發(fā)現(xiàn)的在調(diào)節(jié)器官大小具有重要功能的一條信號通路，其參與心臟血管的發(fā)育，促進心肌細胞增殖、抑制心肌細胞凋亡，影響損傷后修復及再生等過程。通過Rictor的缺失導致心臟特異性mTORC2破壞能夠使MST1顯著活化，進而引起心臟功能障礙和擴張，損害心臟生長和對壓力超負荷的適應性反應，這提示mTORC2和MST1之間的直接相互作用，對心臟細胞存活和生長至關(guān)重要。

3 mTOR通路與心臟重構(gòu)

3.1 mTOR通路與心肌肥大

研究表明在心肌肥大中mTOR發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用，mTOR的抑制能夠減少心肌肥大的發(fā)生，如前所述mTOR和Rheb基因敲除小鼠均快速發(fā)展為心臟擴張、心功能障礙，并不會發(fā)生代償性肥大[24-25]。例如，mTORC1抑制劑雷帕霉素可防止壓力超負荷介導的心臟增重及血管緊張素Ⅱ和苯腎上腺素誘導的心肌肥大，這可能與雷帕霉素抑制了mTORC1的蛋白質(zhì)合成作用有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，抑制組蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase 1,HDAC1)能夠抑制mTOR活性進而抑制病理性心臟肥大的發(fā)生[27]。當HDAC1被抑制時，mTOR上游抑制分子TSC2的表達增加。在新生大鼠心肌細胞中，TSC2的喪失消除了HDAC1對mTOR活性的抑制，并且TSC2的表達增加足以減少苯腎上腺素誘導的反應性肥大，這提示HDAC1的抑制劑在mTORC1激活導致的心肌肥大方面具有一定的應用前景。

3.2 mTOR通路與心肌缺血性損傷

心肌細胞能量不足時，mTORC1受抑制，可誘導自噬進而促進存活細胞的生存。心肌缺血時，AMPK被激活，直接磷酸化ULK1誘導自噬，而mTORC1能夠破壞AMPK與ULK1間的相互作用。同時，AMPK通過磷酸化Raptor抑制mTORC1參與代謝調(diào)控[13]。可見，mTORC1在心臟缺血性損傷調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)心臟過度表達PRAS40抑制mTORC1，能夠減少缺血性損傷、凋亡和心臟重構(gòu)，并通過保留肌質(zhì)網(wǎng)/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+-ATPase2a的功能來改善心臟功能。PRAS40的保護作用由mTORC2/Akt信號通路的激活介導。相反，9型腺相關(guān)病毒介導的心臟Rictor敲除的mTORC2抑制引起心肌梗死后心臟功能的退化和重構(gòu)[28]。這些結(jié)果表明，選擇性地增加mTORC2同時抑制mTORC1信號轉(zhuǎn)導是治療缺血性心臟病的新型治療方法，Rheb抑制劑或PRAS40可能是適合此目的的藥物。

3.3 mTOR通路與心律失常

有研究發(fā)現(xiàn)在人和鼠心力衰竭中心臟SGK1被激活，如前所述，SGK1是mTORC2的下游信號分子，小鼠心臟中SGK1特異性激活，其發(fā)生心臟功能障礙和室性心律失常的機會增加。SGK1的致心律失常作用與心臟鈉通道的生物化學和功能改變相關(guān)，并且可以通過延遲鈉電流的阻斷劑雷諾嗪的治療來逆轉(zhuǎn)。相反，在來自纖維化、心力衰竭和鈉通道改變的血流動力學應激后，心臟特異性抑制SGK1具有保護小鼠的作用[22]。Akt1基因敲除小鼠與對照小鼠相比，在2或3周齡的Akt1基因敲除小鼠中無法檢測到心房顫動。然而，80%的Akt1基因敲除小鼠在4周齡時出現(xiàn)了心房顫動，并且所有的Akt1基因敲除小鼠在5周齡以后都表現(xiàn)出心房顫動[30]，其心房顫動的發(fā)生可能與心房肥大有關(guān)。目前對mTOR通路與心律失常方面研究報道甚少，需要大量實驗進一步闡明mTOR通路與心臟電生理的關(guān)系。

4 展望

mTOR通過mTORC1和mTORC2行使其功能，使機體處于穩(wěn)態(tài)，但兩者之間的相互作用需進一步闡明。出生前mTORC1的激活對心臟發(fā)育是必需的，而成長過程mTORC1的過度激活是有害的。盡管直接抑制mTORC1激活自噬能夠提供心肌保護作用，但是mTORC1也能夠調(diào)節(jié)其他器官的細胞功能，如mTORC1能夠抑制酮體合成及肝臟中過氧化物酶體增殖物激活受體α的活性。從全身代謝來看，整體抑制mTORC1可能會造成系統(tǒng)平衡紊亂，最終導致有害結(jié)局。mTOR通路在心臟發(fā)育和重構(gòu)中發(fā)揮著重要作用，有望成為心血管疾病治療的新靶點，明確其信號轉(zhuǎn)導機制，尋找其器官特異性mTORC1的抑制劑，而不損害其生理功能，可能為心血管疾病的治療提供新思路。