PI3K/AKT信號(hào)通路調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡的研究進(jìn)展

李玉華綜述 趙敏審校

細(xì)胞凋亡，也稱為程序性細(xì)胞死亡，是一種發(fā)生在生物體內(nèi)、受多種基因調(diào)控的細(xì)胞自主、有序地程序性死亡。其與傳統(tǒng)的細(xì)胞壞死不同，對(duì)生物的正常發(fā)育和組織細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。已有大量研究記錄了細(xì)胞凋亡在多種疾病中的作用，包括癌癥、傳染病及神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。近年來(lái)，研究表明細(xì)胞凋亡在心臟發(fā)育及多種心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用，與缺血性心臟病、心肌病和心肌肥厚等疾病發(fā)生進(jìn)展過(guò)程密切相關(guān)。由此得出心肌細(xì)胞凋亡的增加是加快心肌梗死和心臟衰竭進(jìn)展的重要原因，抑制心肌細(xì)胞凋亡可預(yù)防或治療心臟衰竭，因此抗心肌細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是心血管疾病治療的潛在靶點(diǎn)[1-2]。磷酸肌醇-3激酶/蛋白激酶B(PI3K/AKT)信號(hào)通路，在細(xì)胞存活與凋亡、心電生理和能量代謝等方面發(fā)揮著重要作用，該通路通過(guò)直接或間接調(diào)控凋亡相關(guān)因子參與細(xì)胞凋亡的不同階段，這一特性使其與心血管疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中心肌細(xì)胞凋亡程度密切相關(guān)。近年來(lái)，PI3K/AKT信號(hào)通路被證實(shí)是控制心肌細(xì)胞存活和功能的最重要的促增殖及抗凋亡信號(hào)通路之一，在心肌細(xì)胞存活和程序性死亡的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用[3]。人為調(diào)節(jié)PI3K/AKT信號(hào)通路可調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡程度，針對(duì)該通路的深入研究可為治療和預(yù)防心臟疾病相關(guān)損傷提供新的思路?，F(xiàn)就PI3K/AKT信號(hào)通路調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡作用綜述如下。

1 PI3K、AKT結(jié)構(gòu)與功能

PI3K是一種可使肌醇環(huán)第三位羥基磷酸化的磷脂酰肌醇激酶，是肌醇與磷脂酰肌醇的重要激酶。正常情況下，由PI3K活化而產(chǎn)生的類脂質(zhì)產(chǎn)物有3,4-二磷酸磷脂酰肌醇[PI(3,4)P2]、3,5-二磷酸磷脂酰肌醇PI(3,5)P2和3,4,5-三磷酸磷脂酰肌醇(PIP3)。PI3K在哺乳動(dòng)物中有8種亞型，可分為ⅠA類、ⅠB類、Ⅱ類和Ⅲ類[4]。Ⅰ類PI3K是唯一產(chǎn)生PIP3的激酶,也是目前研究最廣泛的亞型，其最常見(jiàn)的形式是由催化亞基p110和調(diào)節(jié)亞基p85組成的異二聚體[5]。

PI3K作為一種重要的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，可被細(xì)胞外多種信號(hào)刺激(如生長(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、激素等)而激活，進(jìn)而催化PIP2產(chǎn)生PIP3。PIP3作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使可結(jié)合并活化PI3K下游的多種信號(hào)蛋白，如AKT[6]，從而調(diào)控細(xì)胞增殖、分化、存活等過(guò)程[7]。在生理?xiàng)l件下，PI3K通過(guò)兩種方式激活：(1)與具有磷酸化酪氨酸殘基的生長(zhǎng)因子受體或連接蛋白相互作用，引起PI3K二聚體構(gòu)象改變而被激活；(2)Ras與p110直接結(jié)合使PI3K活化[8]。通過(guò)此兩種途徑激活的PI3K在質(zhì)膜上產(chǎn)生第二信使PIP3，PIP3與細(xì)胞內(nèi)含有pleckstrin同源結(jié)構(gòu)域的信號(hào)蛋白AKT和PDK1(osphoinositide dependent kinase-1)結(jié)合后，AKT轉(zhuǎn)位至質(zhì)膜并獲得催化活性，一方面可催化自身的Ser124和Thr450位點(diǎn)磷酸化，另一方面， AKT的Thr308 、Ser473位點(diǎn)還可分別被PDK1和PDK2催化磷酸化，使AKT完全活化[9-10]，進(jìn)而參與細(xì)胞存活、增殖、代謝等信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。

AKT是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PI3K控制細(xì)胞增殖、存活和細(xì)胞周期的主要下游靶標(biāo)[11]。AKT激酶家族由AKT1(PKBα)、AKT2(PKBβ)和AKT3(PKBγ)3種亞型組成，它們均具有高度保守的氨基酸末端pleckstrin同源(PH)結(jié)構(gòu)域、中央激酶結(jié)構(gòu)域及包含疏水基序的羧基末端調(diào)節(jié)域。3種AKT亞型在各種組織中廣泛表達(dá)，其中AKT1含量最豐富且研究最多，其在腦、心臟和肺中表達(dá)最為豐富[8]。PI3K產(chǎn)物PIP3將AKT轉(zhuǎn)移到質(zhì)膜表面后，被磷酸肌醇依賴激酶PDK1和PDK2激活，激活的AKT是重要的抗凋亡調(diào)節(jié)因子，可以通過(guò)磷酸化作用激活或抑制其下游靶蛋白如Bad、Caspase-9、NF-κB、Forkhead、mTOR等,從而介導(dǎo)胰島素等多種生長(zhǎng)因子調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)和存活[9,12-13]。

AKT在體內(nèi)和體外的激活都依賴于磷酸化。AKT1上存在4個(gè)磷酸化位點(diǎn)，分別為Ser124、Thr308，Thr450和Ser473。在果蠅和人類細(xì)胞中，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)及其相關(guān)蛋白質(zhì)rictor是AKT磷酸化所必需的，rictor-mTOR復(fù)合物在體外可直接磷酸化AKT的Ser473位點(diǎn)。同時(shí)，rictor-mTOR復(fù)合物也可通過(guò)PDK1促進(jìn)AKT的Thr308位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)而促進(jìn)AKT的完全磷酸化[4]。磷酸化激活的AKT促進(jìn)一系列凋亡調(diào)控蛋白的表達(dá)(如Bad、Caspase-9等)，發(fā)揮抑制細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞存活的作用[14]，

2 PI3K/AKT信號(hào)通路調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡作為一種受多種基因調(diào)控的生理和病理過(guò)程，許多研究表明，其在心臟發(fā)育及多種心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用，與缺血性心臟病、心肌病和心肌肥厚等疾病發(fā)生進(jìn)展過(guò)程密切相關(guān)，因此，抗心肌細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是心血管疾病治療的潛在靶點(diǎn)[2]。近年來(lái)，研究較多的PI3K/AKT通路被證實(shí)是控制心肌細(xì)胞存活和功能的、最重要的促增殖及抗凋亡信號(hào)通路之一，在心肌細(xì)胞存活和程序性死亡的過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用[3]。

細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵信號(hào)通路主要有3條，分別為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑、死亡受體途徑和線粒體途徑[15]，而PI3K/AKT信號(hào)通路抗細(xì)胞凋亡的機(jī)制也主要有3種：(1)通過(guò)級(jí)聯(lián)激活直接調(diào)控。Bcl-2家族參與細(xì)胞凋亡調(diào)控，該家族包括促凋亡成員(如Bad、Bax等)和抗凋亡成員(如Bcl-2、Bcl-XL等)。去磷酸化的Bad(激活態(tài))可從細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)移至線粒體，與抗凋亡蛋白Bcl-2或Bcl-XL形成異源二聚體，抑制Bcl-2或Bcl-XL的抗凋亡功能并導(dǎo)致線粒體功能障礙，促進(jìn)細(xì)胞死亡。AKT是強(qiáng)有力的Bad激酶，活化的AKT可使Bad Ser112或Ser136位點(diǎn)磷酸化，磷酸化的Bad(失活態(tài))在細(xì)胞質(zhì)中與14-3-3蛋白結(jié)合，使Bcl-2或Bcl-XL游離，發(fā)揮抗凋亡作用。此外，活化的AKT還可使促凋亡相關(guān)因子如半胱天冬蛋白酶Caspase-9的Ser196位點(diǎn)磷酸化而導(dǎo)致其失活，從而抑制Caspase-3/8/9的級(jí)聯(lián)活化，發(fā)揮抗凋亡作用[9，14,16-17]。(2)直接或間接地影響相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的活性。叉頭轉(zhuǎn)錄因子(Forkhead)家族是AKT的重要下游靶點(diǎn)，其4種亞型均能被活化的AKT直接磷酸化。磷酸化的Forkhead能抑制促凋亡基因(如FasL)的表達(dá)，抗細(xì)胞凋亡，促進(jìn)細(xì)胞存活。P53是介導(dǎo)DNA損傷修復(fù)的一個(gè)重要蛋白，可被MDM2泛素連接酶介導(dǎo)降解。活化的AKT能夠磷酸化MDM2 Ser166和Ser186位點(diǎn)，上調(diào)MDM2的活性，使p53功能失活或降解，阻斷p53介導(dǎo)的促凋亡反應(yīng)[17-18]。(3)抑制線粒體凋亡因子的釋放。線粒體可釋放凋亡相關(guān)因子如細(xì)胞色素C等，PI3K/AKT信號(hào)通路的活化可阻止線粒體凋亡因子的釋放從而起到抗細(xì)胞凋亡作用。

2.1 PI3K/AKT在缺血性心臟病中調(diào)控細(xì)胞凋亡 心肌梗死(MI)是一種嚴(yán)重的缺血性心臟疾病，其基礎(chǔ)病變主要是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化，特點(diǎn)為心肌持續(xù)的血液供應(yīng)不足，激發(fā)炎性反應(yīng)、纖維化等病理過(guò)程，引起心肌細(xì)胞凋亡和壞死，進(jìn)而導(dǎo)致心室重構(gòu)、心力衰竭和死亡[19-20]。越來(lái)越多的證據(jù)表明，PI3K/AKT信號(hào)通路在心肌梗死中調(diào)控心肌細(xì)胞存活和凋亡中起著重要作用。Zhao等[21]研究證實(shí)，microRNA-146b可抑制MI引起的心肌細(xì)胞炎性反應(yīng)和凋亡，這一抑制作用與激活PI3K/AKT/NF-κB通路有關(guān)。Liu等[22]的研究進(jìn)一步證實(shí)PI3K/AKT途徑對(duì)MI致心肌細(xì)胞凋亡的抑制作用，敲除LINC00961基因后，缺氧模擬心肌梗死的H9C2心肌細(xì)胞損傷可減輕，這一保護(hù)作用是由于敲除LINC00961基因后，激活了 PI3K/AKT/GSK3β途徑，發(fā)揮抗心肌細(xì)胞凋亡的作用。

心肌缺血再灌注損傷(MIRI)與心肌梗死不同，它是指心肌缺血持續(xù)一段時(shí)間，血液供應(yīng)恢復(fù)即再灌注后，心肌發(fā)生的額外損傷[23]。MIRI是一種涉及到多種病理過(guò)程的復(fù)雜現(xiàn)象，一系列反應(yīng)可最終造成心肌細(xì)胞損傷[24]。心肌細(xì)胞凋亡是MIRI的重要病理基礎(chǔ)，大量研究表明，抑制心肌細(xì)胞凋亡可減輕MIRI。PI3K/AKT信號(hào)通路是一種經(jīng)典的促增殖抗凋亡的信號(hào)調(diào)節(jié)通路，該通路的激活對(duì)細(xì)胞存活有多種積極作用。Wu等[25]研究報(bào)道，去甲烏藥堿能激活β2-腎上腺素能受體(β2-AR)減輕缺血再灌注心肌損傷，這一保護(hù)作用依賴于β2-AR通過(guò)磷酸化的方式激活PI3K/AKT，從而發(fā)揮抗心肌細(xì)胞凋亡，改善心肌結(jié)構(gòu)和功能損傷的作用。Zhang等[26]也在研究血管內(nèi)皮素-1對(duì)MIRI的保護(hù)作用及其機(jī)制中表明，外源性內(nèi)皮素-1通過(guò)激活PI3K/AKT/GSK-3β 信號(hào)通路來(lái)發(fā)揮心臟保護(hù)作用。Li等[27]也進(jìn)一步證實(shí)PI3K/AKT途徑對(duì)心臟的保護(hù)作用，用他克莫司干預(yù)接受MIRI的心肌細(xì)胞，激活了PPARγ/PI3K/AKT信號(hào)通路，抑制了心肌細(xì)胞氧化應(yīng)激及心肌細(xì)胞凋亡。

在缺血性心臟病中，PI3K/AKT通路可通過(guò)調(diào)控心肌細(xì)胞凋亡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)心肌的保護(hù)作用，因此，對(duì)PI3K/AKT信號(hào)通路的調(diào)節(jié)可成為臨床中治療或改善缺血性心臟病患者的一種潛在的治療靶點(diǎn)。

2.2 PI3K/AKT在心肌病中調(diào)控細(xì)胞凋亡 心肌病是一組異質(zhì)性心肌疾病，由不同病因引起心臟機(jī)械和電活動(dòng)異常，表現(xiàn)為心室不適當(dāng)?shù)姆屎窕驍U(kuò)張，嚴(yán)重心肌病則會(huì)引起進(jìn)展性心力衰竭甚至心源性猝死。各種類型心肌病患者心肌細(xì)胞凋亡增加，終末分化心肌細(xì)胞數(shù)量減少，損害心肌功能。PI3K/AKT途徑被證實(shí)在心肌病進(jìn)展中發(fā)揮重要作用，調(diào)控此通路可改善或延緩心肌病的進(jìn)展。

擴(kuò)張型心肌病(DCM)是一種原發(fā)性心肌病，是導(dǎo)致心力衰竭的主要原因之一，特征表現(xiàn)為收縮功能受損[28]。近年大量研究探索針對(duì)擴(kuò)張型心肌病病理生理過(guò)程的預(yù)防或治療策略，Zhang等[29]的研究表明，miR-132通過(guò)抑制PTEN而激活PI3K/AKT通路，從而促進(jìn)心肌細(xì)胞的增殖，抑制心肌細(xì)胞的凋亡和纖維化。其他研究也證實(shí)了PI3K/AKT在擴(kuò)張型心肌病中的抗凋亡作用，過(guò)表達(dá)24-脫氫膽固醇還原酶可通過(guò)激活PI3K/AKT通路而抑制Bax從胞漿向線粒體的易位，進(jìn)而抑制心肌細(xì)胞凋亡，改善心肌功能[30]。

糖尿病心肌病是一種繼發(fā)性心肌病，是糖尿病的主要心臟并發(fā)癥之一，也是糖尿病患者發(fā)病和死亡的主要原因之一。多項(xiàng)研究證實(shí)，調(diào)控PI3K/AKT可改善糖尿病心肌病的進(jìn)展。Qi等[31]首次報(bào)道了長(zhǎng)鏈非編碼RNA同源框轉(zhuǎn)錄物反義RNA(HOTAIR)在糖尿病心肌病中的作用，發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)的HOTAIR可通過(guò)激活PI3K/AKT信號(hào)通路來(lái)提高AC16人心肌細(xì)胞活力，同時(shí)，使用PI3K/AKT抑制劑處理后可抑制HOTAIR對(duì)心肌細(xì)胞的保護(hù)作用。Ma等[32]也證實(shí)PI3K/AKT信號(hào)通路激活后對(duì)糖尿病心肌病心肌細(xì)胞凋亡的抑制作用，黃芩素通過(guò)激活PI3K/AKT信號(hào)通路，抑制氧化應(yīng)激與炎性反應(yīng)，進(jìn)而抗心肌細(xì)胞凋亡，改善和維持心肌功能。

2.3 PI3K/AKT在心肌肥厚中調(diào)控細(xì)胞凋亡 心肌肥厚是心臟對(duì)高血壓、缺血性心肌病等心臟壓力或體積超負(fù)荷的一種適應(yīng)性反應(yīng)，特點(diǎn)為心室壁肥厚、細(xì)胞體積增大、代謝和生化紊亂[33-34]，持續(xù)的心肌肥厚會(huì)引起心肌細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致心臟重塑，進(jìn)而誘發(fā)心律失常、心力衰竭，甚至猝死[36]。

大量研究發(fā)現(xiàn)PI3K/AKT參與了病理性心肌肥厚中細(xì)胞凋亡的調(diào)控[36]。據(jù)報(bào)道，PI3K/AKT的短期激活可發(fā)揮對(duì)心肌的保護(hù)作用及促進(jìn)心肌的生理性肥大，而長(zhǎng)期激活則可引起病理性肥厚和心力衰竭[37]。目前研究報(bào)道的PI3K/AKT參與對(duì)心肌肥厚心肌細(xì)胞保護(hù)的作用機(jī)制有2種不同的觀點(diǎn)：(1)通過(guò)激活PI3K/AKT信號(hào)通路抑制心肌細(xì)胞凋亡從而改善心肌肥厚的心臟重構(gòu)。Sun等[38]研究表明，蜂膠黃酮類化合物(FP)對(duì)異丙腎上腺素誘導(dǎo)的病理性心肌肥厚具有較強(qiáng)的心臟保護(hù)作用，這種保護(hù)作用與FP對(duì)PI3K/AKT信號(hào)通路的激活，顯著減輕心肌細(xì)胞凋亡和心肌重構(gòu)密切相關(guān)。Peng等[39]的研究也發(fā)現(xiàn)，PPARγ/PI3K/AKT信號(hào)通路的激活對(duì)高糖和胰島素誘導(dǎo)的心肌肥厚同樣具有保護(hù)作用。主動(dòng)脈縮窄術(shù)(TAC)可引起壓力負(fù)荷增加，誘發(fā)活性氧持續(xù)生成和線粒體功能紊亂，引起心肌細(xì)胞凋亡，Lu等[40]的研究證實(shí)，抗氧化肽SS31保護(hù)TAC誘導(dǎo)的心肌肥厚的重要機(jī)制之一是激活PI3K/AKT信號(hào)通路，實(shí)現(xiàn)抑制心肌細(xì)胞凋亡，改善心臟功能的作用。(2)通過(guò)抑制PI3K/AKT通路減輕心肌肥厚。Yuan等[41]報(bào)道，葛根素通過(guò)抑制PI3K/AKT信號(hào)通路，抑制壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌肥厚中促凋亡因子Bax的表達(dá)，進(jìn)而延緩心肌肥大和心肌細(xì)胞凋亡。另有相似的研究發(fā)現(xiàn)，柚皮素對(duì)PI3K/AKT信號(hào)通路的抑制作用可減輕壓力超負(fù)荷引起的心肌肥厚及心臟結(jié)構(gòu)重塑[42]。

PI3K/AKT在心肌肥厚中發(fā)揮著復(fù)雜的作用，可能是由于不同原因?qū)е碌男募》屎癜l(fā)病機(jī)制也不盡相同，并且涉及多種信號(hào)通路，但通過(guò)調(diào)控PI3K/AKT通路可改善肥厚引起的心肌細(xì)胞凋亡及損傷，延緩心臟重構(gòu)，為臨床減輕心肌肥厚損傷、改善心肌肥厚心力衰竭患者生活質(zhì)量提供了潛在的治療靶點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

PI3K/AKT信號(hào)通路作為心血管疾病發(fā)生發(fā)展中至關(guān)重要的調(diào)控通路，其與心肌細(xì)胞的增殖、壞死、自噬和凋亡等過(guò)程密切相關(guān)。目前對(duì)PI3K/AKT信號(hào)通路與心血管疾病心肌細(xì)胞凋亡的研究越來(lái)越多，但對(duì)其作用的詳細(xì)途徑仍未完全清楚，可能還存在其他通路與PI3K/AKT的協(xié)同或拮抗，且PI3K/AKT的下游可能還存在其他底物在心肌細(xì)胞凋亡中發(fā)揮作用，需要進(jìn)一步深入探索PI3K/AKT信號(hào)通路的作用機(jī)制。隨著研究的繼續(xù)進(jìn)展，PI3K/AKT信號(hào)通路與心肌細(xì)胞凋亡的關(guān)系也更加深入透徹，針對(duì)PI3K/AKT作用底物的研究及以PI3K/AKT為靶點(diǎn)的藥物研發(fā)，此通路將成為各種心血管疾病的潛在治療靶點(diǎn)，為心血管疾病的治療提供新的方向。