中樞神經(jīng)系統(tǒng)mTOR信號(hào)通路與藥物成癮關(guān)系的研究進(jìn)展

黃兆奎，趙永娜，2，吳亞梅，李利華，洪仕君

（昆明醫(yī)科大學(xué)1.藥學(xué)院暨云南省天然藥物藥理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.國(guó)際教育學(xué)院，3.法醫(yī)學(xué)院，云南 昆明650500）

藥物成癮是一種具有高復(fù)發(fā)性和強(qiáng)迫性覓藥特征的慢性腦疾病。濫用藥物可能導(dǎo)致神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能可塑性的改變，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)迫性覓藥行為，這是藥物成癮性的主要原因之一［1］，但其具體機(jī)制尚未完全清楚。迄今對(duì)藥物成癮，尤其是針對(duì)毒品的高復(fù)吸率尚無(wú)有效的戒斷治療對(duì)策。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)包括腹側(cè)被蓋區(qū)及其主要投射區(qū)伏隔核（nucleus accumbens，NAc）和額葉皮質(zhì)（prefrontal cortex，PFC）以及與記憶密切相關(guān)的海馬和杏仁核等區(qū)域，在濫用藥物的獎(jiǎng)賞和成癮等方面發(fā)揮極其重要的作用［2］。研究表明，在獎(jiǎng)賞通路中，從PFC和其他邊緣區(qū)向NAc投射的哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶點(diǎn)（mammalian target of rapamycin，mTOR）信號(hào)通路也介導(dǎo)了藥物成癮的發(fā)生和發(fā)展［3］。mTOR是通過(guò)天然抑制劑雷帕霉素藥物活性發(fā)現(xiàn)的一類(lèi)非典型的絲氨酸/蘇氨酸激酶。諸多研究表明，mTOR 屬于一個(gè)真核細(xì)胞信號(hào)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成產(chǎn)生影響，并且還可能調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和自噬等。研究發(fā)現(xiàn)，mTOR信號(hào)通路的主要途徑有上游肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）、AMP 活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）及下游效應(yīng)因子核糖體蛋白質(zhì)S6 激酶1（ribosomal protein S6 kinase 1，S6K1）和真核起始因子4E 結(jié)合蛋白1（eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1，4EBP1）等。本文就mTOR信號(hào)通路與藥物成癮關(guān)系的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 mTOR信號(hào)通路的組成

1.1 mTOR

mTOR 以抗真菌大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)抗生素雷帕霉素（西羅莫司）命名，是廣泛存在于真核細(xì)胞中的磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）相關(guān)蛋白激酶家族，具有對(duì)蛋白底物絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）殘基產(chǎn)生磷酸化作用的Ser/Thr蛋白激酶活性［4］。細(xì)胞內(nèi)的mTOR 有2 種不同形式的復(fù)合體，mTOR 復(fù)合體1（mTOR complex 1，mTORC1）和mTORC2。其中，mTORC1 主要由mTOR、mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（regulatory-associated protein of mTOR，Raptor）、哺乳動(dòng)物致死sec-13蛋白8（mammalian lethal with sec-13 protein 8，mLST8）組成［4］，反映營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量有效性的生長(zhǎng)信號(hào)，以促進(jìn)細(xì)胞增殖或自噬［5］。mTORC2則由mTOR 雷帕霉素不敏感伴侶（rapamycin insensitive companion of mTOR，Rictor）、哺乳動(dòng)物應(yīng)激蛋白激酶相互作用蛋白1（mammalian stress protein kinase interacting protein 1，mSIN1）和mLST8 等組成［6］。

1.2 mTOR信號(hào)通路的主要上游因子

1.2.1 肝激酶B1

LKB1屬于Ser/Thr 蛋白激酶，通過(guò)N端核定位信號(hào)序列定位于細(xì)胞核內(nèi)或通過(guò)LKB1相互作用蛋白1（LKB1 interacting protein-1，LIPI）錨定在細(xì)胞質(zhì)［7］。LKB1 存在STE20相關(guān)銜接蛋白（STE20-related adaptor protein，STRAD）和小鼠蛋白質(zhì)25（mouse protein 25，MO25）2 種重要蛋白，STRAD可促進(jìn)LKB1從細(xì)胞核內(nèi)移位到細(xì)胞漿［8］；MO25結(jié)合到STRAD 的羧基端而增加LKB1-STRAD 復(fù)合物在細(xì)胞漿中的空間定位和構(gòu)象，使LKB1 的活性提高了近10倍［9］；另外，LKB1是極其重要的蛋白激酶，它的直接底物包括AMPK［8］，LKB1可對(duì)AMPKɑ亞基上Thr172位點(diǎn)的磷酸化并激活A(yù)MPK；同時(shí)，LKB1 也是細(xì)胞生長(zhǎng)的負(fù)調(diào)控因子，通過(guò)激活A(yù)MPK 后對(duì)真核細(xì)胞生長(zhǎng)正調(diào)節(jié)因子mTORC1 的活性產(chǎn)生抑制作用。

1.2.2 腺苷-磷酸活化蛋白激酶

AMPK即AMP依賴(lài)蛋白激酶，是生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因子，是由ɑ，β 和γ 亞基組成的異源三聚體復(fù)合物［10］。AMPK 屬于高度保守的蛋白質(zhì)，被稱(chēng)之為細(xì)胞的“代謝和能量感受器”。當(dāng)受到諸如缺氧、缺血、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏和運(yùn)動(dòng)等應(yīng)激刺激后，細(xì)胞內(nèi)部的AMP/ATP 比值會(huì)增加，AMPK 被活化；同時(shí)，還可下調(diào)合成代謝過(guò)程（如蛋白質(zhì)、脂肪酸和膽固醇的合成），達(dá)到降低ATP消耗的目的；同時(shí)促進(jìn)氧化過(guò)程（如脂肪酸氧化和糖酵解等），以生成更多的ATP 來(lái)緩解應(yīng)激維持機(jī)體的正常代謝［11］。LKB1-AMPK信號(hào)通路除了在調(diào)節(jié)能量代謝方面起重要作用外，被活化的AMPK還可活化結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物（tuberous sclerosis complex，TSC），而TSC是腦中Ras 同源類(lèi)蛋白（Ras homology enriched in brain，Rheb）的抑制劑，在缺氧、營(yíng)養(yǎng)匱乏等應(yīng)激下，LKB1 通過(guò)激活A(yù)MPK 提高TSC 活性，并抑制Rheb的活性，負(fù)向抑制mTOR的活化［12］。

2 mTOR主要效應(yīng)因子及調(diào)控

S6K1 和4EBP1 是mTORC1 下游的主要效 應(yīng)因子，是蛋白翻譯的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子和細(xì)胞生長(zhǎng)的正調(diào)節(jié)劑［13］。S6K1 與真核起始因子3（eukaryotic initiation factor 3，eIF3）結(jié)合時(shí)處于失活狀態(tài)。當(dāng)在受到生長(zhǎng)因子刺激后，mTOR與eIF3結(jié)合后磷酸化S6K1，進(jìn)而使S6K1 從eIF3 上釋放，活化的S6K1 可磷酸化p70 核糖體蛋白S6 激酶（p70 ribosomal protein S6 kinase，p70S6K）等細(xì)胞底物，最終啟動(dòng)mRNA 5′端的翻譯及刺激蛋白質(zhì)合成的核糖體蛋白和延長(zhǎng)因子lα（elongation factor-lα，EF-lα）的編碼［14］（圖1）。4EBP1在低磷酸化狀態(tài)下與真核翻譯啟動(dòng)因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E）結(jié)合，并對(duì)其活性產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而達(dá)到對(duì)依賴(lài)eIF4E 轉(zhuǎn)錄的起動(dòng)及蛋白質(zhì)的表達(dá)產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)mTOR 磷酸化4EBP1后，活化的4EBP1 與eIF4E 分離，解除了對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制作用［15］。此外，mTORC1 可直接對(duì)4EBP1 第37位和46位蘇氨酸產(chǎn)生磷酸化作用（圖1）。

圖1 mTOR 信號(hào)通路傳導(dǎo)途徑. LKB1：肝激酶B1；AMPK：AMP 活化蛋白激酶；TSC1/2：結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2；mTOR：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶點(diǎn)；Rheb：腦中Ras 同源類(lèi)蛋白；p70S6K：40 S 核糖體蛋白S6 激酶；4EBP1：真核起始因子4E 結(jié)合蛋白1；S6K1：核糖體蛋白質(zhì)S6激酶1；eIF4E：真核翻譯啟動(dòng)因子4E. →：激活；⊥：抑制.

當(dāng)能量短缺時(shí)，LKB1 能通過(guò)磷酸化激活A(yù)MPK-TSC2 進(jìn)而對(duì)mTOR 產(chǎn)生抑制作用，抑制S6K和4EBP1的磷酸化［16-17］。同時(shí)，AMPK活性也會(huì)對(duì)mTOR的調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生影響。Zhou等［18］采用AMPK抑制劑復(fù)合物C（Compound C）處理非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞株H1299 細(xì)胞后有效阻止了2-脫氧葡萄糖所引起的S6K磷酸化水平減低現(xiàn)象。此外，有研究采用AMPK 激動(dòng)劑阿卡地新（acadesine，AICAR）處理前列腺癌細(xì)胞株C4-2細(xì)胞后，p-S6KThr389明顯被抑制；而在敲除AMPKa1亞基使AMPK活性喪失后，p-S6K-Thr389又呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)［19］。這些研究進(jìn)一步說(shuō)明AMPK 的活性會(huì)對(duì)mTOR 的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。同時(shí)，AMPK 活性喪失會(huì)失去其針對(duì)mTOR的負(fù)性調(diào)節(jié)作用。

有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞AMP/ATP 比例上升時(shí)，AMPK的γ和α亞基分別與AMP和LKB1結(jié)合引起構(gòu)象改變，使AMPK的Thr172磷酸化而激活，進(jìn)一步使mTOR 的Thr2446磷酸化而抑制其活性。也有研究認(rèn)為，AMPK 使TSC2 磷酸化，TSC1/TSC2 復(fù)合物發(fā)生解聚，失去了對(duì)mTOR的抑制作用［20］（圖1）。

3 mTOR信號(hào)通路與藥物成癮

藥物成癮分為生理性成癮和心理性成癮。生理性成癮是指成癮后，對(duì)藥物進(jìn)行戒斷，初期主要表現(xiàn)以身體不適的戒斷癥狀（withdrawal symptom）；而心理性成癮是指長(zhǎng)期戒斷主要激發(fā)對(duì)使用藥物的心里渴望或壓力誘導(dǎo)下的復(fù)發(fā)。藥物成癮者針對(duì)藥物的反復(fù)渴求也在一定程度上表明，藥物成癮會(huì)對(duì)大腦形態(tài)及功能產(chǎn)生持久性的影響，進(jìn)而形成穩(wěn)定的藥物相關(guān)記憶。因此，成癮尤其是心理成癮也被認(rèn)為是一種異常牢固病態(tài)的學(xué)習(xí)記憶，即成癮記憶（addiction memory）［21］。細(xì)胞內(nèi)的2 種mTOR復(fù)合體中，mTORC1 在成癮記憶形成過(guò)程起關(guān)鍵作用［22］。本文重點(diǎn)闡述CNS的mTORC1與藥物成癮的關(guān)系。

3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的mTORC1

CNS 中mTORC1 是突觸可塑性的關(guān)鍵介體，促進(jìn)局部樹(shù)突狀蛋白合成，引起激酶參與神經(jīng)傳遞，該通路的異常在成癮等精神疾病的形成中起關(guān)鍵作用［23］。mTORC1 在突觸前和突觸后調(diào)節(jié)著突觸傳遞，雖然其過(guò)程的分子機(jī)制仍不清楚，但它可能依賴(lài)于自噬或突觸的形成。此外，mTORC1調(diào)節(jié)谷氨酸能、GABA 能和多巴胺能等神經(jīng)元的突觸功能，表明mTORC1 是控制神經(jīng)傳遞的關(guān)鍵［24］。突觸可塑性和記憶性的形成需要樹(shù)突特異性等新的蛋白質(zhì)合成。mTORC1 在突觸處控制mRNA 翻譯，在各種學(xué)習(xí)記憶過(guò)程中起重要作用［25］。例如，雷帕霉素對(duì)大鼠內(nèi)側(cè)PFC中mTORC1的局部抑制作用，導(dǎo)致在條件反射訓(xùn)練后的幾天內(nèi)觀察到的長(zhǎng)期記憶缺乏，而短期藥物成癮記憶不受影響［26］。雷帕霉素對(duì)小鼠的空間記憶恢復(fù)也有一定影響，當(dāng)注入大鼠基底外側(cè)杏仁核或背側(cè)海馬時(shí)，會(huì)損害小鼠對(duì)新的物體識(shí)別功能［27］。此外，mTORC1的激活還與鞏固重塑性記憶及藥物成癮有關(guān)［28］。上述研究表明，mTORC1在腦的記憶的鞏固、重塑性、存儲(chǔ)等過(guò)程中至關(guān)重要。

3.2 mTORC1與藥物成癮研究進(jìn)展

3.2.1 mTORC1 磷酸化下游效應(yīng)因子與藥物成癮有關(guān)

有研究表明，大鼠單次注射可卡因后1 h，CNS核心腦區(qū)NAc，PFC 和腹側(cè)被蓋區(qū)內(nèi)S6K1 磷酸化水平提高，而mTORC1 抑制劑雷帕霉素的預(yù)處理則降低了S6K1 的磷酸化水平［29］。上述研究表明，mTORC1 信號(hào)通路在可卡因藥物成癮腦邊緣系統(tǒng)的核心腦區(qū)中被激活。mTORC1 的激活似乎是短暫的，因?yàn)镹Ac的S6K1在注射可卡因24 h后并未被磷酸化［30］，這與單次腹腔注射四氫大麻酚（tetrahydrocannabinol，THC）后，導(dǎo)致海馬中mTORC1活性在藥物治療后4～6 h內(nèi)迅速增加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相類(lèi)似［31］。有趣的是，THC 介導(dǎo)的對(duì)mTORC1 的刺激并不局限于海馬，因?yàn)樵诩y狀體、額葉皮質(zhì)和杏仁核中也檢測(cè)到了mTORC1 活性增加［31］。還有文獻(xiàn)報(bào)道，單次全身給予（腹腔注射）非催眠劑量的酒精可誘導(dǎo)NAc 中mTORC1 的快速激活，表現(xiàn)為其底物S6K1 和4EBP1 的磷酸化水平提高［32］。與先前的發(fā)現(xiàn)不同，Gon?alves 等［33］觀察到小鼠在急性毒性劑量（30 mg·kg-1）甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）給藥24 h后，海馬mTORC1 活性下降。值得注意的是，可卡因、THC 和酒精3 種依賴(lài)性藥物雖具有不同的作用靶點(diǎn)，但其在mTORC1 介導(dǎo)的信號(hào)通路上似乎有類(lèi)似作用［34］。因此，這一結(jié)果提出了一種可能性，即重復(fù)接觸濫用藥物后產(chǎn)生的一些有害行為可能是通過(guò)關(guān)鍵成癮相關(guān)腦區(qū)的mTORC1 激活而介導(dǎo)的。如戒酒后NAc 中mTORC1 被激活［33］；同樣的，在SD 大鼠中，MA 給藥后NAc也檢測(cè)到S6K1磷酸化［34］；長(zhǎng)期服用THC的小鼠海馬中mTORC1 活性也有輕微增加［31］。還有報(bào)道，皮下注射嗎啡，大鼠NAc 的mTORC1 被激活［35］。

3.2.2 mTORC1與藥物成癮記憶的形成

大量研究表明，多種藥物都會(huì)使mTORC1 信號(hào)通路激活，暴露在藥物環(huán)境或藥物相關(guān)線(xiàn)索中也會(huì)激活這一途徑。有研究表明，在嗎啡條件性位置偏愛(ài)形成后暴露于嗎啡給藥箱的大鼠紋狀體中mTORC1被激活［36］，表明僅僅將動(dòng)物重新暴露在與藥物相關(guān)的環(huán)境中就會(huì)導(dǎo)致mTORC1 激活。Wang 等［37］發(fā)現(xiàn)，暴露于可卡因相關(guān)線(xiàn)索的動(dòng)物會(huì)在NAc 激活mTORC1 信號(hào)通路，與上述研究一致。最近有研究發(fā)現(xiàn)，有過(guò)量飲酒史的大鼠，在杏仁核中央核、前邊緣區(qū)和PFC 區(qū)域，在酒精相關(guān)記憶恢復(fù)后，mTOR1被激活［38］。有趣的是，當(dāng)記憶完全由氣味（味覺(jué)線(xiàn)索）恢復(fù)時(shí)，mTORC1只在杏仁核中央核中被激活，而在PFC 及前邊緣區(qū)并沒(méi)有激活［38］，表明PFC 和前邊緣區(qū)中mTORC1 的激活在酒精依賴(lài)形成的記憶中起重要作用。通過(guò)記憶恢復(fù)后立即抑制mTORC1 的激活來(lái)對(duì)抗這種記憶恢復(fù)所引起的mTORC1 激活，破壞酒精相關(guān)記憶的重新獲取，可導(dǎo)致長(zhǎng)期抑制復(fù)發(fā)的結(jié)果［38］。這些研究表明，mTORC1在藥物成癮記憶的恢復(fù)和再鞏固中起著關(guān)鍵作用。

由于覓藥行為經(jīng)常是由藥物相關(guān)記憶的重?cái)z取導(dǎo)致的，因此，成癮記憶是藥物依賴(lài)性明顯的特征且是其重要的誘因。在神經(jīng)元中，S6K1 和4EBP1在細(xì)胞體和突觸中表達(dá)［39］，在突觸中新蛋白的合成是參與長(zhǎng)期神經(jīng)適應(yīng)分子機(jī)制的一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程［25］。因此，mTORC1可能通過(guò)刺激突觸5′端聚嘧啶mRNA 的翻譯啟動(dòng)而參與藥物效應(yīng)的機(jī)制。THC 介導(dǎo)的海馬區(qū)翻譯起始機(jī)制的激活部分依賴(lài)于mTORC1 的激活［40］。在大量攝入酒精的嚙齒動(dòng)物的NAc 中，mTORC1 表達(dá)蛋白水平上調(diào)，即使在戒斷后24 h 內(nèi)也能檢測(cè)到其含量增加；更重要的是，在雷帕霉素預(yù)處理后，沒(méi)有觀察到酒精介導(dǎo)其含量增加［33］。這些研究表明，mTORC1介導(dǎo)藥物相關(guān)的不良神經(jīng)適應(yīng)，至少在一定程度上是通過(guò)增加特定mRNA的翻譯率，從而增加在突觸可塑性中起關(guān)鍵作用蛋白質(zhì)的表達(dá)水平。

在嗎啡成癮納洛酮戒斷建立小鼠條件性位置厭惡模型中，針對(duì)小鼠進(jìn)行厭惡記憶再鞏固訓(xùn)練活動(dòng)后，與空白組對(duì)比，厭惡記憶模型組小鼠的海馬內(nèi)mTOR、p-mTOR 及其下游S6K1、p-S6K1 蛋白表達(dá)量未發(fā)生明顯改變；而在厭惡記憶再鞏固組小鼠海馬內(nèi)mTOR 和S6K1 表達(dá)雖未發(fā)生明顯改變，但p-mTOR 和p-S6K1 蛋白顯著升高。同時(shí)，該研究還提示，海馬中mTOR相關(guān)通路會(huì)參與到嗎啡成癮戒斷后厭惡記憶再鞏固的這一具體過(guò)程［40］。

在大鼠可卡因自身給藥模型，經(jīng)過(guò)消退后給予藥物相關(guān)線(xiàn)索暴露誘導(dǎo)復(fù)燃行為，在大鼠伏隔核微量注射雷帕霉素觀察對(duì)大鼠復(fù)燃行為所產(chǎn)生的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，藥物線(xiàn)索暴露大鼠伏隔核S6K1 磷酸化水平與未暴露大鼠比較有明顯上升，說(shuō)明藥物線(xiàn)索暴露誘導(dǎo)的復(fù)燃能有效激活伏隔核的mTOR 信號(hào)通路。與此同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，在伏隔核給予一定的雷帕霉素，能對(duì)大鼠自身給藥戒斷后由藥物點(diǎn)燃與藥物相關(guān)線(xiàn)索誘導(dǎo)的復(fù)燃行為產(chǎn)生較明顯的抑制作用，這進(jìn)一步表明mTOR信號(hào)通路腦區(qū)特異性在自身給藥戒斷后的復(fù)燃行為中也發(fā)揮了一定作用［41］。

還有研究通過(guò)可卡因誘導(dǎo)的條件位置偏愛(ài)模型訓(xùn)練大鼠后，大鼠暴露于訓(xùn)練環(huán)境進(jìn)行消退，并檢測(cè)相關(guān)腦區(qū)的mTOR 和S6K1 因子的表達(dá)，觀察可卡因獎(jiǎng)賞性記憶的消退對(duì)mTOR 信號(hào)通路分子的影響［42］，證實(shí)了mTOR信號(hào)通路在藥物獎(jiǎng)賞性記憶中的重要作用。

總結(jié)上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，首先，可卡因等濫用藥物觸發(fā)不同或交叉的信號(hào)通路，但似乎都激活了不同腦區(qū)的mTORC1；其次，mTORC1抑制劑雷帕霉素介導(dǎo)抑制小鼠和大鼠多種藥物相關(guān)行為的形成，表明中樞神經(jīng)邊緣系統(tǒng)中mTORC1 及其介導(dǎo)的通路可能是成癮藥物與其靶點(diǎn)結(jié)合的不同信號(hào)級(jí)聯(lián)的焦點(diǎn)。mTORC1 信號(hào)通路關(guān)鍵調(diào)控因子有可能成為治療藥物成癮有價(jià)值的作用靶點(diǎn)。

4 展望

越來(lái)越多的研究表明［38-41］，mTOR 信號(hào)通路參與了各種濫用藥物產(chǎn)生欣快和強(qiáng)烈負(fù)性情緒的傳導(dǎo)機(jī)制，使生物體發(fā)生適應(yīng)性的改變，是藥物成癮持續(xù)存在的關(guān)鍵因素。調(diào)控mTOR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的具體機(jī)制又不甚清楚，需要進(jìn)一步探索和闡明。因此，深入研究藥物成癮誘導(dǎo)的mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的詳細(xì)分子機(jī)制是十分必要的，探索mTORC1 及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能的變化及其與藥物成癮的相關(guān)性具有重要意義。未來(lái)的研究可聚焦于徹底闡明mTOR信號(hào)通路在藥物成癮中的分子機(jī)制，為探索藥物成癮的治療策略提供理論基礎(chǔ)和新的方向。