PI3K/AKT信號(hào)通路對(duì)骨骼肌再生的影響研究進(jìn)展

呂欣 周達(dá)岸

錦州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院（遼寧 錦州121000）

骨骼肌損傷是一種高頻度損傷，損傷后肌肉的收縮性能會(huì)隨之降低，并且周圍肌肉發(fā)生再損傷的概率也會(huì)增加。骨骼肌發(fā)生損傷時(shí)，首先是炎癥期，會(huì)發(fā)生中性粒細(xì)胞等浸潤(rùn)、血管束架構(gòu)混亂、肌纖維排列紊亂；進(jìn)展到修復(fù)期時(shí)，出現(xiàn)新生肌纖維和血管，早期瘢痕形成；到重塑期時(shí)，新生肌纖維粘附在細(xì)胞外基質(zhì)，出現(xiàn)大量瘢痕[1，2]。骨骼肌損傷修復(fù)的病理進(jìn)程離不開相應(yīng)的基因、蛋白、生長(zhǎng)因子及細(xì)胞因子等的調(diào)控，它們的啟動(dòng)和傳導(dǎo)又需要信號(hào)通路的激活，其中磷脂酰肌醇-3 激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase，PKB ，即AKT）信號(hào)通路作為受體信號(hào)向細(xì)胞內(nèi)傳導(dǎo)的重要途徑之一，具有調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖、分化及蛋白合成等的功能。目前已有研究發(fā)現(xiàn)[3-5]，PI3K/AKT信號(hào)通路與骨骼肌的修復(fù)再生密切相關(guān)，不僅能夠促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成，而且還能夠激活肌衛(wèi)星細(xì)胞（muscle satellite cells，MSCs）的增殖，而增殖的肌衛(wèi)星細(xì)胞能夠再生新的肌細(xì)胞，進(jìn)而促進(jìn)骨骼肌再生、修復(fù)損傷。本文基于PI3K/AKT信號(hào)通路對(duì)骨骼肌再生的影響作一綜述，旨在深入了解PI3K/AKT 信號(hào)通路對(duì)骨骼肌再生的作用機(jī)制，為臨床治療提供基礎(chǔ)依據(jù)和思路。

1 PI3K/AKT 信號(hào)通路組成

PI3K 是組成磷脂酰肌醇激酶的重要組分，主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，并且具有磷脂酰肌醇激酶和絲/蘇氨酸激酶的活性，由于其底物特異性、結(jié)構(gòu)與功能不同，PI3K 被分為了Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型。其中Ⅰ型在腫瘤疾病中被廣泛研究，根據(jù)其調(diào)節(jié)亞單位和上游調(diào)節(jié)分子不同又分為ⅠA、ⅠB兩型，ⅠA型是由調(diào)節(jié)亞基p85和催化亞基p110 組成的異源二聚體，調(diào)節(jié)亞基p85 含有SH2和SH3 結(jié)構(gòu)域[6]，催化亞基p110 具有P110α、P110β和P110δ 3種亞型，分別由PIK3CA、PIK3CB和PIK3CD基因編碼，廣泛存在于各種細(xì)胞中，可被細(xì)胞表面酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）和Ras 激活[7]；ⅠB型PI3K 由催化亞基p110γ和調(diào)節(jié)亞基p101 或p84 組成的異源二聚體，p110γ由PIK3CG編碼，并且僅限于白細(xì)胞內(nèi)存在，主要是被G-蛋白耦聯(lián)受體（G-proteincoupled receptor，GPCR）激活[8]。Ⅱ型PI3K 研究較少，一般與膜運(yùn)輸?shù)裙δ苡嘘P(guān)，它具有3 種同型[9]，為PI3KC2α、PI3KC2β 和 PI3KC2γ，分別由PIK3C2A、PIK3C2B 和PIK3C2G 基因編碼，其中，PI3KC2α 和PI3KC2β在生物體內(nèi)表達(dá)較廣泛，但PI3KC2γ表達(dá)僅限于肝、前列腺和乳腺。Ⅲ型PI3K 主要與細(xì)胞自噬、囊泡運(yùn)輸、胞吞作用有關(guān)，只包含Vps 34（vacuolar pro?tein sorting 34）[10-13]，在腎小球臟層細(xì)胞中缺乏Vps 34，則會(huì)導(dǎo)致異常的細(xì)胞膜形態(tài)和臟層細(xì)胞功能障礙[14]。

蛋白激酶B即AKT，主要存在于胞漿，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)因子促進(jìn)細(xì)胞存活，并通過抑制促凋亡蛋白的失活來阻止細(xì)胞凋亡，包括三種同型AKT1（ PKBα）、AKT2（ PKBβ）、AKT3（ PKBγ）[15]。AKT是PI3K主要的下游靶點(diǎn)，通過跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及PI3K對(duì)磷脂酰肌醇環(huán)上第3 位羥基的特異磷酸化而活化，并使其底物磷酸化，作用于下游靶蛋白，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞生物活動(dòng)[16，17]。

2 PI3K/AKT 信號(hào)通路作用機(jī)制

在正常生理狀態(tài)下，PI3K 在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平很低，但當(dāng)細(xì)胞損傷時(shí)，PI3K會(huì)被RTK、GPCR 激活，其表達(dá)水平快速升高。Gan 等[18]研究顯示，當(dāng)組織缺氧2 h和6 h 時(shí)，PI3K、AKT、MAPK 等信號(hào)通路均會(huì)被激活。PI3K 的p85 調(diào)節(jié)亞基被募集到臨近質(zhì)膜的部位，p110亞基通過與p85亞基結(jié)合，導(dǎo)致PI3K活化，磷酸化磷脂酰肌醇PI 的第3 位碳原子，促使細(xì)胞膜上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）轉(zhuǎn)變?yōu)樾攀沟鞍祝?，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3）[19]。PIP3 作為第二信使[20]，招募含有PH結(jié)構(gòu)域的3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1（PDK1）和AKT信號(hào)蛋白，三者之間互相結(jié)合，使AKT從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上，并在PDK1 和3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-2（PDK2）的輔助下，磷酸化AKT蛋白上的兩個(gè)位點(diǎn)：一個(gè)為蘇氨酸磷酸化位點(diǎn)（Thr308），另一個(gè)為絲氨酸磷酸化位點(diǎn)（Ser473）[21-23]。接著，AKT不僅能夠磷酸化TSC1/2[24]，活化哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammali?an target of rapamycin，mTOR），還能作用于細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（cycling dependent kinase ，CDK）的抑制分子P21 和P27，增強(qiáng)細(xì)胞增殖[25]，并且能夠激活核轉(zhuǎn)錄因子抑制蛋白激酶（IKB），使核轉(zhuǎn)錄因子κB（nu?clear factor kappa-B，NF-κB）的抑制劑降解，促進(jìn)NFκB進(jìn)行核轉(zhuǎn)位，激活下游靶基因，起到抗炎作用，抑制細(xì)胞凋亡[26]（如圖1）。

圖1 PI3K/AKT 信號(hào)通路示意圖

3 PI3K/AKT 信號(hào)通路對(duì)肌衛(wèi)星細(xì)胞的影響

PI3K/AKT 信號(hào)通路能夠調(diào)控多種細(xì)胞的生長(zhǎng)和存活，產(chǎn)生相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)。骨骼肌的損傷修復(fù)主要依賴肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化。肌衛(wèi)星細(xì)胞由Mauro發(fā)現(xiàn)[27]，是分布于肌細(xì)胞基底膜和肌膜間的成體干細(xì)胞，像衛(wèi)星一樣排列于肌細(xì)胞的周圍，離體培養(yǎng)時(shí)稱為成肌細(xì)胞。這類細(xì)胞在骨骼肌正常時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)，損傷發(fā)生時(shí)則被激活[28]，具有自我復(fù)制和多向分化的潛能，能夠進(jìn)一步增殖分化，相互之間融合成新的肌管或與損傷的肌纖維直接融合修復(fù)，進(jìn)而治療臨床骨骼肌損傷[29，30]，在骨骼肌損傷修復(fù)過程中占有十分重要的地位。因此，如何募集到更多肌衛(wèi)星細(xì)胞參與調(diào)節(jié)骨骼肌再生修復(fù)，減少肌肉組織血腫和纖維瘢痕形成，提高骨骼肌損傷的恢復(fù)質(zhì)量值得關(guān)注。

骨骼肌成肌分化抗原（myogenic differentiation an?tigen，MyoD）屬于肌源性調(diào)節(jié)因子（MRFs）蛋白家族，對(duì)調(diào)節(jié)動(dòng)物的肌肉分化起著重要作用[31]。在正常靜止?fàn)顟B(tài)的衛(wèi)星細(xì)胞中，MyoD 的表達(dá)基本上無(wú)法檢測(cè)到，而當(dāng)處于運(yùn)動(dòng)或肌肉損傷狀態(tài)時(shí)，MyoD的表達(dá)會(huì)被激活[32]。研究證實(shí)[33]，當(dāng)骨骼肌無(wú)損傷狀態(tài)時(shí)MyoD 陽(yáng)性細(xì)胞核位于肌細(xì)胞邊緣，當(dāng)損傷后，其主要在細(xì)胞外基質(zhì)中表達(dá)并且逐漸聚集于受損骨骼肌纖維和新生肌纖維周圍。劉通[34]在體外分離培養(yǎng)多裂肌衛(wèi)星細(xì)胞并用電針血清干預(yù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電針血清組PI3K、AKT、mTOR的表達(dá)水平均高于正常組，應(yīng)用PI3K抑制劑LY294002后，抑制劑組的指標(biāo)表達(dá)明顯降低，并且MyoD 的表達(dá)也明顯低于電針血清組。因此可以得出結(jié)論，電針可促進(jìn)MSCs 的增殖，在細(xì)胞周期的G1/S 期時(shí)PI3K 磷酸化激活p-AKT（Ser473），可進(jìn)一步引起mTOR 的磷酸化，促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖與成肌分化。

Ding 等[35]研究原代培養(yǎng)頦舌肌成肌細(xì)胞在缺氧狀態(tài)下的氧化損傷和細(xì)胞凋亡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低氧狀態(tài)下24 h、48 h 時(shí)，PI3K、AKT 表達(dá)水平顯著下降，應(yīng)用染料木素（一種植物激素）后能部分保護(hù)成肌細(xì)胞不受缺氧導(dǎo)致的氧化應(yīng)激損傷，并且此種保護(hù)作用是通過染料木素激活PI3K/AKT 信號(hào)通路調(diào)控B 淋巴細(xì)胞瘤-2（B cell lymphoma-2，Bcl-2）基因、天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（caspase-3）介導(dǎo)的。另有研究[20]發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT 通路參與周期性張應(yīng)力誘導(dǎo)的成肌細(xì)胞凋亡，研究應(yīng)用PI3K 抑制劑LY294002 通過Hoechst33258 熒光染色觀察成肌細(xì)胞凋亡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施加相同的周期性張應(yīng)力時(shí)，抑制劑組成肌細(xì)胞比相同時(shí)間下未加抑制劑組的凋亡細(xì)胞數(shù)目增多，即PI3K/AKT通路能夠拮抗細(xì)胞凋亡。正常條件下，磷酸化的AKT 可以與下游底物糖原合成酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK3β）結(jié)合，使GSK3β磷酸化失活，滅活的GSK3β與肌核生長(zhǎng)以及生肌細(xì)胞分化相關(guān)聯(lián)，促進(jìn)生肌細(xì)胞增殖分化[36]，因此PI3K/AKT 信號(hào)通路可能具有抑制成肌細(xì)胞凋亡的作用。

4 PI3K/AKT 信號(hào)通路對(duì)骨骼肌再生的影響

當(dāng)骨骼肌發(fā)生損傷時(shí)，PI3K/AKT 信號(hào)通路的蛋白表達(dá)水平會(huì)發(fā)生變化。有研究[5]顯示，通過調(diào)控PI3K/AKT/mTOR 通路能夠促進(jìn)肌生成，PI3K 蛋白激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)后激活A(yù)KT，AKT對(duì)下游mTOR產(chǎn)生調(diào)控作用，并作為介質(zhì)調(diào)控多種細(xì)胞生長(zhǎng)和存活過程，從而使PI3K/AKT/mTOR 信號(hào)通路及相關(guān)生物學(xué)功能更加活躍[37]。Matheny 等[38]將鋼探針置于小鼠脛骨前肌腹部，冷卻至-79℃，持續(xù)5 s或10 s至肌肉損傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是5 s 還是10 s 損傷，胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（insulin-like growth factor 1，IGF-1）、PI3K、AKT的表達(dá)均明顯高于未損傷對(duì)照肌，且10 s 損傷組檢測(cè)指標(biāo)的表達(dá)明顯高于5 s 損傷組。即在小鼠骨骼肌損傷早期肌肉再生過程中，IGF/PI3K/AKT 通路部分組分的轉(zhuǎn)錄表達(dá)會(huì)被激活而表達(dá)升高，表達(dá)程度與損傷程度有關(guān)。

應(yīng)用干預(yù)措施治療骨骼肌損傷時(shí)，PI3K/AKT 信號(hào)通路蛋白表達(dá)會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，且變化趨勢(shì)與骨骼肌損傷修復(fù)的趨勢(shì)相一致。張安寧等[39]研究應(yīng)用West?ern blot方法比較正常組和損傷組各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的PI3K、AKT、mTOR、p-AKT（Ser473）和p-mTOR（Ser2448）的表達(dá)水平，結(jié)果發(fā)現(xiàn)損傷組出現(xiàn)了表達(dá)水平先升高后降低的趨勢(shì)，并且各項(xiàng)指標(biāo)于損傷后5 d 達(dá)高峰。應(yīng)用RT-PCR 觀察發(fā)現(xiàn)，MyoD 和肌細(xì)胞生成素（myo?genin，MyoG）等促進(jìn)成肌作用的指標(biāo)也呈現(xiàn)先升高再下降的趨勢(shì)，于損傷后3 d達(dá)高峰。并且HE染色可觀察到損傷后3 d和5 d時(shí)，已出現(xiàn)新生的肌衛(wèi)星細(xì)胞和肌管，表明PI3K/AKT信號(hào)通路的表達(dá)水平變化與骨骼肌損傷修復(fù)情況變化趨勢(shì)一致，在時(shí)間上存在一定的相關(guān)性，即該通路能夠在一定程度上調(diào)節(jié)MSCs的增殖分化。有研究[3，40]顯示，失神經(jīng)骨骼肌萎縮大鼠通過電針治療后其PI3K蛋白的表達(dá)上調(diào)，電針組與對(duì)照組相比PI3K、AKT 以及mTOR 基因轉(zhuǎn)錄水平顯著升高，磷酸化后的AKT 促進(jìn)mTOR 表達(dá)增加，其可能通過調(diào)控p70S 激酶（p70S6K）[3]促進(jìn)MSCs 增殖、蛋白合成、肌肉肥大。

PI3K/AKT 通路不僅能夠促進(jìn)骨骼肌相關(guān)蛋白合成，還能抑制肌蛋白降解，對(duì)骨骼肌線粒體起到保護(hù)作用。Zhang 等[41]研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用藥物治療骨骼肌萎縮，能夠提高PI3K、AKT以及mTOR的磷酸化水平，并且能夠促進(jìn)C2C12 細(xì)胞PI3K/AKT 信號(hào)通路中蛋白的表達(dá)。當(dāng)應(yīng)用PI3K抑制劑作用于p110催化亞基時(shí)，可以在體內(nèi)和體外消除藥物的作用，說明骨骼肌萎縮的修復(fù)可能與PI3K/AKT 信號(hào)通路有關(guān)。有研究[42]闡述磷酸化的AKT 能夠抑制泛素蛋白連接酶E3s（ubiquitinligase enzymes E3s）的合成，對(duì)肌蛋白的降解起到阻礙作用，從而延緩肌肉萎縮進(jìn)程。Zhuang等[43]研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷顯著增加AKT2 和Nrf2 mRNA 的表達(dá)，促進(jìn)AKT 磷酸化，誘導(dǎo)Nrf2 核易位，上調(diào)抗氧化酶表達(dá)，增加了骨骼肌超氧化物歧化酶活性。劉紹東等[44]設(shè)置正常組、力竭運(yùn)動(dòng)組和有氧運(yùn)動(dòng)組研究有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌線粒體的影響，結(jié)果顯示，與一次性力竭組相比，有氧耐力訓(xùn)練組大鼠的基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metallo?protinase，MMP）、琥珀酸脫氫酶（succinate dehydroge?nase，SDH）和環(huán)氧化酶（cyclooxygenase，COX）活性水平、磷酸化PI3K 和磷酸化AKT 蛋白水平均顯著升高，表明有氧耐力訓(xùn)練可以提高大鼠抵抗骨骼肌線粒體損傷的能力，對(duì)骨骼肌線粒體具有保護(hù)作用，其機(jī)制可能與活化PI3K/AKT信號(hào)通路有關(guān)。

5 小結(jié)

PI3K/AKT 信號(hào)通路對(duì)促進(jìn)骨骼肌再生有重要作用：上調(diào)信號(hào)通路的蛋白表達(dá)，誘導(dǎo)通路磷酸化，促進(jìn)肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖分化，抑制凋亡。PI3K/AKT 信號(hào)通路對(duì)骨骼肌再生的調(diào)控機(jī)制復(fù)雜，尚需要更多深入研究。