基于PI3K/Akt信號通路預(yù)防治療2型糖尿病肌少癥研究進展

張桂仙 袁婭金 熊薇 劉麗俊 周寧娜

(云南中醫(yī)藥大學(xué)藥理教研室，云南 昆明 650500)

糖尿病(DM)是由高血糖引起的內(nèi)分泌和代謝紊亂綜合征，具有高發(fā)病率和死亡率〔1〕。隨著當(dāng)代生活水平的提高，肥胖和超重人群比例逐年增加，預(yù)計到2030年全世界將有4.39億DM患者，其中90%以上是2型糖尿病(T2DM)〔2〕。肌少癥是T2DM的慢性并發(fā)癥之一，表現(xiàn)為各個肌肉肌群質(zhì)量減少、力量減弱、爆發(fā)力差、肌肉功能減退，并影響平衡能力，易致跌倒、骨折，造成日常活動能力下降，甚至造成死亡〔3〕。隨著患T2DM肌少癥的人數(shù)逐年上升，25%～50%的老年人(70～80歲)受肌少癥影響，預(yù)防、治療T2DM肌少癥將成為醫(yī)療行業(yè)的一大挑戰(zhàn)〔4〕。磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信號通路是生物體內(nèi)調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運、脂質(zhì)代謝及蛋白質(zhì)合成的基礎(chǔ)信號通路之一，通過該途徑信號轉(zhuǎn)導(dǎo)既有利于發(fā)揮胰島素對內(nèi)皮的保護作用，又能很好地調(diào)控T2DM代謝紊亂，是T2DM的研究熱點〔5〕。本綜述將基于PI3K/Akt信號通路探討T2DM肌少癥發(fā)生的分子機制。

1 T2DM肌少癥發(fā)病機制

肌少癥是增齡性骨骼肌質(zhì)量減少，力量下降，肌肉功能減退，是一個多因素過程，其特征是骨骼肌形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的變化〔4,6,7〕。肌纖維占據(jù)75%～90%的肌肉空間，是肌肉的基本組成單位，肌纖維根據(jù)其收縮性和代謝性分為Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型肌纖維具有高氧化、低酵解能力，收縮反應(yīng)慢，不易疲勞，又稱紅肌或慢收縮??；Ⅱ型肌纖維具有低氧化、高酵解能力，收縮反應(yīng)快，容易疲勞，又稱白肌或快縮纖維〔8〕。從組織學(xué)角度看，肌少癥時肌纖維表現(xiàn)為Ⅱ型肌纖維數(shù)量、橫截面積減少〔9〕。與年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量和力量損失的一個主要因素是肌蛋白合成能力的降低〔7,10〕，肌量的大小由肌蛋白合成和水解平衡決定，若肌蛋白合成速率大于水解速率，則肌量增加，肌力增強。相反，則誘發(fā)肌肉萎縮、肌力下降，肌肉功能明顯減退。T2DM肌少癥的發(fā)病機制與胰島素抵抗(IR)、高血糖狀態(tài)導(dǎo)致的慢性炎癥、神經(jīng)損傷、肌肉細胞線粒體功能障礙等密切相關(guān)。

1.1T2DM、IR、肌少癥之間的關(guān)系 胰島素是在葡萄糖等刺激下胰島β細胞分泌的蛋白質(zhì)激素，在降低機體血糖水平的同時促進糖原和蛋白質(zhì)合成。IR是機體為維持血糖平衡而分泌過多的胰島素，血漿中胰島素水平過高造成機體對胰島素不敏感的現(xiàn)象，是T2DM肌少癥最主要的發(fā)病機制之一，并且是T2DM肌少癥發(fā)展中最重要的影響因素〔11〕。在成年人體內(nèi)，骨骼肌占體重的40%～50%，是胰島素介導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運的靶器官，負責(zé)大部分餐后葡萄糖的處理，具有調(diào)節(jié)葡萄糖代謝和能量穩(wěn)態(tài)的重要作用，肌量大小決定了胰島素對葡萄糖的轉(zhuǎn)運能力〔12〕。IR導(dǎo)致機體對葡萄糖的攝取利用降低，血糖持續(xù)升高，糖原合成降低，造成骨骼肌能量供應(yīng)不足，肌力下降；同時IR可導(dǎo)致骨骼肌中胰島素介導(dǎo)的PI3K/Akt信號通路傳導(dǎo)障礙造成肌蛋白合成路徑被阻斷，肌量下降〔13〕。

1.2骨骼肌PI3K/Akt信號通路的結(jié)構(gòu)和功能 PI3K由調(diào)節(jié)亞基 p85和催化亞基p110組成，具有絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)激酶和磷脂酰肌醇(PI)激酶的雙重活性〔14〕，有PI3KⅠ、PI3KⅡ、PI3KⅢ三種結(jié)構(gòu)功能不同的類型，PI3KⅠ在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮最為重要的作用，有PI3KⅠA和PI3KⅠB兩種亞型〔15〕。p85由Src同源結(jié)構(gòu)域(SH)2，SH3及p110與p85相互作用的非編碼區(qū)共同構(gòu)成，SH2具有結(jié)合酪氨酸殘基傳導(dǎo)酪氨酸激酶信號的功能〔16〕。Akt是PI3K的下游靶蛋白，也稱PKB，且是Ser/Thr激酶。目前發(fā)現(xiàn)的Akt的三種亞型是Akt1，Akt2，Akt3。其中Akt1調(diào)節(jié)細胞生長和凋亡，能夠磷酸化肌動蛋白相關(guān)蛋白palladin表達。Akt2主要表達于脂肪、骨骼肌和肝臟。PI3K/Akt信號通路的激活是通過Ras直接結(jié)合P110活化PI3K或與具有絡(luò)氨酸殘基的受體蛋白相互作用來實現(xiàn)〔17〕。

PI3K/Akt信號通路是胰島素調(diào)節(jié)血糖平衡及胰島素樣生長因子(IGF)-1介導(dǎo)肌蛋白合成的關(guān)鍵途徑之一，PI3K/Akt信號通路的激活對骨骼肌質(zhì)量、力量的增加意義重大〔18〕。Akt作為一種主要的生長調(diào)節(jié)劑，直接激活A(yù)kt可促進肌肉肥大，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是Akt下游的Ser/Thr激酶，參與骨骼肌細胞增殖、生長及肌蛋白合成的各個過程〔19〕。Akt介導(dǎo)的mTOR可通過激活下游的應(yīng)激蛋白包括充分表征的效應(yīng)因子S6蛋白激酶(S6K)1，真核翻譯起始因子(eIF)4E，結(jié)合蛋白(4E-BP)1等，調(diào)節(jié)肌肉組織中蛋白質(zhì)翻譯的起始步驟，加速mRNA翻譯進程，增加蛋白質(zhì)合成速率，促進肌肉生長〔20,21〕。IGF-1是肌肉生長的正向調(diào)節(jié)信號及有利刺激因子，可促進骨骼肌蛋白質(zhì)合成及肌細胞增殖、分化，肌肉質(zhì)量和力量增加在一定程度上受IGF-1信號傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)，IGF-1結(jié)合調(diào)節(jié)亞基p85的SH2，活化催化亞基p110，磷酸化細胞內(nèi)PI3K及質(zhì)膜上PI及絡(luò)氨酸激酶或G蛋白耦聯(lián)受體(GPCR)，使PIP2向PIP3轉(zhuǎn)化，誘導(dǎo)Akt活化〔22〕?；罨腁kt通過激活PI3K/Akt/mTOR信號通路引起信號傳導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)，肌蛋白合成速率顯著提高，肌量增加。另外，胰島素與骨骼肌的胰島素受體(InsR)結(jié)合后，導(dǎo)致胰島素受體底物(IRS)絡(luò)氨酸化，激活PI3K/Akt信號通路，活化Akt，引起Akt下游的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白(GLUT)4轉(zhuǎn)位至細胞內(nèi)，增加骨骼肌細胞對葡萄糖的攝取利用〔23〕，且活化的Akt從質(zhì)膜轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)、線粒體和細胞核內(nèi)作用于糖原合成酶(GSK)3，肌糖原合成增加，產(chǎn)生足量的ATP，肌肉供能充足，肌力增強顯著〔24〕。

1.3IR導(dǎo)致PI3K/Akt信號傳導(dǎo)障礙 IGF-1既可激活PI3K/Akt介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成途徑，又可維持肌肉氧化平衡，對骨骼肌氧化應(yīng)激具有抑制作用，保護骨骼肌免受氧化損傷〔25〕。有研究表明〔26〕IGF-1抑制骨骼肌細胞氧化應(yīng)激、維持肌量是通過刺激PI3K/Akt和細胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)1/2-絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路發(fā)揮作用。胰島素介導(dǎo)的PI3K/Akt信號通路功能障礙可導(dǎo)致骨骼肌的肌量和肌力不足，一方面，發(fā)生IR時，IGF-1刺激的PI3K/Akt信號傳導(dǎo)被阻斷，導(dǎo)致下游應(yīng)激蛋白mTOR和S6K1表達減少，肌蛋白合成下降，肌肉萎縮嚴重〔27〕。轉(zhuǎn)錄因子FoxO1可激活肌肉萎縮轉(zhuǎn)錄程序，調(diào)控泛素連接酶MuRF1和MAFbx在骨骼肌中的表達(MAFbx和MuRF1兩種基因在不同的肌肉萎縮模型中一致上調(diào)〔28〕)，PI3K/Akt信號傳導(dǎo)障礙誘導(dǎo)FoxO1表達增加，肌肉萎縮明顯〔29〕，F(xiàn)oxO1表達增加還可引發(fā)細胞自噬，線粒體功能退化造成肌力下降〔30〕。另一方面，PI3K/Akt信號傳導(dǎo)障礙，減弱了胰島素刺激的Akt與底物蛋白AS160結(jié)合促進其磷酸化的程度，抑制GLUT4從儲存囊泡向質(zhì)膜移動〔31〕，血液中葡萄糖含量升高，肌糖原合成減少，肌肉供能不足，肌力下降〔32〕。有研究發(fā)現(xiàn)Akt或IRS銜接蛋白的直接敲除可明顯降低胰島素誘導(dǎo)的葡萄糖攝取利用〔33〕。

1.4炎癥反應(yīng)和肌細胞線粒體功能損傷導(dǎo)致PI3K/Akt信號傳導(dǎo)障礙 炎癥反應(yīng)可加速肌蛋白降解，白細胞介素(IL)-2、腫瘤壞死因子(TNF)-α等是加速肌蛋白降解的重要介質(zhì)之一，是肌萎縮的重要預(yù)測因子。T2DM患者持續(xù)高血糖使肌肉中炎癥因子水平顯著升高導(dǎo)致的肌量減少、肌力及肌功能減弱的機制也與PI3K/Akt通路有關(guān)〔34〕。IL-6、IL-1、TNF-α誘導(dǎo)細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子(SOCS)3表達，激活酪氨酸蛋白激酶(JAK)、轉(zhuǎn)錄激活子(STAT)3，靶向IRS-1抑制PI3K/Akt信號傳導(dǎo)，骨骼肌胰島素介導(dǎo)的Akt/mTOR蛋白質(zhì)合成途徑受抑制〔35,36〕。炎癥反應(yīng)還可使骨骼肌中產(chǎn)生過量的肌肉生長抑制素(GDF)-8，是一種肌肉生長負調(diào)節(jié)因子，T2DM患者骨骼肌中過剩的GDF-8抑制Akt磷酸化，抑制下游應(yīng)激蛋白mTOR和S6K1表達，肌蛋白合成減少〔37〕。此外，骨骼肌IL-6、IL-1、TNF-α的產(chǎn)生在使PI3K/Akt信號通路傳導(dǎo)障礙的同時激活NF-κB，上調(diào)泛素連接酶MuRF1和MAFbx，加快蛋白質(zhì)的降解速度，肌量顯著下降〔38〕。

肌少癥與氧化應(yīng)激關(guān)系密切，GDF-8的產(chǎn)生也可使肌肉中活性氧(ROS)含量升高，造成骨骼肌氧化應(yīng)激增強，肌量丟失嚴重〔39,40〕。T2DM患者血糖持續(xù)升高，使神經(jīng)傳導(dǎo)障礙或變慢，血管、神經(jīng)長期缺氧使肌肉處于放松狀態(tài)，造成肌力下降〔41〕。在正常條件下，游離脂肪酸(FFA)通過脂肪酸轉(zhuǎn)位酶CD36形成長鏈脂肪酸(LCACOA)合成脂質(zhì)或在線粒體中用于氧化分解，高血糖使肌細胞線粒不足以氧化分解體內(nèi)過量的FFA〔42〕，骨骼肌中過多的脂質(zhì)、脂質(zhì)中間體生成造成PI3K/Akt信號通路損壞，線粒體呼吸鏈壓力加大，蛋白合成減少〔43〕，另外，功能紊亂的線粒體誘導(dǎo)大量ROS產(chǎn)生，激活半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-3，肌蛋白降解增加，肌肉萎縮程度加劇〔44〕。

綜上，T2DM患者機體代償性分泌過多胰島素造成IR，IR導(dǎo)致骨骼肌對葡萄糖攝取能力降低及Akt介導(dǎo)的mTOR蛋白質(zhì)合成過程受抑制，持續(xù)升高的血糖造成骨骼肌氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，產(chǎn)生大量的GDF-8加快肌蛋白降解速度，誘發(fā)T2DM肌少癥。 見圖1。

圖1 PI3K/Akt信號通路與T2DM肌少癥之間的關(guān)系

2 基于PI3K/Akt信號通路預(yù)防治療T2DM肌少癥

2.1激活PI3K/Akt信號通路促進蛋白合成 營養(yǎng)、運動、激素替代等可增加肌肉的力量和質(zhì)量。葉酸是維生素的完全氧化單甘油酯形式，是一種膳食補充劑，肌少癥患者采用葉酸治療增加骨骼肌細胞分化，促進Akt和mTOR的磷酸化，激活4E-BP1和S6K1，加速肌肉生長〔45〕。阻力運動、有氧運動可以減緩肌少癥發(fā)生的分子機制可能與骨骼肌PI3K/Akt和AMPK通路的激活有相關(guān)性〔46〕。Orr等〔47〕對T2DM肌少癥患者進行太極拳訓(xùn)練，得出運動訓(xùn)練如太極拳等可改善老年T2DM肌少癥患者癥狀，提高肌肉力量和質(zhì)量的分子機制是PI3K及P-Akt2蛋白的上調(diào)。以亮氨酸為主的支鏈氨基酸(BCAA)的攝入促進胰島素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)合成的原因是胰島素依賴性mTOR信號通路的激活，因此，高劑量的亮氨酸可能有助于克服肌蛋白合成代謝阻力，具有較強的促胰島素特性，有效維持肌蛋白合成分解平衡〔48〕。Dreyer等〔49〕采用重復(fù)肌肉活檢樣本免疫印跡來評估m(xù)TOR信號，穩(wěn)定放射性核素技術(shù)測定混合肌肉合成速率(FSR)，發(fā)現(xiàn)鍛煉后攝入必需氨基酸mTOR信號通路的激活顯著增強，F(xiàn)SR高于基線，肌蛋白合成速率顯著提高。Latres等〔50〕研究表明PI3K/Akt/mTOR通路需要激活才能發(fā)生IGF-1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄改變，證明IGF-1/PI3K/Akt通路可以通過阻斷FOXO轉(zhuǎn)錄因子的核易位，上調(diào)泛素連接酶MuRF1和MAFbx，肌蛋白降解速度加快，肌肉萎縮嚴重。有研究表明顆粒蛋白前體(PGRN)可通過激活PI3K/Akt/mTOR通路信號傳導(dǎo)，上調(diào)PI3K、Akt、mTOR蛋白濃度，促進C2C12肌管肥大，抑制肌肉萎縮程度〔51〕。Smith等〔52〕研究表明Omega-3不飽和脂肪酸通過激活mTOR-p70s6k信號通路刺激骨骼肌蛋白合成維持肌量。鐘文等〔53〕研究表明參芪復(fù)方對T2DM大鼠骨骼肌保護作用的機制與激活I(lǐng)GF-1/PI3K/Akt蛋白質(zhì)合成途徑相關(guān)。陳璇等〔54〕發(fā)現(xiàn)白虎二地湯能上調(diào)骨骼肌組織的PI3K p85及IRS-1蛋白的表達改善胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)。

2.2PI3K/Akt信號通路的激活抑制骨骼肌細胞氧化損傷及炎癥反應(yīng) PI3K/Akt信號通路的激活有助于抑制T2DM肌少癥患者骨骼肌氧化損傷和炎癥反應(yīng)。Barazzoni等〔55〕采用胃激素(AG)治療肌少癥患者，發(fā)現(xiàn)AG可改善肌少癥患者骨骼肌線粒體氧化能力和Akt磷酸化程度，緩解肌少癥的病程發(fā)展。有研究表明有氧訓(xùn)練導(dǎo)致IGF-1誘導(dǎo)Akt向線粒體移位和聚集，活化骨骼肌PI3K/Akt信號通路，保護骨骼肌線粒體功能，改善肌肉萎縮〔56〕。Brioche等〔57〕對肌少癥大鼠給予生長激素(GH)治療后發(fā)現(xiàn)骨骼肌線粒體氧化損傷降低，得出GH替代治療具有明顯的抗氧化作用，可顯著預(yù)防肌肉減少的結(jié)論。有研究者采用基因芯片、基因敲除等技術(shù)阻斷GDF-8傳導(dǎo)途徑，導(dǎo)致肌肉增長加快的分子機制與PI3K/Akt信號通路下游促進蛋白質(zhì)合成的mTOR和S6K1含量增加有關(guān)〔58〕。Murphy等〔59〕抑制小鼠骨骼肌中的GDF-8，IGF-1介導(dǎo)的PI3K/Akt信號通路被激活，顯著改善肌肉萎縮程度。有學(xué)者采用黃芩(SR)與黃連(CR)聯(lián)合治療高脂及小劑量鏈尿佐菌素誘導(dǎo)的T2DM大鼠，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T2DM大鼠脂質(zhì)代謝、炎癥反應(yīng)等被明顯抑制，進一步研究發(fā)現(xiàn)SR與CR聯(lián)合使用抑制脂質(zhì)代謝、炎癥反應(yīng)的分子機制與MAPK/PI3K/Akt信號通路的激活有關(guān)〔60〕。

綜上，臨床上治療T2DM肌少癥應(yīng)從單純降糖外的各個環(huán)節(jié)進行綜合治療。骨骼肌PI3K/Akt信號通路的激活可抑制肌細胞炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，增加蛋白質(zhì)合成速率，緩解肌量丟失。盡管 PI3K/Akt信號通路與T2DM性肌肉萎縮相關(guān)的分子機制還未被完全闡明，但為預(yù)防治療T2DM肌少癥提供了新思路和研究方向，PI3K/Akt信號通路有望成為開發(fā)預(yù)防治療T2DM肌少癥新藥的潛在有效靶點。