PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路在骨關(guān)節(jié)炎中的作用

李田洋，鄭曙光

（1.貴州中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025；2.貴州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院，貴州貴陽(yáng)550002）

骨關(guān)節(jié)炎（Osteoarthritis,OA）是一種以關(guān)節(jié)軟骨軟化剝脫、軟骨下骨密度增加及關(guān)節(jié)間隙變窄為特征的慢性退行性疾病。其主要表現(xiàn)為關(guān)節(jié)疼痛、僵硬和活動(dòng)受限，伴有少量積液和不同程度的局部炎癥[1]。OA 影響全球3 億多人，目前我國(guó)患病率約為15%，不同地區(qū)之間存在差異，中老年患者的女性發(fā)病率明顯高于男性[2-3]。其致畸率、致殘率較高，嚴(yán)重影響患者的日常生活，給患者家庭和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，可能與年齡、肥胖、性別、炎癥、和損傷等因素有關(guān)[4]。磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidyl inositol 3-kinase,PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B,Akt）/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）通路在細(xì)胞中廣泛存在，在調(diào)控細(xì)胞增殖、凋亡、自噬、血管生成等方面起著重要作用[5]。有研究顯示PI3K/Akt/mTOR 通路在OA 的發(fā)生、發(fā)展中扮演重要角色[6]。本文就近年來(lái)關(guān)于PI3K/Akt/mTOR 通路在OA 中的分子機(jī)制研究進(jìn)展做一綜述。以期為OA 防治提供新的思路。

1 PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路

PI3K/Akt/mTOR 是體內(nèi)最重要的細(xì)胞內(nèi)通路之一，參與調(diào)控細(xì)胞周期的各個(gè)環(huán)節(jié)如細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、代謝和細(xì)胞骨架重組等。胰島素受體酪氨酸激酶（insulin resistance, InsR）、胰島素樣生長(zhǎng)因子1 受體（insulin-like growth factor-1 receptors, IGF-1R）、表皮生長(zhǎng)因子（epidermal growth factor, EGF）、血小板衍生生長(zhǎng)因子受體（platelet derived growth factor-1 receptors, PDGF-R）、G 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors, GPCRs）等均可激活PI3K/Akt/mTOR 通路[7]。

1.1 PI3K

PI3K 是由催化亞基p110 和調(diào)節(jié)亞基p85 構(gòu)成的異源二聚體。根據(jù)p110 亞基的結(jié)構(gòu)和底物分子的不同PI3K 分為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。Ⅰ型研究最為廣泛，分為ⅠA 和ⅠB。與p85 結(jié)合形成二聚體的為ⅠA 亞類，包括催化亞基p110α、p110β、p110δ 和調(diào)節(jié)亞基p85α、p85β、p55γ；不與p85 結(jié)合的為ⅠB 亞類，包括調(diào)節(jié)性亞基p101 和催化亞基p110γ[8]?？捎缮L(zhǎng)因子、細(xì)胞因子、受體酪氨酸激酶和GPCRs 激活或RAS 蛋白直接激活[9]。激活后PI3K 催化產(chǎn)生二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2），PIP2 磷酸化磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3 與下游含Pleckstrin（PH）結(jié)構(gòu)域的靶分子結(jié)合并活化。人第10 號(hào)染色體缺失的磷酸酶張力蛋白同源物（PTEN）通過(guò)PIP3 去磷酸化為PIP2，并抑制PI3K的活性，對(duì)PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路進(jìn)行負(fù)向調(diào)節(jié)[10]。

1.2 Akt

Akt 是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的細(xì)胞存活的關(guān)鍵介質(zhì)。哺乳動(dòng)物中Akt 有3 種亞型，分別為Akt1、Akt2、Akt3，由有N 端的PH 結(jié)構(gòu)域、中間激酶結(jié)構(gòu)域及包含疏水基序的羧基端調(diào)節(jié)域構(gòu)成。PH 結(jié)構(gòu)域與PI3K 產(chǎn)生的第二信使PIP3 結(jié)合，在3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1 的蘇氨酸蛋白Thr308 位點(diǎn)發(fā)生磷酸化；哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物1（mammalian target of rapamycin complex 2, mTORC2）催化絲氨酸Ser473 位點(diǎn)的磷酸化并激活A(yù)kt[11]。該位點(diǎn)磷酸化后Akt 達(dá)到完全激活。然后Akt 進(jìn)入胞質(zhì)和細(xì)胞核進(jìn)而繼續(xù)對(duì)下游信號(hào)分子進(jìn)行靶向調(diào)控，如mTOR、叉頭轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)錄因子和糖原合酶激酶3[12]。

1.3 mTOR

mTOR 屬于PI3K 家族成員，是PI3K/Akt/mTOR信號(hào)軸的重要蛋白。mTOR 有2 種結(jié)構(gòu)相似和功能不同的復(fù)合體，哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物1（mTORC1） 和哺乳動(dòng)物雷帕霉素復(fù)合物2（mTORC2）。mTORC1 是自噬的主要負(fù)調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)p70 核糖體S6 蛋白激酶（p70S6K）、真核起始因子4E、自噬激酶1、轉(zhuǎn)錄因子EB、激活轉(zhuǎn)錄因子4、缺氧誘導(dǎo)因子1α 等蛋白的磷酸化或表達(dá)，并介導(dǎo)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸合成[13]。mTORC2 調(diào)節(jié)Akt、血清/糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶、蛋白激酶C 等的磷酸化或活性，從而控制細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖、自噬和代謝[14]。

2 PI3K/Akt/mTOR通路對(duì)OA炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)

疼痛是OA 最突出的表現(xiàn)，是各種刺激因素所引發(fā)炎癥反應(yīng)的結(jié)果。炎癥是機(jī)體應(yīng)對(duì)感染、損傷的應(yīng)激反應(yīng)。在OA 發(fā)病過(guò)程中，炎癥反應(yīng)持續(xù)存在。白細(xì)胞介素-1β（Interleukin-1β, IL-1β）是一種促進(jìn)軟骨降解的炎癥細(xì)胞因子，在OA 早期IL-1β便大量表達(dá)，通過(guò)激活有絲分裂原激活的蛋白激酶、細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶和特異性蛋白1增加骨形態(tài)發(fā)生蛋白和基質(zhì)金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase, MMP）的水平，促進(jìn)關(guān)節(jié)軟骨降解[15]。LOU 等[16]通過(guò)給小鼠注射丹皮酚，研究其在OA 中IL-1β 誘導(dǎo)PI3K/Akt/核因子-κB（nuclear factor-κB, NF-κB）信號(hào)通路炎癥的抑制作用，發(fā)現(xiàn)丹皮酚可抑制IL-1β 誘導(dǎo)的NF-κB 活化、PI3K 和Akt 磷酸化，并逆轉(zhuǎn)誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, INOS）、環(huán)氧化酶2（Cyclooxygenase-2, COX-2）、MMP-1、MMP-3 和MMP-13 的過(guò)量生產(chǎn)，抑制軟骨的降解。大蒜素是膳食大蒜的活性成分，具有抗炎作用。大劑量大蒜素可以抑制軟骨細(xì)胞中IL-1β、一氧化氮、INOS、前列腺素E2（prostaglandin E2, PGE2）、COX-2 和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor alpha,TNF-α）和白細(xì)胞介素6（Interleukin-6, IL-6）過(guò)量產(chǎn)生，逆轉(zhuǎn)聚集蛋白聚糖（Aggrecan, ACAN）和減少產(chǎn)生Ⅱ型膠原蛋白[17]。TNF-α 是巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞在急性炎癥過(guò)程中產(chǎn)生的炎癥細(xì)胞因子，負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)各種信號(hào)傳導(dǎo)事件，TNF-α 可誘發(fā)細(xì)胞壞死或凋亡。羅沙替丁為H2 受體拮抗劑，常用于治療胃和十二指腸潰瘍。ZE 等[18]發(fā)現(xiàn)羅沙替丁降低了人軟骨細(xì)胞中TNF-α 誘導(dǎo)的Iκ 激酶、κB 抑制劑α、NF-κB p65 及其核易位，消除NF-κB 信號(hào)通路的激活，羅沙替丁可能是抗骨關(guān)節(jié)炎的潛在藥物。ZHAO 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，皮質(zhì)抑素與腫瘤壞死因子受體1和腫瘤壞死因子受體2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，抑制TNF-α的促炎功能。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，柚皮苷減弱了軟骨細(xì)胞中TNF-α 介導(dǎo)的炎癥和分解代謝[20]。

3 PI3K/Akt/mTOR 通路對(duì)OA miRNA 的調(diào)節(jié)

miRNA 是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一類重要基因調(diào)節(jié)分子，其表達(dá)水平與骨關(guān)節(jié)炎發(fā)展進(jìn)程中軟骨退化變性、軟骨細(xì)胞凋亡、炎癥及疼痛等病理變化關(guān)系密切[21]。CHEN 等[22]研究發(fā)現(xiàn)Wnt1 誘導(dǎo)信號(hào)通路蛋白1（wnt1-induced signaling pathway protein 1,WISP1）過(guò)表達(dá)抑制軟骨細(xì)胞的增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡、細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）降解，促進(jìn)產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子。蒲博強(qiáng)等[23]研究發(fā)現(xiàn)蒼術(shù)提取物可抑制IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞miR-378c 的表達(dá)，上調(diào)細(xì)胞周期蛋白D1 和凋亡抑制蛋白（B-cell leukemia-2, Bcl-2）蛋白表達(dá)，降低P21 和Bcl-2 相關(guān)X 蛋白（Bcl-2 associated X, Bax）蛋白表達(dá)，促進(jìn)增殖活性，抑制細(xì)胞凋亡，提示蒼術(shù)提取物具有成為治療骨關(guān)節(jié)炎潛在藥物。SUN 等[24]研究發(fā)現(xiàn)miR-4262 上調(diào)促進(jìn)TNF-α 誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷，抑制軟骨細(xì)胞自噬，沉默調(diào)節(jié)蛋白1 型的過(guò)表達(dá)可以逆轉(zhuǎn)miR-4262 對(duì)TNF-α 處理的軟骨細(xì)胞的作用，這一過(guò)程可能是由PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路的激活介導(dǎo)的。ZHANG 等[25]的一項(xiàng)臨床研究顯示OA 患者的miR-132 表達(dá)水平下降，通過(guò)PTEN/PI3K/Akt 信號(hào)通路促進(jìn)Bax 的表達(dá)，激活半胱氨酸蛋白酶-3/9，增加炎癥因子降低軟骨細(xì)胞的細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡；相反，miR-132 過(guò)表達(dá)提高細(xì)胞增殖，降低了軟骨細(xì)胞的凋亡。LU 等[26]研究發(fā)現(xiàn)，OA 患者的軟骨細(xì)胞和軟骨組織中的miR-218-5p 明顯上調(diào)，抑制miR-218-5p 可提高2 型膠原α1 鏈基因和ACAN 的表達(dá)，降低血小板結(jié)合蛋白基序的解聚蛋白樣金屬蛋白酶（ADAMTS-5）和MMP-13 的表達(dá)，故認(rèn)為miR-218-5p 是通過(guò)調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)傳導(dǎo)而引起軟骨破壞的新型誘導(dǎo)劑。

4 PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路對(duì)OA 軟骨細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)

細(xì)胞凋亡又稱程序性細(xì)胞死亡，正常的凋亡是細(xì)胞更新，免疫系統(tǒng)正常的運(yùn)行，維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要機(jī)制，凋亡失調(diào)可誘發(fā)多種疾病。近來(lái)研究表明PI3K/Akt 在OA 軟骨細(xì)胞凋亡中起著重要作用[6]。中藥的一些活性成分通過(guò)調(diào)節(jié)PI3K/Akt/mTOR 通路而表現(xiàn)出抗軟骨細(xì)胞凋亡作用，對(duì)OA有良好的療效。WU 等[27]研究發(fā)現(xiàn)紅景天苷通過(guò)抑制PI3K/Akt 可促進(jìn)軟骨細(xì)胞增殖，抑制IL-1β 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和炎癥，并清除軟骨細(xì)胞的活性氧（reactive oxygen species, ROS）和一氧化氮，在軟骨細(xì)胞中上調(diào)Bcl-2，下調(diào)Bax，抑制Caspase-3/Caspase-9 的產(chǎn)生和PI3K、Akt 的磷酸化，延緩OA的發(fā)生、發(fā)展。三七總皂苷（PNS）是從三七體育植物中提取的活性提取物。PNS 具有抗炎、抗氧化和抗衰老的藥理作用。ZHANG 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，PNS 顯著抑制了OA 軟骨細(xì)胞的衰老和凋亡，在PNS 處理的OA 軟骨細(xì)胞中，自噬相關(guān)蛋白和Bcl-2 的表達(dá)水平顯著增加，而Bax 和Caspase-3 的表達(dá)水平降低，MMP-3 和MMP-13 表達(dá)降低，抑制Ⅱ型膠原蛋白的降解，從而減弱了OA 中的軟骨破壞。PNS 可通過(guò)抑制PI3K/Akt 途徑來(lái)保護(hù)骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞免于衰老和凋亡，從而延遲關(guān)節(jié)軟骨的降解。馬錢苷是山茱萸和馬錢子主要活性成分。YANG 等[29]研究發(fā)現(xiàn)馬錢苷降低OA 軟骨細(xì)胞中Bax 和Caspase-3的表達(dá)，增強(qiáng)Bcl-2 的表達(dá)，減少IL-1β 誘導(dǎo)的MMP-3、MMP-13 以及ADAMTS-4、ADAMTS-5 的釋放，延緩ECM 分解代謝。WU 等[30]研究發(fā)現(xiàn)，反式肉桂醛處理的IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中IL-8、TNF-α 和PGE2 的蛋白質(zhì)水平顯著降低。此外，隨著反式肉桂醛濃度的增加，IL-1β 誘導(dǎo)的軟骨細(xì)胞中MMP-13、INOS、COX-2 和ADAMTS-5 的mRNA表達(dá)以及Akt 和PI3K 的磷酸化明顯降低，反式肉桂醛通過(guò)PI3K/Akt 途徑抑制軟骨細(xì)胞IL-1β 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，提示反式肉桂醛可能是骨關(guān)節(jié)炎的潛在治療劑。

5 PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路對(duì)OA 自噬的調(diào)節(jié)

自噬又被稱為Ⅱ型程序性細(xì)胞死亡，主要作用是利用溶酶體降解自身受損的細(xì)胞器和生物大分子，保護(hù)生物體免受正常或病理性衰老，是維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵途徑。自噬參與了軟骨細(xì)胞代謝，激活自噬可以抑制軟骨細(xì)胞凋亡，延緩細(xì)胞衰老和死亡，從而延緩骨關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展。HUANG 等[31]發(fā)現(xiàn)阻斷PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路可促進(jìn)大鼠關(guān)節(jié)軟骨細(xì)胞自噬，減輕炎癥反應(yīng)，證明腎母細(xì)胞瘤過(guò)表達(dá)因子通過(guò)抑制PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路，改善IL-1β 誘導(dǎo)的分解代謝、軟骨基質(zhì)降解，促進(jìn)自噬。WU 等[32]研究發(fā)現(xiàn)硫化氫可通過(guò)ROS 介導(dǎo)的PI3K/Akt/mTOR 級(jí)聯(lián)反應(yīng)，降低細(xì)胞凋亡，促進(jìn)自噬。自噬基因是酵母自噬蛋白的哺乳動(dòng)物直系同源物，在自噬過(guò)程中起著核心作用，它與輔助因子相互作用以調(diào)節(jié)脂質(zhì)激酶Vps-34 蛋白，促進(jìn)Beclin 形成1-Vps34-Vps15 核心復(fù)合物，從而誘導(dǎo)自噬[33]。微管相關(guān)蛋白1 輕鏈3（LC3）是酵母Atg8 的哺乳動(dòng)物直系同源物，是促成自噬主要步驟的關(guān)鍵蛋白。ZHANG 等[34]研究發(fā)現(xiàn)Akt 激活和自噬誘導(dǎo)后，Beclin-1 和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ蛋白水平顯著升高，對(duì)細(xì)胞凋亡顯著抑制。TAKAYAMA 等[35]在小鼠OA 模型局部關(guān)節(jié)內(nèi)注射雷帕霉素，可以降低mTOR、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）、COL10A1 和MMP-13 的表達(dá)，激活LC3，雷帕霉素的局部關(guān)節(jié)內(nèi)注射可能是預(yù)防OA 的潛在療法。Torin1 是一種可引起自噬的mTOR特異性抑制劑，與雷帕霉素相似[36]。CHENG 等[37]研究顯示在兔關(guān)節(jié)腔內(nèi)注射Torin1 導(dǎo)致軟骨細(xì)胞中Beclin-1 和LC3 表達(dá)增加，MMP-13 和VEGF 的表達(dá)降低，顯著降低了OA 誘導(dǎo)后關(guān)節(jié)軟骨的變性。CHEN 等[38]研究發(fā)現(xiàn)，異補(bǔ)骨脂素可顯著提高LC3-Ⅱ和溶酶體相關(guān)膜蛋白1 的表達(dá)，顯著降低p62/SQSTM1 的表達(dá)；認(rèn)為補(bǔ)骨脂素通過(guò)促進(jìn)自噬通量改善軟骨細(xì)胞凋亡。LI 等[39]研究顯示，黃芩苷通過(guò)上調(diào)自噬標(biāo)志物Beclin-1 的表達(dá)和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比例并促進(jìn)自噬通量，增加自噬保護(hù)人OA 軟骨細(xì)胞免于IL-1β 誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和ECM 降解。楊陽(yáng)等[40]提取了正常大鼠軟骨細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)，并用脂多糖誘導(dǎo)軟骨細(xì)胞自噬，發(fā)現(xiàn)白楊素可以下調(diào)Beclin-1 和LC3Ⅱ的表達(dá)，抑制PI3K/Akt 信號(hào)通路，從而保護(hù)軟骨細(xì)胞；其研究只表明在白楊素可以抑制正常軟骨細(xì)胞自噬，未進(jìn)行OA 軟度細(xì)胞模型的實(shí)驗(yàn)。雖然，目前認(rèn)為自噬對(duì)軟骨細(xì)胞具有細(xì)胞保護(hù)作用，自噬減少與衰老和OA 發(fā)病有關(guān)，但其效果受諸多條件的影響。因此，需要對(duì)自噬進(jìn)行更深入的研究，以確定其對(duì)細(xì)胞存活和死亡的影響。

6 總結(jié)與展望

PI3K/Akt/mTOR 是一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)通路，由多個(gè)調(diào)控因子和效應(yīng)因子組成。OA 作為常見的關(guān)節(jié)疾病，因其高致畸率、致殘率給社會(huì)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。但由于其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，除了晚期關(guān)節(jié)置換外尚無(wú)有效藥物或者手段逆轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的退變。在臨床上通過(guò)在OA 發(fā)病早期檢測(cè)PI3K/Akt/mTOR 的表達(dá)來(lái)判斷病情的發(fā)生、發(fā)展。對(duì)其進(jìn)行盡早的干預(yù)治療，對(duì)延緩關(guān)節(jié)退化進(jìn)程和患者后期關(guān)節(jié)功能恢復(fù)有著重要的意義。但PI3K/Akt/mTOR 在OA 發(fā)病中的生理病理階段中的作用尚不清楚。PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路在OA 發(fā)病中的重要作用可能為治療OA 提供新的靶點(diǎn)。闡述清楚PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路在OA 發(fā)病中的具體的分子機(jī)制及與其他信號(hào)通路是如何相互作用，讓以PI3K/Akt/mTOR 信號(hào)通路為基礎(chǔ)的OA 治療變得安全有效，是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。