mTOR信號(hào)通路在糖尿病腎病發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展

王珍, 楊洛, 廖敏, 郝亞榮

武漢大學(xué)人民醫(yī)院老年病科，武漢 430060

糖尿病是全球?qū)е滤劳龅闹饕膊≈?，是重大公共衛(wèi)生問(wèn)題。世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)大約有4.22億人患糖尿病，而且患有糖尿病的人數(shù)呈逐年上升趨勢(shì)。研究表明，1/5的糖尿病患者可能有腎病并發(fā)癥[1]。糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN)已經(jīng)成為糖尿病最常見的并發(fā)癥。由于DN的高發(fā)病率以及與晚期腎病、心血管疾病和過(guò)早死亡等風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)，其已成為全球性的健康問(wèn)題[2-3]。當(dāng)前的糖尿病患者的管理重點(diǎn)是嚴(yán)格控制血糖、降壓和降脂，然而這些干預(yù)不能在很大程度上降低DN患者的比例[4-5]。鑒于DN治療方案的局限性，研究人員一直在努力闡明腎損害的信號(hào)通路，從而開發(fā)新的藥物。DN是一種多因素的疾病，其特征是復(fù)雜的相互作用的血流動(dòng)力學(xué)和代謝因子，包括高血糖水平、晚期糖基化終產(chǎn)物和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)的激活[6]。因此，DN的發(fā)病機(jī)制涉及多種信號(hào)通路。在正常血糖水平下，自噬是腎上皮細(xì)胞(包括足細(xì)胞、近端腎小管、系膜和內(nèi)皮細(xì)胞)的重要保護(hù)機(jī)制，但是在高血糖狀態(tài)下，自噬的活性下調(diào)，可導(dǎo)致DN的發(fā)生和進(jìn)展；慢性的全身性炎癥和炎癥反應(yīng)，如循環(huán)細(xì)胞因子的增加，也已被認(rèn)為是DN發(fā)展的主要因素[7]；DN還與氧化應(yīng)激增加以及碳水化合物、脂類和蛋白質(zhì)代謝的改變有關(guān)。

雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是雷帕霉素的靶蛋白，是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白酶，是磷脂酰肌醇3激酶相關(guān)激酶蛋白家族的成員。mTOR主要參與磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/mTOR信號(hào)通路，在延遲細(xì)胞凋亡以及促進(jìn)細(xì)胞分裂、細(xì)胞存活和血管生成中發(fā)揮了主導(dǎo)作用[8]。mTOR包含2種不同的蛋白復(fù)合物，分別為雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)和mTORC2，它們可以通過(guò)其不同的底物來(lái)區(qū)分。mTORC1基本的核心物質(zhì)包括mTOR、G蛋白β亞基、mTOR的雷帕霉素敏感接頭蛋白和分子量為40 kDa的含脯氨酸Akt底物。mTORC1的主要作用為促進(jìn)蛋白質(zhì)合成和細(xì)胞體積的增加；其還可以感知并響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)水平的波動(dòng)，主要是生長(zhǎng)因子、細(xì)胞能量、氧水平、氨基酸等；活化的mTORC1可導(dǎo)致2個(gè)下游靶點(diǎn)核糖體S6激酶和真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白磷酸化，這2個(gè)靶點(diǎn)刺激核糖體合成和蛋白質(zhì)翻譯，從而誘導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖，以增加細(xì)胞質(zhì)量[9]。mTORC2基本的核心物質(zhì)包括mTOR、哺乳動(dòng)物應(yīng)激激活的蛋白激酶反應(yīng)蛋白、G蛋白β亞基和Rictor蛋白，其主要作用是控制細(xì)胞存活和構(gòu)建細(xì)胞骨架[10]。

近年來(lái)，多項(xiàng)研究致力于探索mTOR在DN發(fā)病機(jī)制中的作用，結(jié)果表明，在DN的動(dòng)物模型和患者中，mTOR在多條信號(hào)通路中位于核心位置，參與了腎臟多種病理過(guò)程，如自噬、炎癥、氧化應(yīng)激等[11-12]。因此，本文就mTOR介導(dǎo)的自噬、炎癥及氧化應(yīng)激信號(hào)通路在DN發(fā)病機(jī)制中的相關(guān)研究進(jìn)展做一綜述，以期為DN治療及預(yù)防提供理論參考。

1 自噬

自噬是一種高度保守的分解代謝過(guò)程，是一種細(xì)胞自我保護(hù)機(jī)制。在缺氧等條件下，自噬被激活，其主要通過(guò)溶酶體和雙膜自噬體的整合識(shí)別錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)、受損細(xì)胞器、有害的胞內(nèi)物質(zhì)并將這些物質(zhì)降解為可利用的產(chǎn)物，通過(guò)再循環(huán)為細(xì)胞提供能量用于修復(fù)和再生，以維持腎小球和腎小管的穩(wěn)態(tài)。在高糖條件下，自噬水平降低，細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器和大分子積累且無(wú)法清除，從而導(dǎo)致腎臟足細(xì)胞、腎小球、腎小管損傷，最終可出現(xiàn)DN的發(fā)生和發(fā)展[13-14]?？梢奃N與自噬活性的減低明顯相關(guān)。自噬的作用機(jī)制受多種因子調(diào)控，其中主要的負(fù)調(diào)控因子是mTOR[15]。因此，通過(guò)抑制mTOR激活來(lái)調(diào)節(jié)自噬的活性可能是DN的重要治療靶點(diǎn)[16]。

1.1 mTOR介導(dǎo)自噬上游信號(hào)通路

在腎臟足細(xì)胞自噬過(guò)程中，信號(hào)傳遞、自噬運(yùn)動(dòng)和囊泡融合都涉及PI3K/Akt途徑。PI3K是真核生物中調(diào)節(jié)自噬的重要信號(hào)分子，Akt是PI3K/Akt信號(hào)通路的核心[17]。研究表明，DN模型組會(huì)出現(xiàn)腎小球數(shù)量、形態(tài)改變，腎臟微管相關(guān)蛋白1輕鏈(microtubuler associated protein 1 light chain，LC)和Bcl-2相互作用蛋白(Bcl-2 interacting coiled-coil protein 1，Beclin-1)表達(dá)顯著降低，二者的含量與自噬呈正相關(guān)，是評(píng)估自噬活性水平的最佳標(biāo)志[18]，而PI3K、Akt和mTOR表達(dá)顯著升高。這表明DN小鼠通過(guò)PI3K/Akt/mTOR通路的激活，抑制了腎臟自噬保護(hù)機(jī)制，導(dǎo)致腎臟病理改變[19]。

1.2 mTOR介導(dǎo)自噬下游信號(hào)通路

自噬途徑主要由自噬相關(guān)基因(autophagy-relatedgene, Atg)蛋白控制，Atg蛋白可參與組成ULK1(UNC-51-like kinase 1)復(fù)合物和液泡分選蛋白34(vacuolar protein sorting 34, Vps34)復(fù)合物。ULK1是mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)至自噬細(xì)胞的關(guān)鍵介質(zhì)。當(dāng)上游信號(hào)通路傳導(dǎo)活化后，mTOR被激活，ULK1中的mTORC1依賴性的磷酸化位點(diǎn)發(fā)生去磷酸化。ULK1可抑制分解代謝過(guò)程，從而導(dǎo)致自噬受到抑制。自噬誘導(dǎo)所需的另一種自噬復(fù)合物是Vps34復(fù)合物?；罨膍TORC1使Vps34復(fù)合物磷酸化，進(jìn)而抑制自噬體的合成并抑制自噬[17]。

1.3 其他信號(hào)分子影響mTOR活性介導(dǎo)自噬

近年來(lái)，多項(xiàng)研究表明各種信號(hào)分子可通過(guò)影響mTOR活性介導(dǎo)自噬。維生素D通過(guò)下調(diào)mTOR基因表達(dá)、阻斷mTOR通路可降低鏈脲菌素誘導(dǎo)的糖尿病腎小球平滑肌肌動(dòng)蛋白α的表達(dá)、系膜基質(zhì)積累和腎臟肥大，增強(qiáng)自噬作用[20]。KCa3.1鉀通道通過(guò)激活PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路介導(dǎo)DN患者的自噬活性降低[18]。高血糖誘導(dǎo)的硫氧還蛋白互作蛋白通過(guò)激活mTOR信號(hào)通路參與糖尿病腎病小管自噬和線粒體自噬的異常調(diào)節(jié)(圖1)[21]。此外，青錢柳富含的三萜酸可顯著增加AMPK的磷酸化，并降低其下游效應(yīng)物mTOR的磷酸化，從而增加自噬活性，以延緩DN的發(fā)展[22]。

圖1 mTOR介導(dǎo)的自噬信號(hào)通路

2 炎癥

炎癥是機(jī)體對(duì)有害條件作出反應(yīng)時(shí)激活的一種機(jī)制，以維持組織的穩(wěn)態(tài)和完整性。炎癥反應(yīng)的慢性激活會(huì)引發(fā)許多副作用。己知高血糖、炎癥和腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活是糖尿病相關(guān)腎損害的始動(dòng)因素，并且大量證據(jù)表明炎癥在糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展中起著關(guān)鍵作用[23]。在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患者中，促炎細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、白細(xì)胞介素-6、腫瘤壞死因子α和C-反應(yīng)蛋白(C-reactive protein, CRP)的水平升高，提示炎癥與T2DM有密切關(guān)系[23-25]。DN介導(dǎo)的腎損傷中的炎癥反應(yīng)，可以通過(guò)抗炎治療，以預(yù)防和延緩腎臟損害的進(jìn)展[25-27]。因此，在過(guò)去的幾年中，炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)已成為降低DN發(fā)病率的一種可能的治療方法。高血糖是一種糖尿病及其并發(fā)癥主要的上游機(jī)制，而炎癥被認(rèn)為是糖尿病并發(fā)癥進(jìn)展的下行驅(qū)動(dòng)力[28]。多種炎癥因子可以通過(guò)mTOR介導(dǎo)的信號(hào)通路介導(dǎo)腎臟炎癥反應(yīng)，使腎臟結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

IL-1是一種常見的炎性因子。研究表明IL-1可顯著影響腎臟功能，IL-1與DN發(fā)生和發(fā)展關(guān)系密切，而且IL-1含量增高會(huì)促進(jìn)DN的發(fā)生和發(fā)展。研究表明，IL-1可直接結(jié)合PI3K的調(diào)節(jié)性p85亞單位[29]；在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭屑尤隝L-1后，PI3K/Akt/mTOR途徑可迅速激活[30-32]?？傊?，IL-1可以激活PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路，導(dǎo)致腎臟發(fā)生炎癥反應(yīng)。

CRP是一種急性期蛋白，在炎癥和組織損傷時(shí)迅速合成和釋放。在T2DM患者中，CRP水平升高與微量白蛋白尿和腎功能不全密切相關(guān)，提示CRP水平很有可能用來(lái)衡量DN炎癥的嚴(yán)重程度[33]。CRP可以激活人腎小管上皮細(xì)胞mTOR的信號(hào)機(jī)制，從芯片分析可以清楚地檢測(cè)到果蠅母性DPP同源蛋白3(sekclsky mothers against dpp3，Smad3)與mTOR的非翻譯區(qū)(untranslated regions, UTR)區(qū)域的物理互作，CRP在很大程度上增強(qiáng)了這種結(jié)合位點(diǎn)。而定量流式細(xì)胞術(shù)、免疫熒光和Western blot分析的結(jié)果進(jìn)一步證明了Smad3和mTOR信號(hào)之間的功能聯(lián)系，即用特定抑制劑阻斷Smad3信號(hào)能夠抑制CRP誘導(dǎo)的mTOR信號(hào)，揭示了CRP與Smad3及mTOR信號(hào)有相互作用關(guān)系[34]。在高糖條件下，小鼠喂養(yǎng)時(shí)添加CRP或高糖能夠激活mTOR，CRP和高糖的聯(lián)合應(yīng)用并沒有增加mTOR信號(hào)；然而，添加中和抗體CD32b可減弱高糖和CRP誘導(dǎo)的mTOR信號(hào)，這意味著高糖通過(guò)CRP-CD32b機(jī)制誘導(dǎo)mTOR信號(hào)[34]?？傊珻RP可通CD32b/Smad3/mTOR促進(jìn)腎臟炎癥信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制，證明mTOR信號(hào)通路是CRP促進(jìn)2型糖尿病腎病的一個(gè)中心機(jī)制。

3 氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是DN發(fā)病的一個(gè)主要的病理生理學(xué)事件。在正常的生理?xiàng)l件下，氧化與抗氧化系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使生物體免受活性氧的毒性。然而，在不同的病理生理?xiàng)l件下(如缺血再灌注、慢性腎功能衰竭和DN等)，腎小球細(xì)胞的氧化應(yīng)激成為腎臟損害的主要原因[35]。高血糖是DN的主要發(fā)病因素。高血糖抑制腎實(shí)質(zhì)細(xì)胞對(duì)于組織葡萄糖的攝取，導(dǎo)致機(jī)體有氧氧化水平降低，抑制線粒體氧化呼吸鏈，使代謝產(chǎn)物積累，包括H2O2等物質(zhì)，即增加了活性氧的產(chǎn)生[36-37]。因此，高血糖是DN的主要致病因素之一，并且自氧化、非酶化蛋白糖基化和增加多元醇途徑都與血糖升高有關(guān)。這些機(jī)制引發(fā)氧化應(yīng)激，并可能影響許多細(xì)胞代謝活動(dòng)。研究表明抑制mTOR可以改善高糖誘導(dǎo)的腎臟細(xì)胞的氧化應(yīng)激狀態(tài)[38]。

3.1 mTOR介導(dǎo)氧化應(yīng)激的信號(hào)通路

高糖誘導(dǎo)的活性氧(reactive oxygen species，ROS)過(guò)度表達(dá)是糖尿病并發(fā)癥的統(tǒng)一機(jī)制。并且，高血糖狀態(tài)下ROS的過(guò)度生成在糖尿病并發(fā)癥的發(fā)病機(jī)制中起著核心作用，線粒體源性ROS是引起細(xì)胞死亡和腎功能不全的主要細(xì)胞內(nèi)活性氧來(lái)源[39-41]。而ROS可調(diào)節(jié)Akt/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷帕霉素可抑制mTOR，降低高糖暴露腎小球系膜細(xì)胞的ROS生成，提示mTOR參與高血糖狀態(tài)下ROS的生成[42]。在另一實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果同樣證實(shí)了mTOR介導(dǎo)了DN的氧化應(yīng)激。mTOR的抑制可以顯著降低體內(nèi)外還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的活性。NADPH氧化酶4是NADPH氧化酶復(fù)合物的成員，可以產(chǎn)生ROS并在介導(dǎo)線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用。mTOR抑制可降低NADPH氧化酶水平[43]。這些結(jié)果表明mTOR通過(guò)激活NADPH氧化酶增加ROS的產(chǎn)生。另一方面，在高糖條件下，超氧化物歧化酶活性明顯降低。相反，在糖尿病條件下，mTOR通路的阻斷導(dǎo)致谷胱甘肽水平和超氧化物歧化酶活性升高，這表明mTOR抑制劑增強(qiáng)了清除有害氧化的能力[44]。因此，mTOR抑制劑可通過(guò)上調(diào)抗氧化酶和下調(diào)NADPH氧化酶活性來(lái)保護(hù)腎臟免受氧化應(yīng)激的影響。

3.2 其他藥物影響mTOR介導(dǎo)氧化應(yīng)激

多種mTOR抑制劑同樣可通過(guò)上調(diào)抗氧化酶和下調(diào)NADPH氧化酶活性來(lái)保護(hù)腎臟免受氧化應(yīng)激的影響?？咕?BF(BF-30)有抗微生物和抗炎作用[44]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，BF-30可以增加人腎小管上皮細(xì)胞單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)的磷酸化，抑制mTOR的磷酸化，并促進(jìn)LC3的降解，提示其能有效拮抗氫過(guò)氧化物誘導(dǎo)的凋亡，抑制腎組織氧化應(yīng)激，減少腎臟纖維化，增加自噬和減少腎細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白，減少細(xì)胞損傷，保護(hù)腎細(xì)胞[45]。三七素也具有同樣的作用。研究表明，在腎小管內(nèi)皮細(xì)胞中三七素實(shí)驗(yàn)組的活性氧減少，胞內(nèi)抗氧化酶增加，同時(shí)mTOR的活性降低，提示三七素可以通過(guò)抑制mTOR的活性，改善氧化應(yīng)激，從而保護(hù)糖尿病大鼠的腎組織[46]。巖白菜素能抑制葡萄糖誘導(dǎo)的腎小球細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生，通過(guò)mTOR/轉(zhuǎn)錄重復(fù)包含蛋白1/核轉(zhuǎn)錄相關(guān)因子2途徑下調(diào)系膜細(xì)胞的氧化應(yīng)激，因此巖白菜素可能成為預(yù)防和治療DN的候選藥物[47]。

4 展望

DN是慢性腎臟病的主要病因之一，也是糖尿病患者死亡的主要原因，但對(duì)糖尿病引起的腎損傷的潛在機(jī)制知之甚少。DN患者現(xiàn)有的治療方法包括控制血糖、膽固醇和高血壓等，可并不能明顯減低DN患者比例以及延緩DN的進(jìn)展。因此，亟需闡明糖尿病腎損害的信號(hào)通路，以開發(fā)新的藥物。激活mTOR可以抑制自噬、促進(jìn)炎癥、促進(jìn)氧化應(yīng)激，導(dǎo)致DN的發(fā)生和發(fā)展。了解了mTOR信號(hào)通路在DN發(fā)病過(guò)程中的作用，對(duì)未來(lái)DN治療策略具有重要意義。這為臨床治療DN提供了一種新思路。

然而，目前關(guān)于mTOR信號(hào)通路在DN發(fā)病機(jī)制中的研究進(jìn)展多是關(guān)于mTOR介導(dǎo)自噬的信號(hào)通路，關(guān)于炎癥及氧化應(yīng)激的研究很少。且mTOR信號(hào)通路的研究尚未完全透徹，尤其關(guān)于mTORC2的研究較少。因此，還應(yīng)該多關(guān)注mTOR介導(dǎo)DN炎癥及氧化應(yīng)激的信號(hào)通路及mTORC2介導(dǎo)DN的信號(hào)通路。隨著更多研究中mTOR信號(hào)通路在DN中機(jī)制的進(jìn)一步闡明，DN的預(yù)防及治療必將更進(jìn)一步。