PI3K/AKt信號通路與神經(jīng)損傷修復(fù)的研究進(jìn)展

李想 李安特 孫秋霞 畢佳璇 于潤澤 周澤宇 付秀美 (承德醫(yī)學(xué)院，河北 承德 067000)

磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(PKB，又稱AKt)信號通路作為抗細(xì)胞凋亡、促細(xì)胞存活的信號通路廣泛存在于各種類型的細(xì)胞中，參與細(xì)胞的生長、增殖和分化，是細(xì)胞內(nèi)重要的信號通路。近年來研究顯示〔1～6〕，在神經(jīng)系統(tǒng)中，PI3K/AKt信號通路受多種神經(jīng)營養(yǎng)因子的調(diào)節(jié)，參與了神經(jīng)細(xì)胞的增殖、分化、突觸可塑性等生理過程，并對損傷后的神經(jīng)發(fā)揮促進(jìn)其再生修復(fù)的重要作用。因此，PI3K/AKt信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復(fù)中的作用和影響頗受關(guān)注。本文分別從PI3K/AKt信號通路的結(jié)構(gòu)與組成、PI3K/AKt信號通路的激活、PI3K/AKt信號通路調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的生理過程、PI3K/AKt信號通路與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系及總結(jié)與展望五方面進(jìn)行展開論述，希望可以為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究及其臨床治療方面提供新的思路。

1 PI3K/AKt信號通路主要分子的結(jié)構(gòu)與組成

1.1PI3K PI3K為胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，根據(jù)脂質(zhì)底物的特異性和同源性的不同，PI3K可分為三類：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，目前以Ⅰ型的研究最為廣泛〔7〕。Ⅰ型PI3K又分為ⅠA與ⅠB兩種亞型，其中ⅠA型是由調(diào)節(jié)亞基p85與催化亞基p110組成的異源二聚體〔8〕。調(diào)節(jié)亞基p85又包含了SH2和SH3兩個(gè)重要結(jié)構(gòu)域，催化亞基p110則具有磷脂酰肌醇激酶和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的雙重活性〔9〕。當(dāng)神經(jīng)營養(yǎng)因子或胞外生長因子與跨膜的酪氨酸激酶受體(RTKs)結(jié)合后，RTKs則會發(fā)生自身磷酸化，從而募集PI3K至RTKs磷酸化部位。上述調(diào)節(jié)亞基p85與催化亞基p110可幫助PI3K進(jìn)行活化，活化后的PI3K可催化磷脂酰肌醇2磷酸(PIP2)，使其轉(zhuǎn)為磷脂酰肌醇3磷酸(PIP3)，PIP3可繼續(xù)與下游靶點(diǎn)分子結(jié)合，從而發(fā)揮生物學(xué)作用〔10～12〕。

1.2AKt AKt是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是PIP3重要的靶點(diǎn)分子，在葡萄糖代謝與細(xì)胞的生長存活中發(fā)揮重要作用〔13〕。AKt可分為AKt1、AKt2和AKt3 三種亞型，其結(jié)構(gòu)相似，并且在許多組織中都有表達(dá)。其中AKt1是最重要的亞型，在心、腦、肺等組織中的表達(dá)量最高〔14，15〕。AKt是PI3K/AKt信號通路下游一個(gè)重要的靶激酶，可被多種蛋白或者酶類激活，諸如受體酪氨酸激酶、整合素、B細(xì)胞和T細(xì)胞受體、G 蛋白偶聯(lián)受體、細(xì)胞因子受體等。PI3K活化后的產(chǎn)物與AKt的PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合，使其移位、并發(fā)生構(gòu)象改變，同時(shí)Ser473 和Thr308的位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，從而活化AKt。另外，磷脂酰肌醇依賴性蛋白激酶(PDK)在AKt的激活過程中起了重要作用，其具有磷酸化Ser473位點(diǎn)的能力，從而形成PDK-1/PDK-2復(fù)合體，使AKt活化。

2 PI3K/AKt信號通路的激活

PI3K/AKt信號通路是通過PI3K的激活來啟動(dòng)的。PI3K的激活有兩種方式，一種是與RTKs等受體相互作用，如生長因子或神經(jīng)營養(yǎng)因子等與其相應(yīng)受體結(jié)構(gòu)域結(jié)合使受體磷酸化，募集PI3K至受體磷酸化部位，從而激活PI3K。另一種是通過Ras與催化亞基p110直接結(jié)合，從而使PI3K活化?；罨蟮腜I3K將PIP2轉(zhuǎn)化為PIP3，PIP3與AKt的PH結(jié)構(gòu)域結(jié)合并使Akt轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜上，從而催化AKt磷酸化。如上所述PDK也參與了AKt的活化，在兩者的共同作用下，AKt的Ser473和Thr308兩個(gè)位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，使AKt激活。需要注意的是直接使AKt磷酸化的并不是PI3K活化后所產(chǎn)生的PIP3，而是PDK-1。當(dāng)細(xì)胞在胞外信號的刺激下，PI3K首先被激活，隨之活化的PI3K產(chǎn)生PIP3。PIP3可以使AKt由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜，從而獲得催化活性，進(jìn)而使其自身的Thr450和Ser124發(fā)生磷酸化；同時(shí)和PDK-1一起錨定在細(xì)胞膜上，在PDK-1的催化下使Ser473和Thr308磷酸化，從而活化AKt，引起級聯(lián)反應(yīng)?；罨腁Kt(又稱p-AKt)可繼續(xù)調(diào)控下游多種靶點(diǎn)分子，如B細(xì)胞淋巴瘤(Bcl)-x1/Bcl-2相關(guān)死亡啟動(dòng)子(Bad)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、糖原合成酶激酶(GSK)-3β因子，核因子(NF)-κB及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-9等來發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，如調(diào)節(jié)細(xì)胞存活、蛋白質(zhì)合成、身體器官生長發(fā)育及促進(jìn)血管生成等〔9，11〕。

3 PI3K/AKt信號通路調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的生理過程

PI3K/AKt信號通路活化后可以促進(jìn)/抑制神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)多種蛋白質(zhì)的磷酸化，發(fā)揮調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞存活、增殖、分化、自噬及調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞突觸可塑性等作用。

3.1細(xì)胞自噬 自噬是存在于真核細(xì)胞內(nèi)的一種自穩(wěn)機(jī)制，是一種溶酶體依賴性降解系統(tǒng)。自噬在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)及維持細(xì)胞內(nèi)代謝平衡的過程中起到了一定的積極作用。PI3K/AKt信號通路是機(jī)體調(diào)控細(xì)胞自噬過程的主要信號通路，其磷酸化后可上調(diào)下游信號分子mTOR的表達(dá)，進(jìn)而抑制細(xì)胞自噬〔16〕。Gao等〔17〕的研究顯示在面神經(jīng)損傷的模型中，趨化因子(CXCL)12預(yù)處理可降低PI3K、AKt和mTOR的磷酸化水平及增加自噬標(biāo)志物L(fēng)C3Ⅱ/Ⅰ的表達(dá)，因此CXCL12誘導(dǎo)的施萬細(xì)胞遷移作用分別通過3-甲基腺嘌呤(MA)和胰島素樣生長因子(IGF)-1預(yù)處理抑制自噬和激活PI3K通路而明顯減弱?？偟恼f來，激活后的PI3K/AKt信號通路可抑制細(xì)胞自噬的進(jìn)程，是細(xì)胞自噬調(diào)控的主要節(jié)點(diǎn)之一〔18,19〕。

3.2神經(jīng)細(xì)胞的增殖分化 在神經(jīng)系統(tǒng)，PI3K/AKt信號通路激活后，可縮短神經(jīng)前體細(xì)胞的細(xì)胞間期，使之迅速進(jìn)入細(xì)胞分裂期，因而可使神經(jīng)細(xì)胞的增殖和分化進(jìn)程加快，這將促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞增殖分化，對神經(jīng)的再生修復(fù)有極大的促進(jìn)作用〔20〕。有研究表明DIXDCI可能通過靶向周期蛋白(Cyclin)D1和p21，部分通過激活PI3K/AKt信號通路參與施萬細(xì)胞的增殖〔21〕。Wang等〔22〕實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示IGF-1與其受體(IGF-1Rs)相結(jié)合后可使PI3K/AKt和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)信號通路激活，促進(jìn)視網(wǎng)膜母細(xì)胞在體外增殖和分化，這對視網(wǎng)膜退行性疾病的細(xì)胞治療可能是至關(guān)重要的。

3.3突觸可塑性 研究表明神經(jīng)細(xì)胞的突觸可塑性增加表現(xiàn)為長時(shí)程增強(qiáng)(LTP)，突觸可塑性減弱則表現(xiàn)為長時(shí)程抑制(LTD)〔23〕。在這一過程中，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體的激活是重要的一環(huán)，活化后的NMDA可促進(jìn)α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體進(jìn)入突觸后膜。Parkinson等〔24〕實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PI3K能與AMPA受體結(jié)合，并引導(dǎo)其在突觸后膜上的分布。NMDA受體激活導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流和鈣調(diào)蛋白的激活，同時(shí)也能激活PI3K，二者相互促進(jìn)。此外，AKt還可將磷脂酰肌醇固定于突觸后膜，并招募AMPA受體的對接蛋白，有利于AMPA受體在突觸后膜的固定，從而為其發(fā)揮生物學(xué)作用提供了保證〔25，26〕。故PI3K/AKt信號通路在突觸可塑性方面發(fā)揮了一定作用。

4 PI3K/AKt信號通路與神經(jīng)系統(tǒng)疾病的關(guān)系

4.1PI3K/AKt信號通路與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病的關(guān)系 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病除了導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙，也對視覺、呼吸、語言、認(rèn)知等功能存在影響，同時(shí)也會影響壽命。據(jù)以往的研究來看運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的發(fā)病原因有以下幾種：谷氨酸誘導(dǎo)的興奮毒性、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、線粒體膜改變、呼吸鏈酶受損和蛋白質(zhì)降解機(jī)制受損等〔27〕。Lunn等〔28〕發(fā)現(xiàn)使用G93A-超氧化物歧化酶-1對大鼠進(jìn)行轉(zhuǎn)基因操作，建立大鼠肌萎縮性側(cè)索硬化癥體外模型，研究結(jié)果顯示模型組大鼠的細(xì)胞在大量G93A-超氧化物歧化酶-1的作用下會使軸索發(fā)生變性并激活caspase-3，從而引發(fā)細(xì)胞凋亡。若在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元培養(yǎng)基中加入血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)，可以在一定程度上減輕G93A-超氧化物歧化酶-1的毒性作用；同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn)VEGF抑制細(xì)胞凋亡的神經(jīng)保護(hù)作用在PI3K/AKt信號通路的作用下可以得到顯著加強(qiáng)。

4.2PI3K/AKt信號通路在常見神經(jīng)退行性疾病中的作用 常見的神經(jīng)退行性疾病包括帕金森癥(PD)，亨廷頓病(HD)，肌萎縮側(cè)索硬化(ALS)，阿爾茨海默病(AD)，多發(fā)性硬化(MS)等。PI3K/AKt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活可以減少缺血缺氧性腦損傷，發(fā)揮保護(hù)腦組織的作用，并在缺血缺氧所致的腦癱的病理生理過程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用〔29，30〕。在MS患者中，PI3K/AKT/mTOR信號通路在髓鞘的發(fā)育和再髓鞘形成過程中可調(diào)控少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化，進(jìn)而促進(jìn)髓鞘形成〔31〕。證明該信號通路在促進(jìn)損傷神經(jīng)細(xì)胞修復(fù)中具有極其重要的意義。在PD模型中，PI3K/AKt信號通路則受到抑制，體內(nèi)Sonic hedgehog(SHH)信號通路對PI3K/AKt信號通路具有一定的調(diào)控作用；而PI3K/AKt信號通路在SHH信號通路的激活可改善小鼠的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力、保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元、抑制小膠質(zhì)細(xì)胞的激活及炎癥因子的表達(dá)等方面同樣發(fā)揮著重要的作用〔32〕。

4.3PI3K/AKt信號通路在周圍神經(jīng)損傷(PNI)中的作用 PNI作為臨床上常見的損傷性、致殘性疾病，其患者多表現(xiàn)為神經(jīng)性疼痛、肌肉萎縮、甚至癱瘓?，F(xiàn)已知的致病因素大多數(shù)為機(jī)械損傷和意外傷害等。如超出神經(jīng)拉伸限度的拉伸力導(dǎo)致的神經(jīng)撕裂、利器所致的刀割傷及交通事故導(dǎo)致的神經(jīng)壓挫傷和/或斷離損傷等。神經(jīng)受損如離斷、碾壓挫傷及變構(gòu)，常導(dǎo)致神經(jīng)本身及其支配的靶組織或者靶器官發(fā)生多種功能障礙包括感覺、運(yùn)動(dòng)、營養(yǎng)等方面。與中樞神經(jīng)系統(tǒng)不同的是，周圍神經(jīng)系統(tǒng)在一定程度上具備自我再生修復(fù)的能力。當(dāng)神經(jīng)受損程度低于神經(jīng)自我修復(fù)限度的臨界值，并且在施萬細(xì)胞的基底膜完整時(shí)，損傷神經(jīng)就可以實(shí)現(xiàn)再生修復(fù)〔33〕。PI3K/AKt信號通路作為細(xì)胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與了神經(jīng)細(xì)胞的生長、分化和成熟等過程，并在其中發(fā)揮了積極的作用。神經(jīng)干細(xì)胞(NSCs)是一類具有分化潛能和自我更新能力的母細(xì)胞，可以通過不對等的分裂方式產(chǎn)生神經(jīng)元、星型膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞等神經(jīng)組織的多種細(xì)胞。研究顯示PI3K/AKt信號通路在NSCs向神經(jīng)元的誘導(dǎo)分化中起到了積極的促進(jìn)作用。L-正丁基苯酞可通過上調(diào)CyclinD1來促進(jìn)NSCs的增殖、遷移和神經(jīng)分化，PI3K/AKt信號通路可能是這一過程中的一個(gè)重要的靶點(diǎn)。Sang等〔34〕在坐骨神經(jīng)損傷模型研究中，發(fā)現(xiàn)姜黃素可刺激NGF的釋放，增加的NGF可進(jìn)一步激活TrkA和PI3K/Akt細(xì)胞存活信號通路，發(fā)揮對損傷神經(jīng)元的保護(hù)作用。

綜上，PI3K/AKt信號通路廣泛存在于各種細(xì)胞中，通過PI3K和/或AKt的激活，進(jìn)而調(diào)控其下游的多種信號分子來發(fā)揮作用。在神經(jīng)系統(tǒng)中，該通路激活后可上調(diào)/下調(diào)神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)多種蛋白磷酸化水平，從而參與調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞的存活、自噬、發(fā)生及神經(jīng)細(xì)胞的增殖、分化和突觸可塑性等。因此，在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病、神經(jīng)退行性疾病及周圍神經(jīng)損傷后的再生修復(fù)過程中，PI3K/AKt信號通路發(fā)揮了十分重要的作用。而且，近年來研究發(fā)現(xiàn)該信號通路和很多其他信號通路存在著關(guān)聯(lián)，比如MAPK/ERK、NF-κB和β-連環(huán)蛋白等〔35，36〕。因此，通過對該信號通路中分子及與其相互作用的通路分子進(jìn)行研究，可為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)制研究及相應(yīng)藥物開發(fā)提供新的思路。