mTOR信号通路在视神经再生中的研究进展

王梦迪，崔极哲

(吉林大学白求恩第二医院 眼科中心，吉林 长春130041)

成年哺乳动物中枢神经系统(Central Nervous System,CNS)轴突再生能力差，在神经元损伤后可形成永久性的功能障碍[1]。视神经是CNS中的一部分，发生损伤(如创伤、缺血或退行性疾病)，则同样不能再生。目前理论认为：成熟神经元受损轴突再生失败主要在于CNS组织和神经元中的生长抑制分子的调控以及损伤后生长反应激活不足。增加细胞内在关键生长促进因素如哺乳动物雷帕霉素靶点(mTOR)[2]，脑源性神经生长因子(BDNF)[3]，或睫状神经营养因子(CNTF)[4]等，或通过下调轴突生长的转录抑制因子如Kruppel样因子4(KLF4)[5]或细胞因子信号传导抑制因子(SOCS3)[6]，可以实现CNS轴突部分再生。尽管在视神经受损后恢复视力仍然是一个难以企及的目标，近年来对哺乳动物雷帕霉素标靶蛋白(mTOR)等关键生长调节因子的研究揭示了开发新的药物干预措施的潜力，将来这些干预措施可以转化为眼科医生的治疗选择。

1 视神经损伤轴突再生障碍与mTOR的关系

再生障碍的原因包括：(1)内在因素：损伤后的视网膜神经节细胞(RGCs)固有生长程序的再激活能力较弱[7]。RGC中促进轴突再生的相关基因及营养因子的表达不足。事实上，自出生后细胞内在生长抑制因子转录因子家族随视网膜发育上调，而生长诱导转录因子在RGCs和其他CNS神经元中下调[5]。(2)外在因素：RGCs的周围环境不利于轴突再生。在发育过程中，神经元周围环境由促进细胞生长，随机体成熟而转变为抑制细胞生长[8]。而在损伤后，视网膜中RGCs周围的细胞表达髓鞘蛋白抑制轴突再生[9]。同时，在突触发育、传输和可塑性中起重要作用的星形胶质细胞[10]形成物理和分子屏障阻止RGCs轴突再生，无长突细胞释放锌被RGCs内化后阻止其再生[11]。(3)RGCs凋亡。轴索损伤启动RGCs凋亡，通过p53上调下游因子及从线粒体电子传递链增加RGCs中的超氧化物水平，导致RGCs进一步死亡[12]。

mTOR是一种丝氨酸-苏氨酸激酶，在营养传感途径中起作用，是细胞蛋白质合成和存活的最重要的调节者之一，与各类细胞生长、增殖和分化密不可分[13]。mTOR信号传导通路的失调往往发生在多种的癌症中[14,15]。在视网膜轴突中，成熟的RGCs再生潜力的丧失伴随着mTOR活性的下调，且在细胞损伤后的进一步减少[2]。

2 经典mTOR信号传导通路

mTOR本身可以形成两种效应复合物。mTORC1，其主要涉及蛋白质合成，生长和存活。mTORC 2功能不明确，考虑在细胞骨架中起作用。PI3K/AKT/mTOR是经典的mTOR信号通路，在细胞分解代谢和合成代谢过程中起着至关重要的作用[16,17]。

在经典通路中，上游激动剂是磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)和蛋白激酶B(Akt)，抑制剂是磷酸酶和张力蛋白同系物(PTEN)和结节性硬化复合体(TSC1/2)。位于细胞膜上的磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸盐(PIP2)与活化的PI3K结合，磷酸化为PIP3(PTEN对此过程起负调控作用)。PIP3将两个含PH域的激酶-磷脂酰肌醇依赖性激酶-1(PDK1)和Akt募集到细胞膜上，随后通过mTORC2以及PDK1介导的磷酸化激活Akt。Akt可以磷酸化TSC2并抑制TSC1/2的形成(TSC1/2是包含TSC1和TSC2的异源二聚体)，从而解除对Rheb(Rashomolog enriched in brain，一种mTORC1激活剂)的抑制，激活Mtor[16,17]。

mTORC1由活性mTOR与Raptor蛋白结合形成，通过磷酸化下游效应物p70核S6蛋白激酶(S6K1)和4E结合蛋白(4E-BP1)，调控蛋白质的翻译过程[20]。在蛋白质翻译过程中，真核生物蛋白翻译起始因子eIF4E与eIF4G的结合，形成活化的eIF4F(eIF4E-eIF4A-eIF4G)起始复合物，识别帽结构开始翻译。而在基础条件下，4E-BP1具有同eIF4G相似的eIF4E的识别序列，与eIF4E结合形成复合物，抑制蛋白翻译。mTOR1通过对4E-BP1的磷酸化，释放eIF4E，进而促进蛋白质的合成[16,17]。另外，磷酸化的S6K1显著激活核糖体S6蛋白的活性[18]，并促使eIF4B募集到起始复合物上[19]。其中，核糖体S6蛋白的激活对于刺激含有5′-寡嘧啶束的mRNA的翻译效率非常关键，这个mRNA的亚组主要编码参与翻译过程本身的蛋白[20]。

3 mTOR在视神经轴突再生实验室研究中的进展

3.1 激活mTOR通路是促进轴突再生最有效方式之一

Park[2]等首次证实敲除mTOR信号通路上游抑制剂，使受损轴突获得明显再生。该研究通过在成年小鼠玻璃体腔内注射腺病毒，选择性敲除RGCs中编码mTOR信号通路上游抑制剂PTEN或TSC1的基因，激活损伤RGCs中的mTOR通路。其中，在敲除PTEN的成年小鼠挤压损伤2周后观察到约45%的RGCs存活，而对照组约为20%。大约8%-10%存活的RGCs显示神经突从损伤的视神经纤维中生长约0.5 mm以上，一些甚至延伸超过3 mm，这些纤维随着时间的推移沿着视神经继续生长。在损伤4周后，一些再生纤维甚至延伸到视交叉区域。随后，激活mTOR信号通路可使RGCs存活数目明显增多及大量神经纤维再生，这一结论被其它实验室相继证实[21-25]。也有少数实验室证实mTOR抑制剂Rapamycin对损伤的RGCs有保护作用[26,27]。

3.2 mTOR通路的激活联合多种再生调节因素共通促进轴突再生

选择性敲除编码mTOR信号通路的上游抑制剂联合其它神经再生的调节因子共同作用于受损视神经可形成促进轴突再生的叠加效果。SOCS3[22]和PTEN基因的共同敲除或PTEN敲除与炎性分子(癌调蛋白或酵母多糖)[21]，CPT-cAMP[21,23]及c-myc[25]的联合应用引起视神经轴突显著再生。但是，除de Lima et al[21]报道PTEN敲除/ cAMP过表达/ 玻璃体腔注射癌调蛋白三联治疗方法可促使小鼠RGCs轴突生长至外侧膝状体和上丘靶位置，同时小鼠部分视功能恢复外，绝大多数联合治疗方案都不能刺激RGCs轴突再生回大脑，而是观察到再生的RGCs轴突在视交叉处停顿或出现U形转向，再生的轴突折返或向对侧眼生长[22-23]，造成RGCs与脑中靶目标分离的现象。当然，并不是所有的联合治疗均出现叠加效应。敲除RGCs中的双亮氨酸拉链激酶(DLK)[24]，通过改变细胞凋亡途径增强了RGCs视神经损伤后的存活，但同时也限制了基于PTEN敲减对轴突再生的增强。

3.3 mTOR通路的激活联合神经电活动促进再生轴突与大脑重建突触关系

轴突的再生只是视神经损伤修复的开始，视觉功能恢复意味着受损的轴突再生到外侧膝状核(中继到视皮层)和上丘。也就是说，再生的RGCs轴突不仅需要再生长度到达8 mm以上，还需与大脑中的靶目标建立正确的突触关系[28]。在发育期，自发和视觉驱动的电活动提高RGC连接，并通过增加对营养因子的反应性来增强RGCs轴突生长[29]。Lim J HA[38]证实增加对视神经损伤模型成年小鼠的RGCs高对比度视觉刺激可以促进损伤后的轴突再生。相反，降低RGCs的神经活动水平会抑制细胞存活。虽然单独增加RGCs视觉刺激不足以支持RGCs轴突再生进入大脑，但实验表明增强视觉刺激和激活mTOR的联合对轴突的再生具有协同作用，当缝合小鼠对侧健眼时，这种协同作用发挥至最大，可促使部分轴突长距离再生回大脑，且再生的RGCs轴突与大脑靶目标形成正确的连接，同时还能避免功能不正确的连接。这一发现是视神经再生研究中重要的进展。

4 总结与展望

视觉修复的研究集中在损伤后维持RGCs存活，促使轴突再生成视神经，并重建其与大脑正确的突触关系。mTOR信号通路的激活联合其他治疗方案在轴突长距离再生及与大脑建立正确突触联系方面取得重大进展。但是这些进展还局限于实验室阶段，且在考虑mTOR的临床应用时仍存在不少障碍：(1)mTOR的激活必须在RGCs轴突损伤之前，才能发挥促进再生作用[30]；(2)mTOR广泛影响细胞生长[16-20]，眼内应用可能导致视网膜肿瘤形成[31]；(3)mTOR联合治疗促进RGCs轴突的再生作用仍然是有限的，可能需要更有力的RGCs再生刺激剂来激发RGCs轴突生长到脑中，并且同时支持RGCs轴突再生和连接的长期存活；(4)即使再生轴突与大脑建立正确突触联系，仍不能预测视觉功能恢复[30]。

综上，mTOR信号通路在视神经再生方向取得的一系列新的进展，使视神经损伤后视觉功能恢复逐渐成为一个可以实现的目标。

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