PI3K/Akt/mTOR信号通路与精子发生成熟关系的研究进展

赵 丰 耿 强 杜冠潮 代占科 王 福* 综述 郭 军 审校

1.中国中医科学院西苑医院(北京，100091)；2.中国中医科学院研究生院；3.天津中医药大学第一附属医院；4.河北省邯郸市第七医院

男性不育症的发病率在国内外呈上升趋势，发病年龄也趋向年轻化，其病因研究目前集中在遗传因素、免疫因素、内分泌因素、生活方式、环境因素及环境-遗传交互作用等方面[1-2]。研究发现，PI3K/Akt/mTOR信号通路对细胞有重要的生物学作用，可调控细胞的生长、增殖、凋亡和存活等生命过程[3]。近来研究表明，PI3K/Akt/mTOR信号通路还是精子发生、成熟的重要调控环节和治疗男性不育症的可能靶点。本文就PI3K/Akt/mTOR信号通路的主要组成及其与精子相关调控作用的研究作相关综述，以期从分子机制上为男性不育症的治疗提供新的观点与临床指导。

1 PI3K/Akt/mTOR信号通路组成

PI3K/Akt/mTOR信号通路由磷脂酰肌醇3- 激酶(PI3K)、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶B(PKB，又称Akt)，以及雷帕霉素靶蛋白(mTOR)组成,见图1(见封三)。

PI3K是同时具有丝氨酸/苏氨酸激酶与磷脂酰肌醇激酶活性的异二聚体，由调节亚基p85和催化亚基p110构成。PI3K除能被细胞膜上的酪氨酸激酶(RTK)激活外，还能被ras蛋白等激活。PI3K/Akt信号通路经过活化后，将使络氨酸残基磷酸化，从而参与多种细胞外基质、细胞因子等的信号转导。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶，Akt的激活可通过催化自身丝氨酸473(Ser473)与苏氨酸308(Thr308)位点的磷酸化来实现。它有蛋白结构的3个亚型：Akt1、Akt2和Akt3，其中Akt1主要参与细胞增殖和抗凋亡。Akt的一个磷酸化调控修饰的Ser473位点位于催化结构域(PH结构域)，另一个位点Thr308位于羧基末端调节结构域，只有这两个位点磷酸化后，Akt的充分活化才能被实现。mTOR蛋白属于磷脂酰肌醇激酶相关蛋白激酶家族，mTOR主要受PI3K/Akt信号通路的调节,进化上相对保守，可以反映细胞的营养以及能量状态，起着传感器的职能[4],是细胞生长的中心调控因子。mTOR通过对其下游翻译相关蛋白：p70S6K、4E-BP1以及rPS6的磷酸化而发挥调控作用；其中4E-BP1是翻译的负调控子[3]。它存在两个功能不同的复合物，mTORC1和mTORC2。其中mTORC1起主要作用，mTORC1包含mTOR、调节蛋白Raptor和其他结合蛋白，是抑制剂雷帕霉素的主要作用靶点(图1见封三)。

2 PI3K/Akt/mTOR信号通路的活化及信息传导

激素和细胞因子等细胞信号分子与细胞膜受体及受体底物结合后，PI3K/Akt/mTOR信号通路可被激活。RTK为跨膜糖蛋白，当RTK与细胞外相应的配体结合后，RTK自身酪氨酸残基磷酸化且募集PI3K的p85调节亚基，激活PI3K的p110催化亚基[3]。PI3K活化后，将磷脂酰肌醇-4-磷酸(PIP) 与3，4-二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)肌醇环上的羟基磷酸化，分别形成PIP2和3，4，5-三磷酸肌醇(PIP3) 。PIP3是重要的第二信使和传递PI3K信号的主要介体分子，PIP3和Akt结合后，Akt会发生转位现象，从细胞质转位到细胞膜上，并且促其构象改变。Akt的主要激活方式是磷酸化，还是PI3K的直接靶基因[6-7]。Akt的活化还需要除Ser473、Thr308两个位点外的另外两种ser/thr 蛋白激酶，分别是3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(PDK1)和PDK2，前者借助其PH结构域转位到膜上并使Akt活性位点上的关键苏氨酸残基磷酸化；后者(通常是mTOR)则使Akt上丝氨酸残基磷酸化，上述两个位点磷酸化后，Akt才能被完全活化。

活化的Akt可直接磷酸化mTOR。随后它将解离下来，进入到细胞质基质和细胞核中，进而磷酸化，完成对胞内外信号刺激的应答；mTOR信号是细胞增殖、分化和生长过程的中心调控者，可激活蛋白质翻译，并参与调节蛋白质合成和能量代谢等过程。但mTOR功能正常有效地得以发挥,需以合成mTOR复合物1(mTORCl)和mTOR复合物2(mTORC2)为前提,分别以正负调控因子形式发挥其功能[8-9]。研究证实，活化的mTORC1可通过蛋白质翻译、核糖体生物起源、细胞周期进程、凋亡和能量代谢调节细胞生理过程[10-11],同时调控细胞骨架重建、细胞迁移、分裂分化、凋亡修复、蛋白质翻译和修饰等[3-4]。

3 PI3K/Akt/mTOR信号通路与精子发生、成熟

精子发生过程包括精原干细胞(SSC)的增殖分化、精母细胞的减数分裂和精子细胞的精子形成。随着对PI3K/Akt/mTOR信号通路的认识不断加深，发现其活化与精子发生、成熟有着密切的联系，且与男性不育症的预后都有着密切的关系。

3.1 在精原干细胞增殖、分化中的作用

SSC来源于原始生殖细胞，其依赖干细胞因子(SCF)与受体酪氨酸激酶(c-Kit)相互作用而迁移至未分化性腺，启动其增殖分化。关于雄鼠突变体的研究发现，由于SCF/c-Kit不能激活PI3K通路，可导致精子发生缺陷，表现为SSC细胞异常凋亡及增殖能力减弱。PI3K/Akt/mTOR信号通路可能与c-Kit之间存在反馈调节，这种反馈调节可调控精子的发生。研究证实，SCF/c-Kit通过PI3K/Akt/mTOR信号的活化使细胞周期蛋白D3表达上调，促进G1期到S期，从而加速细胞周期[7]。mTOR通过磷酸化激活下游信号分子p70S6K，促进SSC增殖分化中蛋白质的合成；另外，mTOR蛋白的表达和其对下游靶蛋白p70S6K的磷酸化能力均可随着年龄的增长而下降，导致生精小管空泡化增多、精子数量减少[12]。有研究发现，SSC有mTOR、p70S6K、4E-BP1及相应磷酸化蛋白(p-mTOR、p-p70S6K、p-4EBP1)的表达，且mTOR信号对早期生精细胞和SSC表型维持及分化有重要作用[13]。通过抑制mTORC1通路可阻断精原细胞分化并诱导未分化精原细胞在生精小管内累积[6]。综上所述，PI3K/Akt/mTOR与多种信号分子共同调控SSC增殖分化，使其有序正常进行。

3.2 在精母细胞的减数分裂中的作用

有研究发现，同SSC一样，在精母细胞中同样存在mTOR、p70S6K、4EBP1及相应磷酸化蛋白(p-mTOR、p-p70S6K、p-4EBP1)的表达[13]。在精子的发生过程中，mTOR信号通路不仅仅对SSC的增殖分化和自我更新有调控作用，且可能对精母细胞的减数分裂进行调节[14]。

SSC经过有丝分裂后分化为初级精母细胞，随后进入减数分裂形成圆形精子细胞。精母细胞通过rPS6的磷酸化翻译水平的增加，可表现出比圆形精子细胞更高水平的蛋白合成，rPS6也是mTOR下游分子(图1)翻译的标记物；磷酸化的rPS6在圆形精子细胞中是显著降低的[15-16]。说明不论是精母细胞还是圆形精子细胞，其rPS6磷酸化水平和翻译的比例都是不同的。另外，在敲除p70S6K基因的果蝇细胞中，细胞周期延长到正常的2倍，这说明在细胞周期进程中p70S6K起着一定作用。P70S6K在初级精母细胞中有明显表达，但在胞核和胞浆的着色上，胞核的着色更深，而在精子中则无此趋势。

3.3 在精子成熟中的作用

精子的成熟过程中最主要的功能变化是获得了运动能力和受精能力。环磷酸腺苷(cAMP)与精子运动能力密切相关[17]；cAMP对精子运动的起始及其运动形式的改变、运动的维持, 是极其重要的, 是精子成熟过程中一个必不可少的因子[18-19]。PI3K负性调节人类精子细胞的运动能力，其特异性抑制剂(LY294002)能显著提高人类精子活率、前向精子运动百分率等[20]，并且在弱精子症人群中的作用更加明显[21-22]；其可能的机制可能是显著提高精子细胞内cAMP的水平，通过cAMP/蛋白激酶A(PKA)途径，达到提高精子活力的目的[22-23]，至于如何通过该途径进行调控的，目前并不明确。mTOR则正性调控精子活力，这可能通过下游p70S6激酶的磷酸化的调节来实现[24]。有研究报道，肿瘤病人服用雷帕霉素后导致精液质量下降，停药后，精子参数则完全正常化；用雷帕霉素灭活mTOR后，p70S6k磷酸化水平降低[25]。

3.4 在精子获能和顶体反应中的作用

目前，PI3K是否参与精子获能尚无有力论证，但有研究显示PI3K调节亚基p85在小鼠精子获能期间逐渐磷酸化，PKA和PKC活性之间的比率调节PI3K活化状态，PI3K可能在特定的PKA和PKC活性之间的比率下被激活，从而影响精子获能[26]。同时在获能过程中，PI3K保护精子免受自发性顶体反应[27]。

获能精子中的顶体反应在其与卵透明带结合后开始。透明带糖蛋白有3种成分(ZP1、ZP2和 ZP3)，其中糖蛋白ZP3被认为是第一精子受体，ZP3触发顶体反应(AR)[28]。精子发生AR后，呈现超激活运动，进而穿过卵子透明带，获得受精能力。研究发现，PI3K介导由糖蛋白ZP3诱导的小鼠精子AR，PIP3的产生可导致PDK1的激活，从而激活Akt和PKC，导致AR的发生[29]。在加入wortmannin(一种PI3K抑制剂)后，由ZP诱导的AR被抑制，并使受精率降低30%[26]；而另一种PI3K抑制剂LY294002亦可阻断ZP3诱导的AR[27]，说明在顶体反应过程中，PI3K确实起到了重要作用。

4 小结与展望

众所周知，世界范围内约有10%～15% 的夫妇患有不孕不育症，其中50%的不育为男性因素导致[30]。男性不育症的影响因素复杂，特别是特发性男性不育症存在着复杂的调控网络，多数找不到确切病因，虽然中西医药物治疗在男性不育症方面有一定的疗效，但常常治疗机制不明[31-32]。

越来越多的研究发现PI3K/Akt/mTOR信号通路对精子有着十分重要的影响，该通路引起的多种下游信号分子活化，调控着男性生殖细胞的增殖、凋亡等多种生物学过程。因此，深入探究精子与PI3K/Akt/mTOR信号通路之间的调控机制，探究其在人类精子发生、成熟中的作用机制，将从分子层面为男性生育能力的调控及生殖方面疾病的诊断和治疗提供新的思路，对男性不育症的认识、治疗有着重要的意义。