PI3K/Akt/mTOR信号通路在神经性疾病中的研究进展

王彬，廖烨晖，赵云欣，陈茉弦，刘垚，敖丽娟

(昆明医科大学康复学院，昆明 650500)

与单细胞相比，多细胞是可控的集合，其维持不但取决于物质的能量代谢，也决定于细胞间交流和内部信号变化。然而，细胞间交流和内部不同信号通路变化调节或影响着各种生命活动和细胞行为。当机体遭受各种内外致病因素的刺激与干扰时，细胞内多种信号通路产生过度应激或过度抑制、组织稳态失衡，进而导致各类疾病的发生，其中包括神经性疾病。据世界卫生组织统计，全球有数亿人受到神经性疾病的干扰，如阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)、帕金森病(Parkinson′s disease，PD)、亨廷顿病(Huntington′s disease，HD)、神经病理性疼痛(neuropathic pain，NP)、癫痫以及多发性硬化症等，成为影响人类躯体功能和生活质量的主要疾病负担[1-5]。因此，对神经性疾病相关的潜在分子机制进行研究较为迫切。有研究表明，磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)及其下游效应因子哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是一类信号转导通路，该通路参与了人类疾病的发生，并能对机体内多种生物学功能进行调节[6-7]。另外，有文献报道虽然该通路多与肿瘤发生有关，但其在人类其他疾病中亦可出现异常，特别是在神经性疾病的发生及进展中发挥重要的调控作用[8]。现就PI3K/Akt/mTOR信号通路在神经性疾病中的研究进展予以综述。

1 PI3K/Akt/mTOR信号通路

1.1PI3K PI3K是脂质激酶家族一员，通过磷酸化质膜磷脂酰肌醇上的3-羟基来激活[9]。根据其结构和底物特异性，PI3K可分为3种亚型：Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。而在这些激酶中，研究最为广泛的是Ⅰ类PI3K，可以直接被细胞表面受体激活[10]。Ⅰ类 PI3K由调节亚基(p85α、p85β以及p85γ)和催化亚基(p110α、p110β、p110δ以及p110γ)组成并构成异二聚体[11]。另外，Ⅰ类PI3K根据其激活方式进一步分为ⅠA和ⅠB类。其中，ⅠA类PI3K的p85调节亚基直接与细胞膜上酪氨酸受体结合，而酪氨酸受体可由血小板源性生长因子和相关受体蛋白的配体激活。因此，这种结合会激活催化亚基p110，以促进细胞膜上磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸转化而产生第二信使磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate，PIP3)[12]。PIP3调节的下游途径之一是与含有plekstrin同源(plekstrin homology，PH)结构域蛋白Akt和磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(phosphoinositide-dependent protein kinase 1，PDK1)结合，调节PDK1促使Akt上的丝氨酸(serine，Ser)308磷酸化以激活Akt。ⅠB类PI3K是通过p101调节亚基和p110γ催化亚基结合而构成异二聚体，可经由p110γ与G蛋白偶联受体上的Gβγ亚单位直接结合而活化[13]。

1.2Akt 哺乳动物中的Ser/苏氨酸(threonine，Thr)激酶Akt又称PKB，有Akt1、Akt2和Akt3三种亚型，它们是PI3K信号转导通路中的关键分子[14]，分别由PKBα、PKBβ和PKBγ编码[15]。Akt1在调控中起主要作用并广泛在组织中激活，Akt2主要在胰岛素组织中激活，而Akt3在大脑和睾丸中激活[16]。3种Akt亚型的绝大多数氨基酸序列同源并具有非常相似的三维结构，它们由3个不同功能域组成，如PH结构域、中心催化结构域和C端调节域。其中，PH结构域主要介导Akt激活后的膜转位。中心催化结构域含有ATP结合位点，Akt激活依赖其内部Thr308位点的磷酸化。C端调节域包含大量脯氨酸，含有Akt激活所需的另一个磷酸化Ser473位点[17]。因此，PI3K调节亚基可与细胞膜上的相应受体结合，对其催化亚基进行激活以催化PIP3形成，随后将PDK1和Akt募集到细胞膜上而起作用[18]。

1.3mTOR mTOR来自Ser/Thr蛋白激酶，是相关激酶蛋白家族成员，其参与对胞内相关营养信号的传导并调节细胞生长和增殖[19]。mTOR由两个不同核心蛋白质复合物组成，分别为mTOR复合物(mammalian target of rapamycin complex，mTORC)1和mTORC2[20]。其中，mTORC1由mTOR、Raptor、mLST8、PRAS40及Deptor组成，主要是对细胞生长、能量代谢及蛋白合成进行调节，可受雷帕霉素治疗的影响。而mTORC2是由mTOR、Rictor、mLST8、mSIN1及Deptor组成，主要是对肌动蛋白、细胞代谢及存活进行调节，但对雷帕霉素治疗不敏感[21]。一方面，mTORC1是Akt下游效应因子，能被磷酸化的Akt激活。另一方面，mTORC2亦能使Akt Ser残基Ser473磷酸化并刺激PDK1对Thr残基Thr308磷酸化，最终导致Akt完全激活[22]。

2 PI3K/Akt/mTOR信号通路与神经性疾病

2.1AD AD是临床较为常见的神经性疾病，其特征改变为记忆障碍和执行功能障碍等。AD典型异常包括突触改变、神经元损伤、脑部炎症等。微观上，AD的脑部特征是两种异常结构的共同存在，即细胞外淀粉样斑块和神经内神经原纤维缠结[23-24]。β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)(老年沉淀斑块的主要成分)是跨膜淀粉样前体蛋白的蛋白水解片段，而Tau蛋白是脑特异性轴突富集的微管相关蛋白[25]。Tau蛋白对维持微管组成和结构完整性较为重要，然而AD中异常Tau蛋白的过度磷酸化和累积是线粒体功能障碍、神经退行性改变和认知障碍的生物标志物，会促使微管内部结构紊乱和神经原纤维缠结形成，最终导致神经元死亡和老年斑沉积[26]。

Akt介导Tau蛋白Thr212、Ser214、Ser202以及Thr205的磷酸化，该过程主要由PI3K-PDK1催化[27]。PIP3在质膜上合成增加，促进Akt和PDK1结合以激活激酶介导的磷酸化过程。研究指出，Tau蛋白聚集是通过糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3 beta，GSK-3β)[28]和PI3K的刺激作用发生，PI3K通过激活Akt以抑制GSK-3β磷酸化，而Akt激活可对Tau蛋白聚集起到抑制作用[29]。因此，对PI3K/Akt/mTOR信号通路进行抑制或减弱可以激活GSK-3β，从而促使Tau蛋白磷酸化，最终诱导神经原纤维缠结形成[30]。同时，Aβ也与PI3K/Akt/mTOR信号通路相互作用[31]。Song等[32]通过使用五味子醇A减少海马神经元内细胞凋亡、相关凋亡蛋白表达及氧化应激等，从而对神经细胞起保护作用。并证实五味子醇A对神经元的保护作用是由于激活胞内PI3K/Akt/mTOR信号通路而减弱Aβ诱导的细胞自噬的毒性反应，进而能够预防和治疗AD。Xu等[33]研究发现，Aβ亦可通过激活GSK-3β以抑制或减弱神经元和神经干细胞中的PI3K/Akt/mTOR信号通路激活，导致Tau蛋白过度磷酸化，最终诱导神经毒性反应。另外，有研究者通过使用新型药物cubeben发现，其通过抑制PI3K-Akt信号通路诱导了异常细胞的自噬，进而达到清除Aβ以保护细胞的目的，并避免该信号通路诱发的毒性反应[34]。近年Chu等[35]使用氧化石墨亦证实，通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路能进一步诱导AD小鼠的自噬，并进一步改善AD小鼠的认知功能。然而，以上两个研究均是通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路而改善AD，这与Song等[32]和Xu等[33]的研究认为通过激活该通路而治疗AD的结论相矛盾，产生此矛盾的原因可能由于药物选择、研究对象等不同所致。可见，不管是抑制或激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，其最终均是通过降低神经毒性反应而达到治疗AD的目的。

2.2PD PD是重要的神经性疾病，涉及许多典型异常运动表现，如静止性震颤、动作和面部僵硬及运动迟缓等[36-37]。此外，亦有非运动表现，如自主神经、精神、感觉及认知障碍[37]。

尽管多年来学术界对PD开展了多方面研究，但其具体发病机制尚未完全了解。虽然目前的治疗方法可以很好地控制运动症状，但不能改变疾病的发展[38]。因此，寻找潜在的分子靶标在临床治疗PD中较为重要[39]。有研究发现，Akt在PD患者黑质致密部的表达明显减少[40]。而PI3K/Akt/mTOR信号通路的激活可通过抑制细胞凋亡来促进多巴胺神经元存活和生长，起到减慢PD发展的作用[41-42]。Peng等[40]则研究证实，通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路能抑制黑质内多巴胺神经元的凋亡和自噬，对神经元起保护作用并减缓PD的进展。亦有文献报道，PI3K/Akt/mTOR信号通路是导致PD失调的途径之一，通过上调或激活该通路可能达到改善PD症状的目的[40,43]。Wang等[44]采用神经毒素1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine，MPTP)建立PD模型，发现胰岛素样生长因子1能通过促进Akt和mTOR磷酸化以降低神经毒性反应，进一步抑制多巴胺能神经元上MPTP诱导的自噬，启动神经元保护作用，从而明显缓解PD症状，说明激活PI3K/Akt/mTOR信号通路与治疗PD高度相关。此外，有研究指出生物碱治疗PD的机制同样是通过上调PI3K/Akt/mTOR通路而有效保护神经元免受PD小鼠模型中MPTP引起的毒性反应[45-46]。这与Salama等[47]在PD大鼠中得到的研究结果类似。Huang等[48]选用一种特殊中药“玉竹”进行研究，发现该药能激活Akt/mTOR通路而产生抗凋亡和抗氧化作用，起到改善由MPTP诱导PD小鼠的运动障碍和减轻对多巴胺神经元的损伤作用，这更加说明了PI3K/Akt/mTOR信号通路在治疗PD中的巨大潜力，并可能成为未来研究的热点。可见，在PD的发展过程中激活该通路可以抑制神经细胞的凋亡和自噬，从而有效改善疾病带来的影响。

2.3HD HD通常表现为不规则的肌肉抽搐，亦有手指弯曲和伸展、点头和面部肌肉抽搐。随着病情进展，HD会进一步发展为面部、颈部、四肢以及躯干出现非自主性舞蹈样运动，随后产生精神症状表现为抑郁性情绪和人格变化[49-50]。

在神经生长因子刺激作用下，对RAS/PI3K/Akt通路上任何靶点进行抑制均会显著降低神经元的存活率[51]。RAS作为上游效应因子能通过PI3K抑制细胞凋亡，提示PI3K及其下游效应因子是细胞存活和神经元保护的关键[52]。脑源性神经营养因子在神经元存活和生长中也起着重要作用。一些研究表明，脑源性神经营养因子通过与其受体原肌球蛋白受体激酶B结合以激活PI3K/Akt通路，进而起到神经元保护作用并减缓HD发展[53-55]。除AD外，Tau蛋白也可在HD神经元中被过度磷酸化而成为HD病理变化的标志[56-57]。此外，亦有研究发现GSK-3β可通过PI3K/Akt通路使Tau蛋白过度磷酸化，而通过PI3K/Akt通路也能负向调节该过程，故通过作用于此信号通路能改变GSK-3β活性以影响Tau蛋白过度磷酸化水平，从而间接参与HD的发生[58-59]。另外，有部分研究者得出相反结论，认为在HD发展过程中PI3K/Akt/mTOR信号通路处于过度激活状态，因此通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路可以达到治疗HD的目的。Yue等[60]研究发现，G蛋白偶联受体30的激活可减少由谷氨酸诱导的神经元过度自噬，并保护神经元免受兴奋性毒性的影响，而这一作用主要是通过调节PI3K/Akt/mTOR信号通路并抑制其磷酸化实现。同时，有研究表明对该通路进行干预可以促进神经元存活并减少细胞凋亡，更加证明了此通路是负向调节而加速HD的发展，对其阻断将能有效治疗HD[61]。然而，目前对PI3K/Akt/mTOR信号通路进行激活或抑制治疗HD的报道尚存在差异，产生这种情况的原因可能由于研究设计、动物选择、药物机制等方面的不同，未来仍需进一步研究。

2.4NP 作为另一种神经性疾病，NP的发生同样多见。国际疼痛研究协会将NP定义为“由躯体感觉系统的损伤或疾病引起的疼痛”[62]。据统计，受该病影响的患者占7%～10%[4]。NP由各种原因引起，包括组织或神经损伤，以自发性疼痛、超敏和痛觉过敏为特征[63]。目前，抗抑郁和抗癫痫等药物已运用于NP的治疗，但这些药物均有副作用且效果欠佳[64]。因此，临床对NP的治疗仍较困难。

NP的发生涉及多种机制，而其中研究较为广泛的是中枢敏化，其是疼痛维持和形成的核心机制[65]。以往有研究表明，PI3K/Akt通路的激活对脊髓中枢敏化形成是必需的[66]。而mTOR是PI3K/Akt下游的一种重要效应因子，可通过改变核糖体激酶活性来调节突触蛋白合成，改变突触传递的兴奋性，进而维持异常长时间疼痛。有研究指出，mTOR在疼痛相关的中枢神经系统中被激活[67]，是周围神经损伤诱导NP的有效靶点[68]。而对其阻滞将起到有效缓解疼痛的作用。Duan等[69]发现，使用mTOR抑制剂可明显降低由硼替佐米诱导的NP，证明mTOR是治疗NP的一个关键靶点。Guo等[70]在慢性压迫性损伤大鼠模型中研究PI3K/Akt/mTOR信号通路与慢性NP和脊髓小胶质细胞的相关性，发现对PI3K/Akt/mTOR信号通路进行抑制能有效减轻疼痛并减少骨髓中小胶质细胞的活化，提示该通路与疼痛发展有关，可能是治疗NP的有效靶通路。此外，Liu等[71]对PI3K/Akt/mTOR信号通路进行研究亦证实，使用该通路抑制剂不仅减少P物质和降钙素基因相关肽等疼痛介质的表达，也能改善大鼠坐骨神经内膜异位症诱发的疼痛超敏反应。近年，Liu等[72]研究表明通过大鼠脊神经结扎手术能够显著诱发NP，而在高压氧的干预下大鼠疼痛明显缓解，其有效机制是通过抑制Akt-mTOR信号通路实现，进一步提示PI3K/Akt/mTOR通路与NP显著相关。可见，PI3K/Akt/mTOR信号通路可能参与并维持NP的发生，未来对该通路进行调控而缓解NP具有显著的临床价值。

2.5其他神经性疾病 PI3K/Akt/mTOR信号通路介导的神经性疾病不仅包括AD、PD、HD、NP，该通路的异常还与其他神经性疾病的发生也有关。Chen等[73]在探讨聚焦超声干预癫痫大鼠时对PI3K/Akt/mTOR信号通路的影响，发现通过聚焦超声刺激后大鼠癫痫症状减轻、神经元异常放电减弱以及PI3K/Akt/mTOR信号通路表达下调，提示该通路与癫痫发作有关，抑制此通路有望达到治疗癫痫的目的。同样，有学者在大鼠癫痫模型中也发现通过调节PI3K/Akt/mTOR信号通路能有效缓解记忆力减退[74]。另外，诸多学者在缺血缺氧性脑损伤[75-76]、脑外伤[77]以及脊髓损伤[78-79]等疾病中发现PI3K/Akt/mTOR信号通路介导了疾病发展，以致对该通路进行调控能明显抑制神经元凋亡，促进细胞存活，从而有效保护神经元，最终能应用于疾病的治疗。对于多发性硬化症，有研究显示PI3K/Akt/mTOR信号通路能在免疫调节上发挥作用以预防或延缓疾病的复发，最终可达到减慢患者残疾进程的目的[80-81]。以上研究表明，在许多神经性疾病进程中PI3K/Akt/mTOR信号通路均有参与并在其中发挥重要作用。虽然目前该通路影响疾病的具体调节机制仍不清楚，但以其作为靶标可能成为神经性疾病治疗的一种新策略。

3 小 结

PI3K/Akt/mTOR信号通路是重要的信号转导途径，参与了细胞生理过程的调控，与细胞生长、增殖、癌症和寿命等直接相关，并由哺乳动物酶联受体介导。该通路的激活伴随Akt、mTOR及其下游相关效应因子磷酸化水平的升高并调控着信使RNA翻译和蛋白合成过程，进而对生物功能产生不同影响。PI3K/Akt/mTOR信号通路参与了生物体细胞内相关代谢，其活性的上调或下调均与神经性疾病的发生具有紧密联系。不同细胞中，PI3K/Akt/mTOR信号级联反应可产生不同生理和病理变化，从而介导不同生物学反应。

然而，该信号通路的结构和功能及其与上游和下游效应因子的关系较为复杂，因此需要进一步开展相关方面的研究。有诸多研究报道，PI3K/Akt/mTOR信号通路与大多数神经性疾病发生有关，如AD、PD、HD、NP、癫痫、缺血缺氧性脑损伤、脑外伤、脊髓损伤及多发性硬化症等[32，44，60，70，76-79]。未来，对PI3K/Akt/mTOR信号通路的关键调控过程进行深入探索将有助于阐述上述神经性疾病的发病机制，并为人类疾病治疗提供新的分子靶标和方向。