PTEN 基因在周围神经损伤修复中的作用机制研究进展

褚云峰于红燕杨 琪彭艳斌陈 仲于 斐

(1.北京大学深圳医院,广东 深圳 518036;2.滨州市滨城区市立医院,山东 滨州 256600;3.骨科生物材料国家地方联合工程研究中心,广东 深圳 518036)

第10 号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10,PTEN)是一种具有蛋白和脂质磷酸酶双重活性的抑癌基因,与肿瘤发生关系密切,编码隶属于酪氨酸磷酸酶家族成员的蛋白质,通过调控细胞的增殖分裂影响肿瘤的进展[1]。 近年研究证实,PTEN基因在生物体周围神经损伤修复中作用明显[2],使其在骨科领域备受关注。

周围神经损伤是一种由于解剖性原因和损伤性原因造成的周围神经完整性变化的疾病,其致伤原因众多,常见于体力劳动者,可造成严重的功能障碍,甚至残疾,给家庭和社会带来沉重的负担,是骨科领域的棘手问题,也是我国健康领域亟待解决的重大公共卫生问题。 周围神经损伤后,近远端神经纤维将发生Wallerian 变性,随时间的推移分解成小碎片,并逐步被吞噬细胞清除,神经修复后要经过变性、再生、跨越神经缝合口及终末器官生长成熟的过程,才能逐步恢复其支配功能,因此造成其临床治疗效果不佳。 国内外学者证实,PTEN基因与周围神经损伤修复关系密切,可通过NF-κB[3]、PI3K/AKT/mTOR[4]、Jak/stat[5]、MAPK[6]等信号通路中因子的改变影响周围神经损伤修复的进程。本文就PTEN基因在周围神经损伤修复中的作用机制做一综述,为相关研究提供便利。

1 PTEN 基因分子结构

PTEN是一个由9 个外显子和8 个内含子组成的定位于染色体10q23.3 的200 kb 的基因[7],又被称为MMAC1(mutated in multiple advanced cancer 1)或TEP1(TGF-regulated and epithelial cell-enriched phosphatase),其可编码酪氨酸磷酸酶家族成员相关的由403 个氨基酸组成的蛋白质,该蛋白质的分子量为58×103~60×103,由N 末端、C2 结构域及C 末端构成。PTEN基因最早发现是作为磷酸酯酶作用行使肿瘤抑制基因的功能而进行研究的,与细胞生长相关的信号通路关系密切,可通过调控细胞周期影响到细胞的增殖及分裂[8]。 当肿瘤细胞中PTEN基因的表达量改变时,肿瘤细胞的生长、增殖及侵袭能力均受到显著的影响。PTEN基因可通过甲基化、基因突变等方式在膀胱癌[9]、乳腺癌[10]、子宫内膜癌[11]等肿瘤疾病中起到重要的作用。

2 PTEN 基因与周围神经损伤修复

研究显示,PTEN基因也在骨科相关疾病中起到重要作用,如周围神经损伤[12]、骨关节炎[13]、骨肿瘤[14]等。 由于其在周围神经损伤后的突触再生[15]、炎性及免疫反应[16]、神经元凋亡[17]、神经营养相关因子调控[18]等方面起到重要的作用而备受关注,成为该领域中的关注焦点。

2.1 PTEN 基因对周围神经损伤后修复过程中突触再生的影响

PTEN基因在周围神经损伤修复中可以通过其翻译后蛋白表达量的降低而促进轴突及髓鞘的再生[19]。 Singh 等[15]研究证实,在糖尿病周围神经病变小鼠模型中,PTEN 蛋白上调可以抑制轴突再生,而体外培养这些小鼠的感觉神经元,可因PTEN基因敲除导致神经轴突生长和分支显著增加。 Sun等[20]则证实,PTEN和细胞因子信号转导抑制因子3(SOCS3)的同时缺失显著地促进了轴突的稳健和持续再生,而其中激活mTOR 和STAT3 通路是维持成人中枢神经系统长距离轴突再生的关键,是功能恢复的关键步骤,这在神经损伤修复中起到重要作用。 Kar 等[21]实验发现,损伤诱导的miR-21 和miR-199a-3p 表达的改变可以通过调节PTEN/mTOR 途径改变整体和轴突内蛋白质合成,从而改变轴突生长能力。 Ohtake 等[22]综述他人研究发现,通过PTEN条件敲除小鼠模型、短发夹RNA 敲除PTEN或通过药理学方法阻断PTEN基因作用,能够刺激具有中枢神经系统损伤的幼年或成年啮齿动物的不同程度轴突再生。 Liu 等[23]发现,脊髓损伤后,二十二碳六烯酸(DHA)显著上调皮质脊髓神经元中的miR-21 并下调PTEN,在损伤后大鼠模型原代皮层神经元中,可以观察到DHA 引起PTEN 下调及磷酸化AKT 的上调,与此伴随神经轴突的生长。 Urban 等[24]则通过使用PTEN拮抗肽(PAP4)恢复了颈脊髓损伤后膈肌的功能,PAP4 能够促进损伤呼吸神经元中头端腹侧呼吸组的轴突通过病变处长距离再生,并与膈肌运动神经元重新连接,从而影响膈肌呼吸功能恢复。 这些研究也从侧面证实PTEN基因可以通过调控周围神经损伤修复后的突触再生影响神经功能恢复。

2.2 PTEN 基因对周围神经损伤后修复过程中炎性及免疫反应的影响

PTEN基因在多种疾病中都能够调控炎症反应影响免疫进程。 在肝炎症中,PTEN基因介导的蛋白激酶B/β-连环蛋白/叉头框转录因子O 亚族1(Akt/β-catenin/Foxo1)信号通路在Toll 样受体4(TLR4)相关先天性免疫调节中起到重要作用[25]。在免疫相关疾病类风湿性关节炎中,PTEN甲基化能够促进成纤维细胞样滑膜细胞中炎症激活,造成关节软骨的破坏[26]。 在中医药领域,补肾活血汤可以通过PI3K/AKT 途径影响白介素-17A/白介素-17 受体(IL-17A/IL-17R)表达,导致PTEN mRNA上调,促进不明原因反复流产患者的蜕膜基质细胞增殖,这解释了炎症和凋亡关系及母胎界面Th17/Treg 免疫细胞之间动态平衡失衡机制[27]。

在周围神经损伤修复过程中,炎性细胞引起的免疫反应也尤为重要。 Smith 等[28]发现,早期炎症事件可能会抑制周围神经系统和中枢神经系统损伤后的功能恢复,免疫相关因子肿瘤坏死因子介导周围神经系统中的神经胶质细胞(schwann,又名雪旺细胞)中损伤诱导的NF-κB DNA 结合的快速激活,并且这些调控与损伤后轴突发芽的抑制有关。Schuld 等[29]认为,免疫蛋白酶体可被疾病、氧化应激及炎症因子上调,在免疫蛋白酶体亚单位缺乏的视神经损伤小鼠模型中,位于炎症经典通路NF-κB下游及PTEN基因上游的AKT 通路受到影响,参与视神经损伤修复进程。 Dodd 等[16]则认为,PTEN基因缺失能够加快小鼠模型中恶性周围神经鞘瘤这种影响机体免疫炎症的形成,嵌合多肽阿霉素纳米胶囊药物制剂能够使该模型中阿霉素浓度高于单纯使用阿霉素给药,这对于纳米包载化疗药物治疗类似肿瘤有重要的意义。 Kan 等[30]发现糖尿病神经病变中微血管病、血栓形成和炎症浸润明显,伴随缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)和PTEN 的上调,而CD40 是引起两者上调的关键分子之一。 由此可知,炎性反应和免疫反应在周围神经损伤修复中有重要意义。

2.3 PTEN 基因对周围神经损伤后修复过程中神经元凋亡的影响

神经元凋亡是周围神经相关疾病中经常出现的一个进程,对其机制阐述有临床意义。 周围神经损伤通常会伴有缺血缺氧性损伤,尤其是当合并血管损伤时,可引起神经元凋亡,Cong 等[17]发现,皮肤前体来源的雪旺细胞的细胞外小泡,对暴露于氧糖剥夺条件下感觉神经元的存活和恢复意义重大,这一过程可能与miR-21-5p/PTEN/PI3K/Akt 轴有关。 Zhang 等[31]通过观察Withaferin A 这种从催眠睡茄(Withaniasomnifera)中提取的甾体内酯对中风后神经元的作用,发现该物质可以抑制PTEN基因的表达,并通过激活PI3K/AKT 信号通路等作用抑制神经元的凋亡。 Song 等[32]通过实验证实,PTEN磷酸酶代表了大鼠神经系统神经元存活和凋亡信号通路之间的一种新的转化,PTEN 的抑制可以活化脑源性神经营养因子磷酸化AKT 的能力,并使基底前脑神经元免受前神经营养因子介导的凋亡。李丛琴等[33]认为,运动训练可以通过抑制PTEN 通路的激活而减少海马齿状回区域凋亡蛋白的表达,减轻神经元凋亡并且减少大鼠抑郁程度。 林平等[34]则证实,神经生长因子过表达联合PTEN基因敲减可以提升大鼠骨髓间充质干细胞的生存能力及分化为神经元样细胞的能力,有利于神经元的再生从而提升周围神经再生能力。 周坤等[35]则发现,甲氨蝶呤腹腔注射有利于急性脊髓损伤大鼠脊髓组织中PTEN 及衰老凋亡相关因子Bax 和Caspase-3的表达量降低,从而保护了神经组织,这样也证实了PTEN基因下调对神经元的保护作用。

2.4 PTEN 基因对周围神经损伤后修复过程中神经营养相关因子调控的影响

机体内有多种神经相关的营养因子,如神经生长因子( NGF)[36]、 脑源性神经营养因子(BDNF)[37]、睫状神经生长因子(CTNF)[38]、神经营养因子3(NT-3)[39]、胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)[40]等,这些神经营养相关的因子在周围神经损伤修复中也起到一定的作用。 本课题组前期研究证实,大鼠坐骨神经钳夹伤后的早期阶段,CTNF 大致呈现出逐步上升的趋势[38];当使用小分子多肽NP1 肌间隙单次注射治疗坐骨神经钳夹伤时,与损伤后注射生理盐水组相比,β-NGF 的表达量明显上调,周围神经损伤也得到一定程度的修复[41]。 Sultan 等[42]将牙髓干细胞(DPSC)和三叉神经节神经元细胞(TGNC)共培养,发现DPSC 可以通过调控NGF、BDNF、NT-3 和GDNF 表达影响TGNC的存活和再生,在三叉神经无细胞修复中起重要作用。 Liu 等[43]通过生物信息学分析相关研究证实,PTEN 和BDNF 均可作为大鼠脊髓损伤后microRNA的靶点进行疾病的治疗。 而且PTEN 抑制剂可以模拟人参皂苷Rg1 的作用上调海马区BDNF 和ProBDNF 的表达,进而改善小鼠中神经相关的记忆问题[44]。 Cho 等[45]发现,脊髓损伤可导致膀胱功能障碍,此时相关组织中BDNF 和NGF 过度表达,使用PTEN 抑制剂后,膀胱功能改善,同时减弱了相关因子的过度表达。 陈歆维[18]发现,喉返神经损伤修复过程中PTEN基因起到负向调控作用,当敲减PTEN基因后,BDNF 和GDNF mRNA 的表达量上调,激活PI3K/Akt/GSK-3β 通路并实现喉返神经修复。 也由此可知,神经相关的营养因子能够参与周围神经损伤修复的进程。

3 PTEN 基因通过相关信号通路的作用对周围神经损伤修复的影响

周围神经损伤后的修复机制仍不清楚,只有对其机制了解清楚才能更好的治疗该病。 在周围神经损伤修复过程中,PTEN基因可以通过多条信号通路的作用影响损伤后的修复进程,如NF-κB[3]、PI3K/AKT/mTOR[4]、Jak/stat[5]、MAPK[6]等(表1)。

表1 PTEN 基因在周围神经损伤修复过程中起作用的机制途径Table 1 Mechanism and pathway of PTEN gene in the repair of peripheral nerve injury

3.1 PTEN 基因通过NF-κB 信号通路对周围神经损伤修复的影响

NF-κB 信号通路是一条与炎症关系密切的通路,参与机体的应激和损伤反应,其本身是蛋白因子转录家族,主要包括p50、p52、p65、RelB、c-Rel 5个亚单位。 由于周围神经损伤修复过程中炎症反应明显,故该信号通路参与其中[46]。

Wang 等[3]发现,健康雪旺细胞的外显体(SCExos)对糖尿病周围神经病变具有治疗作用,在这一过程中,SC-Exos 尾静脉注射治疗小鼠2 型糖尿病周围神经病变时,逆转了miR-21、27a、146a、PTEN及NF-κB 的表达,进而起到治疗作用。 王寻等[47]证实,星形胶质细胞缺氧模型内PTEN诱导假定激酶1(PINK1)沉默后NF-κB 信号通路的活性明显降低,使缺血神经元的凋亡升高,从而证实PINK1 介导缺氧损伤时星形胶质细胞对神经元具有保护作用。 赵敏[48]也认为,脂多糖处理过的海马神经元细胞,神经元不是神经炎症反应中的被动者,这一过程TLR4 介导的PTEN/PI3K/AKT/NF-κB 信号通路激活后,TNF-α 和IL-1β 等因子表达上调,最终参与了神经炎症反应。 王泽夏[49]则发现,天然中药小分子化合物姜黄素对神经胶质瘤的增殖、迁移、侵袭和凋亡具有影响,在细胞中,10 μmol/L 以上的姜黄素能够抑制胶质母细胞瘤细胞株的增殖,在降低其迁移和侵袭能力的同时促进了细胞凋亡,在裸鼠皮下成瘤模型中也抑制了瘤的生长,这一过程中姜黄素抑制NF-κB 蛋白表达,但促进PTEN 蛋白的表达。 由此可知,NF-κB 信号通路介导的炎症反应在PTEN基因的影响下参与周围神经损伤修复的进程。

3.2 PTEN 基因通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路对周围神经损伤修复的影响

PI3K/AKT/mTOR 信号通路在细胞增殖、分化、凋亡、葡萄糖转运中起到重要的作用,该通路与PTEN基因关系密切,参与多种神经相关疾病,如缺血性中风[50]、脊髓损伤[51]、帕金森病[52]等。

该通路在周围神经损伤修复中作用明显。 Xin等[4]发现,在大鼠中风模型尾静脉注射miR-17-92慢病毒,可增加缺血边界区神经轴突和髓鞘的密度,这种增强轴突髓鞘重塑的作用可能是通过PTEN下调诱导的PI3K/Akt/mTOR 通路激活实现的,从而证实MiR-17-92 簇能够促进中风后功能的恢复。 Li 等[53]则证实,雪旺细胞中神经纤维蛋白1(Nf1)和PTEN的条件性失活导致神经肌肉接头异常成熟,这一过程是由于RAS/PI3K/AKT/mTOR 信号通路过度活跃造成的,这一通路对神经肌肉接头的发育及随后的肌肉成熟意义重大。 Leibinger等[54]认为,高表达的IL-6 联合视网膜神经节细胞特异性敲除PTEN基因可通过PI3K/AKT/mTOR 信号通路的激活促进神经突起生长,从而发现了治疗视神经损伤的新方法。 彭湃等[55]实验研究说明,右美托咪定联合放疗与单纯放疗相比,可以通过抑制PTEN/Akt/mTOR 增强神经胶质瘤细胞的自噬与放疗敏感性,这一过程中AKT 和mTOR 的磷酸化水平降低,细胞凋亡率及PTEN 蛋白的水平升高。Bradtmöller 等[56]则认为,PTEN 在恶性神经纤维鞘瘤组织中的表达量明显低于神经纤维瘤和正常组织,使用mTOR 相关制剂与辛伐他汀合用,能够起到协同抗细胞增殖的作用。

3.3 PTEN 基因通过Jak/Stat 信号通路对周围神经损伤修复的影响

Jak/Stat 信号通路是一条由细胞因子刺激的信号转导通路,参与免疫调节、细胞增殖分化及凋亡等生物学过程。 该通路同样对神经相关疾病进程起到重要的作用,如慢性青光眼早期的视神经头胶质细胞增殖[57]、坐骨神经瓦勒变性的损伤修复[58]等。

Lu 等[59]发现,PTEN/mTOR、Jak/Stat、DLK/JNK信号轴在哺乳动物成年成熟神经元的固有再生能力及轴突再生中起到重要作用。 Zareen 等[5]认为,皮质脊髓束受损时,慢性刺激将PTEN 转变为非活性磷酸化形式,此时受损神经轴突向生长状态过度,选择性阻断Jak/stat 信号通路并不消除刺激依赖性轴突发芽,而是阻止了慢性运动皮质刺激产生的皮质脊髓束突触前位点增加,证实了Jak/Stat 信号通路在活动依赖性皮质脊髓束突触形成中的重要作用。 Riffault 等[60]确认,RhoA-Rock-PTEN 途径能够降低神经系统中典型抑制性神经递质GABA的A 型受体(GABAAR)的磷酸化水平,进而影响神经功能并触发内吞和降解内化受体;JAK-STATICER 途径则在这一过程中受到影响, 减少GABAAR 的合成。 Gallaher 等[61]则在小鼠模型中看到,PTEN基因缺失能够增强坐骨神经损伤后轴突的再生,当合并SOCS3 双基因缺失时,再生能力更强,而Jak/Stat 信号通路在坐骨神经损伤后早期阶段内被激活,但损伤后7 d 时该通路恢复到基线水平。 因而我们可知道,PTEN基因能够通过激活或抑制Jak/Stat 信号通路调控周围神经损伤修复。

3.4 PTEN 基因通过MAPK 信号通路对周围神经损伤修复的影响

MAPK 是一组进化保守的丝/苏氨酸蛋白激酶,在哺乳动物中有四种类型的MAPK 级联通路,研究最广的是ERK1/ERK2 (p42/p44)激酶,此外JNK/SAPK、p38 和BMK1 均为其级联通路。 该通路在细胞增殖、分化、转化及凋亡等过程中至关重要[62]。

Zhang 等[6]通过酪氨酸激酶通路的活性程度,发现了成人弥漫性胶质瘤聚集的分子表征亚群,确定了与NF1、Sprouty和PTEN共表达的胶质瘤基因模块,从而使WHO II-IV 级成人弥漫性胶质瘤能够从5 个独立数据集中聚集成两个亚型,分别与RASRAF-MEK-MAPK 级联和PI3K-AKT 通路相关,这项研究有助于解释该类型胶质瘤患者的存活情况,并从微环境相关层面研究胶质瘤的进展。 Wang 等[63]则发现,右旋美托咪定这种α2 肾上腺素能受体激动剂能够通过保护神经,起到治疗衰老大鼠的认知功能障碍的作用,这一过程中右旋美托咪定能够抑制异氟醚所致认知损害大鼠组织中PTEN 和p38 MAPK 蛋白的表达,并激活p-AKT 蛋白表达。 Farid等[64]则认为,恶性周围神经鞘瘤这种罕见病中,PTEN功能丧失,MAPK 通路活性上调,从而为该类疾病患者的治疗护理提供了理论基础。 Wang 等[65]实验证实,细胞粘附分子L1 通过激活CK2α 刺激神经细胞生成,这一过程导致PTEN 和p53 下调,同源src/MAP 激酶信号通路参与这一过程。 也有研究全面描述了丛状神经纤维瘤中microRNA 的表达情况,发现丛状神经纤维瘤中PTEN mRNA 表达降低,该病中参与RAS-MAPK 通路的四种miRNA(miR-370、miR-143、 miR-181a 和 miR-145) 出 现 异 常表达[66]。

4 结语与展望

当前的研究中,周围神经损伤修复的机制并不明确,临床医生无法针对性的用药促进其损伤后的修复进程,使该病的治疗效果不佳。 研究证实,PTEN基因在周围神经损伤修复中起到重要作用,它可以通过调控周围神经损伤后的突触再生、炎性及免疫反应、神经元凋亡、神经营养相关因子等过程以及NF-κB、PI3K/AKT/mTOR、Jak/stat、MAPK等信号通路的作用,影响周围神经损伤后的修复。由于PTEN基因功能多样且复杂,需要更多的研究论述其在周围神经损伤修复中的作用机制,从而为临床治疗该病提供实验依据。