舒 怡(綜述)，張 洪，章軍建(審校)

(武漢大學中南醫(yī)院神經(jīng)科，武漢大學第二臨床學院神經(jīng)精神病學教研室，武漢430071)

磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B，PI3K/Akt)信號通路廣泛存在于各種神經(jīng)細胞中，是膜受體信號向細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導的重要途徑，除具有調(diào)節(jié)細胞增殖、分化、代謝、抗細胞凋亡等細胞生物學作用外，還能調(diào)節(jié)學習記憶能力——神經(jīng)系統(tǒng)高級認知功能之一。在神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如腦血管疾病、神經(jīng)變性疾病、脫髓鞘疾病、運動障礙性疾病、癲癇和肌肉疾病中，PI3K/Akt信號通路的作用逐漸引起學者重視，目前多用于探討發(fā)病機制、尋找診斷標記和研發(fā)治療藥物的研究。現(xiàn)就近年來有關PI3K/Akt信號通路在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的研究進行綜述。

1 PI3K/Akt信號通路及作用

1.1 PI3K/Akt信號通路的特性 PI3K/Akt信號通路主要由PI3K和Akt分子及其下游分子組成。PI3K是一種胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，特異使肌醇環(huán)上的3'位羥基磷酸化。其產(chǎn)物為有磷酸根的多磷酸肌醇脂(phosphoinositide phosphate，PIP)，為質(zhì)膜上的第二信使。正常情況下，在細胞內(nèi)含量很少，在生長因子刺激下劇增。Akt是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，稱之“蛋白激酶B”，在Akt病毒中被確定，被描述為一種反轉(zhuǎn)錄病毒癌基因［1］。Akt擁有多個下游靶點分子，調(diào)節(jié)細胞代謝和存活［2］。

PI3K的催化亞基在質(zhì)膜內(nèi)面催化磷脂酰肌醇磷酸化，產(chǎn)物為3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和 3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇。3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇進而順次激活Akt、血清糖皮質(zhì)激素誘導激酶、核糖體S6激酶、非典型蛋白激酶C等多種絲氨酸-蘇氨酸激酶［3］。Akt在非激活態(tài)時位于細胞質(zhì)內(nèi)。當 PI3K激活產(chǎn)生 3，4-二磷酸磷脂酰肌醇和3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇后，Akt的血小板-白細胞C激酶同源區(qū)域與PI3K的磷脂產(chǎn)物相互作用導致Akt在質(zhì)膜內(nèi)面聚集，Akt與磷酸肌醇依賴的蛋白激酶1聚集在磷脂雙分子層內(nèi)。磷酸化Akt不同位點，可以產(chǎn)生不同的作用，磷酸化Ser473激活Akt對突觸可塑性的作用機制具有調(diào)節(jié)作用［4］。

1.2 PI3K/Akt通路的作用

1.2.1 細胞保護作用 PI3K/Akt通路可在很大范圍內(nèi)對神經(jīng)細胞凋亡進行調(diào)節(jié)，對于神經(jīng)細胞的存活有著特殊的重要性。營養(yǎng)因子促進神經(jīng)細胞存活的作用不僅通過細胞胞體內(nèi)PI3K/Akt通路，而且還通過神經(jīng)細胞軸突遠端與另一個神經(jīng)細胞樹突的相互作用，使軸突遠端PI3K/Akt對另一個細胞的存活產(chǎn)生影響［5］。PI3K在發(fā)育中的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和成年腦不同區(qū)域的表達水平不同。Akt的底物包括去活化的前凋亡調(diào)節(jié)蛋白和活化的抗凋亡蛋白。PI3K/Akt通路不僅通過轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)細胞的生存和死亡，也直接參與調(diào)節(jié)細胞凋亡。

1.2.2 調(diào)節(jié)細胞代謝 PI3K/Akt通過調(diào)節(jié)葡萄糖轉(zhuǎn)運體4y和1的吸收、表達和流動，調(diào)節(jié)細胞代謝。Akt增加易位到胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運體4數(shù)目，增強葡萄糖轉(zhuǎn)運;也通過胰島素樣生長因子1、白細胞介素3等因子激活TrKR后通過其信號通路影響葡萄糖代謝。PI3K/Akt表達增加可以避免由于營養(yǎng)因子撤退所引發(fā)的細胞改變，并通過增加葡萄糖和羥乙酸氧化酶體來保持細胞生物能量，避免影響細胞代謝和線粒體滲透壓。因此，葡萄糖代謝、羥乙酸氧化酶體和線粒體功能的正常是生長因子和PI3K/Akt通路行使正常神經(jīng)細胞保護功能所必需的［2］。

1.2.3 調(diào)節(jié)學習記憶 PI3K/Akt通路與突觸可塑性、學習和記憶有關。目前公認的cAMP/蛋白激酶A/促分裂素原活化蛋白激酶/cAMP反應元件結(jié)合蛋白1通路參與新蛋白質(zhì)的合成。除了cAMP蛋白激酶A通路外，PI3K/Akt是另一通路。利用PI3K特異的抑制劑LY294002注入大鼠腦室研究大鼠的學習記憶能力發(fā)現(xiàn)單個強直刺激下長時程增強恢復基線的時間縮短，不能維持有效的長時程增強。在此過程中是通過特異的磷酸化Akt Ser473位點產(chǎn)生作用。Akt下游部分，如與細胞生存有關的橫紋肌肉瘤相關的果蠅叉頭框同源蛋白1和蛋白質(zhì)合成有關的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白參與其中［4］。抑制PI3K/Akt通路可阻止Aβ的聚合，進而阻斷Aβ誘導的記憶缺失［6］。

2 腦梗死

Sch?bitz等［7］在研究內(nèi)源性神經(jīng)保護劑時發(fā)現(xiàn)粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子具有抗細胞凋亡作用，單純大腦中動脈閉塞和大腦中動脈閉塞聯(lián)合頸總動脈或者大腦中動脈閉塞遠端結(jié)扎后1 h給予粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子，Bcl-2、Bcl-xL、磷酸化信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3、磷酸化信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子3、磷酸化細胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶、磷酸化Akt表達均升高。研究者認為在神經(jīng)元內(nèi)被粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子激活的多種途徑里，PI3K/Akt信號通路是作用最強、爭議最少的抗凋亡途徑。外源性雌激素對急性全腦缺血模型的神經(jīng)元保護作用的研究中，Jover-Mengual等［8］發(fā)現(xiàn)，全腦缺血后立即腦室內(nèi)注射外源性雌激素，可以通過激活PI3K/Akt通路磷酸化下游分子糖原合成酶激酶3β和FOXO3A(叉頭蛋白O3A)，抑制caspase-3活性，發(fā)揮抗細胞凋亡作用，保護海馬CA1區(qū)神經(jīng)元不受損害。

Shehadah等［9］利用煙酸的成分煙酸緩釋片研究大腦中動脈閉塞模型的神經(jīng)保護作用，發(fā)現(xiàn)煙酸緩釋片40 mg/kg劑量組的大鼠腫瘤壞死因子α、血管內(nèi)皮生長因子、p-PI3K、p-Akt等各指標免疫組化結(jié)果均有升高，采用末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導的三磷酸脫氧尿苷缺口末端標記技術和cleaved caspase-3檢測顯示神經(jīng)元凋亡減少，認為煙酸緩釋片的神經(jīng)保護作用是通過血管內(nèi)皮生長因子作用于PI3K/Akt通路實現(xiàn)的。抑制Akt1磷酸化則消除了煙酰胺對海馬神經(jīng)元的神經(jīng)保護作用［10］。

3 阿爾茨海默病

利用人SH-SY5Y細胞研究促紅細胞生成素阻礙tau蛋白過度磷酸化的機制中發(fā)現(xiàn)，Aβ25～35可通過糖原合成酶激酶 3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)過度磷酸化tau的特異位點抑制PI3K/Akt-GSK-3β信號通路［11］。早老素1基因是家族性阿爾茨海默病的病因之一，是γ-分泌酶的催化核心。早老素1基因參與激活PI3K/Akt信號通路，并作為GSK-3β的作用底物抑制GSK-3β酶活性。阿爾茨海默病發(fā)生時PI3K/Akt信號通路是被抑制的，Aoyagi等［12］通過采用PI3K抑制劑LY294002和Akt抑制劑Ⅳ作用于美國癌癥研究所胚胎小鼠初級大腦皮質(zhì)神經(jīng)細胞，發(fā)現(xiàn)γ-分泌酶的各種組成成分都有增加。在阿爾茨海默病患者中胰島素的信號轉(zhuǎn)導通路作用下調(diào)。胰島素和胰島素樣生長因子1信號轉(zhuǎn)導是通過PI3K/Akt通路向細胞內(nèi)傳遞的，對于神經(jīng)細胞和肌肉細胞的代謝和生存是非常重要的。在研究胰島素/PI3K/Akt級聯(lián)反應及細胞內(nèi)Aβ對該通路的影響時，用免疫組化的方法第一次觀察到在阿爾茨海默病尸檢標本中額葉和顳葉的磷酸化Akt的濃度和活性減少，利用免疫沉淀技術觀察到磷脂酰肌醇依賴性蛋白激酶和Akt之間的相互作用程度降低［13］。

4 帕金森病

咖啡因能夠降低發(fā)生帕金森病的風險。Nakaso等［14］認為咖啡因?qū)ε两鹕〖毎Ｐ途哂猩窠?jīng)保護作用，而且這種作用是通過激活PI3K/Akt通路實現(xiàn)的?？Х纫虺蕜┝恳蕾囈种贫喾N毒素誘導的細胞凋亡，降低caspase-3活性，并減少凋亡濃聚的核碎片的數(shù)量;給予咖啡因60 min后Akt發(fā)生呈劑量依賴性的磷酸化，PI3K抑制劑可抵消咖啡因的細胞保護作用。研究發(fā)現(xiàn)促紅細胞生成素的抗凋亡作用是通過PI3K/Akt/GSK-3β/caspase-3信號通路實現(xiàn)的，而這種保護作用可以被PI3K抑制劑LY294002和GSK-3β抑制劑氯化鋰抵消［15］。

Maeda等［16］發(fā)現(xiàn)神經(jīng)小膠質(zhì)細胞通過蛋白酶活化受體1/PI3K/Akt通路產(chǎn)生并分泌纖溶酶原/纖溶酶，調(diào)節(jié)神經(jīng)營養(yǎng)因子轉(zhuǎn)化生長因子β3的產(chǎn)生和分泌，對星形膠質(zhì)細胞有神經(jīng)營養(yǎng)作用，表明蛋白酶活化受體1/PI3K/Akt信號級聯(lián)通路參與調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞營養(yǎng)因子的產(chǎn)生和釋放。纖溶酶原能提高神經(jīng)元的遷移，促進軸突在體外皮質(zhì)向外生長，能夠增強中腦多巴胺能神經(jīng)元的幸存和成熟，促進星形膠質(zhì)細胞增殖，并能夠調(diào)節(jié)海馬神經(jīng)元細胞內(nèi)的Ca2+水平。Arboleda等［2］發(fā)現(xiàn) Parkin蛋白通過泛素化、TrkR 的細胞內(nèi)吞速率及對生長激素的反應間接調(diào)節(jié)PI3K/Akt通路。帕金森病中Parkin蛋白的突變?nèi)笔Чδ芸赡苡绊懮嫱罚ι窠?jīng)元變性產(chǎn)生易感性。

5 運動神經(jīng)元病

運動神經(jīng)元病是一組以上、下運動神經(jīng)元改變?yōu)橥怀霰憩F(xiàn)的慢性進行性神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病。發(fā)病原因可能與氧化應激、谷氨酸誘導的興奮毒性、蛋白質(zhì)降解機制損害、線粒體膜改變、呼吸鏈酶受損和炎性反應等有關［17］。利用腺病毒載體編碼突變超氧化物歧化酶即G93A-超氧化物歧化酶1，建立轉(zhuǎn)基因鼠肌萎縮性側(cè)索硬化癥體外模型使小鼠過度表達突變基因G93A-超氧化物歧化酶1。Lunn等［18］發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)染后的細胞發(fā)生軸索變性并激活caspase-3引發(fā)細胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導途徑。若在運動神經(jīng)元培養(yǎng)基中加入血管內(nèi)皮生長因子，可以減輕G93A-超氧化物歧化酶1的毒性作用并通過PI3K/Akt通路增強血管內(nèi)皮生長因子的神經(jīng)保護作用。

6 多發(fā)性硬化

多發(fā)性硬化是一種以中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)脫髓鞘為主要病理特點的自身免疫性疾病。多在成年早期發(fā)病，女性多于男性。目前對于該病的確切病因和發(fā)病機制研究較多，但對于早期白質(zhì)脫髓鞘斑塊的形成目前尚不清楚。研究多發(fā)性硬化尸檢大腦中正常白質(zhì)組織的基因表達，采用微陣列方法發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt信號通路有助于腦內(nèi)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和神經(jīng)保護，下游分子缺氧誘導因子α和血管內(nèi)皮生長因子受體基因表達上調(diào)，促進蛋白轉(zhuǎn)錄，加速血管再生，表明多發(fā)性硬化病變發(fā)生時經(jīng)PI3K/Akt通路信號轉(zhuǎn)導，缺血預處理參與細胞保護，抵抗氧化應激，為進一步研究特異性神經(jīng)保護劑提出實驗證據(jù)［19］。

7 癲癇

重組人紅細胞生成素對大鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)誘導的神經(jīng)元凋亡具有保護作用，而這種保護作用是通過PI3K/Akt通路實現(xiàn)的。大鼠在癲癇持續(xù)狀態(tài)下海馬神經(jīng)元凋亡明顯。紅細胞生成素發(fā)揮神經(jīng)保護作用，其機制可能是通過PI3K/Akt通路調(diào)控caspase-9和X-連鎖凋亡抑制蛋白，進而介導線粒體凋亡［20］。同樣，二氮嗪預處理對癲癇大鼠的抗氧化作用也與PI3K/Akt通路有關［21］。

8 多系統(tǒng)萎縮

在多系統(tǒng)萎縮的一些形態(tài)學特征就是少突膠質(zhì)細胞凋亡。大量的證據(jù)表明，PI3K與細胞凋亡的調(diào)控密切相關［14］。免疫組化檢測多系統(tǒng)萎縮的尸檢樣本的小腦和腦橋PI3K的變化，發(fā)現(xiàn)對照組PI3K陽性出現(xiàn)在一些神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞數(shù)中，但多數(shù)PI3K陽性少突膠質(zhì)細胞出現(xiàn)于腦橋和小腦。此外，一些多系統(tǒng)萎縮樣本神經(jīng)元出現(xiàn)強烈PI3K標記。研究結(jié)果表明，在多系統(tǒng)萎縮少突膠質(zhì)細胞中PI3K的上調(diào)可能和某些神經(jīng)元應對細胞凋亡信號有關［22］。

9 亨廷頓病

基因表達的失調(diào)是亨廷頓病所涉及的病理生理機制之一。通過檢測突變亨廷頓調(diào)節(jié)PH域和亮氨酸豐富重復蛋白磷酸酶1(PH domain and leucine rich repeat protein phosphatase，PHLPP1)，也就是去磷酸化Akt(Ser473)蛋白的磷酸酶。研究結(jié)果表明，剔除小鼠模型紋狀體PHLPP1蛋白水平下降［23］。定量聚合酶鏈反應分析表明，紋狀體PHLPP1 mRNA水平減少，磷酸化Akt(Ser473)水平增加。結(jié)果表明，突變亨廷頓紋狀體PHLPP1表達下調(diào)有助于維持高水平的Akt，延緩細胞死亡。

10 進行性肌營養(yǎng)不良癥

骨骼肌PI3K激酶通路的激活可誘導肌肉肥大。胰島素樣生長因子1誘導肌肉主要是通過激活PI3K/Akt信號通路實現(xiàn)的［24］。杜氏肌營養(yǎng)不良癥是一種致命的神經(jīng)肌肉疾病，目前還沒有有效的治療方法。研究發(fā)現(xiàn)丙戊酸(丙戊酸鈉)可通過激活肌管Akt/mTOR/p70S6K途徑，抑制細胞凋亡，提高整合素7水平，導致肌肉肥厚［25］。丙戊酸鈉治療可降低膠原蛋白水平和肝纖維化，減少后肢攣縮。丙戊酸鈉治療的小鼠出現(xiàn)細胞膜的完整性增加和損害減少，CD8陽性炎性細胞減少，肌肉中激活Akt水平增高。因此，丙戊酸鈉具有重要的生物學效應，可能適用于肌肉營養(yǎng)不良的治療。

11 小結(jié)

PI3K/Akt在不同的細胞與蛋白質(zhì)中發(fā)生級聯(lián)反應，產(chǎn)生不同的生理作用或病理作用，導致疾病發(fā)生。深入研究PI3K/Akt信號轉(zhuǎn)導通路在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的關鍵調(diào)節(jié)步驟，將有助于闡明腦血管疾病、神經(jīng)變性疾病、脫髓鞘疾病、運動障礙性疾病、癲癇和肌肉疾病等的發(fā)病機制，對尋找新的治療手段、探索新的診斷方法(如生物學標記、基因診斷)至關重要。

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