PI3-KAKT信号通路在中枢神经系统损伤中的保护作用

PI3-K/AKT信号通路在中枢神经系统损伤中的保护作用*杨帆#综述周其全&审校(第三军医大学高原军事医学系高原疾病学教研室；教育部高原医学重点实验室，全军高原医学重点实验室，重庆400038)摘要：PI3-K/AKT通路是由磷脂酰肌醇-3羟基激酶（phosphatidylinositol3-kinase，PI3-K）始动的生物信号传导通路，其在细胞增殖、周期调控、凋亡的启动、血管生成等方面发挥关键性作用。此外，PI3-K/AKT通路还与中枢神经系统损伤的保护机制密切相关。通过对PI3-K/AKT、下游分子及其调控机制的深入研究，不仅可以进一步了解细胞生命活动规律，而且可为脑损伤的治疗提供新的思路和方法。关键词：PI3-K、AKT、BBB、脑损伤、脑保护TheprotectionofPI3-K/AKTsignalroutingincentrallesionYangFanandZhouQiquanDepartmentofHighAltitudeDiseases,CollegeofHighAltitudeMilitaryMedicine,ThirdMilitaryMedicalUniversity;KeyLaboratoryofHighAltitudeMedicineofEducationMinistry,KeyLaboratoryofHighAltitudeMedicineofPLA,Chongqing400038,China;Abstract:PI3-K/AKTroutingisabiologicalsignalingroutingactivatedbyphosphatidylinositol3-kinase,playingakeyroleincellproliferation,Cycleregulation,Apoptosisstart,Angiogenesis,etc.Inaddition,PI3-K/AKTroutingisboundupwiththeProtectionmechanismofcentrallesion.BylucubratingaboutPI3-K/AKT,Downstreammoleculesanditsregulationmechanisms,notonlycanweknowmoreaboutcellbehaviors,butalsoobtainnewideasandmethodsfortreatmentofbraininjury.Keywords:PI3-K、AKT、BBB,cerebraldamage,cerebralprotectionPI3-K/AKT通路是由磷脂酰肌醇-3羟基激酶（phosphatidylinositol3-kinase，PI3-K）始动的生物信号传导通路，PKA和PKC相关的蛋白激酶（relatedtotheAandCkinase,Rac)AKT处于这一通路的中心环节，其功能涉及细胞增殖、周期调控、凋亡的启动、血管生成、端粒酶活性和细胞侵袭性等诸多方面，并在大脑缺血缺氧性损伤的保护中凸现出日益重要的作用。本文就PI3-K/AKT信号通路相关分子的结构、功能调控、下游信号以及对中枢神经系统保护作用研究进展作一综述。1．PI3-K/AKT的结构及活化1.1AKT基本结构AKT，属丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是鼠类胸腺瘤病毒(T-8strainfromAKR/Jmouse，AKT8)V-AKT致癌基因的同源物，因与PKA、PKC高度同源故被命名为蛋白激酶B（proteinkinaseB，PKB）。AKT由480个氨基酸组成，其蛋白结构包括PH结构域、催化结构域以及尾部调节结构域。氨基端的PH同源结构域可以完成蛋白质之间的相互识别，中间的催化结构域具有ATP的结合位点，羧基端的调节部分有利于与其他疏水基团相互作用[1]。未激活的AKT以失活状态存在于胞浆中，当其受到上游分子调节发生磷酸化激活，AKT激活后募集至胞膜，随后转位至胞质和胞核，并与相应的蛋白底物发生特定部位的丝/苏氨酸磷酸化[2]。1.2PI3-K始动激活PI3-K是由一个调节亚基（p85）和催化亚基（p110）组成的异源二聚体，是一种具有第二信使特征的脂类衍生物，除具有磷脂酰激酶活性外，还具有丝/苏氨酸蛋白激酶活性，能够激活AKT。PI3-K在上游激活因子的作用下激活并在细胞膜产生3，4二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）和3，4，5三磷酸磷脂酰肌醇（PIP3），PIP2的作用于并AKT使之达到部分激活状态；PIP3能与磷脂酰肌醇依赖的激酶-1（phosphoinositidedependentkinase-1，PDK1）结合磷酸化AKT的Thr308位点，另一方面PDK2磷酸化AKT的Ser473位点，AKT两个位点同时磷酸化后被完全活化，活化的AKT由细胞膜上释放下来，通过一系列的底物磷酸化活化或抑制下游靶蛋白[2]，进而调节细胞增殖、分化、凋亡和侵袭。2.ATK下游信号分子2.1mTOR蛋白活化哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammaliantargetofrapamycin，mTOR）是一种高度保守的非典型丝/苏氨酸激酶。根据结构及功能差异，mTOR可分为mTORC1和mTORC2两类。mTORC1通过核糖体S6激酶-1（S6K1）和起始因子4E(eIF-4E)结合蛋白-1（4E-BP1）磷酸化，促进蛋白质翻译和细胞增殖，mTORC2通过AKT的磷酸化激活调节细胞骨架构成及细胞存活。另外，mTORC1通过抑制S6K下调IRS-1/2表达，阻碍PI3-K激活，形成负反馈环路[3]。正常情况下，结节性硬化复合物1（tuberoussclerosiscomplex1，TSC1）与TSC2结合形成复合物，TSC1/TSC2复合物是小GTP酶Rheb的抑制剂，而Rheb是mTOR活化所必需的刺激蛋白，因此TSC-1/TSC-2在正常情况下抑制mTOR的功能；过度暴露生长因子，AKT通过PI3-K/AKT激活，活化的AKT可直接激活mTOR，进而磷酸化TSC-2的Ser939和Thr1462，抑制TSC1/TSC2复合物的形成，从而解除Rheb的抑制作用，激活mTOR[4]；活化的mTOR通过磷酸化蛋白翻译过程中的某些因子来参与细胞功能，mTOR激活P70S6K与促进细胞生长和细胞自噬相关；同时激活的mTOR也可直接作用于HIF-1、PGC-1α等核转录因子，调控下游基因表达[5]。最近研究发现，作为缺氧应答产物，缺氧诱导因子HIF-1可通过HIF-1-REDD1轴，促进TSC1/TSC2复合物形成，阻断mTORC1，因此缺氧可能成为TSC1/2-mTOR信号的直接调控途径[6]。2.2GSK-3β磷酸化糖原合成酶激酶-3(Glycogensynthasekinase-3β，GSK-3β)是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶，参与组成PI3-K/AKT，Wnt/wingless和Hedgehog等信号转导通路。AKT可直接将GSK-3β的Ser9磷酸化，磷酸化的GSK-3β可进一步使cyclinD1蛋白的Thr286磷酸化，进而抑制cyclinD1细胞核输出和胞质内蛋白酶体途径降解。Tan等在观察G1/S期细胞中通过激活的AKT抑制GSK-3β，导致核内cyclinD1蛋白积累[7]。而在长期培养的FR细胞中，通过连续激活AKT/GSK-3β途径，下调cyclinD1蛋白降解，进而引起G1/S细胞周期检查点扰乱[8]。此外，AKT/GSK-3β与细胞的存活和增殖过程有关，其激活后可能增加化学、辐射和缺氧等特殊环境的敏感性而增强细胞存活增殖能力[9]。2.3CREB活化cAMP反应元件结合蛋白(cyclic-AMPresponsebindingprotein,CREB)是富含含亮氨酸拉链结构（bZIP）的超家族成员。其二级结构含两个功能区，C端富含碱性氨基酸的DNA结合区；N端是富含酸性氨基酸的转录调节区,结构包括具有多种激酶诱导结构域KD区、具有拮抗KD区的功能X区、能增强CREB转录功能的α区、刺激转录活性的关键部位Q3区以及具有辅助转录作用的Q2区和PRO区。受上游因子调控，活化的AKT转入细胞核,磷酸化CREB的Ser133位点并使之激活，活化后的CREB相互聚合后具有生物学活性，若磷酸化的CREB与其他蛋白聚合，则形成无活性异源二聚体,CREB活化后与真核生物启动子中的CRE结合,并在其辅因子CREB结合蛋白（CBP）磷酸化的协同作用下,共同调控CREB靶基因转录[10]。4.PI3-K/AKT对中枢神经系统的保护4.1PI3-K/AKT对神经元的保护作用PI3-K/AKT是经典的细胞存活信号通路，其保护神经元细胞存活的机制主要包括以下几个方面：1）通过产生神经生长因子和神经营养因子抑制神经元细胞凋亡；2）磷酸化激活下游的底物caspases、P53、CREB和FHKRL1等抑制细胞凋亡；3）通过线粒体途径干预神经细胞凋亡；4）通过EPO/EPOR系统保护神经元。血管内皮生长因子（VEGF）、肝细胞生长因子（HGF）、脑源性神经营养因子（BDNF）可激活PI3-K/AKT起始神经元保护效应。Lu等发现脂肪间充质干细胞可释放VEGF、HGF、BDNF，这些细胞因子与相应受体结合后激活PI3-K/AKT信号通路。引起AKT磷酸化，凋亡抑制蛋白（XIAP）上调，裂解活化的Caspase-3使其水平下降，从而降低谷氨酸的兴奋性毒性引起的神经细胞凋亡[11]。半胱天冬酶(caspase)是细胞凋亡的启动者和效应者。通过依赖Ras的方式，caspase-9被PI3-K/AKT磷酸化，因而不能被细胞色素C诱导切割，不被功能性胱天蛋白酶消化，促进了细胞存活。AKT磷酸化caspase-9的ser196使之失活，抑制下游联级放大反应从而抑制凋亡过程，caspase-9激活酶原caspase-3，caspase-3活化后特异性切割DNA，使DNA损伤修复所需的聚ADP核糖聚合酶(PARP)和DNA依赖的蛋白激酶(DNA-PK)等失活，导致染色质凝聚和核酶激活，引起细胞凋亡。辅酶Q10(CoQ10)通过增加p85aPI3-K的表达，上调AKT磷酸化水平，AKT活化后可直接磷酸化Caspase-3、GSK-3β以及神经元细胞存活相关的热休克蛋白转录因子，Caspase-3磷酸化后裂解活化受抑制，促进神经细胞存活[12]。此外，激活AKT可以使caspase-9（Serl96）磷酸化失活，抑制其促凋亡作用；同样道理，活化PI3-K/AKT，可减少下游caspase-9等蛋白的磷酸化，促进神经干细胞的存活[13]。P53是AKT下游重要的应答信号，在神经细胞的凋亡、衰老以及细胞周期阻滞中具有重要意义。P53通过上调IGF-BP3,PTEN,TSC2,AMPK,以及Sestrin1/2负性调节PI3-K/AKT通路，mTORC1能够激活PP2A磷酸化造成p53（Ser15）去磷酸化导致p53功能抑制，而AMPK磷酸化p53（Ser15）将其激活，p53-PTEN-AKT-MDM2形成正反馈环路激活p53，而AKT-MDM2-p53形成负反馈环路负性调节p53，促进p53的失活或降解，阻断p53介导的促凋亡转录反应[14]。这些p53和PI3-K/AKT之间广泛的交互作用可以减少应激反应错误积累，促进应激后胞内稳态的恢复，有利于神经元的存活。ATK下游底物CREB在神经保护过程中具有重要意义。Lin等在新生大鼠脑缺血预处理的研究中发现,非致死性缺血再灌注能活化CREB,上调BCL-2,下调caspase3,从而减少神经元凋亡,对其后产生的严重缺血性脑损伤起保护作用[15]。在大鼠Aβ(25-35)诱导脑神经毒性模型中，白藜芦醇可有效激活PI3-K/AKT通路，活化后的AKT使下游分子CREB磷酸化，抑制海马CA1型神经元细胞死亡；但当使用PI3-K抑制剂LY294002后，伴随AKT、CREB磷酸化水平降低，白藜芦醇对神经元保护作用下降[16