張治楠 梁麗艷 連嘉惠 黃蕓 鐘正 曲姍姍 黃泳

1南方醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院（廣州510515）；2南方醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院（廣州510515）；3南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院（廣州510515）

PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路是調(diào)控細(xì)胞周期的經(jīng)典通路之一，對(duì)于細(xì)胞分裂，分化，存活，腫瘤發(fā)生有重要的調(diào)控作用。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在中樞神經(jīng)系統(tǒng)也扮演著各種重要角色，其異常也與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的許多疾病密切相關(guān)。本文就目前PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路的研究進(jìn)展，介紹其主要組成，和在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理、病理過(guò)程中的作用，為神經(jīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)研究及臨床治療提供新思路。

1 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的組成

1.1 PI3K為主導(dǎo)的啟動(dòng)系統(tǒng) 磷脂酰肌醇3?激酶（phosphatidylinositol 3?kinase，PI3K）是一種胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶。多種生長(zhǎng)因子和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子都能啟始PI3K的激活過(guò)程，如表皮生長(zhǎng)因子（epider?mal growth factor，EGF）、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子（fi?broblast growth factor，F(xiàn)GF）、胰島素、胰島素樣生長(zhǎng)因子?1（insulin?like growth factor 1，IGF?1）、鈣離子、鈣調(diào)蛋白（calmodulin，CaM）［1］。當(dāng)這些生長(zhǎng)因子信號(hào)與酪氨酸激酶受體（receptor tyrosine kinases，RTKs）等跨膜受體的胞外結(jié)構(gòu)域結(jié)合后，受體發(fā)生自身磷酸化，PI3K即被募集到受體磷酸化部位，催化質(zhì)膜表面的磷酯酰肌醇二磷酸（phosphati?dylinositol?4，5?bisphosphate，PIP2）生成磷脂酰肌醇?3，4，5?三磷酸（phosphatidylinositol?3，4，5?trisphos?phate，PIP3），PIP3作為第二信使進(jìn)一步激活下游AKT信號(hào)分子，啟動(dòng)PI3K/AKT通路［2］。

圖1 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路參與中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理、病理過(guò)程示意圖Fig.1 PI3K/AKT/mTOR signaling pathway in physiological and pathological processes of central nervous system

1.2 AKT/mTOR為核心的調(diào)控節(jié)點(diǎn) 蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）又稱AKT，是一種胞內(nèi)絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶。PI3K被激活在質(zhì)膜上產(chǎn)生第二信使PIP3，PIP3與細(xì)胞內(nèi)AKT結(jié)合，AKT從胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)磷酸化從而激活?；罨腁KT可使細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞核內(nèi)的一系列底物發(fā)生磷酸化，其中最重要的底物之一便是哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）［3］。

AKT可直接或間接磷酸化mTOR從而激活mTOR［2］。mTOR激活后，形成mTOR復(fù)合物1（mam?malian target of rapamycin complex 1，TORC1），是PI3K/AKT下游的核心組件［4］。mTOR通過(guò)調(diào)控多種在翻譯過(guò)程中有重要作用的蛋白，如真核細(xì)胞翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白（eukaryotic translation initiation factor 4E binding proteins，eIF4EBP）和p70核糖體蛋白S6激酶（p70S6 kinase，p70S6K），啟動(dòng)各類蛋白質(zhì)合成［5］。

1.3 PTEN為主的負(fù)調(diào)控機(jī)制 磷酸酶?張力蛋白基因（phosphatase and tensin homolog，PTEN）編碼的蛋白PTEN是PI3K/AKT/mTOR通路的天然抑制因子。它能夠?qū)IP3脫磷酸化變?yōu)镻IP2，從而抑制PI3K/AKT通路在細(xì)胞膜上的啟動(dòng)程序［6］。在PTEN活性下降的情狀況下，該通路活化增加，細(xì)胞表現(xiàn)為凋亡減少，細(xì)胞生存和增殖活躍［7］。因此PTEN是該通路最主要的負(fù)調(diào)控機(jī)制之一。

2 調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞多個(gè)生理過(guò)程

PI3K/AKT/mTOR通路激活能激活/抑制胞內(nèi)各種蛋白磷酸化，調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞細(xì)胞存活/凋亡、自噬、神經(jīng)發(fā)生及神經(jīng)細(xì)胞增殖以及突觸可塑性［8］。

2.1 細(xì)胞存活和自噬 AKT激活能夠抑制細(xì)胞凋亡通路。AKT可磷酸化BCL?2相關(guān)細(xì)胞凋亡促進(jìn)因子（bcl2?associated agonist of cell death，BAD），從而夠抑制細(xì)胞凋亡途徑的起始過(guò)程，抑制凋亡通路激活，減少細(xì)胞凋亡［9］。

總體來(lái)說(shuō)，PI3K/AKT/mTOR激活抑制自噬進(jìn)程，是自噬調(diào)控的主要節(jié)點(diǎn)［10-11］。激活的mTORC1能夠催化一系列自噬啟始蛋白磷酸化，從而抑制自噬的形成。此外，mTORC1也能抑制參與自噬相關(guān)蛋白合成的轉(zhuǎn)錄因子，減少自噬發(fā)生［12］。

2.2 神經(jīng)發(fā)生及增殖分化 PI3K/AKT/mTOR通路缺乏抑制時(shí)，神經(jīng)前體細(xì)胞的細(xì)胞周期間期加速，迅速進(jìn)入分裂期，從而加快了神經(jīng)元細(xì)胞的增殖和分化，對(duì)于神經(jīng)發(fā)生及神經(jīng)細(xì)胞增殖分化有重要的調(diào)節(jié)作用［13］。

2.3 突觸可塑性 突觸可塑性增加表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long?term potentiation，LTP），反之則表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)程抑制（long?term depression，LTD）［14］。LTP的發(fā)生，需要激活N?甲基?D?天冬氨酸（N?methyl?D?aspartic acid，NMDA）受體，從而促進(jìn)α?氨基?3?羥基?5?甲基?4?異惡唑丙酸（α?amino?3?hydroxy?5?methyl?4?isoxazolepropionic acid，AMPA）受體插入突觸后膜。一方面，mTOR能增加LTP相關(guān)蛋白的表達(dá)，PI3K也能結(jié)合AMPA受體，引導(dǎo)其在膜上的分布［15］。NMDA受體激活導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流和鈣調(diào)蛋白激活的也能激活PI3K，相互促進(jìn)。此外，AKT將磷酯酰肌醇（phosphatidylinositol，PI）固定于突觸后膜，從而招募AMPA受體的對(duì)接蛋白，促進(jìn)AMPA受體在突觸后膜的固定［17-18］。因此，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在多個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)控神經(jīng)元突觸可塑性。

3 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常與神經(jīng)系統(tǒng)疾病

3.1 阿爾茨海默病 阿爾茨海默?。ˋlzheimer′s disease，AD）是常見的慢性神經(jīng)退行性疾病，表現(xiàn)為進(jìn)行性記憶減退。AD發(fā)病的主要機(jī)制是淀粉狀蛋白β（amyloid beta，Aβ）結(jié)合過(guò)度磷酸化的tau蛋白與神經(jīng)原纖維纏結(jié)，過(guò)度沉積，導(dǎo)致淀粉狀蛋白斑、神經(jīng)纖維纏結(jié)，損傷神經(jīng)元［18］。

研究［19］表明，AD與PI3K/AKT/mTOR異常激活相關(guān)。AD患者腦組織的神經(jīng)原纖維纏結(jié)和過(guò)度磷酸化tau蛋白常與該通路下游的p70S6K增加同時(shí)出現(xiàn)［20］。且p70S6K的總量、磷酸化程度與tau蛋白總量和磷酸化tau蛋白量成正比，故tau蛋白的翻譯合成與過(guò)度磷酸化均與mTOR的激活相關(guān)［21］。但p70S6K導(dǎo)致tau蛋白增加及過(guò)度磷酸化的機(jī)制尚不明確。有研究者提出，tau蛋白的mRNA屬于5′?Top mRNA（5′?terminal oligopyrimidine tract mRNA），mTOR激活后能選擇性地促進(jìn)此類mRNA啟動(dòng)的翻譯，通過(guò)促進(jìn)tau的翻譯來(lái)上調(diào)tau蛋白蛋白量［23］。同時(shí)，mTOR通過(guò)磷酸化作用和抑制蛋白磷酸酯酶2A（tau脫磷酸的關(guān)鍵酶）活性來(lái)增加tau蛋白磷酸化程度［23］。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也表明3xTg AD模型小鼠與S6K1敲除小鼠雜交的后代的mTOR通路激活被抑制，其Aβ沉淀、tau蛋白磷酸化以及記憶損傷均減少［24］。且雷帕霉素、西羅莫司脂化物等mTOR抑制劑都能對(duì)抗AD模型動(dòng)物腦內(nèi)tau蛋白引起的神經(jīng)元損傷［25?26］。

此外，tau蛋白也是AKT的磷酸化底物之一，AD的腦內(nèi)的AKT過(guò)度激活，也是tau蛋白過(guò)度磷酸化的原因之一［27］。且AD患者腦內(nèi)的真核起始因子4E（eukaryotic translation initiation factor 4E，eIF4E，mTOR下游蛋白）高出正常人100倍，mTOR可能通過(guò)激活eIF4E增加tau蛋白合成的轉(zhuǎn)錄過(guò)程［28］。

另一方面，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活，神經(jīng)元自噬水平受到抑制，無(wú)法及時(shí)清除胞內(nèi)堆積的Aβ和tau蛋白，也一定程度加重了AD腦內(nèi)的淀粉狀蛋白斑產(chǎn)生和神經(jīng)纖維纏結(jié)［29］。

因此，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活與AD的發(fā)病密切相關(guān)。以往治療致力于清除斑塊，但這種思路并未取得突破性進(jìn)展。近年來(lái)的研究提示AD的發(fā)生與神經(jīng)元過(guò)度活躍相關(guān)，過(guò)度活躍的神經(jīng)元不斷傳遞錯(cuò)誤的神經(jīng)信號(hào)，導(dǎo)致腦內(nèi)的信號(hào)處理環(huán)路損傷，促進(jìn)Aβ沉積［30］。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活，一方面，導(dǎo)致神經(jīng)元的過(guò)度活躍，傳遞錯(cuò)誤信號(hào)，產(chǎn)生損傷，同時(shí)促進(jìn)Aβ沉積；另一方面，抑制自噬對(duì)Aβ的清除作用。即增加斑塊形成，減少斑塊清除，這無(wú)疑為臨床治療AD提供了一個(gè)新方向［25］。

3.2 帕金森病 帕金森?。≒arkinson′s disease，PD）是一種中老年常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，表現(xiàn)為靜止性震顫、運(yùn)動(dòng)遲緩、肌強(qiáng)直和姿勢(shì)步態(tài)異常，以黑質(zhì)多巴胺（dopamine，DA）能神經(jīng)元變性缺失和嗜酸性包涵體（Lewy體）形成為特征［31］。

Lewy體的形成主要是α?突觸核蛋白（alpha?synuclein）在胞內(nèi)沉積，導(dǎo)致神經(jīng)元變性凋亡。自噬可以降解α?突觸核蛋白，對(duì)抗Lewy體中的α?突觸核蛋白沉淀，故PD患者腦內(nèi)通常伴隨自噬增加［32］。雷帕霉素可通過(guò)抑制mTOR激活自噬過(guò)程，減少α?突觸核蛋白沉淀［33］。故抑制PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路能夠通過(guò)促進(jìn)自噬清除α?突觸核蛋白，保護(hù)神經(jīng)元，對(duì)抗PD。

但PI3K/AKT/mTOR對(duì)于PD的作用不是單向的，其激活也能對(duì)抗PD。首先，AKT或p70S6K的持續(xù)激活對(duì)PD模型小鼠的黑質(zhì)紋狀體神經(jīng)元有保護(hù)作用［34］。敲除PTEN具有神經(jīng)保護(hù)作用，促進(jìn)DA神經(jīng)元生長(zhǎng)迅速［35］。mTORC1激活也能保護(hù)DA神經(jīng)元，促進(jìn)細(xì)胞存活而對(duì)抗PD［36］。既然激活PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路能夠抗PD，那為何抑制mTOR也能抗PD，有研究者認(rèn)為，雷帕霉素在抑制mTOR的同時(shí)，也抑制了DNA損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子?4（DNA?damage?inducible transcript 4，DDIT4）的轉(zhuǎn)錄，DDIT4是mTORC1的強(qiáng)效抑制劑，能夠通過(guò)抑制mTORC1誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡，在PD發(fā)病時(shí)，該蛋白也會(huì)異常升高［37］。

多巴胺能神經(jīng)元丟失是PD的關(guān)鍵病理改變，但目前PD的治療多局限于補(bǔ)充腦內(nèi)DA，在保護(hù)及恢復(fù)多巴胺能神經(jīng)元上還沒有有效方法，因此只能延緩病情，不能從根本上治療PD。PI3K/AKT/mTOR通路參與PD的病理生理過(guò)程，雖然其激活會(huì)抑制自噬，但同時(shí)對(duì)多巴胺能神經(jīng)元有保護(hù)作用。研究［38］也表明，激活PI3K/AKT/mTOR能促進(jìn)神經(jīng)元的存活，對(duì)抗PD進(jìn)展。

3.3 亨廷頓病 亨廷頓?。℉untington′s disease，HD）又稱亨廷頓舞蹈癥，臨床表現(xiàn)為進(jìn)行性舞蹈樣運(yùn)動(dòng)和癡呆，主要病因?yàn)榈?號(hào)染色體亨廷頓蛋白（huntingtin，HTT）基因上CAG堿基序列重復(fù)次數(shù)異常增多，突變亨廷頓蛋白（mutant hunting?tin，mHTT）在胞漿胞核聚集，產(chǎn)生神經(jīng)毒性，導(dǎo)致神經(jīng)元功能受損甚至變性［37］。

mHTT能夠激活PI3K/AKT/mTOR通路，減少自噬，無(wú)法清除沉積的mHTT［38］。反之，雷帕霉素通過(guò)抑制mTOR活性，減少HD模型動(dòng)物mHTT聚集物，減少神經(jīng)退行性病變［39］。激活HD大鼠紋狀體mTOR，mHTT病理產(chǎn)物加快沉積，HD癥狀也隨之加重［40］。

HD目前尚無(wú)根本性治療手段。且HD主要由HTT基因突變產(chǎn)生的mHTT蛋白導(dǎo)致，因此降低mHTT蛋白水平是治療亨廷頓病極具前景的治療方法。mHTT能導(dǎo)致PI3K/AKT/mTOR通路異常激活，削弱了自噬對(duì)mHTT的清除作用，加速了HD的神經(jīng)退行性病變，而抑制PI3K/AKT/mTOR能一定程度恢復(fù)受抑制的自噬過(guò)程，從而保護(hù)細(xì)胞，起到抗PD的作用［41］。

3.4 抑郁癥 前額葉與海馬是抑郁發(fā)病的兩個(gè)關(guān)鍵腦區(qū)，近年來(lái)的研究表明抑郁的發(fā)病機(jī)制與海馬、前額葉的突觸可塑性改變聯(lián)系密切［42?43］。PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在多個(gè)節(jié)點(diǎn)調(diào)控神經(jīng)元突觸可塑性，抑郁狀態(tài)下，該通路的活性明顯下降。抑郁患者相較于正常人，其前額葉該通路激活程度下降，而且PTEN明顯增加［44］。海馬的該通路也被抑制，易患病人群的抑制更為明顯，治療后，通路活性恢復(fù)正常水平［45］。同時(shí)，抑郁的誘發(fā)因素，如長(zhǎng)期攝入糖皮質(zhì)激素，也會(huì)導(dǎo)致海馬及前額葉的PTEN上調(diào)和該通路的活性明顯下降。而且，目前使用的各類抗抑郁藥都能夠提高海馬及前額葉的PI3K/AKT/mTOR通路的活性［46］。而雷帕霉素能夠通過(guò)抑制mTOR抵消上述抗抑郁作用［47］。

目前，臨床主要的抗抑郁藥需要服用數(shù)周乃至數(shù)月后起效，因此新的藥物開發(fā)主要聚焦快速起效以及對(duì)難治性抑郁的效果。快速起效的抗抑郁藥如氯胺酮（Ketamine），在難治性抑郁癥患者身上表現(xiàn)出的快速、持久、強(qiáng)大的療效。研究［48］表明，氯胺酮能夠通過(guò)激活前額葉AKT來(lái)提高mTOR活性，促進(jìn)突觸相關(guān)蛋白的合成，影響突觸可塑性，從而達(dá)到治療作用。目前，氯胺酮鼻腔內(nèi)給藥制劑（艾氯胺酮，esketamine）近期已在美國(guó)上市并運(yùn)用于治療難治性抑郁癥，在治療抑郁癥方面有巨大潛力。

3.5 中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤 PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路是各種腫瘤發(fā)生的經(jīng)典信號(hào)通路，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤發(fā)生也關(guān)系密切。膠質(zhì)細(xì)胞瘤患者的mTOR1，2途徑均異常激活［49］。惡性膠質(zhì)瘤通常伴有PTEN變異和mTOR過(guò)度激活，而且基本上所有的惡性膠質(zhì)瘤都有EGF（PI3K的激活分子之一）的過(guò)度表達(dá)［50］。

PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路抑制劑作為輔助治療是抗腫瘤藥物研發(fā)的熱點(diǎn)方向之一。特異性mTOR抑制劑治療膠質(zhì)母細(xì)胞瘤，均有一定效果［51?52］。但PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路抑制劑只能一定程度限制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，而且特異性不強(qiáng)，對(duì)比手術(shù)、放化療等傳統(tǒng)治療方法，只能作為輔助治療。尋找細(xì)胞毒性更強(qiáng)，特異性更好的PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路抑制劑將對(duì)多種神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤乃至其他癌癥的治療都有重要意義。

3.6 皮質(zhì)發(fā)育畸形 PI3K/AKT/mTOR通路調(diào)控神經(jīng)元增殖，在大腦發(fā)育過(guò)程中有重要作用。但發(fā)育過(guò)程中該通路的過(guò)度激活會(huì)導(dǎo)致大腦過(guò)度生長(zhǎng)，表現(xiàn)為各類皮質(zhì)發(fā)育畸形（malformations of cor?tical development，MCDs）。許多類型的MCDs均有PI3K、AKT基因變異［53］。此外，PTEN基因變異后，PI3K/AKT/mTOR通路失去有效的負(fù)調(diào)控機(jī)制，過(guò)度激活，導(dǎo)致細(xì)胞增殖過(guò)度，表現(xiàn)為巨腦癥［54］。

對(duì)MCDs的診斷主要依靠影像學(xué)的形態(tài)學(xué)特征改變，但對(duì)于患病程度較輕的胎兒，診斷有一定困難，此外形態(tài)學(xué)改變往往表現(xiàn)在胎兒發(fā)育的中后期，而早期診斷有利于減輕父母精神和家庭負(fù)擔(dān)，至關(guān)重要。對(duì)上述基因的變異進(jìn)行檢測(cè)鑒定，無(wú)疑為MCDs的早期診斷提供了便利。

4 總結(jié)與展望

PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路廣泛存在于各種神經(jīng)細(xì)胞中，其中PI3K分布于細(xì)胞膜周圍，接受細(xì)胞外刺激，啟動(dòng)該通路，進(jìn)而激活下游的AKT/mTOR，促進(jìn)神經(jīng)元存活、軸突再生、神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)元增殖分化、突觸可塑性，抑制自噬。而PTEN則作為重要的負(fù)調(diào)控機(jī)制，能夠防止其過(guò)度激活。AD、PD、HD屬于常見的神經(jīng)退行性病變，這些疾病一個(gè)重要的共同點(diǎn)便是神經(jīng)元內(nèi)病理產(chǎn)物的異常堆積，影響神經(jīng)元正常生理活動(dòng)，甚至導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。這些疾病的PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活，導(dǎo)致自噬受抑制，加重病理產(chǎn)物沉積，故抑制該通路能一定程度減輕這些疾病的病情。反之，PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路受抑制時(shí)，神經(jīng)元的突觸可塑性受損，導(dǎo)致抑郁癥的發(fā)生。而PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路相關(guān)蛋白基因突變，常導(dǎo)致通路的異常激活，成年人表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤，胚胎則發(fā)展為皮質(zhì)發(fā)育畸形。

因此，中樞神經(jīng)系統(tǒng)PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路過(guò)度激活或過(guò)度抑制，都會(huì)導(dǎo)致病變。目前研究對(duì)PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路在這些腦神經(jīng)疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用有了較為深入的解釋，但一部分機(jī)制仍不明確。此外，如何人為調(diào)控PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路，從而治療上述腦神經(jīng)疾病也是一大挑戰(zhàn)。應(yīng)當(dāng)繼續(xù)中樞神經(jīng)系統(tǒng)PI3K/AKT/mTOR信號(hào)通路的研究，有望為以上腦神經(jīng)疾病的機(jī)制研究和治療提供更多可靠的依據(jù)。