王 卯宋軍營張振強(qiáng)*

(1.河南中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,鄭州 450000;2.河南中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥科學(xué)院,鄭州 450046)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一種慢性進(jìn)行性神經(jīng)退行性疾病,占癡呆癥病例的70%～80%,以認(rèn)知功能缺陷、行為異常和日常生活能力受損為其主要特征[1]。隨著人口老齡化加劇,目前全球約有4400萬人正在遭受AD困擾,預(yù)計(jì)到2050年,全世界癡呆癥患者將達(dá)到1.5億[2]。AD的病理學(xué)特征主要包括Aβ沉積形成的老年斑、tau蛋白異常磷酸化形成神經(jīng)纖維纏結(jié)以及神經(jīng)元-突觸損傷。盡管進(jìn)行了30多年的深入研究,提出的可能的發(fā)病機(jī)制包括β淀粉樣蛋白級連假說、tau蛋白異常磷酸化學(xué)說、氧化應(yīng)激學(xué)說、炎癥反應(yīng)學(xué)說、自由基學(xué)說等[3-4],然而目前對于AD的發(fā)病機(jī)制仍尚未明確。近來研究發(fā)現(xiàn),人腦和動物模型的實(shí)驗(yàn)研究一致表明,腦胰島素信號通路異?；蛞葝u素抵抗促進(jìn)并加速認(rèn)知功能障礙和AD的發(fā)生發(fā)展[5],參與胰島素信號通路的不同蛋白的表達(dá)變化在神經(jīng)變性和AD中起重要作用。Akt作為胰島素信號通路的關(guān)鍵靶點(diǎn),在胰島素抵抗、調(diào)節(jié)細(xì)胞活性、促進(jìn)細(xì)胞凋亡等方面發(fā)揮核心作用[6],因此,本文以Akt作為切入點(diǎn),結(jié)合最新研究,綜述其不同的翻譯后修飾在AD發(fā)病的可能機(jī)制中的作用,以期為預(yù)防及治療阿爾茨海默病提供新的研究思路。

1 Akt磷酸化與AD

Akt,又稱為蛋白激酶B(protein kinase,PKB),30年前Stephen Staal從Akt8逆轉(zhuǎn)錄病毒的致癌細(xì)胞中獲得的致癌基因[7],作為一種57×103的絲氨酸-蘇氨酸(Ser/Thr)特異性蛋白激酶[8],其具有三種亞型,即Akt1、Akt2、Akt3[9]。其中Akt1主要分布在組織中,Akt2主要位于肌肉和脂肪細(xì)胞,而Akt3主要表達(dá)在腦細(xì)胞中[10]。Akt有兩個(gè)磷酸化調(diào)控修飾的活性位點(diǎn)Ser473和Thr308,分別位于催化結(jié)構(gòu)域(pH結(jié)構(gòu)域)和羧基末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)的激活導(dǎo)致在質(zhì)膜上產(chǎn)生第二信使磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PIP3),PIP3與細(xì)胞內(nèi)的Akt及3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶1(phosphoinositide dependent kinase-1,PDK1)結(jié)合,使Akt轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上,并且在PDK1的輔助下在Ser473和Thr308位點(diǎn)發(fā)生磷酸化,從而使其充分活化,活化后的Akt可通過其大量下游靶點(diǎn)促進(jìn)細(xì)胞存活、增殖、生長及細(xì)胞代謝途徑的改變。Akt的下游主要有糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)、叉 頭 轉(zhuǎn) 錄 因 子(the forkhead box O,FoxO)和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)三個(gè)經(jīng)典靶點(diǎn),其中最重要的靶標(biāo)Akt是糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)。

作為一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶的GSK-3,在許多細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮作用[11]。它具有GSK-3α和GSK-3β兩種同工型[12],它們分別在其Ser21和Ser9位點(diǎn)磷酸化而失活。其中GSK-3β廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng),尤其是海馬區(qū),與記憶與認(rèn)知密切相關(guān)。GSK-3β的失活可促進(jìn)葡萄糖代謝,同時(shí)調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的代謝活性、轉(zhuǎn)錄因子等,有助于細(xì)胞發(fā)育以及神經(jīng)元細(xì)胞壽命的延長;相反,其激活將促進(jìn)tau蛋白磷酸化和淀粉樣β斑沉積,促使小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥的發(fā)生,最終導(dǎo)致AD的發(fā)生發(fā)展。在AD中,Akt磷酸化減少、活性降低,削弱了下游GSK-3β的磷酸化失活,導(dǎo)致大量活化的GSK-3β存在,活化的GSK-3β使tau蛋白在Ser199、Tyr18、Thr231等處被磷酸化[13],磷酸化的tau蛋白錯(cuò)位于樹突棘,這會在AD的早期誘導(dǎo)突觸功能障礙。反之,Akt的磷酸化會通過GSK-3β在Ser9磷酸化來抑制其活性,從而減少tau磷酸化。

FoxO家族轉(zhuǎn)錄因子由FoxO1、3、4、6組成,主要參與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期組織、分解代謝和生長抑制以及組織特異性代謝變化[14],FoxO的不同亞型存在于大腦不同區(qū)域,調(diào)節(jié)神經(jīng)元存活、氧化應(yīng)激、突觸傳遞和海馬體損傷,這些是與AD相關(guān)的主要病理學(xué)特征[15]。調(diào)節(jié)FoxO因子的核心是一個(gè)關(guān)閉系統(tǒng),它將FoxO因子限制在細(xì)胞核或細(xì)胞質(zhì)中。磷酸化是FoxO因子有效地從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)的必備條件。在大多數(shù)情況下,FoxO6定位于細(xì)胞核內(nèi),而FoxO1和FoxO3被Akt激活后主要定位胞漿[16]。Akt磷酸化激活導(dǎo)致下游FoxO磷酸化,使其從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì),進(jìn)而失去轉(zhuǎn)錄活性。Akt通過磷酸化抑制FoxO靶點(diǎn)的表達(dá),從而抑制細(xì)胞凋亡,提高神經(jīng)元存活率,對神經(jīng)元起保護(hù)作用,減少AD的發(fā)生。Ryan等[17]研究發(fā)現(xiàn)FoxO3的磷酸化失活可改善小鼠認(rèn)知功能;Cao等[18]研究發(fā)現(xiàn)下調(diào)FoxO3的表達(dá)可導(dǎo)致自噬抑制,從而減弱小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。而Webb等[19]研究發(fā)現(xiàn)FoxO可以促進(jìn)AD中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的清除,提示其在神經(jīng)退行性變中發(fā)揮作用,表明FoxO可能存在多種途徑在AD的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮不同作用。

mTOR是細(xì)胞生長和增殖的重要調(diào)節(jié)因子。它由mTORC1和mTORC2兩個(gè)亞型組成。mTOR可被PI3K/Akt途徑激活,激活的mTOR可促進(jìn)多種合成代謝過程,如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸合成,同時(shí)抑制自噬的分解代謝過程。Akt的活化促進(jìn)了mTOR磷酸化激活,進(jìn)而導(dǎo)致tau在S214的磷酸化,tau的磷酸化增多是AD的病理學(xué)標(biāo)志。據(jù)報(bào)道,中樞神經(jīng)系統(tǒng)中mTOR受損會導(dǎo)致葡萄糖代謝和能量生成受損,線粒體功能障礙、自噬、細(xì)胞存活失調(diào)等現(xiàn)象[20]。此外,PI3K/Akt/mTOR通路的過度激活還與AD中Aβ和tau的清除中斷、突觸丟失和認(rèn)知功能下降有關(guān)。一方面,誘導(dǎo)PI3K/Akt/mTOR信號激活可促進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞的存活,并阻止導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞死亡的過度自噬;另一方面,抑制mTORC1可能會刺激受損或有毒蛋白質(zhì)的自噬,并通過上調(diào)AKT通路中的mTORC2活性來提高細(xì)胞存活率[21]。有許多研究表明受損的mTOR信號在AD發(fā)病機(jī)制中的作用[22],Li等[23]發(fā)現(xiàn)AD腦中磷酸化mTOR水平升高,并且與tau過度磷酸化呈正相關(guān)。Perluigi等[24]研究發(fā)現(xiàn)抑制mTOR活性可提高認(rèn)知能力,延緩腦老化,并通過與葡萄糖代謝、自噬和線粒體功能相關(guān)的途徑抑制神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)展。然而PI3K/Akt/mTOR通路與自噬過程間的相互作用又充滿了復(fù)雜性,Lafay-Chebassier等[25]發(fā)現(xiàn)AD發(fā)病早期Aβ的出現(xiàn)阻斷了mTOR的磷酸化活性,增加了自噬過程,提示Aβ與mTOR下調(diào)之間可能存在正相關(guān)關(guān)系。這對PI3K/Akt/mTOR信號通路介導(dǎo)的AD的發(fā)生的不規(guī)律性作出了補(bǔ)充。

胰島素信號通路主要包括PI3K/Akt途徑和絲裂原激活的蛋白質(zhì)激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)途徑。其中,PI3K/Akt途徑起主要作用,廣泛的參與細(xì)胞的存活、生長、增殖和蛋白質(zhì)合成;而MAPK途徑則是以調(diào)節(jié)細(xì)胞分化為主[26-27]。研究發(fā)現(xiàn),PI3K/Akt途徑的活性減少將最終導(dǎo)致tau蛋白磷酸化增加以及淀粉樣β斑塊沉積增加,這是AD的兩個(gè)主要病理特征[28]。而PI3K/Akt途徑的激活可以改善AD的病理學(xué)特征[29]。此外,也有報(bào)道指出Akt基因過度表達(dá)可降低AD相關(guān)的tau蛋白過度磷酸化[30]。因此,具有磷酸化修飾Akt為主的PI3K/Akt途徑在AD的發(fā)病機(jī)制中有重要意義。

2 Akt乙?；cAD

乙?；且环N可逆的翻譯后修飾,它不僅能中和氨基酸的正電荷,以不同的方式改變蛋白質(zhì)的功能[31],還通過組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶或組蛋白脫乙?；?histone deacetylases,HDACs)修飾核心組蛋白在基因表達(dá)調(diào)控中起著關(guān)鍵作用[32],控制組蛋白以外的許多蛋白質(zhì)的活性,包括各種激酶[33],如Akt、Xklp2靶蛋白(targeting protein for xenopus kinesin-

like protein 2,TPX2)、目的細(xì)胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinases 6,CDK6)等[34]。研究發(fā)現(xiàn)Akt的pH域乙?；痆35],其乙酰化可抑制其磷酸化過程。Akt的激活過程需要Akt與PIP3結(jié)合,后者通過上游激酶PDK1促進(jìn)Akt的膜定位和磷酸化。Akt和PDK1在其pH結(jié)構(gòu)域的賴氨酸殘基處乙?；?導(dǎo)致它們與PIP3結(jié)合受到抑制。乙?；钄嗔薃kt和PDK1與PIP3的結(jié)合,從而阻止Akt的膜定位和磷酸化,最終使Akt活性下降。Ding等[36]研究發(fā)現(xiàn)Akt乙?；种破淞姿峄钚?Xu等[37]研究發(fā)現(xiàn)Akt在K14位點(diǎn)乙?；瘜DNA沉默和衰老有重要作用。作為第三類HDACs的沉默信息調(diào)節(jié)因子1(slient information regulator 1,SIRT1)可脫乙酰化多種蛋白底物[38],SIRT1的脫乙?；饔迷鰪?qiáng)了Akt和PDK1與PIP3的結(jié)合,并促進(jìn)了它們的活化,進(jìn)而提高胰島素敏感性,改變神經(jīng)內(nèi)分泌功能,刺激神經(jīng)發(fā)生和增強(qiáng)突觸可塑性,提高大腦抵抗認(rèn)知衰退的能力。Cao等[39]檢測到AD患者大腦中SIRT1水平的下降,且與Aβ斑塊沉積具有負(fù)相關(guān)性;Gomes等[40]研究發(fā)現(xiàn)SIRT1的增多可通過抑制淀粉樣蛋白生成而改善AD;而Milne等[41]驗(yàn)證了SIRT1激活劑治療以Akt信號缺陷為特征的代謝紊亂的有效性,進(jìn)一步證實(shí)乙?；饔猛ㄟ^作用于Akt,調(diào)節(jié)胰島素信號通路,對AD的治療新靶點(diǎn)有啟示作用。

3 Akt硫酸化與AD

硫化氫(H2S)是一種氣體遞質(zhì),可通過蛋白質(zhì)的硫酸化激活細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)途徑。研究發(fā)現(xiàn)促炎細(xì)胞因子IL-1β可以通過增加胱硫醚β-合酶的表達(dá)來誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)H2S的水平,從而催化H2S的形成[42]。當(dāng)來自H2S的硫附著到蛋白質(zhì)的半胱氨酸殘基(-SH)并將其轉(zhuǎn)化為-SSH時(shí),就會發(fā)生硫酸化修飾[43]。細(xì)胞內(nèi)H2S誘導(dǎo)使總Akt和磷酸化的Akt在C77處被硫酸化,從而抑制其磷酸化,導(dǎo)致GSK-3β不被磷酸化失活。大量活性的GSK-3β促使tau異常磷酸化,構(gòu)成AD的主要病理學(xué)特征。一旦解除了Akt硫酸化,其與GSK-3β間的相互作用便得以恢復(fù),GSK-3β磷酸化隨之恢復(fù);隨著GSK-3β磷酸化的恢復(fù),GSK-3β失活,tau磷酸化得到改善。Akt在炎癥條件下被硫酸化,這在所有的神經(jīng)退行性疾病中都存在,包括AD、帕金森氏癥、創(chuàng)傷性腦損傷和多發(fā)性硬化癥[44-45]。Mir等[46]發(fā)現(xiàn)H2S介導(dǎo)的硫酸化作用與神經(jīng)系統(tǒng)疾病和腦損傷相關(guān)的記憶障礙有關(guān)。Ji等[47]研究發(fā)現(xiàn)H2S可通過誘導(dǎo)PI3K/Akt途徑預(yù)防小鼠神經(jīng)構(gòu)功能異常以及炎癥和氧化損傷導(dǎo)致的認(rèn)知障礙。Sen等[48]在AD患者的死后大腦中檢測到硫酸化Akt,且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Akt的硫酸化主要導(dǎo)致AD的突觸功能障礙。然而,Shao等[49]研究發(fā)現(xiàn)H2S通過介導(dǎo)PI3K/Akt途徑抑制海馬神經(jīng)元凋亡并保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞。因此,Akt的硫酸化在AD的具體作用機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

4 Akt的其他修飾與AD

Akt還存在其他的翻譯后修飾,包括泛素化、糖基化、甲基化、氧化等。Wei等[50]發(fā)現(xiàn)Akt的泛素化是其磷酸化激活的重要步驟,而去磷酸化可通過泛素-蛋白酶體途徑增加其泛素化水平,進(jìn)而加速其自身降解。蛋白質(zhì)泛素化在清除Aβ沉積[51]、降低tau磷酸化水平[52]方面都起到關(guān)鍵作用,但目前關(guān)于Akt泛素化對AD的影響還沒有明確報(bào)道。Wang等[53]認(rèn)為抑制Akt糖基化水平將導(dǎo)致Akt磷酸化水平減少、活性降低,Akt/mTOR信號通路受阻,自噬作用增強(qiáng)。而自噬可改善AD小鼠模型的認(rèn)知能力和病理學(xué)改變[54]。此外,Akt的甲基化可促進(jìn)其激活[55],Akt的氧化在其質(zhì)膜的募集和激活中發(fā)揮重要作用[56],但兩者在AD發(fā)病機(jī)制中的作用鮮有報(bào)道。因此,Akt不同的翻譯后修飾都可能從不同角度導(dǎo)致Akt激活或失活,進(jìn)而影響下游靶蛋白,從而在AD的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用,其具體作用機(jī)制尚有待進(jìn)一步研究。

5 總結(jié)與展望

許多研究揭示了Akt在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長、能量利用、線粒體功能、自噬、氧化應(yīng)激、突觸可塑性及認(rèn)知功能等方面發(fā)揮重要作用,Akt翻譯后的不同修飾在調(diào)整其激活、失活、細(xì)胞定位等方面起不同作用,并通過影響Akt通路上下游因子發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。但被不同翻譯后修飾的Akt如何與其上游及下游因子發(fā)揮作用的潛在機(jī)制尚待進(jìn)一步研究。靶向Akt的不同翻譯后修飾為AD的發(fā)病機(jī)制及可能的治療策略提供了獨(dú)特的新思路。同時(shí),Akt的不同翻譯后修飾的檢測也可以為其他相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制研究提供新的見解。