mTOR信号通路与神经退行性疾病研究进展

吴苗苗，苑玉和，陈乃宏

(1.中国医学科学院药物研究所，北京 100050;2.天津中医药大学研究生院，，天津 300193)

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是雷帕霉素在哺乳动物细胞内的靶点，是一种进化上十分保守丝/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶(the phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK)超家族。mTOR不仅可调控基因的翻译，参与蛋白质降解、核糖体合成等生理过程，而且与衰老、肿瘤的发生也有密切关系。近年国内外研究显示mTOR信号通路与神经退行性疾病密切相关。

神经退行性疾病是指以神经功能退行性改变为特征的一类疾病的总称，包括阿尔采末病(Alzheimer's disease，AD)、帕金森病(Parkinson's disease，PD)、亨廷顿病(Huntington's disease，HD)等。病理性蛋白的大量聚集是此类疾病共同的病理改变之一。如在PD病人尸检过程中发现有Lewy小体(α-synuclean蛋白聚集)的存在，AD患者脑中有大量的老年斑(Aβ蛋白沉淀)等。自噬是降解细胞内聚集物的主要途径，而mTOR激酶是自噬的关键调节位点，抑制mTOR的活性可正向调节自噬。因此，阐明mTOR信号通路所调控的自噬与神经退行性疾病之间的关系具有一定的理论和实际意义。

1 mTOR的生理特点

1.1 mTOR的分子结构 mTOR是一种保守的丝/苏氨酸蛋白激酶，由2 549个氨基酸组成，其N端存在20个串联重复序列，每个重复序列包含2个由40个氨基酸残基组成的α螺旋，每个螺旋都有1个亲水基团和1个疏水基团。这种重复结构介导蛋白质之间的相互作用，并有利于mTOR定位于浆膜。mTOR分子C端的中部是蛋白激酶域。其上游是FRB 域(FKBP12-Rapamycin binding)，为 FKBP12(FK506-binding protein，FK506结合蛋白)-雷帕霉素复合物与mTOR相互作用的区域，该区域发生突变后可以完全阻止雷帕霉素对mTOR的抑制，FRB下游大约500个氨基酸残基处为FAT域(the focal adhesion targeting domain)，与mTOR分子末端的FATC域(the focal adhesion targeting domain of C-terminal)形成一个空间结构，从而暴露出mTOR分子的催化域。FATC域和NRD域(negative regulatory domain)位于mTOR分子的羧基末端，NRD域位于 FATC域和激酶催化域之间，是mTOR 的负性调节域［1－4］。

1.2 mTOR的存在形式 在细胞内mTOR存在两种功能不同的复合体，分别为 mTORC1(mTOR Complex 1)和mTORC2(mTOR Complex 2)。mTORC1是雷帕霉素敏感型，雷帕霉素能够特异性的抑制mTOR蛋白激酶的活性，使其丧失接近并磷酸化下游靶蛋白的能力。mTORC2复合体对雷帕霉素不敏感，主要参与了细胞极性和生长空间的调节，同时还可调控蛋白激酶 Akt的活化。而 Akt又可作用于mTORC1复合体，因此Akt可能是mTORC1和mTORC2之间相互作用的连接点［1－4］。

1.3 mTOR的信号通路 在中枢神经系统内，mTOR的功能受神经元膜上很多受体或通道的调控，如N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDA-R)、α-氨基羟甲基恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methy-4-isoxazolepropionic acid receptor，AMPA-R)、多巴胺能受体(dopamine receptor，DR)及代谢性谷氨酸能受体(metabotropic glutamate receptor，mGluR)等［3］。参与的信号通路主要有 PI3KAkt-mTOR信号通路和LKB1-AMPK-mTOR信号通路等。PI3K-Akt-mTOR信号通路与细胞生长、增殖密切相关，Akt有多种底物，其中与mTOR直接相关的是TSC2，它可与TSC1形成异源二聚体复合物，对mTOR功能起负调控作用。LKBI-AMPK-TSC1/2-mTOR信号通路主要调节细胞的能量代谢，LKB1能够磷酸化激活AMP激酶(AMPK)相关激酶家族蛋白。AMPK激活可引起细胞内多种信号反应，可使蛋白合成等消耗能量的反应过程下降。因此，mTOR介导的信号通路可使细胞内蛋白合成减少，细胞增殖受到抑制。

2 mTOR信号通路与神经退行性疾病

2.1 mTOR信号通路与阿尔采末病 AD是一种以进行性痴呆为主要特征的神经退行性疾病。最典型的病理特征为:神经元外β-淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)聚集形成老年斑(senile plaques，SP)、神经元内高度磷酸化的tau蛋白形成神经纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)和神经元的丢失，临床上表现为学习与记忆功能的改变［2］。

mTOR与AD的关系目前尚缺乏统一的认识，有研究调查显示AD患者脑内受损脑区与正常组织对比mTOR通路的活性明显增加，且与tau成正相关性［4］。在AD动物模型中，Aβ聚集能增加mTOR的表达，反之，降低mTOR也能减少 Aβ 的表达［5］。Khurana等［6］在果蝇病理模型中，发现高度磷酸化的tau诱导mTOR激活，导致细胞周期调节器的激活，最终诱导神经元的死亡。另一方面，在Aβ诱导培养神经元和APP-PS1转基因动物模型中，发现mTOR的活性受到抑制［7］。Ma 等［8］也发现，抑制 mTOR 信号与 Aβ1-42诱导的AD模型的突触可塑性的损伤有关。通过增加mTOR信号活性，能够复苏AD大鼠模型的LTP，敲除FKBP12基因也能预防Aβ诱导的LTP的损伤。

最近有报道证明雷帕霉素对AD的小鼠模型是有效的。虽然AD的动物模型不能像人类那样显示普遍的神经元丢失，但AD的三转基因小鼠模型(包括突变的PS1、APP和tau)能模拟循序渐进的神经元丢失和产生细胞外的β-淀粉样斑块和tau缠结，产生海马损伤的相关记忆。另外APP突变的AD小鼠模型和PDAPP转基因模型也能产生β-淀粉样斑块和记忆缺陷。在这些模型中，给予雷帕霉素治疗能够减轻其症状，延长小鼠的寿命，增加神经元自噬进而改善Aβ及tau病理状况。更重要的是，正常小鼠进食雷帕霉素不会损伤记忆，提示雷帕霉素诱导自噬能改善AD模型的病理症状且不阻断 mTOR 信号通路的活性［5，9－10］。

2.2 mTOR信号通路与帕金森病 帕金森病是中老年人常见的神经退行性疾病，其主要病理特征是黑质多巴胺能神经元大量丢失和残存的神经元细胞内产生以α-synuclein为主要成分的嗜酸性包涵体——路易小体。PD的症状包括动作徐缓(起动困难或持续运动)，强直，无意识的震颤等。

有研究发现，MPTP诱导的PD小鼠模型和PD病人的黑质中 REDD1(mTOR抑制蛋白)增加，REDD1能阻断mTORC2 介导 Akt的活化，促进神经元的死亡［11，13］。用PC12细胞制备PD模型时，6-OHDA能诱导REDD1的表达增加。通过siRNA治疗能使REDD1对6-OHDA诱导PC12细胞的毒性变得迟钝，增加mTORC1在这些细胞中的活性。此外，增加 mTORC1的活性可以减少6-OHDA的毒性［11］。更有趣的是，给予mTOR抑制剂——雷帕霉素可以减少6-OHDA对PC12细胞的毒性，并增加MPTP诱导的PD小鼠黑质中多巴胺能神经元的存活［12－13］。这些研究表明mTOR与PD关系复杂而密切。

Lewy小体的主要成分α-synuclein基因突变与PD的遗传相关。雷帕霉素可以通过激活自噬降低α-synuclein聚集体在α-synuclein转基因小鼠中的表达［14］。在细胞培养中，当自噬受到抑制，A53T突变型α-synuclein浓度比野生型αsynuclein增加的多，提示病理突变的α-synuclein比野生型聚集倾向更大，更需要自噬的清除。而雷帕霉素能够促进野生型和突变型α-synuclein聚集体的清除［15］。雷帕霉素对PD有效的其他机制可能是通过降低翻译起始水平。在Pink1和Pank2突变果蝇的PD模型中，通过雷帕霉素治疗能缓解果蝇的病理表现，包括肌肉的衰退和多巴胺能神经元的死亡［16］。有报道显示雷帕霉素可以有效的减轻治疗PD的常用药—左旋多巴的副作用［17］，减少左旋多巴治疗PD小鼠运动障碍的发生。这些结果显示，雷帕霉素可以通过多种途径改善PD病理症状，具有治疗PD的价值。

2.3 mTOR信号通路与亨廷顿病 亨廷顿病是一种以影响运动功能为主的神经退行性疾病，属常染色体显性遗传性疾病。其症状包括无意识的动作和渐进的认知功能障碍。该病是由一个编码亨廷顿蛋白(Huntingtin，Htt)的基因突变引起的。Htt氨基端有一段重复的谷氨酰胺序列，它的长度在正常人少于35个，而在HD患者则超过37个。Htt聚合体和核内包涵体是HD神经组织学中一种标志性的特征。

在亨廷顿病动物模型与病人组织的受损细胞中，标记的mTORC1活性减少;在体外的细胞培养和转基因动物模型中mTOR活性也减退。且在HD患者和小鼠模型组织的包涵体中发现 mTOR，提示可能是mTOR结合包涵体而阻碍mTOR活性，增加自噬，减少多聚谷氨酰胺蛋白的含量［18］。在HD小鼠模型中，利用CCI-779(雷帕霉素类似物)能抑制mTOR的活性，促进自噬，减少亨廷丁聚集体的形成［19］。Williams等［20］通过研究与HD相关的哺乳动物，果蝇和斑马鱼模型，提出在mTOR信号通路上有多个潜在的位点可以诱导自噬，具有治疗HD的潜能。在多个疾病模型中，经雷帕霉素治疗都可以降低多谷氨酰胺神经毒性。Ross/Borchelt小鼠——表达有82个谷氨酰胺重复的亨廷顿病小鼠模型，在未出现疾病症状之前通过摄食给予雷帕霉素治疗。发现这种方法可以诱导神经元的自噬，减少组织中包涵体的数量。更重要的是，雷帕霉素治疗可以改善与疾病相关的运动障碍［18］。在亨廷顿细胞模型中显示减少翻译起始也可以说是雷帕霉素的保护效应促成的［21］。这些研究提示雷帕霉素对多聚谷氨酰胺疾病模型的作用是通过清除和降低致病蛋白物质实现的。

3 结语

近年的研究显示抑制mTOR可能是治疗神经退行性疾病的一个对策。这些疾病的共同特征是病理蛋白如Aβ和高度磷酸化的 tau、α-synuclein、Htt，分别在 AD、PD、HD 聚集。通过抑制mTOR增加自噬程度可以促进细胞聚集物的清除过程。因此，mTOR抑制剂已经被列为神经退行疾病治疗的选用药。然而，关于mTOR通路活性的矛盾也必须被解决，相信，随着对mTOR信号通路的深入研究，必将为神经退行性疾病的治疗提供更多可靠的依据。

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