哺乳动物雷帕霉素靶蛋白与肾脏疾病的关系

王洪玲，田 洁，魏 肃

（天津市第三中心医院 肾 内科，天津300170）

雷帕霉素（rapamycin）是一类最早在1975年从土壤细菌中提取出来的物质，起初将其用作抗真菌治疗，随后又发现其有免疫抑制作用而广泛应用于器官移植后的抗排斥反应当中［1］。正是由于雷帕霉素的发现，在1994年研究人员又克隆出了哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，m TOR）—一种丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶，而雷帕霉素正是m TOR的特异性抑制剂。当雷帕霉素进入细胞后可以与FK－506结合蛋白12（FKBP－12）形成复合体，该复合体可以与m TOR特异性结合并抑制后者的功能［2］。m TOR是由两部分组成，分别称为m TOR信号复合物1和m TOR信号复合物2（m TORC1，m TORC2），m TORC1和 m TORC2分别行使不同的功能，m TORC1主要功能是刺激细胞的生长和增殖，而m TORC2则主要调控细胞的极性和细胞骨架。雷帕霉素对m TORC2活性并无影响，只与m TORC1相结合从而抑制m TOR的功能［3］。有关m TORC2详细的分子调控机制目前尚不十分明确，所以本文只通过m TORC1来讨论m TOR信号通路的相关调控机制，并对m TOR信号通路在肾脏疾病中所发挥的作用进行综述。

1 有关mTOR信号通路的调控机制

1.1 mTOR的上游调控机制 一些细胞生长必须的营养物质如氨基酸、葡萄糖、氧以及多种生长因子等均可通过m TORC1来调节细胞的生长和增殖［4］。m TORC1的激活首先是磷脂酰肌醇3－激酶（PI3－K）的活化，PI3－K可以催化磷脂酰肌醇4、5二磷酸（PIP2）转变成磷脂酰肌醇3、4、5三磷酸（PIP3）［5］。PIP3激活三磷酸肌醇依赖性激酶－1进而激活Akt，Akt再通过一个级联反应来激活m TORC1，在此级联反应中非常重要的一个分子是结节性硬化症复合体（TSC），它包括TSC1、TSC2和Rheb，其中Rheb是Ras家族的GTP激酶，它可以直接激活m TOR［6］。在复合体中TSC2是核心部分，但只有当TSC1和TSC2组成二聚体时，TSC2才能发挥作用进而抑制Rheb的活性，而Akt正是通过抑制TSC2来激活m TOR通路的［7］。不同的刺激因素对m TOR的作用位点也不尽相同，如果生长因子和氨基酸含量增加，则分别通过IA类和III类PI3－K作用于Akt进而激活m TOR；反之，如果葡萄糖和氧含量下降，则引起ATP大量消耗，随后导致5’－腺苷一磷酸激酶（AMPK）活化，从而使m TOR信号通路受到抑制［8］。

1.2 mTOR的下游调控机制 在m TOR的下游调控通路中最重要的分子是4E结合蛋白（4EBP）和70KD核糖体S6激酶（p70S6K）。4EBP属于翻译阻遏物蛋白家族，非磷酸化的4EBP可与真核生物的翻译起始因子4E（eIF4E）相结合进而抑制后者的活性，m TOR可以使4EBP磷酸化，使其与eIF4E分离，启动mRNA的翻译。同时，m TOR也可以使p70S6K磷酸化，从而使得在细胞生长和细胞增殖中某些重要蛋白质得以表达［9］，从而刺激细胞的生长和增殖。

2 mTOR在肾脏疾病中的作用

2.1 mTOR 在急性肾损伤（acute kidney injury，AKI）中的作用 当机体发生AKI后，肾脏的修复很大程度上依赖于肾小管细胞的增殖来进一步修复肾小管上皮。免疫抑制剂雷帕霉素的药理作用正是通过抑制m TOR信号通路来抑制T细胞的增殖；与此同时，雷帕霉素的这种作用也抑制了肾脏其它种类细胞的增殖［10］。有研究表明［11］：在正常肾组织中m TOR的活性很低，而在缺血－再灌的肾组织中其活性大幅提升。此时应用雷帕霉素则会抑制m TOR的活性，延迟肾脏的修复。上述过程是通过两方面途径实现的：一是抑制肾小管细胞的增殖，二是诱导肾小管细胞的凋亡。该研究结果显示：在应用雷帕霉素后，发生AKI机体的肾脏功能可以恢复到正常水平，但其肾小球率过滤的恢复与对照组比会延迟2～3天。

由于氨基酸、葡萄糖、以及生长因子可以激活m TOR，而ATP的大量消耗则可以抑制m TOR。所以，当机体遭受缺血－再灌损伤并处于缺血期时，ATP、氨基酸和生长因子含量降低，m TOR的活性也随之大幅下降；当机体遭受缺血－再灌损伤并处于再灌注期时，ATP、氨基酸和生长因子含量反弹性升高，m TOR的活性也会升高。在对临床上接受肾移植病患的统计中发现［12］：应用雷帕霉素可以使新移植的肾脏延迟发挥功能，其原因是在移植前期肾小管发生了缺血性损伤，这与m TOR的活性进一步下降有关。正是由于雷帕霉素有上述不良反应，所以临床上只有当新移植的肾脏开始正常发挥功能后才可以开始使用雷帕霉素。

2.2 mTOR 在慢性肾脏疾病（chronic kidney disease，CKD）中的作用 在糖尿病或其他因素导致的CKD中m TOR都发挥了非常重要的作用，在欧美国家中糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）是导致终末期肾病的最主要病因之一，其病理改变包括肾小球肥大，基底膜增厚和细胞外基质聚集，并随着病情进展引起肾小管间质损伤，炎症反应和纤维化等［13］。对于糖尿病患者，过高的血糖通过激活Akt和抑制AMPK两方面作用直接激活了m TOR通路，从而引起肾小球肥大，大量合成基质蛋白，导致基底膜增厚，细胞外基质聚集，足细胞损伤，最终引起肾功能恶化［14］。一些研究小组通过动物实验研究了雷帕霉素在糖尿病肾病中的作用［15，16］。在实验中使用链脲菌素诱导并制作大鼠的糖尿病肾病模型，然后应用雷帕霉素治疗并分析相关指标，其实验结果表明：在DN的早期即有m TOR的过度激活，并引起一系列的肾脏病理改变，当对实验动物给予雷帕霉素后，该药物不仅可以抑制m TOR的过度激活，而且还能在一定程度上逆转肾小球肥大和基底膜增厚，同时降低尿蛋白。此外，由于雷帕霉素还可以抑制T和B淋巴细胞的增殖以及白介素－8、单核细胞趋化蛋白－1、fractaline等炎性因子的释放，所以雷帕霉素还可抑制DN个体肾脏中炎细胞（特别是淋巴和巨噬细胞）的聚集，减轻炎症反应。另一方面，间质性纤维化是DN的又一项病理改变，在此过程中m TOR又发挥了重要的作用，它不但可以使成纤维细胞过度增殖，大量合成胶原，过度表达转化生长因子－β1（TGF－β1）和结缔组织生长因子，并且还能促使肾小管上皮细胞转变为成纤维细胞，穿过基底膜向小管间质聚集。通过对动物模型的研究发现：雷帕霉素可以通过降低m TOR的活性，从而在一定程度上抑制DN个体的肾间质纤维化的病理改变［17］。对非糖尿病引起的CKD动物模型来说，雷帕霉素仍然可以延缓肾纤维化的进程和肾功能衰竭的出现，其分子生物学机制与糖尿病CKD基本相同［18］。总之，雷帕霉素在CKD的发生发展过程中起到了非常重要的作用，主要包括5个方面：降低肾小球肥大程度、减少炎症因子的产生、减少促纤维化因子的产生、抑制成纤维细胞的增殖、抑制肾小管上皮细胞的成纤维细胞化。

2.3 mTOR在常染色体显性多囊肾病（autosomal dominant polycystic kidney disease，ADPKD）中的作用 ADPKD是人类最常见单基因病之一，其发生率为1／400～1／1000［19］。由于基因的突变使得肾小管上皮细胞过度增殖以及蛋白质的过度分泌，破坏了细胞外基质的正常结构，进而在肾脏中形成病理性的多发的液性囊泡结构，随着囊泡的不断生长，正常的肾脏组织遭到破坏，其临床表现主要有高血压、血尿、蛋白尿进而导致终末期肾衰（ESRD）。研究表明［20］：绝大多数ADPKD的发生都是由于PKD1和PKD2基因（其表达产物分别是多囊蛋白1和多囊蛋白2，即：PC1和PC2）发生了突变所致，其中又以PKD1的突变最常见（占85%）。正常情况下，PC1的跨膜蛋白胞质尾区可以与TSC2基因的表达产物tuberin蛋白相互作用，调控m TOR信号通路活性。当PC1发生突变时，会通过m TOR引起ADPKD个体囊壁衬里细胞的异常增殖，并抑制细胞凋亡的发生，进而在肾脏中形成病理性囊泡［21，22］。

2.4 mTOR 与 肾 细 胞 癌 （renal cell carcinoma，

RCC） RCC在所有成年人的恶性肿瘤中大约占2～3%的比重，其中转移性的肾细胞癌因对化疗药物不敏感而预后较差，最近使用高剂量的白介素－2以及抗血管新生治疗已成为转移性肾细胞癌的新的治疗方向［23］。肾细胞癌的发生与肿瘤抑制基因von Hippel－Lindau（VHL）的失活相关，VHL基因的突变会增加低氧诱导因子（hypoxia－inducible factor，HIF）的表达，继而加速 RCC的恶性转化［24，25］。一般来说，肿瘤细胞在初始阶段增殖非常迅速，当生长到一定阶段后由于血供不足导致相对缺氧，其生长速度则明显降低［26］。缺氧后 HIF表达增加，HIF由两个亚基组成（HIF－1α和 HIF－1β），它通过促进血管新生来增加肿瘤的血液供应，从而使肿瘤细胞适应缺氧的环境而继续生长［27］。当环境中氧含量在正常水平时，HIF－1α则与VHL蛋白相结合，这一过程将导致HIF－1α直接进入泛素化降解途径；而当环境中氧含量较低时，HIF－1α则与VHL蛋白分离，HIF－1α降解减少，含量增加。HIF－1α的增加则可以大量诱导 VEGF、PDGF－α和 TGF－α的表达，这些细胞因子则进一步刺激肿瘤细胞的增殖和肿瘤的血管新生［23］。

另一方面，m TOR及其上游调控因子，在肾细胞癌的发生、发展以及肿瘤转移等方面都起到至关重要的作用［28］。有调查显示：当负性调控m TOR的基因PTEN发生突变时，肾脏肿瘤的发病率明显上升（约5%的肾细胞癌患者有PTEN基因突变）［29］。另外，结节性硬化症的病患其 TSC1和TSC2基因发生了突变，而TSC1和TSC2也对m TOR起负性调控作用，这就导致了结节性硬化症的病人易患肾细胞癌［30，31］。因此，m TOR抑制剂可以被用来治疗转移性的肾细胞癌，如一种雷帕霉素的类似物Temsirolimus，已经被美国FDA正式批准用于转移性肾细胞癌的临床治疗［32］。另一种口服的雷帕霉素的衍生物everolimus，其II期临床试验结果表明：口服该药物后对转移性肾细胞癌有治疗作用［24，33］。这些抑制剂的作用机制大体分为两个方面：一方面是通过m TOR信号通路直接抑制肿瘤细胞的增殖；另一方面是通过m TOR信号通路间接抑制HIF的表达，继而抑制了肿瘤的血管新生的能力，延缓了肿瘤的生长［34，35］。

3 结语

综上所述，m TOR在众多肾脏疾病中都扮演了极为重要的作用。首先，在急性肾损伤后肾脏的修复过程中m TOR起到了帮助肾脏恢复正常功能的作用，如果m TOR的功能受到抑制，则急性肾损伤的恢复过程也将受到抑制。然而任何事物都具有两面性，m TOR在某些肾脏疾病的过程中却起到了促使疾病恶化的作用，例如：不论是糖尿病引起的CKD还是非糖尿病引起的CKD，m TOR信号通路都被过度激活，而使用m TOR的抑制剂（雷帕霉素和其类似物）均可延缓肾衰竭的出现。另外对于ADPKD也是如此，m TOR的过度激活可导致病理性囊泡的形成和增大，进一步加速了肾衰竭的出现。还有m TOR过度激活还直接或间接加速了肾细胞癌的病理过程。雷帕霉素作为一种免疫抑制剂一直被用于肾移植后的抗排斥反应，然而随着对m TOR信号通路研究的不断深入，作为m TOR的抑制剂－－雷帕霉素和其类似物已经逐渐应用于CKD，ADPKD和RCC等肾脏相关疾病的试验性治疗当中，并且随着更多临床试验的开展和进行，雷帕霉素和其类似物将更广泛地应用于肾脏疾病的治疗当中。

［1］Sehgal SN.Sirolimus：Its discovery，biological properties，and mechanism of action［J］.Transplant Proc，2003，35：7.

［2］Fingar DC，Blenis J.Target of rapamycin（TOR）：An integrator of nutrient and growth factor signals and coordinator of cell growth and cell cycle progression［J］.Oncogene，2004，23：3151.

［3］Koyanagi M，Asahara S，Matsuda T，et al.Ablation of TSC2 Enhances Insulin Secretion by Increasing the Number of Mitochondria through Activation of m TORC1［J］.PLoS One，2011，6：23238.

［4］Nicklin P，Bergman P，Zhang B，et al.Bidirectional transport of amino acids regulates m TOR and autophagy［J］.Cell，2009，136：521.

［5］Harrington LS，Findlay GM，Lamb RF.Restraining PI3K：m TOR signalling goes bck to the membrane［J］.Trends Biochem Sci，2005，30：35.

［6］Inoki K，Li Y，Xu T，et al.Rheb GTPase is a direct target of TSC2 GAP activity and regulates m TOR signaling［J］.Genes Dev，2003，17：1829.

［7］Smith EM，Finn SG，Tee AR，et al.The tuberous sclerosis TSC2 is not required for the regulation of the mammalian target of rapamycin by amino acids and certain cellular stresses［J］.J Biol Chem，2005，280：18717.

［8］Battelli C，Cho DC.m TOR inhibitors in renal cell carcinoma［J］.Therapy，2011，8：359.

［9］Gingras AC，Raught B，Sonenberg N.m TOR signaling to translation［J］.Curr Top Microbiol Immunol，2004，279：169.

［10］Lieberthal W，Fuhro R，Andry CC，et al.Rapamycin impairs recovery from acute renal failure：Role of cell－cycle arrest and apoptosis of tubular cells［J］.Am J Physiol Renal Physiol，2001，281：693.

［11］Lieberthal W，Fuhro R，Andry C，et al.Rapamycin delays but does not prevent recovery from acute renal failure：Role of acquired tubular resistance［J］.Transplantation，2006，82：17.

［12］Goncalves GM，Cenedeze MA，Feitoza CQ，et al.The role of immunosuppressive drugs in aggravating renal ischemia and reperfusion injury［J］.Transplant Proc，2007，39：417.

［13］Molitch ME，DeFronzo RA，Franz MJ，et al.Nephropathy in diabetes［J］.Diabetes Care，2004，27：79.

［14］Sataranatarajan K，Mariappan MM，Lee MJ，et al.Regulation of elongation phase of mRNA translation in diabetic nephropathy：Amelioration by rapamycin［J］.Am J Pathol，2007，171：1733.

［15］Sakaguchi M，Isono M，Isshiki K，et al.Inhibition of m TOR signaling with rapamycin attenuates renal hypertrophy in the early diabetic mice［J］.Biochem Biophys Res Commun，2006，340：296.

［16］Yang Y，Wang J，Qin L，et al.Rapamycin prevents early steps of the development of diabetic nephropathy in rats［J］.Am J Nephrol，2007，27：495.

［17］Wu MJ，Wen MC，Chiu YT，et al.Rapamycin attenuates unilateral ureteral obstruction－induced renal fibrosis［J］.Kidney Int，2006，69：2029.

［18］Harris RC，Neilson EG.Toward a unified theory of renal progression［J］.Annu Rev Med，2006，57：365.

［19］Wilson PD：Polycystic kidney disease［J］.N Engl J Med ，2004，350：151.

［20］Ong AC，Harris PC.Molecular pathogenesis of ADPKD：The polycystin complex gets complex［J］.Kidney Int，2005，67：1234.

［21］Grantham JJ，Bennett WM，Perrone RD.m TOR inhibitors and autosomal dominant polycystic kidney disease［J］.N Engl J Med，2011，64：286.

［22］Serra AL，Poster D，Kistler AD，et al.Sirolimus and kidney growth in autosomal dominant polycystic kidney disease［J］.N Engl J Med，2010，363：820.

［23］Ma WW，Jimeno A.Temsirolimus［J］.Drugs Today，2007，43：659.

［24］Clark PE.Recent advances in targeted therapy for renal cell carcinoma［J］.Curr Opin Urol，2007，17：331.

［25］Garcia JA，Danielpour D.Mammalian target of rapamycin inhibition as a therapeutic strategy in the management of urologic malignancies［J］.Mol Cancer Ther，2008，7：1347.

［26］Hockel M，Vaupel P.Biological consequences of tumor hypoxia［J］.Semin Oncol，2001，28：36.

［27］Ivan M，Kaelin WG Jr.The von Hippel－Lindau tumor suppressor protein［J］.Curr Opin Genet Dev，2001，11：27.

［28］Roulin D，Waselle L，Dormond－Meuwly A，et al.Targeting renal cell carcinoma with NVP－BEZ235，a dual PI3K／m TOR inhibitor，in combination with sorafenib［J］.Mol Cancer，2011.10：90.

［29］Kondo K，Yao M，Kobayashi K，et al.PTEN／MMAC1／TEP1 mutations in human primary renal－cell carcinomas and renal carcinoma cell lines［J］.Int J Cancer，2001，91：219.

［30］Kenerson HL，Aicher LD，True LD，et al.Activated mammalian target of rapamycin pathway in the pathogenesis of tuberous sclerosis complex renal tumors［J］.Cancer Res，2002，62：5645.

［31］Brugarolas JB，Vazquez F，Reddy A，et al.TSC2 regulates VEGF through m TOR－dependent and-independent pathways［J］.Cancer Cell，2003，4：147.

［32］Del Bufalo D，Ciuffreda L，Trisciuoglio D，et al.Antiangiogenic potential of the mammalian target of rapamycin inhibitor temsirolimus［J］.Cancer Res，2006，66：5549.

［33］Prenen H，Gil T，Awada A.New therapeutic developments in renal cell cancer［J］.Crit Rev Oncol Hematol，2009，69：56.

［34］Brugarolas JB，Vazquez F，Reddy A，et al.TSC2 regulates VEGF through m TOR－dependent and-independent pathways［J］.Cancer Cell，2003，4：147.

［35］Lee M，Hwang JT，Lee HJ，et al.AMP－activated protein kinase activity is critical for hypoxia inducible factor－1 transcriptional activity and its target gene expression under hypoxic conditions in DU145 cells［J］.J Biol Chem ，2003，278：39653.