PTEN 蛋白与神经系统损伤相关性的研究进展

刘晓伟，史国栋

第10 号染色体同源丢失性磷酸酶张力蛋白基因(phosphatase and tensin homology deleted on chromosome ten，PTEN)被认为是继p53 以后最重要的抑癌基因，由其表达的PTEN 蛋白兼具脂质磷酸酶和蛋白磷酸酶的双重特性，参与细胞内外多条信号通路的转导，并调控细胞周期和生理功能［1］。PTEN基因各种类型的突变、丢失和甲基化与包括神经胶质细胞瘤、前列腺癌、黑色素瘤等肿瘤的发生密切相关。而近来的研究发现，脑、脊髓或外周神经损伤后，PTEN 蛋白的表达与神经元凋亡、轴突再生密切相关，对其机制的深入研究可能会为神经损伤修复提供新的靶点。

1 PTEN 蛋白的结构和作用底物

1.1 主要结构区域

有2 个主要结构区域保证PTEN 的功能。人类染色体10q23 编码产生的PTEN 蛋白由403 个氨基酸构成，NH2 端是PTEN 的主要功能性区域，位于该区的催化分子的结构与多数的蛋白酪氨酸磷酸酶类似，但其增大的活性位点足以保证磷酸肌醇底物的招募［2］。COOH 端区域并无催化活性，但其包含的脂质结合区域通过介导PTEN 与细胞膜作用，保证了该分子与其主要底物磷脂酰肌醇(3，4，5)-三磷酸盐［phosphatidylinositol(3，4，5)-triphosphate，PIP3］的接触;定位于401-403 位氨基酸的PDZ 结合位点使得PTEN 能与包含PDZ 区域的结构蛋白(如膜相关鸟苷酸激酶家族MAGI2、MAGI3，以及微管相关丝氨酸/苏氨酸激酶MAST205 等)结合，增强其对于AKT 活性的抑制作用，而PTEN 自身的脱磷酸化亦可掩盖PDZ 结合位点;C 端末尾一些主要磷酸化位点亦调控着蛋白的活性和稳定，如丝氨酸380、苏氨酸382 和苏氨酸383 置换为非磷酸化的丙氨酸后，PTEN 活性增加，但其稳态和半衰期均下降［3］。

1.2 主要作用底物

PIP3 是PTEN 蛋白最主要的作用底物。作为脂质磷酸酶，由磷脂酰肌醇-3 激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)诱导产生的PIP3 是PTEN 最主要的底物，经脱磷酸化作用后转化为无活性的PIP2，而作为重要的第二信使分子，PIP3 水平的改变必然影响细胞信号转导，细胞功能亦发生异常。Vazquez等［4］认为，PTEN 蛋白C2 区域内的分子簇可与细胞膜上包括MAGI1b、MAGI2 等包含PDZ 区域的蛋白动态结合，促使细胞质内PTEN 被招募至细胞膜附近，以保证PIP3 处于阈值水平以下，PTEN 的突变导致PIP3 水平升高，并最终促进肿瘤的发生;在失用的B 细胞内，PTEN 表达水平增高而PIP3 水平降低，敲除PTEN 后，PIP3 水平稳定，但细胞内出现大量抗体;而在T 细胞内，PTEN 通过调控PIP3 的水平胸腺细胞的激活和成熟，缺乏PTEN 的模型易发生自身免疫性疾病和淋巴瘤［5-6］。

尽管PTEN 具有蛋白磷酸酶的作用，但该作用很难被观察到。有学者在体外培养的胶质细胞瘤细胞系中从生化和基因水平证明，PTEN 可以蛋白磷酸化的形式调控胶质瘤细胞内FYN 激酶的活性，近来的研究证实亦细胞核内的PTEN 可通过与BMI1结合抑制肿瘤的发生［7］。这提示除了PIP3 外，蛋白-蛋白作用亦可能是实现PTEN 功能的另一机制。

2 PTEN 在神经系统内的表达及分布

2.1 神经系统内的表达

PTEN 在神经细胞内广泛表达。PTEN 在大鼠脑中广泛表达，且最常见于Purkinje 神经元、嗅鞘神经元、大锥形神经元内，PTEN 水平的改变影响着中枢及外周神经干细胞、前体细胞的自我更新、分化和向肿瘤转化的潜能［1，8］。PTEN 参与调控星形胶质细胞的增殖、活化，对该细胞功能的发挥起着重要作用，而星形胶质细胞易因突变降低PTEN 的水平，并最终导致胶质细胞瘤的形成。Schwann 细胞内的PTEN 的正常表达关系着周神经轴突的髓鞘化程度，而在中枢系统内，尽管尚无PTEN 在少突胶质细胞内表达的直接证据，但Harrington 等［9］推测少突胶质细胞内的PTEN 可能参与调控髓鞘的厚度和轴突的稳定。尽管PTEN 在T 细胞和B 细胞的成熟及免疫介导过程中发挥重要作用，但目前尚无关于PTEN 在小胶质细胞内表达情况的报道。

2.2 神经系统内的分布

复杂的机制调控着神经细胞内PTEN 的分布。PTEN 在细胞内分布的具体调控机制目前仍无结论。正常情况下，由于PTEN 结构的特殊性，合成后的分子多数分布在细胞质和细胞核内，而细胞膜上PTEN 数量较少［10］。早期以过表达和单克隆抗体策略即证明PTEN 在细胞质内大量存在，由Lachyankar 等［11］首先在神经元核内发现PTEN，而近来认为该分子在核内的分布于细胞周期和分化状态相关。与细胞外的PTEN 不同，细胞核内的PTEN 并非通过PIP3 脱磷酸化抑制AKT，而可能是通过抑制细胞周期蛋白D1，或由C 端区域的结构与组蛋白PCAF、p300/CBP 作用，实现对细胞周期的调控，而另有学者则发现细胞核内的PTEN 的丢失与着丝粒的广泛破损和染色体易位相关，进而揭示了PTEN 在保持染色体稳定性方面的作用。

PTEN 在细胞质和细胞核内的分布是正常功能实现的保证，而在阿尔兹海默病患者的大脑内，PTEN 的表达减少的同时，亦由受损神经元的细胞核、细胞质内重新分布到神经炎性病变区域［12］。细胞质内的PTEN 需要到达细胞膜附近才能作用于PI3K/AKT 通路，而近期研究证实，肌球蛋白Va 与PTEN 结合后，能将PTEN 转运至质膜，而抑制这一过程则可导致由PTEN 介导的神经元大小调控机制的受损［3］。尽管认为PTEN 进入细胞核的过程受细胞周期和PI3K/Akt/mTOR/S6K 通路的调控，但由于PTEN 缺乏功能性核定位信号(nuclear localization signal，NLS)，因此存在包括被动扩散、核性不相容序列的出现、核定位区域及Ran 依赖机制等各种假说［1］。而PTEN 转出细胞核，目前认为与CRM1 依赖的PI3K/Akt 通路相关，但亦有可能通过与包含NLS 的分子结合而实现。

3 神经系统损伤后介导PTEN 功能的相关信号通路

3.1 PTEN 参与神经系统损伤后反应

大量神经细胞在脑或脊髓损伤后因PTEN 表达水平的上调而出现凋亡、坏死。体外培养的PTEN+/-的神经元前体细胞因PTEN 基因拷贝减少，而对由氧化应激诱导的凋亡抵抗力明显增强，由Sema4D诱导海马神经元生长椎崩溃的过程中亦有PTEN 的参与［13］。在大鼠模型内，急性脑缺血后的损伤区域可发现PTEN 的表达的增多，且可在星形胶质细胞内出现PTEN 的磷酸化;预先干扰PTEN的大鼠在发生缺血性脑损伤后，梗死面积及凋亡细胞显著减少［14］。Liu 分别在体内、体外的模型中发现PTEN 可负性调控受损海马神经元上γ-氨基丁酸受体的表达和功能，PTEN 的抑制剂可对缺血性族中模型发挥神经保护作用，而中药提取物黄岑素亦可能通过抑制PTEN 通路保护因脑缺血而受损的神经元［15］。

3.2 介导PTEN 参与神经损伤的相关信号通路

尽管目前对于PTEN 基因突变在肿瘤发生、发展过程中的作用机制已逐渐清晰，但由于神经系统损伤后PTEN 表达水平是受一系列细胞因子的调控［1，14，16］，且损伤后的微环境构成复杂，因此目前关于PTEN 参与神经损伤过程的具体机制尚不清晰。

AKT 是介导PTEN 诱导神经元凋亡的主要信号通路。正常神经细胞内的PTEN 可通过其脂质磷酸酶的作用促使PIP3 的脱磷酸化，拮抗PI3K-PKB/AKT 通路的活性，进而负性调控由AKT 及其下游包括Bad、Caspase 9、Fas 等通路介导的细胞增殖、拮抗凋亡等功能［17］。大脑皮质缺血损伤后，PTEN 和p-AKT均增多，而干预后AKT 活性增加，同时伴神经元存活率增多;出生10 d 的大鼠脑部发生缺血缺氧后，PTEN 脱磷酸化后，AKT 和叉头转录因子3a(forkhead transcriptional factor 3a，FOXO3a)的亦发生脱磷酸化，FOXO3a 被转运至细胞核后上调Bim的表达;而抑制PTEN 后，AKT、FOXO3a 的磷酸化水平上调，同时伴随Bim 表达水平的下调，因缺血缺氧所致凋亡细胞的数目也减少，这提示PTEN-AKTFOXO3a 通路在缺血缺氧所致新生脑损伤的过程中发挥着重要作用［18］。

PTEN 亦可通过蛋白-蛋白的直接作用诱导神经元凋亡。N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-Daspartate receptor，NMDAR)是介导细胞外兴奋性氨基酸诱发神经元凋亡的关键分子，而目前认为PTEN 与该分子的NR1、NR2B 亚基相关［19］。抑制PTEN 的表达后，NMDAR 在海马神经元突触上的功能及细胞膜上的表达受到抑制，同时伴随AKT 的磷酸化和缺血性神经元凋亡的减少［19］。Jurado 等［20］研究证实，海马神经元突触内NMDAR 的激活可促使PTEN 通过PDZ 与突触结构分子PSD-95 作用，调控PTEN 在突触后密集区的定位和锚定，而PTEN脂质磷酸酶活性对于NMDAR 依赖的长时程抑制是必需的。

凋亡信号调控激酶1(apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1)是有丝分裂原激活蛋白上游调控成分之一，缺血后抑制PTEN 表达，同时伴随ASK1 活性的降低，这一过程可能是通过AKT 活化实现的。与ASK1 类似，脑缺血损伤后JNK1/2 的水平亦因AKT 活化而下降，而抑制PTEN 表达后，细胞内诱导产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)水平也较对照组降低［21］。

PTEN 参与损伤后轴突再生的抑制。PTEN 在轴突内的分布与损伤后轴突再生机制有着密切的关系。外周神经损伤后，PI3K 异形体p110δPI3K 的敲除会导致轴突再生的抑制，而PTEN(-/-)的背根神经节神经元轴突再生能力增强，但Zhou 等［22］抑制背根神经节神经元内的PI3K 后，轴突生长能力未无明显改变，这一矛盾可能与PI3K 在损伤后的神经元内表达情况有关，但关于PI3K 在体外培养细胞内的转录调控情况并不清晰［23］。

中枢神经系统内的轴突再生抑与PTEN 的表达的相关性已被明确，但具体机制目前尚不清晰。mTOR 是PI3K/AKT 通路调控细胞生长的关键性下游分子，它可在感受细胞状态后调节蛋白的合成和细胞的生长。以雷帕霉素抑制mTOR 后，轴突生长被明显抑制，而轴突损伤后的RGC 内mTOR 活性亦下降，这可能是mTOR 对于细胞应激状态的反应［6］。降低mTOR 活性后，成熟神经元再生能力增强;而敲除mTOR 负性调控因子PTEN 后，未损伤脊髓轴突的增殖能力亦显著增强，且可跨过损伤部位，在损伤部位以远形成突触［24］。由于mTOR 激活后仅促进轴突延伸所需原料，因此PI3K/AKT 下游其他作用分子如GSK-3 可能通过促进轴突转运和细胞骨架形成，协助mTOR 共同参与损伤后轴突再生的过程［6］。

多种细胞内的研究证实，PTEN 表达受抑后，TNF-α、IL-6、COX2 等炎性因子的表达水平下降，ERK1/2、JNK1/2 和p38MAPK 的活性亦受到抑制［25］。而神经系统损伤后，损伤部位及其周围的炎性因子、细胞因子迅速聚积，亦可能会直接影响PTEN 的表达和功能，且调控PTEN 表达的机制可能并不同于以往肿瘤内的过程，但目前尚无关于神经系统损伤后的微环境影响PTEN 机制的相关报道。尽管临床对于神经系统损伤有多种药物及手术方式可供选择，但就患者长期预后及生存质量而言，目前处理措施对于神经系统的修复效果并不确切，针对损伤机制的靶向治疗或许能更好地解决这一问题。PTEN 在神经干细胞增殖、分化及损伤后诱导神经细胞凋亡过程中发挥着重要作用。而神经系统损伤后，神经元的存活及轴突再生对于神经系统功能的修复起着关键作用，因此，探索拮抗PTEN 诱导神经元凋亡、抑制轴突再生的靶点及治疗措施，对于提高神经系统损伤患者预后及生命质量有着重要意义。

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