mTOR在运动防治阿尔茨海默病中的作用研究（综述）

吴文豪+徐波

摘要：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（ mTOR）信号通路参与细胞衰老，机体老化和年龄相关的疾病。在多细胞生物中，mTOR调节细胞的营养生长代谢，生长因子和细胞能量的状况。近年来许多学者发现mTOR作为可能是治疗阿尔茨海默病（AD）的潜在靶点。运动训练对预防和改善阿尔茨海默病的发生有重要作用。这里从mTOR分子信号途径探讨体育运动影响AD的内在分子机制。以期为运动缓解AD的人体这一系统为运动缓解AD病理的发生提供另一个崭新的观点。

关键词：阿尔茨海默病；mTOR；运动训练

中图分类号：G804 文献标识码：A

文章编号：1008-2808（2015） 05-0079-07

阿尔茨海默病（ AD）的发生被归类为一个与年龄、代谢相关的神经退行性疾病。据估计，全世界有超过3亿人患有这一疾病。约95%的AD患者属于散发性且病因不清楚，而其余的家族性患者是由早老素蛋白1和2，和淀粉样前体蛋白（APP）基因突变引起的。目前为止，尚无彻底治疗AD的特效办法。许多研究证实，长时间的体育锻炼对AD的预防和治疗有不可替代的作用。但其内在的分子机制却依然不明。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号通路对于衰老和能量代谢研究是一个关键分子。因其参与了衰老和能量代谢相关的许多过程，可能对年龄相关的退行性疾病有重要作用。因此，本研究将把mTOR看作位于多个信号途径的共通点并进行一个综合全面的分析，希望能更好的解释运动训练改善AD的病因和发病机制。

1 阿尔茨海默病概述

阿尔茨海默病是老年痴呆症最常见的一种形式。调查发现，65岁以上的老人近乎10%得有此病，而85岁以上近乎50%。目前在在AD脑内观察到的神经病理特征包括老年斑的堆积和神经纤维的缠结。而这些神经特征的变化往往伴随着脑内海马和顶叶灰质皮层的萎缩和神经元的丢失。最终观察到灰质和白质都存在异常。

AD的临床表现包括短期记忆和执行功能障碍，这和相应的调节功能区域产生神经退行性病变有关。AD发病过程一直被认作是一种神经退行性疾病。众所周知的是，在AD患者末期阶段，患者体力出现明显下降。说明AD的发病过程从中枢神经系统延伸至全身。这种体力的下降在一定程度上可以肯定的说是源于中枢神经系统变性导致的渐进性的功能和行为能力的下降。

2 mTOR复合物及信号网

mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2549的氨基酸，属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶（ PIKK）家族蛋白。mTOR是一种广泛表达蛋白，主要定位在细胞质中，调节诸如细胞增殖，死亡，生存和蛋白质合成过程。目前已知mTOR存在两种不同的蛋白复合物形式：mTORCl和mTORC2。二者主要在某些组分，上游和下游的信号通路和对雷帕霉素的敏感性方面存在差异。二者都存在mTOR催化亚基、mLST8（ mammalian le-thal with SEC13 protein8）、DEP结构域（即含有与mTOR相互作用的蛋白）和Ttil/Te12复合物。

相反，mTOR调节相关蛋白和富含脯氨酸的Akt底物（PRAS40）是只存在于mTORCl，而对雷帕霉素不敏感的伴随物（ Rictor），哺乳动物应激激活的蛋白激酶反应蛋白1（msinl），与Rictor同时观察到的蛋白1和2是特定存在mTORC2中。

mTORCl中主要的主要特征成分是Raptor，它是一种支架蛋白负责调节复合物的组装和底物的识别。Raptor相对分子质量为150kDa，可以紧密结合于mTOR分子N端，之后携带他们至mTOR催化结构域以磷酸化mTOR的下游蛋白如p70s6ks， 4ebps， STAT3。PRAS40和Deptor是mTORCl的负调控分子。PRAS40通过调节mTOR和Raptor之间的相互作用从而阻止了mTOR访问其底物mTORCl来负向调控mTOR信号通路。而当mTORCl被激活，它能够直接磷酸化和减少PRAS40和Deptor功能。

mTORC2包含对雷帕霉素不敏感的组成成分Rictor，这种成分对急性雷帕霉素治疗有耐受性，然而，延长雷帕霉素的干预时间可损害mTORC2的组装合成。但是，新合成的Rictor能亲和雷帕霉素，表明只有预合成的mTORC2耐受雷帕霉素，也许mTORC2通过改变空间结构，从而阻止结合FRB。sinl是mTORC2另一个独特的蛋白组成成分，其功能十分复杂，目前为止尚不清楚，但可以肯定的是其有十分重要的功能因为缺乏sinl可导致胚胎死亡。TORC2在肌动蛋白细胞骨架的组成中起了一定的作用，同时能磷酸化激活Akt，激活TORC1和抑制FOXO核募集。

由蛋白结节性硬化症1/2（TSCl/TSC2）组成的异源二聚体是调节mTOR的一个关键上游蛋白。TSCl/2可以通过其下游靶蛋白Rheb抑制mTORCl/2。通过Rheb（Ras在大脑中的同源基因表达），这种RAS家族的鸟苷三磷酸酶刺激使活化的GTP结合的Rheb反转为失活的GTP结合的形式。一些激酶通过磷酸化来控制TSCl/2的活性从而调节这种异源二聚体的形成。在mTOR抑制或激活的状况下，这些激酶根据磷酸化受体的氨基酸残基决定是否继续磷酸化。GSK3β（糖原合成酶激酶3β）也可通过磷酸化TSC2激活TSCl/2，从而抑制mTORC1。

3 PI3 K/Akt/mTOR信号通路

通过激活磷脂酰肌醇-3激酶（PI3-K），PI3-K/Akt/mTOR信号转导通路通过一些细胞生长因子如胰岛素，胰岛素样生长因子（IGFS）和表皮衍生生长因子受体（EGFR）参与了细胞反应过程。这些生长因子信号主要通过IGFs或胰岛素调节mTORCl，首先IGFs或胰岛素与胰岛素受体（IR）/胰岛素样生长因子受体（IGF-1/，2α-2B亚基酪氨酸激酶结合形成配基受体复合物，引起受体酪氨酸发生白体磷酸化并通过胰岛素受体底物（IRS）激活PI3-K。PI3-K与IRS绑定使细胞膜上上4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（PIP2）转化成磷脂酰肌醇三磷酸（PIP3） 。脂质磷酸酶PTEN可拮抗PIP3的积累。endprint

增加PIP3水平可使Akt从细胞质转移到细胞膜上，并在3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1（PD-KI）、mTORC2和依赖于脱氧核糖核酸的蛋白激酶（DNA-PK）的辅助下，Akt蛋白上的苏氨酸磷酸化位点（Thr308）和丝氨酸磷酸化位点（Ser473）发生磷酸化从而使其激活。反过来，Akt的磷酸化能抑制TSC2活性，而上述我们知道TSC2是mTORCl的负调节因子。

而mTOR/p70S6K的激活是抑制Akt活性的一个主要负反馈抑制通路。这种机制是通过mTOR介导的丝氨酸磷酸化IRS-1，诱导IRS-1失活和降解，从而解除PI3-K/Akt信号中胰岛素和IGF-1受体及其他受体的耦合状态。这也是发生胰岛素抵抗的主要原因之一。

此外，虽然mTORC2能使Akt蛋白上丝氨酸磷酸化位点（Ser473）发生磷酸化从激活PI3-K/Akt/mTOR信号通路但同时也促进了Akt蛋白降解。这就如JNK在炎症通路中的作用（如TNF拮抗α），所以可以通过阻断PI3-K/Akt，来调节IRS-1的活性。细胞生长因子也能通过Ras信号通路作用于ERKl/2和核糖体S6蛋白激酶激活rriTORC。

mTORC2能控制AGC蛋白激酶家族成员酶活性，包括Akt，血清和糖皮质激素诱导的蛋白激酶1（SGKl），和蛋白激酶C（PKC-a）。mTORC2可通过磷酸化Akt蛋白的丝氨酸第473位点直接激活Akt，这个位点的磷酸化需要Akt最大限度的激活。Akt对mTORCl的调控作用也验证了mTORCS复合物之间有着潜在的信号关联。

4 mTOR与AD

在过去的十年中，人们对AD患者和AD动物模型脑内的mTOR信号通路进行了多方面的研究发现，在神经退行性过程的发展过程中mTOR信号通路均显示出异常上调。对AD患者大脑在海马和其他脑区验尸表明mTOR在ser-2448和ser-2481位点磷酸化水平，以及它的两个下游目标蛋白p70S6K和eIF4E的表达均有增加。

此外，mTOR过度活化与AD患者的认知功能密切相关。最近对AD和MCI患者脑顶叶研究发现mTOR及其下游信号蛋白p70S6K和4EBP表现出过度活化。与这结果一致的是，大量的研究表明，AD大脑内mTOR的上游信号通路PI3-K/Akt信号轴受损。在AD患者大脑皮质和海马神经元中发现PI3-K，Akt活化增加，而PTEN失活。细胞外调节蛋白激酶（ERKl/2）能磷酸化并抑制TSCl/TSC2，它是mTOR另一个调节mTOR的上游信号通路，研究发现AD脑内ERKl/2通路可以被激活。

研究显示AD脑内PI3 K/AKT/mTOR信号通路长期处于激活状态导致IRS-1受到抑制，使通过胰岛素激活PI3-K/Akt的途径受阻。

反过来，一些研究表明，不同类型的Aβ包括单体和水溶性低聚物，可以过度激活PI3-K/Akt/mTOR信号轴。Aβ单体和水溶性低聚物结合到胰岛素受体底物（IRS），可诱使胰岛素受体（IR）在神经元上内化，并从树突中脱落。这与是在AD患者脑内可观察到的现象。此外，Aβ可以增加PI3-K/Akt和mTOR活性。不同浓度的原代神经元暴露在合成的Aβ单体和低聚物中可上调mTOR信号。在这些研究结果注入自然分泌Aβ可使野生型小鼠和12个月龄的APP转基因小鼠的海马mTOR信号活性增加，这充分表明Aβ沉积使mTOR过度活化。

5 体育活动与AD

体育运动和引起的良好生理适应已得到人们的普遍认同，包括改善心血管健康，改善代谢功能如减少身体脂肪和增加胰岛素敏感性，并能改善身体成分如增加受体重和骨密度。

研究表明，运动不仅能提高身体上的健康而且能通过一些潜在机制影响大脑的功能，从而起到体育锻炼降低患AD的风险。运动被认为对大脑，尤其对海马有营养效应。如运动能增加脑内BDNF和其它脑内的神经化学物质，证明了运动对脑细胞的生长存活扮演重要角色。研究发现运动训练导致成年动物神经元增加表明了运动可引起神经发生。此外，运动可以调控动脉粥样硬化之类的血管类疾病的发生，还可以防治心脏病，中风，糖尿病，这些疾病加大了患痴呆，血管性痴呆和AD的风险。研究表明，AD发生伴随有炎症的发生，而运动可以降低全身性炎症标记物。

此外，许多动物实验均表明长期运动训练能改善AD小鼠的生理病状。Donmez等研究发现运动通过激活Sirtl蛋白表达从而促进α分泌酶活性，促使APP水解途径向非Aβ途径转移，减少Aβ生成有关。Mesa等研究发现，一个月跑轮运动减少了转基因AD小鼠海马Aβ40的水平，但雌性小鼠海马Aβ40的水平未改变。而6个月的运动对AD雄性和雌性小鼠海马Aβ40的水平都有所抑制。KANG等研究也发现，12周跑台运动降低转基因鼠p分泌酶水平，减少Aβ42沉积。Ad-lard等研究发现5个月自主跑轮训练对TgCRND8 AD小鼠大脑皮质和海马区Aβ斑块、Aβ40、Ap42表达水平均有所下降，且其空间记忆能力显著增强。Hyun等选用NSE/APPsw转基因AD鼠作为研究对象，发现16周的跑台训练显著降低小鼠脑内Aβ42肽水平。Liu等通过APP/PS1转基因鼠发现，长期跑台训练抑制其AD病症，减少了Aβ沉积。

6 mTOR在运动改善AD中的可能机制

6.1 体育运动改变葡萄糖稳态进而影响AD

近年来有学者提出，葡萄糖稳态的破坏可能是脑慢性代谢性疾病发病（如AD）的基础。脑葡萄糖代谢障碍也许是由于葡萄糖运输发生改变或氧化代谢功能障碍的结果，这可能是导致AD患者脑中代谢异常的原因。据推测，葡萄糖转运异常可能与胰岛素抵抗和细胞内代谢改变导致的线粒体功能障碍有关，而这两种现象在AD患者都有发生。而上文分析指出胰岛素抵抗和长期mTOR的激活有莫大联系，那么体育活动是否通过调节ATP/AMP比值进而影响AMPK，并最终经过mTOR信号途径改善AD。

6.2 自然衰老与AD

一直以来，AD的发生与年龄的增长呈正相关。从某种程度上来说，AD就意味生物年龄增高，并导致神经突触受损，神经细胞凋亡。研究表明，mTOR能调节人的寿命，其机制可能通过调节与营养和能量相关的下游目标蛋白4EBP1和p70S6K来完成的。在不同的研究生物模型均表明，mTOR信号的障碍可导致寿命的延长。那么，体育活动是否通过改善了大脑内营养和能量状况，并通过mTOR影响了神经细胞蛋白合成延长寿命蛋白进而对抗AD的发生。

7 结语

近十年来的研究发现，体育锻炼在防治AD方面有重要作用。而许多研究都指向mTOR分子的激活与AD的发生存在千丝万缕的联系。那么，运动训练是否通过mTOR这一信号网改善AD，尽管mTOR信号通路繁多复杂，但随着研究不断深入，这一机制必将被阐明。

不断有学者提出，AD的发生不仅仅要从神经退行性疾病这一点研究，AD的发生是一个全身系统性疾病。如首先表现在体力的明显下降，之后是认知功能衰退并最终导致寿命的终止。而mTOR生物学功能繁多，如在细胞生长发育、蛋白合成、免疫均有重要作用。此外，mTOR信号通路与葡萄糖代谢、白噬功能、寿命的延长存在紧密联系。目前，mTOR在生命科学中研究不断深入，而与运动训练间的联系却刚刚起步。体育活动可以引起广泛的生理适应，包括改善心血管健康，血管的健康，改善代谢功能如减少身体脂肪和增加胰岛素敏感性，并能改善身体成分如增加受体重和骨密度。此外，体育活动对众多疾病均有缓解和改善的效果，如动脉粥样硬化、中风、心脏病、糖尿病、血管性痴呆和AD等。体育活动对人体这种全身性的改善的机制机理与mTOR分子及其参与的众多信号通路存在极大的呼应之处。故阐明体育科学领域与mTOR这一信号聚集点的关系有重要意义，对探讨改善AD这一疾病机理十分必要，也有极高的实用价值。endprint