mTOR信号通路在缺血性心脏病中的研究进展

杨资鉴+秦富忠

[摘要]缺血性心脏病（ischemic heart disease，IHD）的发病率和死亡率逐年上升，严重威胁着全人类的身体健康。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（ mammalian target of rapamycin，mTOR）是一种保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，能够调节细胞大小、细胞生长、蛋白合成、细胞骨架、营养和能量传递。研究表明，mTOR在缺血性心脏病的发生与进展方面起着关键的调节作用。本文主要讨论mTOR在心肌缺血再灌注、心肌梗死心肌重构和缺血性心力衰竭中的作用。此外，结合mTOR抑制剂雷帕霉素的研发成果，研究其临床应用前景。

[关键词]缺血性心脏病；哺乳动物雷帕霉素靶蛋白；缺血再灌注；心肌梗死；心力衰竭

[中图分类号] R541 [文献标识码] A [文章编号] 1674-4721（2016）11（c）-0016-04

[Abstract]The increase in the morbidity and mortality of ischemic heart disease（IHD）is a serious threat to the health of mankind.Mammalian target of rapamycin （mTOR） is a kind of conservative serine/threonine protein kinase，which can regulate the cell size，cell growth，protein synthesis，cytoskeleton，nutrition and energy transfer.Research have shown that mTOR plays a key regulating role in the occur and process of ischemic heart disease. This article mainly discuss the role of mTOR in ischemia-reperfusion，myocardial infarction myocardial remodeling and ischemic heart failure. Furthermore，combining with the development of the mTOR inhibitors-rapamycinto to explore its clinical application prospect.

[Key words]Ischemic heart disease；Mammals rapamycin target protein；Ischemia-reperfusion；Myocardial infarction；Heart failure

缺血性心脏病（ischemic heart disease，IHD）主要由冠状动脉阻塞引起，2008年死于缺血性心脏病的患者大约有1700万，到2030年这一数字估计将会达到2360万[1]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，进化上相对保守，它在连接外界刺激和细胞生长调控中起着至关重要的作用，由于mTOR在各条细胞信号途径中独一无二的位置，在各种细胞调节和疾病条件下，它已经被广泛地研究发现。近年来许多研究结果表明，不同的缺血性心脏病进展阶段，mTOR表达情况也不尽相同，而mTOR究竟发挥保护作用，还是损伤作用，仍有争议。本文重点阐述mTOR在缺血性心脏病研究中的新进展。

1 mTOR信号通路

mTOR属于磷酸肌醇3激酶（phosphoinositide 3 kinase，PI3K）家族中的一种相关激酶，其也是一种保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。从酵母菌到哺乳类动物进化中，它被高度完全地保存下来，发现其分子质量在280～500 KDa[2]。在哺乳类动物细胞中，mTOR是一种分子量为280 KDa的蛋白质，主要有两种不同的蛋白质复合物。

第一种是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTOR complex 1，mTORC1），依赖Raptor（ regulatory-associated protein of mTOR）调控蛋白使得其结合于基底部。mTORC1的组成包括富含脯氨酸的AKt底物（proline-rich Akt substrate 40 kDa，PRAS40），Deptor（DEP domain-containing Mtor interacting protein），mLST8（mammalian lethal with Sec13 protein 8）蛋白等。mTORC1调控核糖体蛋白S6激酶1（p70 ribosomalprotein S6 kinase 1，p70S6K）和真核生物启动因子4E結合蛋白1（eukaryotic initiation factor 4E-binding protein 1，4EBP1）。当4EBP1磷酸化后，通过真核翻译起始因子4G（eukaryotic translation initiation factor 4gamma，eIF-4G），mTORC1能够结合真核细胞翻译起始因子（eukaryotic translationinitiation factor 4 epsilon，eIF-4E）来抑制蛋白质翻译。4EBP1磷酸化后，使得4EBP1从eIF-4E上分离下来，并且使eIF-4G开始mRNA转录。mTORC1磷酸化也增加了p70S6K活性。p70S6K丝氨酸/苏氨酸激酶磷酸化后，引起mRNA生成，核糖体蛋白转录和细胞生长。除此之外，PRAS40能够抑制p70S6K和4EBP1向Raptor结合[3]。

第二种是哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物2（mTOR complex 2、mTORC2），它与mTORC1相似，其组成也包括mTOR、mLST8（mammalian lethal with Sec13 protein 8）和Deptor（DEP domain-containing mTOR interacting protein）。然而mTORC2还有Rictor，哺乳动物应激激活的蛋白激酶反应蛋白1（mammalian stress-activated protein kinase interacting protein 1，mSIN1）和Rictor 同时观察到的蛋白 1（protein observed with Rictor-1，Protor-1），而不是Raptor。Rictor对雷帕霉素不敏感，但能够促进mTORC2激活。mTORC2调控肌动蛋白细胞骨架，细胞体积，内皮细胞生存与迁移和细胞周期。mTORC2的一个靶向蛋白是蛋白激酶B（AKt）。Rictor传递mTORC2信号到磷酸化AKt（p-AKt），并使其激活和通过PDK1促进苏氨酸磷酸化。mTORC2也能够调控蛋白激酶C（PKC）、P-Rex1、P-Rex2、Rho GTP激酶，和Rho信号途径[4]。

2 mTOR信号通路在心肌缺血和再灌注中的作用

心肌梗死（myocardial infarction，MI）通常是由冠状动脉中动脉粥样硬化性斑块破裂引起的。冠脉血流重建（再灌注）强制性地挽救了缺血性心肌，但是伴随着一系列急剧的改变，如线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transitionpore，mPTP）开放，活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生，一氧化氮（nitric oxide，NO）生物利用度变化，细胞内Ca2+和Na+重新分布，PH变化。自相矛盾的是，再灌注本身实际上也可引起心肌细胞死亡和随后的不可逆心肌损伤，此现象称之为“缺血再灌注损伤（Ischemia-reperfusion injury）[5]。

早期研究已经表明，心肌细胞自噬在再灌注时起损伤作用，而在缺血时起保护作用[6-7]。mTOR是自噬过程中一个重要的调节分子，通过糖原合成酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）激活mTOR，来抑制缺血再灌注损伤时的自噬过程，起到心肌保护作用，而不是在缺血性损伤[8-9]。与以上结果一致，Aoyagi等[10]观察发现，在缺血再灌注损伤后，与野生型小鼠比较，mTOR转基因小鼠的完好心肌区的自噬被抑制。而在MI区，野生型小鼠与mTOR转基因小鼠在LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值上并无差异。然而，在完好心肌区（左室后壁），mTOR转基因小鼠的LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值要比野生型小鼠低，研究结果表明，激活mTOR信号通路能够预防缺血再灌注损伤急性期所致的心肌损伤[10]。此外，Matsui等[6]通过构建心肌细胞培养模型，研究表明，葡萄糖剥夺（即模拟心肌缺血）诱导心肌细胞自噬，mTOR失活和AMP依赖的蛋白激酶（AMP activated protein kinase，AMPK）激活，通过AMPK抑制剂减少葡萄糖剥夺介导的自噬。然而雷帕霉素对葡萄糖剥夺介导的自噬无附加的影响，表明AMPK激活和mTOR抑制诱导葡萄糖剥夺介导的自噬。而且其在心肌缺血小鼠模型中发现，自噬被缺血诱导，且再灌注时进一步提高，伴随着AMPK激活，而AMPK基因剔除后抑制心肌细胞自噬。研究表明在缺血条下，AMPK/mTOR信号通路介导心肌细胞自噬，起着心肌保护作用。Zhou等[11]研究发现，缺血再灌注小鼠经强心治疗后，与对照组小鼠比较，在急性期时治疗组小鼠存活率提高，且MI面积减小，纤维化减少；在慢性阶段，预防不良的左室重塑，改善心功能，而且mTOR激活是发挥以上心肌保护作用所必须的。在治疗组小鼠中，mTOR磷酸化显著增强。之前进行的一项多中心、随机双盲平行、安慰剂对照临床试验也表明，与对照组心衰患者比较，试验组心衰患者在经过芪苈强心阶段性治疗后，N未端前体脑钠肽（N-terminal pro brain natriuretic peptide，NT-proBNP）水平明显降低，生活质量改善[13]。

3 mTOR信号通路在MI心肌重构中的作用

左室容积增加是MI后预测死亡率主要的指标之一，因此，改善MI预后的重要之处在于减弱不利的心肌重构。目前抑制心肌重构的治疗策略仍局限于抑制神经体液调节，mTOR信号通路将可能会是改善心肌重构的新关键。Buss等[13]通过构建大鼠心梗模型研究发现，给予MI实验组大鼠mTOR抑制剂依维莫司（everolimus，RAD）持续治疗28 d后，减弱了MI后心肌重构，改善了左室功能，减小了左室舒张末内径和体积，与对照组大鼠比较，MI面积显著减小。此外，进一步发现，依维莫司RAD激活了MI边缘区的心肌自噬和蛋白酶体。通过检测自噬量发现，RAD并未减少自噬清除。RAD治疗MI起初的3 d内，不利的心肌重构减弱，并且自噬逐渐增加；MI后3个月，左室功能持续改善，即使在停止RAD治疗的1个月，左室功能仍有好转。目前有一系列研究表明，mTOR调节能量剥夺或缺血下条件的心肌细胞反应，mTORC1被抑制[14-15]。通过减少细胞能量消耗，并且激活心肌自噬，抑制mTORC1，维持能量储存和细胞存活。mTOR抑制剂雷帕霉素通过激活心肌自噬，维持营养剥夺条件下心肌细胞存活[16]。Sciarretta等[17]通过高脂肪喂养小鼠构建心肌缺血模型研究发现，在能量剥夺和缺血条件下，抑制Rheb，继而抑制mTORC1，诱导心肌自噬，减少心肌肥大和MI面积，改善心脏功能，此外，一些研究也阐述了mTORC2在缺血性心脏病中的保护作用。研究發现，在一些情况下，通过抑制PI3K或AKt1表达，使得缺血性心脏病从中获益[18-19]，因此，mTORC2可能会通过AKt1独立的机制起到保护缺血性心脏病的作用。一项简单的研究发现，mTOR直接激活核因子κB（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB）和抑制Bnip 3表达，会部分减少缺氧条件下心肌细胞死亡[20]。评价mTOR过度表达激活mTORC2的相关作用和mTORC1的调节机制将会带来很大兴趣。有报道显示，依赖于mTORC2活化后，mTORC2表达发挥了其保护性作用，这是缺血后和限制慢性缺血性心肌重构、心肌细胞存活所必须的[21]，然而，在冠脉血流再灌注前，急性MI患者会经受心肌持续缺血状态达数小时。而且，在特定情况下，冠脉血流不能重建或冠脉再灌注不确定。缺血仍是急性MI患者心肌损伤的主要因素，因此，急性心肌缺血患者可能从抑制mTORC1，来减少再灌注所致的潜在危害中获益。

4 mTOR信號通路在缺血性心衰中的作用

病理性心肌肥厚通常由压力负荷增加，相关疾病（如高血压，心脏瓣膜病，MI）和神经激素诱导形成。早期通过增加心肌负荷，病理性心肌肥厚起到代偿性作用。然而，持续的病理性心肌肥厚最终导致心肌收缩障碍和心力衰竭[22]。在多种病理条件下，巨噬细胞游走抑制因子（macrophage migration inhibitory factor，MIF）起着心脏保护作用。缺乏MIF将会阻断心肌自噬和加重腹主动脉缩窄导致的心肌肥厚，经过雷帕霉素处理后的小鼠，将减轻其因MIF缺乏所致的心肌肥厚。离体实验中，去氧肾上腺素促进H9c2细胞肥大，剔除MIF的H9c2细胞会抑制去氧肾上腺素介导的线粒体自噬，内源性MIF调节mTOR信号通路激活自噬，防止心肌肥厚形成，避免缺血性心衰发生[23]。此外，在心肌肥厚方面，促黑激素（intermedin，IMD）体现出重要的保护作用。许多研究报道，在体或离体的心肌肥厚模型中，IMD诱导明显的自噬。主动脉缩窄，血管紧张素Ⅱ（AngⅡ）或异丙肾上腺素干预下诱导的显著心肌肥厚，均被IMD处理抑制。而且，自噬抑制剂（3-MA）减弱了IMD介导的自噬，并且阻断了IMD的心脏保护作用，促进缺血性心衰的进展[24]。

自噬诱导剂雷帕霉素，也是mTOR抑制剂，在心肌肥厚形成中起至关重要作用，雷帕霉素被发现具有改善机械压力或心肌损伤所致的心肌肥厚的作用，Soesanto等[25]通过构建自发性高血压大鼠模型，观察其向心肌肥厚进展过程，研究发现，低剂量的雷帕霉素处理可改善心肌肥厚，防止其向心力衰竭进展。此外，Bishu等[26]通过主动脉缩窄术构建小鼠心衰模型，研究发现，雷帕霉素处理后减弱了mTOR介导调节的蛋白合成，增加了mTOR调控的自噬。低剂量的雷帕霉素可以用来治疗缺血性心衰。有关研究已经表明，黄连素（小檗碱）在心肌肥厚中起心脏保护作用。在主动脉缩窄术构建的心肌肥厚动物模型中发现，黄连素增加了心肌自噬，同时有心脏体积减小和细胞凋亡减少，也抑制了心肌肥厚。而且，自噬抑制剂（3-MA）逆转黄连素介导的自噬水平，减弱了黄连素心肌保护作用。这些数据都表明，黄连素能够通过自噬机制减弱心肌肥厚，并且通过抑制mTOR提升自噬水平[27]。总而言之，研究表明：①抑制mTOR表达，提高自噬水平可以减缓心肌肥厚进展；②雷帕霉素能够改善心肌肥厚介导的心力衰竭恶化进程；③雷帕霉素低剂量使用，可以使其心脏保护作用最大化。mTOR抑制剂在心肌肥厚，缺血性心衰方面的研究进展巨大，为使其能够早日广泛应用于临床治疗过程中，还需进一步深入研究其长期效果和副作用。

5小结和展望

在过去的几十年，关于mTOR信号通路的研究逐渐增多，当然，仍有许多方面值得继续探究，但是目前所了解的mTOR信号通路和其在正常、疾病的情况下的作用，将会为疾病的治疗提供很好的前景。实际上，十分令人欣喜的是使用雷帕霉素所得研究结果，其能够部分抑制mTORC1，并且可以激活许多回馈性信号，解释了大量复杂的细胞过程。但在缺血性心脏病的不同阶段，mTOR信号通路所起的作用仍有争议。抑制mTOR信号通路可以预防缺血期引起的心肌损伤，起着心肌保护作用；而在再灌注时期，抑制mTOR信号通路对心肌有恶化作用。在MI心肌重构阶段，通过抑制mTOR信号通路，能够减小MI面积，改善心脏功能。在病理性心肌肥厚形成，及向心力衰竭进展中，通过抑制mTOR信号通路，阻断其调节的蛋白质合成，提高自噬水平，可以减弱心肌肥厚，延缓心力衰竭进展。进一步阐明在缺血性心脏病的不同阶段，mTOR信号通路所起的作用及其分子调节机制，将为今后防止缺血性心脏病提供新颖的靶点。

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（收稿日期：2016-10-26 本文編辑：顾雪菲）