PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin信号通路促进神经细胞再生修复的研究进展

牛凯旋，刘思杨，冯猛，吕威力，邢雪松

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2014级8班；2.2014级17班；3.病理解剖学教研室；4.解剖学教研室）

PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin信号通路促进神经细胞再生修复的研究进展

牛凯旋1，刘思杨2，冯猛1，吕威力3，邢雪松4*

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2014级8班；2.2014级17班；3.病理解剖学教研室；4.解剖学教研室）

PI3K/Akt信号通路和Wnt/β-catenin信号通路通过活化多种效应分子，抑制细胞凋亡，促进细胞分裂增殖，在细胞存活方面发挥着重要作用。实验研究表明这两种信号通路在神经细胞凋亡和再生方面也起到关键作用，为以两种信号通路关键分子为靶点的研究提供有力参考和保证，特别是在目前广泛研究的脑缺血损伤与修复方面。

PI3K/Akt信号通路；Wnt/β-catenin信号通路；脑缺血损伤；神经干细胞

随着神经系统疾病的逐年增多，脑卒中已成为发病率较高的一类疾病。临床上通过使用溶栓药和动脉介入进行治疗脑卒中。但是，溶栓治疗在急性脑缺血损伤早期可能有效，若超过了治疗的时间窗，则治疗很难发挥明显效果。目前在已经了解神经干细胞（neural stem cells，NSCs）的再生修复能力的基础上，运用NSCs进行脑缺血损伤的治疗修复。诸多研究表明脑缺血损伤可以激活多条信号通路，包括PI3K/Akt信号通路和Wnt/ β-catenin信号通路，调控NSCs的增殖分化。尽管在这种刺激下产生的NSCs的数量并不多，远不能满足临床治疗需要，但是这个事实及NSCs自我更新、多向分化的特性为脑缺血损伤的治疗带来了新的思考方向。对于NSCs的研究主要包括促进内源性NSCs的激活、增殖与分化和移植外源性NSCs。内源性NSCs由于是使用自身有利资源，可以避免在获取过程中产生的危险性和局限性以及移植过程中产生的免疫排斥、来源较短缺等问题，因此，在治疗神经损伤疾病中越来越受关注［1］。本文就脑缺血损伤、NSCs的再生修复及PI3K/Akt和Wnt/β-catenin信号通路参与情况作一综述。

1 脑缺血损伤及修复

脑缺血损伤主要表现为急性脑梗死。大量研究主要从急性脑梗死后应用溶栓治疗和神经系统保护两个方面进行血液再通，同时恢复氧和葡萄糖的供给，进而修复神经元。但是不尽人意的是脑组织对于缺血缺氧的耐受有一定的时间窗，如果超过耐受时间窗，脑组织在缺血再灌注后会发生更严重的损伤。这种损伤常由脑能量代谢紊乱、Ca2+超载、氧自由基损伤、炎症反应、酸中毒、兴奋性氨基酸毒性作用等化学变化引起，最终都可以导致神经元损伤甚至细胞死亡［2］。细胞凋亡是一种程序性细胞死亡。在细胞凋亡过程中，相关基因被激活后，进行一系列转录、翻译、编码合成蛋白质等主动性的程序性死亡过程。高压氧（HBO）、重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）均可以通过PI3K/Akt信号通路和Wnt/β-catenin信号通路抑制炎症和凋亡，减少梗死面积，增加脑血流量，促进NSCs增殖分化，对缺血患者的神经功能改善效果明显［3］。目前Akt对β-catenin的调控作用的研究主要集中在抗肿瘤作用中，而这种调控作用是否在脑缺血损伤中发挥作用尚未见报道。

2 传导通路参与神经细胞的再生修复

在神经细胞受到损伤时，内源性NSCs可进行自我更新及分裂增殖，从而修复损伤的神经细胞，维持自身数目的稳定。内源性NSCs对受损部位和损伤细胞有强烈的感知能力，快速地迁移到受损部位，并且可以多向分化为神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞等进行修复。内源性NSCs分布在成年哺乳动物的侧脑室管膜下区、海马齿状回、大脑皮质、纹状体等区域，但以室管膜下区和海马齿状回颗粒下层为多。

2.1 Wnt/β-catenin信号通路 在大鼠脑缺血损伤模型中，损伤后1～2周NSCs水平达高峰，2～3周开始下降，3～6周回落至正常水平［4］。NSCs的增殖分化是多种因素的协同作用，其机制主要为微环境调控和自身基因调控。前者除了碱性成纤维生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）、表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、脑源性神经营养因子（BDNF）、胰岛素样生长因子等，还包括损伤刺激、炎症刺激及谷氨酸、5-羟色胺、肾上腺素、GABA、Ach等神经递质。对于后者目前研究较多的有骨形成蛋白-2（BMP-2），bHLH、STATs转录因子及PI3K/Akt、Wnt/β-catenin等信号途径。Wnt基因起初被称为int基因，是在患有乳腺癌的小鼠体内发现并克隆出的具有重要胚胎发育意义的原癌基因，随后被研究证实其也为果蝇无翅基因（wingless，wg）的同源物，因此将二者共同称为Wnt基因。胞浆中的β-catenin水平可以决定Wnt信号的传递，因此其为主要的效应分子。糖原合酶激酶（GSK-3β）是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，在未受到刺激时或者在静息的细胞中有活性，可以抑制细胞中β-catenin的表达，使其保持较低水平［5-6］。当Wnt蛋白存在时，Wnt蛋白通过扩散与主动运输到达靶细胞时，先与靶细胞中β-catenin上游分子中的Frizzled蛋白发生特异性结合，二者结合后，激活上游分子中的Dishevelled蛋白，Dishevelled蛋白激活后可以抑制APC-Axin-GSK3β复合体的活性，防止细胞内游离的β-catenin被降解并使其逐渐在胞质内积聚并被运输到细胞核内，之后与βcatenin下游分子中的TCF/LEF等典型转录因子共同形成复合物，激活相关基因的转录系统，进而调控相关基因的表达［7］。Israsena等［8］发现超表达β-catenin和FGF2共同作用于NSCs可以保持增殖的状态，但当FGF2去除后，超表达β-catenin明显促进NSCs向神经元分化，染色质免疫沉淀分析证实β-catenin和Lef1均直接与neurogenin基因的启动子结合促进神经元的分化。研究证实在大鼠有脑缺血损伤表现时，其脑内NSCs会大量增殖、迁移和分化，进行大鼠脑组织的修复和神经组织的再生，使神经功能有所改善［9］。丝裂原信号在影响NSCs增殖的外在因素中起着重要的作用，其中bFGF与EGF是NSCs增殖所必须的。二者的作用并不相同，研究表明bFGF在胚胎发育中起着维持神经前体细胞生存并扩增的作用，EGF则在发育晚期的作用更重要，但是都是通过PI3K/Akt信号通路和Wnt/β-catenin信号通路协同作用调控微环境和自身基因［10］。研究转基因β-catenin小鼠发现，在β-catenin持续作用下NSCs的数量明显增加，导致5 d胎鼠的大脑皮质表面积明显扩大，本应光滑的大脑皮层出现脑沟和脑回［11］。

2.2 糖原合酶激酶（GSK-3β） GSK-3β是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，氨基端由一闭合的β-桶状的结构组成，羧基端包含一个“激酶折叠”，两者中间由一个小的超结构域连接，可识别并磷酸化特定序列。由于GSK-3β是β-catenin的降解因子，可以磷酸化β-catenin的氨基末端3个保守的丝氨酸/苏氨酸残基，进而促进β-catenin被泛素化降解，因此GSK-3β是Wnt/β-catenin信号途径的关键因子，可以直接调控胞浆中β-catenin蛋白的稳定性。有文献证实，在体外，GSK-3β不能直接作用于β-catenin，还需要Axin和APC促进其与βcatenin的相互作用［12-13］。

2.3 PI3K/Akt信号通路 对于多种细胞因子介导的细胞，PI3K/Akt信号转导通路对其生存发挥重要作用，是细胞内重要的信号转导通路［14］。PI3K激活后，可以使磷肌醇类发生磷酸化，从而发挥生物活性，使Akt活化。Akt为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，又称蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）。当PI3K被激活时，位于其D3位点的磷脂酰肌醇-3，4-二磷酸盐转变为磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸盐，发生转变后，磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸盐可以与信号蛋白Akt和磷脂酰肌醇依赖性激酶-1（phosphoinositide-dependent protein kinase，PDK-1）结合，促使PDK1磷酸化AKT蛋白，从而活化Akt，使细胞发生多种生理变化。Barnabé-Heider等［15］研究认为，神经营养因子通过自分泌或旁分泌调节PI3K/AKT途径，维持神经前体细胞的存活，通过LY294002等阻断PI3K活化后，对于NSCs诱导分化为神经细胞和神经胶质细胞并没有显著影响。用电针刺激新生大鼠曲池、外关、环跳、足三里穴位，电针组PI3K/Akt信号通路和Wnt/β-catenin信号通路分子表达明显增加，BrdU指示数量显著高于对照组，提示电针对NSCs增殖有益。运动训练也能通过PI3K/Akt信号通路和Wnt/β-catenin信号通路促进梗死边缘区NSCs增殖、促进抗凋亡蛋白表达，降低促凋亡蛋白表达来促进卒中后神经功能恢复［16］。Shioda等［17］研究发现，磷酸肌醇三磷酸激酶-丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白可以促进脑缺血后NSCs增殖，表明通过加强PI3K-AKT-mTOR基因表达水平促进NSCs的增殖。

3 小结

目前，促进神经发展已成为多种神经疾病的治疗方向，而作为具有自我更新和多方向分化潜能的原始细胞，即内源性NSCs，成为神经系统治疗的热点。在细胞分子水平对内源性NSCs详细了解的基础上，通过调节NSCs内分子靶点来促进神经再生，对于神经治疗有重要意义。PI3K/Akt信号通路可调控胚胎干细胞的增殖分化，参与血管性痴呆及增殖分化过程。Akt作为下游分子，可以被bFGF磷酸化，在磷酸化的GSK-3β的Ser-9残基作用下，磷酸化的Akt也可失活。同时，GSK复合物的活性受到抑制，阻碍β-catenin的降解，使其含量增加，大量累积进入细胞核中，与Tcf-4结合，调控下游分子CyclinD1转录，从而调控NSCs的增殖分化。由此看出PI3K/Akt信号通路不仅关系细胞存活，同时影响β-catenin及下游分子，促进NSCs增殖分化为成熟神经元和发挥缺血乏氧的修复作用。所以，可以推断，Akt和β-catenin在信号通路上发挥重要作用，极有可能是治疗脑血管疾病的重要靶分子。

［1］Min LJ，MogiM，Tsukuda K，etal.Directstimulation ofangiotensin II type 2 receptor initiated after stroke ameliorates ischemic brain damage［J］.Am J Hypertens，2014，27（8）：1036-1044.

［2］Wu L，Zhang K，Hu G，et al.Inflammatory response and neuronal necrosis in rats with cerebral ischemia［J］.Neural Regen Res，2014，9（19）：1753-1762.

［3］HelmsAK，Whelan HT，Torbey MT.Hyperbaric oxygen therapy of cerebral ischemia［J］.Cerebrovasc Dis，2005，20（6）：417-426.

［4］Ciccolini F.Identification of two distinct types of multipotent neural precursors that appear sequentially during CNS development［J］.Mol Cell Neurosci，2001，17（5）：895-907．

［5］Huelsken J，Birchmeier W.New aspects of Wnt signaling pathways in higher vertebrates［J］.Curr Opin Genet Dev，2001，11（5）：547-553.

［6］Moon RT，Bowerman B，Boutros M，et al.The promise and perils of Wnt signaling through beta-catenin［J］.Science，2002，296（5573）：1644-1646.

［7］Israsena N，Hu M，Fu W，et al.The presence of FGF2 signaling determines whether beta-catenin exerts effect on proliferation or neuronal differentiation of neural stem cells［J］.Dev Biol，2004，268（1）：220-231.

［8］Israsena N，Hu M，Fu W，etal.The presence of FGF2 signaling determines whether beta-catenin exerts effects on proliferation or neuronal differentiation of neural stem cells［J］.Dev Biol，2004，268（1）：220-231.

［9］Lichtenwalner RJ，Parent JM.Adult neurogenesis and the ischemic forebrain［J］.J Cereb Blood Flow Metab， 2006， 26（1）：1-20.

［10］Ciceolini F.Identification of two distinct types of multipotent neural precursors that appear sequentially during CNS development［J］.Mol Cell Neurosci，2001，17（5）：895-907．

［11］Chen A，Walsh CA.Regulation of cerebral cortical size by control of cell cycle exit in neural precursors［J］.Science，2002，297（5580）：365-369.

［12］Zheng Y，Hou J，Liu J，et al.Inhibition of autophagy contributes to melatonin-mediated neuroprotection against transient focal cerebral ischemia in rats［J］.J Pharmacol Sci，2014，124（3）：354-364.

［13］Wang J，Wynshaw-Boris A.The canonicalWnt pathway in early mammalian embryogenesis and stem cell maintenance/differentiation［J］.Curr Opin Genet Dev，2004，14（5）：533-539.

［14］Zhou F，Wang L，Liu P，et al.Puerarin protects brain tissue against cerebral ischemia/reperfusion injury by inhibiting the inflammatory response［J］.Neural Regen Res， 2014， 9（23）：2074-2080.

［15］Barnabé-Heider F，Miller FD.Endogenously produced neurotrophins regulate survival and differentiation of cortical progenitors via distinct signaling pathways［J］.J Neurosci，2003， 23（12）：5149-5160.

［16］Gao J，Wang S，Wang X，et al.Electroacupuncture enhances cell proliferation and neuronal differentiation in young rat brains［J］.Neurol Sci，2011，32（3）：369-374.

［17］Shioda N，Han F，Fukunaga K.Role ofAkt and ERK signaling in the neurogenesis following brain ischemia［J］.Int Rev Neurobiol，2009，85：375-387.

（文敏编辑）

Research Progress of PI3K/Akt/GSK-3β/β-catenin Signaling Pathway in Promoting Nerve Cell Regeneration and Restoration

NIU Kaixuang1，LIU Siyang2，FENG Meng1，LYU Weili3，XING Xuesong4*

（1.Grade 2014，Class 8，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Grade 2014，Class 17；3.Department of Pathology；4. Department of Anatomy）

PI3K/Akt and Wnt/β-catenin signaling pathways can promote cell proliferation mainly through the activation of a variety of molecules，and play an important role in cell survival，nerve cell regeneration and apoptosis inhibition.The critical moleculars of the two signaling pathways could be targets to treat cerebral ischemia injury and repair.

PI3K/Akt signaling pathway；Wnt/β-catenin signaling pathway；cerebral ischemic injury；neural stem cells

R338.1

A

1008-2344（2017）01-0069-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2017.01.022

2016-08-30

辽宁省科技厅科学技术计划资助项目（No.201602729）

邢雪松（1973—），男（汉），博士，副教授，研究方向：神经生物学.E-mail：syyxyx@sina.com