哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路在心脏发育和重构中作用的研究进展

刘杰 综述 李景东 审校

(华中科技大学协和医院心内科，湖北武汉430022)

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian or mechanistic target of rapamycin,mTOR)是一种相对分子量为28.9×104非典型的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇-3激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)相关激酶家族。在哺乳动物中由同一基因编码，行使其生理功能主要通过两种不同的蛋白质复合体mTORC1(mTOR complex 1,mTORC1)和mTORC2(mTOR complex 2,mTORC2)。mTORC1主要由mTOR相关调节蛋白(regulatory-associated protein of mTOR,Raptor)、哺乳动物致死因子半胱氨酸13蛋白8(mLST8或GβL)、相对分子量为4.0×104富含脯氨酸Akt底物蛋白(proline-rich Akt substrate of 40 kDa,PRAS40)、含DEP结构域mTOR相互作用蛋白(DEPTOR)和mTOR组成。而mTORC2主要由mTOR雷帕霉素不敏感伴侣(rapamycin-insensitive companion of mTOR,Rictor)、mLST8、DEPTOR、哺乳动物应激激活蛋白激酶相关蛋白1和mTOR组成。其中mTORC1对mTOR抑制剂雷帕霉素敏感，而mTORC2对雷帕霉素不敏感[1]。mTORC1主要参与蛋白的合成、细胞的增殖分化、核糖体及线粒体的生物合成、自噬及新陈代谢，而mTORC2则与细胞的生存及细胞骨架形成有关[2-3]。近年研究表明，mTOR在心血管病理生理中发挥关键的调节作用，现对mTOR信号通路在心脏发育和重构中的作用的研究进展进行综述。

1 mTOR信号通路

1.1 mTORC1途径

1.1.1 mTORC1的激活

mTORC1的激活有依赖和不依赖PI3K/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)信号通路两种方式。生长因子如胰岛素样生长因子1和胰岛素结合其受体，能够激活PI3K/Akt信号通路。mTORC1是Akt公认的下游底物，Akt家族有三种成员：Akt1、Akt2和Akt3，在心脏中均有表达；但以Akt1和Akt2占优势。Akt1主要调节生理状态下心脏的生长，而Akt2调节心脏的代谢和心肌细胞的存活，两者都具有心脏保护作用。Akt调控mTORC1的途径包括4种：(1)Akt能够磷酸化抑制结节性硬化症复合体1/2(tuberous sclerosis 1/2 complex,TSC1/2)，而TSC1/2是mTORC1的上游调控关键分子，为富含脑的Ras同源物Rheb(Ras homolog enriched in brain)的GTP酶活化蛋白。Rheb是mTORC1的直接激活剂，TSC1/2能够使GDP结合活化的Rheb，进而抑制mTORC1。有研究表明，心脏特异性Rheb转基因小鼠，在缺血状态下mTORC1的活性是增加的[4]。(2)Akt能磷酸化PRAS40(mTORC1的抑制剂)使其从Raptor上分离下来，进一步活化mTORC1。(3)Akt能够磷酸化抑制糖原合成酶激酶-3α/β(glycogen synthase kinase 3 alpha and beta,GSK3α/β)，缓解了GSK3α/β对mTORC1活化的抑制作用。无翼相关的小鼠乳腺肿瘤病毒整合位点(wingless-related MMTV integration site,Wnt)信号通路在动物发育过程中高度保守，对细胞增殖、分化和极性或移动起着决定性作用。健康成人的心血管系统中存在少量Wnt活性，但在心血管病理过程中观察到该通路的再激活。Wnt信号通路能够抑制依赖TSC2的GSK3的磷酸化，此过程不依赖标准的β-连环蛋白的调节，从而激活mTORC1途径[5]。(4)Akt能够磷酸化BECN1基因编码的具有卷曲螺旋结构的Bcl-2相互作用蛋白(BECN1:coiled-coil,moesin-like BCL2-interacting protein,Beclin1)，依赖Akt的Beclin1磷酸化能够直接抑制脂质激酶液泡分选蛋白34(vacuolar protein sorting 34,Vps34)复合物的活化，而Vps34是PI3K-Ⅲ类复合物的催化亚单位[6]，可见Akt在活化mTORC1、抑制自噬过程中起着重要作用。

mTORC1的激活不依赖PI3K/Akt信号通路的方式有四种。(1)胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal-regulated protein kinase,ERK)的激活能抑制TSC1/2且活化Raptor，进而激活mTORC1[7]。(2)ERK下游分子，p90核糖体S6激酶1也能够抑制TSC1/2并激活Raptor促进mTORC1活化。ERK和p90核糖体S6激酶1的激活有助于苯肾上腺素诱导的成年大鼠心室肌细胞中mTORC1的活化和蛋白质合成[8]。(3)核因子κB信号通路相对保守，贯穿哺乳动物的一生并可以调节很多生物学过程。核因子κB信号通路上游激酶核因子κB抑制蛋白激酶β在非心肌细胞中能够磷酸化抑制TSC1激活mTORC1[9]，在心肌细胞中核因子κB抑制蛋白激酶β也能够激活mTORC1[10]。核因子κB抑制蛋白激酶α也被报道能够活化mTORC1[11]，由此可见，mTORC1信号通路与核因子κB信号通路存在紧密联系。(4)氨基酸特别是亮氨酸和精氨酸，以一种不依赖PI3K/Akt和TSC的方式激活mTORC1，Rag亚家族Ras相关的小GTP酶的研究能够促进人们对氨基酸激活mTORC1过程的理解[12]。

1.1.2 mTORC1的抑制

(1)腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase,AMPK)是细胞内的能量感受器，当细胞内的ATP水平降低、AMP水平升高时被激活，AMPK通过多种方式负性调节mTORC1的活性。AMPK能够磷酸化并且增强TSC1/2的活性，同时能够磷酸化Raptor诱导它结合14-3-3蛋白，这两者都能抑制mTORC1[13]。AMPK能够直接磷酸化unc51样自噬激活激酶1(unc51-like autophagy activating kinase 1,ULK1)诱导自噬，而mTORC1能够破坏AMPK与ULK1间的相互作用进而抑制自噬的发生[14]。(2)GSK3α/β最初被定义为负性调节糖原合成，现在认为GSK3能够调节许多细胞功能包括凋亡等。如前所述，Akt可以磷酸化抑制GSK3。GSK3通过磷酸化TSC2进而抑制mTORC1[5]。(3)死亡相关蛋白激酶2是一种钙/钙调蛋白调节的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在心肺、骨骼肌细胞中高表达，死亡相关蛋白激酶2可以磷酸化Raptor抑制mTORC1[15]。(4)发育和DNA损伤反应调节蛋白1(regulated in development and DNA damage response-1,REDD1)是一种由缺氧诱导表达于各种组织中的蛋白质，REDD1能够抑制TSC2与14-3-3蛋白的相互作用，导致依赖于TSC2的mTORC1的抑制[16]。尽管REDD1在心脏中的作用还没有得到充分证明；但是REDD1敲除会损害肥大型心肌细胞中的自噬[17]。

1.1.3 mTORC1下游效应分子

mTORC1主要的功能是促进蛋白质合成，其次是细胞生长，其下游最主要的分子是S6K1(P70 ribosomal S6 kinase1)和4EBP1(eIF4E-binding protein 1)。S6K1是核糖体40S小亚基S6蛋白激酶，可以激活S6；S6 可以提高含5’-TOR(5’-terminal oligopy rimidine tract)的一类mRNA的翻译效率。mTORC1可以磷酸化激活S6K1，促进mRNA的翻译及蛋白质的合成。4EBP1通过竞争性抑制 eIF-4G与eIF-4E的结合来达到抑制翻译起始的目的。mTORC1通过磷酸化4EBP1，使eIF-4E与4EBP1解离,促使翻译起始复合物的形成,从而促进蛋白质的合成[18]。mTORC1不仅促进合成代谢而且抑制分解代谢。自噬是一种进化上高度保守降解细胞内蛋白质及细胞器的过程，mTORC1的激活能够抑制自噬。如前所述，mTORC1能够磷酸化ULK1抑制自噬[14]。此外，mTORC1在调节细胞代谢过程中发挥重要作用。

1.2 mTORC2途径

与mTORC1相比，人们对mTORC2信号通路所知甚少。mTORC2能够调控一些AGC亚家族激酶：Akt、血清和糖皮质激素诱导的蛋白激酶1(serum- and glucocorticoid-responsive kinase-1,SGK1)和蛋白激酶C-α(protein kinase C alpha,PKC-α)。mTORC2能够磷酸化Akt(Ser473)，而Akt第473位丝氨酸的磷酸化为Akt完全活化所必需。mTORC2相关的Akt第473位丝氨酸的磷酸化缺陷会损害一些Akt下游分子的磷酸化，如叉头框蛋白O1/3a，而TSC2、GSK3β、mTORC1、S6K1和4EBP1不受影响[19]，在缺乏mTORC2的细胞中Akt活性没有完全消除的事实可能解释这些结果。与Akt不同的是，在缺乏mTORC2时，SGK1的活性被完全阻断，SGK1已被证明能促进心肌细胞存活，同时抑制心肌肥大[20]，然而在心力衰竭期间，SGK1慢性激活是有害的[21]。mTORC2还通过调节PKC-α和Ras同源基因家族成员来调节细胞极性和细胞骨架结构[22]，PKC-α也显示负性调节心肌收缩力[23]。

2 mTOR通路与心脏生长发育

心脏的发育在胚胎期主要通过心肌细胞的增殖来完成，而出生后心脏的增殖能力很快消失，并主要通过心肌细胞的生理性肥大进一步完成心脏的生长发育。mTOR对胚胎时期心肌细胞的增殖有重要影响。研究表明，胚胎心脏特异性mTOR的敲除能够显著减少心肌细胞增殖和增加心肌细胞凋亡。成年小鼠心肌中mTOR的消除，引起细胞凋亡、自噬增加及4EBP1的累积，易导致致命的扩张型心肌病，加速心力衰竭进展[24]。

mTOR对出生后心肌细胞发育的调节与Rheb基因有关，心脏特异性敲除Rheb小鼠在出生后第3天心脏的S6K1或4EBP1的磷酸化水平没有显示差异；但与对照组相比，在出生后第5天或第8天显示出衰减[26]。这提示Rheb在心脏中只在出生后调节mTORC1。Rheb基因敲除小鼠快速发展为心脏扩张、心功能障碍，并在出生后第10天死亡。此外，在Rheb基因敲除小鼠中消除4EBP1，可以改善了mRNA翻译、心脏肥大生长、肌节成熟和存活，这表明mTORC1在出生后心脏结构和功能中发挥重要作用。

mTORC2与心肌细胞的生存及细胞骨架形成有关，最新研究发现mTORC2能够负性调节哺乳动物不育系20样激酶1(mammalian sterile 20-like kinase 1,MST1)，进而发挥保护心脏结构和功能的作用[26]。MST1是Hippo信号通路的重要组成部分，Hippo信号通路是新近发现的在调节器官大小具有重要功能的一条信号通路，其参与心脏血管的发育，促进心肌细胞增殖、抑制心肌细胞凋亡，影响损伤后修复及再生等过程。通过Rictor的缺失导致心脏特异性mTORC2破坏能够使MST1显著活化，进而引起心脏功能障碍和扩张，损害心脏生长和对压力超负荷的适应性反应，这提示mTORC2和MST1之间的直接相互作用，对心脏细胞存活和生长至关重要。

3 mTOR通路与心脏重构

3.1 mTOR通路与心肌肥大

研究表明在心肌肥大中mTOR发挥关键调节作用，mTOR的抑制能够减少心肌肥大的发生，如前所述mTOR和Rheb基因敲除小鼠均快速发展为心脏扩张、心功能障碍，并不会发生代偿性肥大[24-25]。例如，mTORC1抑制剂雷帕霉素可防止压力超负荷介导的心脏增重及血管紧张素Ⅱ和苯肾上腺素诱导的心肌肥大，这可能与雷帕霉素抑制了mTORC1的蛋白质合成作用有关。研究发现，抑制组蛋白去乙酰化酶1(histone deacetylase 1,HDAC1)能够抑制mTOR活性进而抑制病理性心脏肥大的发生[27]。当HDAC1被抑制时，mTOR上游抑制分子TSC2的表达增加。在新生大鼠心肌细胞中，TSC2的丧失消除了HDAC1对mTOR活性的抑制，并且TSC2的表达增加足以减少苯肾上腺素诱导的反应性肥大，这提示HDAC1的抑制剂在mTORC1激活导致的心肌肥大方面具有一定的应用前景。

3.2 mTOR通路与心肌缺血性损伤

心肌细胞能量不足时，mTORC1受抑制，可诱导自噬进而促进存活细胞的生存。心肌缺血时，AMPK被激活，直接磷酸化ULK1诱导自噬，而mTORC1能够破坏AMPK与ULK1间的相互作用。同时，AMPK通过磷酸化Raptor抑制mTORC1参与代谢调控[13]。可见，mTORC1在心脏缺血性损伤调节中发挥重要作用。研究发现心脏过度表达PRAS40抑制mTORC1，能够减少缺血性损伤、凋亡和心脏重构，并通过保留肌质网/内质网Ca2+-ATPase2a的功能来改善心脏功能。PRAS40的保护作用由mTORC2/Akt信号通路的激活介导。相反，9型腺相关病毒介导的心脏Rictor敲除的mTORC2抑制引起心肌梗死后心脏功能的退化和重构[28]。这些结果表明，选择性地增加mTORC2同时抑制mTORC1信号转导是治疗缺血性心脏病的新型治疗方法，Rheb抑制剂或PRAS40可能是适合此目的的药物。

3.3 mTOR通路与心律失常

有研究发现在人和鼠心力衰竭中心脏SGK1被激活，如前所述，SGK1是mTORC2的下游信号分子，小鼠心脏中SGK1特异性激活，其发生心脏功能障碍和室性心律失常的机会增加。SGK1的致心律失常作用与心脏钠通道的生物化学和功能改变相关，并且可以通过延迟钠电流的阻断剂雷诺嗪的治疗来逆转。相反，在来自纤维化、心力衰竭和钠通道改变的血流动力学应激后，心脏特异性抑制SGK1具有保护小鼠的作用[22]。Akt1基因敲除小鼠与对照小鼠相比，在2或3周龄的Akt1基因敲除小鼠中无法检测到心房颤动。然而，80%的Akt1基因敲除小鼠在4周龄时出现了心房颤动，并且所有的Akt1基因敲除小鼠在5周龄以后都表现出心房颤动[30]，其心房颤动的发生可能与心房肥大有关。目前对mTOR通路与心律失常方面研究报道甚少，需要大量实验进一步阐明mTOR通路与心脏电生理的关系。

4 展望

mTOR通过mTORC1和mTORC2行使其功能，使机体处于稳态，但两者之间的相互作用需进一步阐明。出生前mTORC1的激活对心脏发育是必需的，而成长过程mTORC1的过度激活是有害的。尽管直接抑制mTORC1激活自噬能够提供心肌保护作用，但是mTORC1也能够调节其他器官的细胞功能，如mTORC1能够抑制酮体合成及肝脏中过氧化物酶体增殖物激活受体α的活性。从全身代谢来看，整体抑制mTORC1可能会造成系统平衡紊乱，最终导致有害结局。mTOR通路在心脏发育和重构中发挥着重要作用，有望成为心血管疾病治疗的新靶点，明确其信号转导机制，寻找其器官特异性mTORC1的抑制剂，而不损害其生理功能，可能为心血管疾病的治疗提供新思路。