基于PI3K/Akt信号通路预防治疗2型糖尿病肌少症研究进展

张桂仙 袁娅金 熊薇 刘丽俊 周宁娜

(云南中医药大学药理教研室，云南 昆明 650500)

糖尿病(DM)是由高血糖引起的内分泌和代谢紊乱综合征，具有高发病率和死亡率〔1〕。随着当代生活水平的提高，肥胖和超重人群比例逐年增加，预计到2030年全世界将有4.39亿DM患者，其中90%以上是2型糖尿病(T2DM)〔2〕。肌少症是T2DM的慢性并发症之一，表现为各个肌肉肌群质量减少、力量减弱、爆发力差、肌肉功能减退，并影响平衡能力，易致跌倒、骨折，造成日常活动能力下降，甚至造成死亡〔3〕。随着患T2DM肌少症的人数逐年上升，25%～50%的老年人(70～80岁)受肌少症影响，预防、治疗T2DM肌少症将成为医疗行业的一大挑战〔4〕。磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(Akt)信号通路是生物体内调节葡萄糖转运、脂质代谢及蛋白质合成的基础信号通路之一，通过该途径信号转导既有利于发挥胰岛素对内皮的保护作用，又能很好地调控T2DM代谢紊乱，是T2DM的研究热点〔5〕。本综述将基于PI3K/Akt信号通路探讨T2DM肌少症发生的分子机制。

1 T2DM肌少症发病机制

肌少症是增龄性骨骼肌质量减少，力量下降，肌肉功能减退，是一个多因素过程，其特征是骨骼肌形态结构和功能的变化〔4,6,7〕。肌纤维占据75%～90%的肌肉空间，是肌肉的基本组成单位，肌纤维根据其收缩性和代谢性分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅰ型肌纤维具有高氧化、低酵解能力，收缩反应慢，不易疲劳，又称红肌或慢收缩肌；Ⅱ型肌纤维具有低氧化、高酵解能力，收缩反应快，容易疲劳，又称白肌或快缩纤维〔8〕。从组织学角度看，肌少症时肌纤维表现为Ⅱ型肌纤维数量、横截面积减少〔9〕。与年龄相关的肌肉质量和力量损失的一个主要因素是肌蛋白合成能力的降低〔7,10〕，肌量的大小由肌蛋白合成和水解平衡决定，若肌蛋白合成速率大于水解速率，则肌量增加，肌力增强。相反，则诱发肌肉萎缩、肌力下降，肌肉功能明显减退。T2DM肌少症的发病机制与胰岛素抵抗(IR)、高血糖状态导致的慢性炎症、神经损伤、肌肉细胞线粒体功能障碍等密切相关。

1.1T2DM、IR、肌少症之间的关系 胰岛素是在葡萄糖等刺激下胰岛β细胞分泌的蛋白质激素，在降低机体血糖水平的同时促进糖原和蛋白质合成。IR是机体为维持血糖平衡而分泌过多的胰岛素，血浆中胰岛素水平过高造成机体对胰岛素不敏感的现象，是T2DM肌少症最主要的发病机制之一，并且是T2DM肌少症发展中最重要的影响因素〔11〕。在成年人体内，骨骼肌占体重的40%～50%，是胰岛素介导葡萄糖转运的靶器官，负责大部分餐后葡萄糖的处理，具有调节葡萄糖代谢和能量稳态的重要作用，肌量大小决定了胰岛素对葡萄糖的转运能力〔12〕。IR导致机体对葡萄糖的摄取利用降低，血糖持续升高，糖原合成降低，造成骨骼肌能量供应不足，肌力下降；同时IR可导致骨骼肌中胰岛素介导的PI3K/Akt信号通路传导障碍造成肌蛋白合成路径被阻断，肌量下降〔13〕。

1.2骨骼肌PI3K/Akt信号通路的结构和功能 PI3K由调节亚基 p85和催化亚基p110组成，具有丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶和磷脂酰肌醇(PI)激酶的双重活性〔14〕，有PI3KⅠ、PI3KⅡ、PI3KⅢ三种结构功能不同的类型，PI3KⅠ在信号转导中发挥最为重要的作用，有PI3KⅠA和PI3KⅠB两种亚型〔15〕。p85由Src同源结构域(SH)2，SH3及p110与p85相互作用的非编码区共同构成，SH2具有结合酪氨酸残基传导酪氨酸激酶信号的功能〔16〕。Akt是PI3K的下游靶蛋白，也称PKB，且是Ser/Thr激酶。目前发现的Akt的三种亚型是Akt1，Akt2，Akt3。其中Akt1调节细胞生长和凋亡，能够磷酸化肌动蛋白相关蛋白palladin表达。Akt2主要表达于脂肪、骨骼肌和肝脏。PI3K/Akt信号通路的激活是通过Ras直接结合P110活化PI3K或与具有络氨酸残基的受体蛋白相互作用来实现〔17〕。

PI3K/Akt信号通路是胰岛素调节血糖平衡及胰岛素样生长因子(IGF)-1介导肌蛋白合成的关键途径之一，PI3K/Akt信号通路的激活对骨骼肌质量、力量的增加意义重大〔18〕。Akt作为一种主要的生长调节剂，直接激活Akt可促进肌肉肥大，雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是Akt下游的Ser/Thr激酶，参与骨骼肌细胞增殖、生长及肌蛋白合成的各个过程〔19〕。Akt介导的mTOR可通过激活下游的应激蛋白包括充分表征的效应因子S6蛋白激酶(S6K)1，真核翻译起始因子(eIF)4E，结合蛋白(4E-BP)1等，调节肌肉组织中蛋白质翻译的起始步骤，加速mRNA翻译进程，增加蛋白质合成速率，促进肌肉生长〔20,21〕。IGF-1是肌肉生长的正向调节信号及有利刺激因子，可促进骨骼肌蛋白质合成及肌细胞增殖、分化，肌肉质量和力量增加在一定程度上受IGF-1信号传导的调节，IGF-1结合调节亚基p85的SH2，活化催化亚基p110，磷酸化细胞内PI3K及质膜上PI及络氨酸激酶或G蛋白耦联受体(GPCR)，使PIP2向PIP3转化，诱导Akt活化〔22〕。活化的Akt通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路引起信号传导的级联反应，肌蛋白合成速率显著提高，肌量增加。另外，胰岛素与骨骼肌的胰岛素受体(InsR)结合后，导致胰岛素受体底物(IRS)络氨酸化，激活PI3K/Akt信号通路，活化Akt，引起Akt下游的葡萄糖转运蛋白(GLUT)4转位至细胞内，增加骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取利用〔23〕，且活化的Akt从质膜转移至细胞质、线粒体和细胞核内作用于糖原合成酶(GSK)3，肌糖原合成增加，产生足量的ATP，肌肉供能充足，肌力增强显著〔24〕。

1.3IR导致PI3K/Akt信号传导障碍 IGF-1既可激活PI3K/Akt介导的蛋白质合成途径，又可维持肌肉氧化平衡，对骨骼肌氧化应激具有抑制作用，保护骨骼肌免受氧化损伤〔25〕。有研究表明〔26〕IGF-1抑制骨骼肌细胞氧化应激、维持肌量是通过刺激PI3K/Akt和细胞外调节蛋白激酶(ERK)1/2-丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)通路发挥作用。胰岛素介导的PI3K/Akt信号通路功能障碍可导致骨骼肌的肌量和肌力不足，一方面，发生IR时，IGF-1刺激的PI3K/Akt信号传导被阻断，导致下游应激蛋白mTOR和S6K1表达减少，肌蛋白合成下降，肌肉萎缩严重〔27〕。转录因子FoxO1可激活肌肉萎缩转录程序，调控泛素连接酶MuRF1和MAFbx在骨骼肌中的表达(MAFbx和MuRF1两种基因在不同的肌肉萎缩模型中一致上调〔28〕)，PI3K/Akt信号传导障碍诱导FoxO1表达增加，肌肉萎缩明显〔29〕，FoxO1表达增加还可引发细胞自噬，线粒体功能退化造成肌力下降〔30〕。另一方面，PI3K/Akt信号传导障碍，减弱了胰岛素刺激的Akt与底物蛋白AS160结合促进其磷酸化的程度，抑制GLUT4从储存囊泡向质膜移动〔31〕，血液中葡萄糖含量升高，肌糖原合成减少，肌肉供能不足，肌力下降〔32〕。有研究发现Akt或IRS衔接蛋白的直接敲除可明显降低胰岛素诱导的葡萄糖摄取利用〔33〕。

1.4炎症反应和肌细胞线粒体功能损伤导致PI3K/Akt信号传导障碍 炎症反应可加速肌蛋白降解，白细胞介素(IL)-2、肿瘤坏死因子(TNF)-α等是加速肌蛋白降解的重要介质之一，是肌萎缩的重要预测因子。T2DM患者持续高血糖使肌肉中炎症因子水平显著升高导致的肌量减少、肌力及肌功能减弱的机制也与PI3K/Akt通路有关〔34〕。IL-6、IL-1、TNF-α诱导细胞信号转导抑制因子(SOCS)3表达，激活酪氨酸蛋白激酶(JAK)、转录激活子(STAT)3，靶向IRS-1抑制PI3K/Akt信号传导，骨骼肌胰岛素介导的Akt/mTOR蛋白质合成途径受抑制〔35,36〕。炎症反应还可使骨骼肌中产生过量的肌肉生长抑制素(GDF)-8，是一种肌肉生长负调节因子，T2DM患者骨骼肌中过剩的GDF-8抑制Akt磷酸化，抑制下游应激蛋白mTOR和S6K1表达，肌蛋白合成减少〔37〕。此外，骨骼肌IL-6、IL-1、TNF-α的产生在使PI3K/Akt信号通路传导障碍的同时激活NF-κB，上调泛素连接酶MuRF1和MAFbx，加快蛋白质的降解速度，肌量显著下降〔38〕。

肌少症与氧化应激关系密切，GDF-8的产生也可使肌肉中活性氧(ROS)含量升高，造成骨骼肌氧化应激增强，肌量丢失严重〔39,40〕。T2DM患者血糖持续升高，使神经传导障碍或变慢，血管、神经长期缺氧使肌肉处于放松状态，造成肌力下降〔41〕。在正常条件下，游离脂肪酸(FFA)通过脂肪酸转位酶CD36形成长链脂肪酸(LCACOA)合成脂质或在线粒体中用于氧化分解，高血糖使肌细胞线粒不足以氧化分解体内过量的FFA〔42〕，骨骼肌中过多的脂质、脂质中间体生成造成PI3K/Akt信号通路损坏，线粒体呼吸链压力加大，蛋白合成减少〔43〕，另外，功能紊乱的线粒体诱导大量ROS产生，激活半胱氨酸蛋白酶(Caspase)-3，肌蛋白降解增加，肌肉萎缩程度加剧〔44〕。

综上，T2DM患者机体代偿性分泌过多胰岛素造成IR，IR导致骨骼肌对葡萄糖摄取能力降低及Akt介导的mTOR蛋白质合成过程受抑制，持续升高的血糖造成骨骼肌氧化应激和炎症反应，产生大量的GDF-8加快肌蛋白降解速度，诱发T2DM肌少症。 见图1。

图1 PI3K/Akt信号通路与T2DM肌少症之间的关系

2 基于PI3K/Akt信号通路预防治疗T2DM肌少症

2.1激活PI3K/Akt信号通路促进蛋白合成 营养、运动、激素替代等可增加肌肉的力量和质量。叶酸是维生素的完全氧化单甘油酯形式，是一种膳食补充剂，肌少症患者采用叶酸治疗增加骨骼肌细胞分化，促进Akt和mTOR的磷酸化，激活4E-BP1和S6K1，加速肌肉生长〔45〕。阻力运动、有氧运动可以减缓肌少症发生的分子机制可能与骨骼肌PI3K/Akt和AMPK通路的激活有相关性〔46〕。Orr等〔47〕对T2DM肌少症患者进行太极拳训练，得出运动训练如太极拳等可改善老年T2DM肌少症患者症状，提高肌肉力量和质量的分子机制是PI3K及P-Akt2蛋白的上调。以亮氨酸为主的支链氨基酸(BCAA)的摄入促进胰岛素介导的蛋白质合成的原因是胰岛素依赖性mTOR信号通路的激活，因此，高剂量的亮氨酸可能有助于克服肌蛋白合成代谢阻力，具有较强的促胰岛素特性，有效维持肌蛋白合成分解平衡〔48〕。Dreyer等〔49〕采用重复肌肉活检样本免疫印迹来评估mTOR信号，稳定放射性核素技术测定混合肌肉合成速率(FSR)，发现锻炼后摄入必需氨基酸mTOR信号通路的激活显著增强，FSR高于基线，肌蛋白合成速率显著提高。Latres等〔50〕研究表明PI3K/Akt/mTOR通路需要激活才能发生IGF-1介导的转录改变，证明IGF-1/PI3K/Akt通路可以通过阻断FOXO转录因子的核易位，上调泛素连接酶MuRF1和MAFbx，肌蛋白降解速度加快，肌肉萎缩严重。有研究表明颗粒蛋白前体(PGRN)可通过激活PI3K/Akt/mTOR通路信号传导，上调PI3K、Akt、mTOR蛋白浓度，促进C2C12肌管肥大，抑制肌肉萎缩程度〔51〕。Smith等〔52〕研究表明Omega-3不饱和脂肪酸通过激活mTOR-p70s6k信号通路刺激骨骼肌蛋白合成维持肌量。钟文等〔53〕研究表明参芪复方对T2DM大鼠骨骼肌保护作用的机制与激活IGF-1/PI3K/Akt蛋白质合成途径相关。陈璇等〔54〕发现白虎二地汤能上调骨骼肌组织的PI3K p85及IRS-1蛋白的表达改善胰岛素抵抗指数(HOMA-IR)。

2.2PI3K/Akt信号通路的激活抑制骨骼肌细胞氧化损伤及炎症反应 PI3K/Akt信号通路的激活有助于抑制T2DM肌少症患者骨骼肌氧化损伤和炎症反应。Barazzoni等〔55〕采用胃激素(AG)治疗肌少症患者，发现AG可改善肌少症患者骨骼肌线粒体氧化能力和Akt磷酸化程度，缓解肌少症的病程发展。有研究表明有氧训练导致IGF-1诱导Akt向线粒体移位和聚集，活化骨骼肌PI3K/Akt信号通路，保护骨骼肌线粒体功能，改善肌肉萎缩〔56〕。Brioche等〔57〕对肌少症大鼠给予生长激素(GH)治疗后发现骨骼肌线粒体氧化损伤降低，得出GH替代治疗具有明显的抗氧化作用，可显著预防肌肉减少的结论。有研究者采用基因芯片、基因敲除等技术阻断GDF-8传导途径，导致肌肉增长加快的分子机制与PI3K/Akt信号通路下游促进蛋白质合成的mTOR和S6K1含量增加有关〔58〕。Murphy等〔59〕抑制小鼠骨骼肌中的GDF-8，IGF-1介导的PI3K/Akt信号通路被激活，显著改善肌肉萎缩程度。有学者采用黄芩(SR)与黄连(CR)联合治疗高脂及小剂量链尿佐菌素诱导的T2DM大鼠，结果发现T2DM大鼠脂质代谢、炎症反应等被明显抑制，进一步研究发现SR与CR联合使用抑制脂质代谢、炎症反应的分子机制与MAPK/PI3K/Akt信号通路的激活有关〔60〕。

综上，临床上治疗T2DM肌少症应从单纯降糖外的各个环节进行综合治疗。骨骼肌PI3K/Akt信号通路的激活可抑制肌细胞炎症反应和氧化应激，增加蛋白质合成速率，缓解肌量丢失。尽管 PI3K/Akt信号通路与T2DM性肌肉萎缩相关的分子机制还未被完全阐明，但为预防治疗T2DM肌少症提供了新思路和研究方向，PI3K/Akt信号通路有望成为开发预防治疗T2DM肌少症新药的潜在有效靶点。