不同修饰的Akt在阿尔茨海默病发病机制中的作用

王 卯宋军营张振强*

(1.河南中医药大学第一临床医学院,郑州 450000;2.河南中医药大学中医药科学院,郑州 450046)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种慢性进行性神经退行性疾病,占痴呆症病例的70%～80%,以认知功能缺陷、行为异常和日常生活能力受损为其主要特征[1]。随着人口老龄化加剧,目前全球约有4400万人正在遭受AD困扰,预计到2050年,全世界痴呆症患者将达到1.5亿[2]。AD的病理学特征主要包括Aβ沉积形成的老年斑、tau蛋白异常磷酸化形成神经纤维缠结以及神经元-突触损伤。尽管进行了30多年的深入研究,提出的可能的发病机制包括β淀粉样蛋白级连假说、tau蛋白异常磷酸化学说、氧化应激学说、炎症反应学说、自由基学说等[3-4],然而目前对于AD的发病机制仍尚未明确。近来研究发现,人脑和动物模型的实验研究一致表明,脑胰岛素信号通路异常或胰岛素抵抗促进并加速认知功能障碍和AD的发生发展[5],参与胰岛素信号通路的不同蛋白的表达变化在神经变性和AD中起重要作用。Akt作为胰岛素信号通路的关键靶点,在胰岛素抵抗、调节细胞活性、促进细胞凋亡等方面发挥核心作用[6],因此,本文以Akt作为切入点,结合最新研究,综述其不同的翻译后修饰在AD发病的可能机制中的作用,以期为预防及治疗阿尔茨海默病提供新的研究思路。

1 Akt磷酸化与AD

Akt,又称为蛋白激酶B(protein kinase,PKB),30年前Stephen Staal从Akt8逆转录病毒的致癌细胞中获得的致癌基因[7],作为一种57×103的丝氨酸-苏氨酸(Ser/Thr)特异性蛋白激酶[8],其具有三种亚型,即Akt1、Akt2、Akt3[9]。其中Akt1主要分布在组织中,Akt2主要位于肌肉和脂肪细胞,而Akt3主要表达在脑细胞中[10]。Akt有两个磷酸化调控修饰的活性位点Ser473和Thr308,分别位于催化结构域(pH结构域)和羧基末端调节结构域。磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)的激活导致在质膜上产生第二信使磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-triphosphate,PIP3),PIP3与细胞内的Akt及3-磷酸肌醇依赖性蛋白激酶1(phosphoinositide dependent kinase-1,PDK1)结合,使Akt转移到细胞膜上,并且在PDK1的辅助下在Ser473和Thr308位点发生磷酸化,从而使其充分活化,活化后的Akt可通过其大量下游靶点促进细胞存活、增殖、生长及细胞代谢途径的改变。Akt的下游主要有糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)、叉 头 转 录 因 子(the forkhead box O,FoxO)和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)三个经典靶点,其中最重要的靶标Akt是糖原合酶激酶3(glycogen synthasekinase-3,GSK-3)。

作为一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶的GSK-3,在许多细胞信号传导过程中发挥作用[11]。它具有GSK-3α和GSK-3β两种同工型[12],它们分别在其Ser21和Ser9位点磷酸化而失活。其中GSK-3β广泛存在于中枢神经系统,尤其是海马区,与记忆与认知密切相关。GSK-3β的失活可促进葡萄糖代谢,同时调节神经细胞的代谢活性、转录因子等,有助于细胞发育以及神经元细胞寿命的延长;相反,其激活将促进tau蛋白磷酸化和淀粉样β斑沉积,促使小胶质细胞介导的神经炎症的发生,最终导致AD的发生发展。在AD中,Akt磷酸化减少、活性降低,削弱了下游GSK-3β的磷酸化失活,导致大量活化的GSK-3β存在,活化的GSK-3β使tau蛋白在Ser199、Tyr18、Thr231等处被磷酸化[13],磷酸化的tau蛋白错位于树突棘,这会在AD的早期诱导突触功能障碍。反之,Akt的磷酸化会通过GSK-3β在Ser9磷酸化来抑制其活性,从而减少tau磷酸化。

FoxO家族转录因子由FoxO1、3、4、6组成,主要参与细胞凋亡、细胞周期组织、分解代谢和生长抑制以及组织特异性代谢变化[14],FoxO的不同亚型存在于大脑不同区域,调节神经元存活、氧化应激、突触传递和海马体损伤,这些是与AD相关的主要病理学特征[15]。调节FoxO因子的核心是一个关闭系统,它将FoxO因子限制在细胞核或细胞质中。磷酸化是FoxO因子有效地从细胞核转移到细胞质的必备条件。在大多数情况下,FoxO6定位于细胞核内,而FoxO1和FoxO3被Akt激活后主要定位胞浆[16]。Akt磷酸化激活导致下游FoxO磷酸化,使其从细胞核转移到细胞质,进而失去转录活性。Akt通过磷酸化抑制FoxO靶点的表达,从而抑制细胞凋亡,提高神经元存活率,对神经元起保护作用,减少AD的发生。Ryan等[17]研究发现FoxO3的磷酸化失活可改善小鼠认知功能;Cao等[18]研究发现下调FoxO3的表达可导致自噬抑制,从而减弱小胶质细胞介导的炎症反应。而Webb等[19]研究发现FoxO可以促进AD中错误折叠的蛋白质的清除,提示其在神经退行性变中发挥作用,表明FoxO可能存在多种途径在AD的发病机制中发挥不同作用。

mTOR是细胞生长和增殖的重要调节因子。它由mTORC1和mTORC2两个亚型组成。mTOR可被PI3K/Akt途径激活,激活的mTOR可促进多种合成代谢过程,如蛋白质、脂质和核苷酸合成,同时抑制自噬的分解代谢过程。Akt的活化促进了mTOR磷酸化激活,进而导致tau在S214的磷酸化,tau的磷酸化增多是AD的病理学标志。据报道,中枢神经系统中mTOR受损会导致葡萄糖代谢和能量生成受损,线粒体功能障碍、自噬、细胞存活失调等现象[20]。此外,PI3K/Akt/mTOR通路的过度激活还与AD中Aβ和tau的清除中断、突触丢失和认知功能下降有关。一方面,诱导PI3K/Akt/mTOR信号激活可促进神经细胞的存活,并阻止导致神经细胞死亡的过度自噬;另一方面,抑制mTORC1可能会刺激受损或有毒蛋白质的自噬,并通过上调AKT通路中的mTORC2活性来提高细胞存活率[21]。有许多研究表明受损的mTOR信号在AD发病机制中的作用[22],Li等[23]发现AD脑中磷酸化mTOR水平升高,并且与tau过度磷酸化呈正相关。Perluigi等[24]研究发现抑制mTOR活性可提高认知能力,延缓脑老化,并通过与葡萄糖代谢、自噬和线粒体功能相关的途径抑制神经退行性疾病的进展。然而PI3K/Akt/mTOR通路与自噬过程间的相互作用又充满了复杂性,Lafay-Chebassier等[25]发现AD发病早期Aβ的出现阻断了mTOR的磷酸化活性,增加了自噬过程,提示Aβ与mTOR下调之间可能存在正相关关系。这对PI3K/Akt/mTOR信号通路介导的AD的发生的不规律性作出了补充。

胰岛素信号通路主要包括PI3K/Akt途径和丝裂原激活的蛋白质激酶(mitogenactivated protein kinase,MAPK)途径。其中,PI3K/Akt途径起主要作用,广泛的参与细胞的存活、生长、增殖和蛋白质合成;而MAPK途径则是以调节细胞分化为主[26-27]。研究发现,PI3K/Akt途径的活性减少将最终导致tau蛋白磷酸化增加以及淀粉样β斑块沉积增加,这是AD的两个主要病理特征[28]。而PI3K/Akt途径的激活可以改善AD的病理学特征[29]。此外,也有报道指出Akt基因过度表达可降低AD相关的tau蛋白过度磷酸化[30]。因此,具有磷酸化修饰Akt为主的PI3K/Akt途径在AD的发病机制中有重要意义。

2 Akt乙酰化与AD

乙酰化是一种可逆的翻译后修饰,它不仅能中和氨基酸的正电荷,以不同的方式改变蛋白质的功能[31],还通过组蛋白乙酰转移酶或组蛋白脱乙酰基酶(histone deacetylases,HDACs)修饰核心组蛋白在基因表达调控中起着关键作用[32],控制组蛋白以外的许多蛋白质的活性,包括各种激酶[33],如Akt、Xklp2靶蛋白(targeting protein for xenopus kinesin-

like protein 2,TPX2)、目的细胞周期蛋白激酶6(cyclin-dependent kinases 6,CDK6)等[34]。研究发现Akt的pH域乙酰化[35],其乙酰化可抑制其磷酸化过程。Akt的激活过程需要Akt与PIP3结合,后者通过上游激酶PDK1促进Akt的膜定位和磷酸化。Akt和PDK1在其pH结构域的赖氨酸残基处乙酰化,导致它们与PIP3结合受到抑制。乙酰化阻断了Akt和PDK1与PIP3的结合,从而阻止Akt的膜定位和磷酸化,最终使Akt活性下降。Ding等[36]研究发现Akt乙酰化抑制其磷酸化活性;Xu等[37]研究发现Akt在K14位点乙酰化对rDNA沉默和衰老有重要作用。作为第三类HDACs的沉默信息调节因子1(slient information regulator 1,SIRT1)可脱乙酰化多种蛋白底物[38],SIRT1的脱乙酰化作用增强了Akt和PDK1与PIP3的结合,并促进了它们的活化,进而提高胰岛素敏感性,改变神经内分泌功能,刺激神经发生和增强突触可塑性,提高大脑抵抗认知衰退的能力。Cao等[39]检测到AD患者大脑中SIRT1水平的下降,且与Aβ斑块沉积具有负相关性;Gomes等[40]研究发现SIRT1的增多可通过抑制淀粉样蛋白生成而改善AD;而Milne等[41]验证了SIRT1激活剂治疗以Akt信号缺陷为特征的代谢紊乱的有效性,进一步证实乙酰化作用通过作用于Akt,调节胰岛素信号通路,对AD的治疗新靶点有启示作用。

3 Akt硫酸化与AD

硫化氢(H2S)是一种气体递质,可通过蛋白质的硫酸化激活细胞内信号传导途径。研究发现促炎细胞因子IL-1β可以通过增加胱硫醚β-合酶的表达来诱导细胞内H2S的水平,从而催化H2S的形成[42]。当来自H2S的硫附着到蛋白质的半胱氨酸残基(-SH)并将其转化为-SSH时,就会发生硫酸化修饰[43]。细胞内H2S诱导使总Akt和磷酸化的Akt在C77处被硫酸化,从而抑制其磷酸化,导致GSK-3β不被磷酸化失活。大量活性的GSK-3β促使tau异常磷酸化,构成AD的主要病理学特征。一旦解除了Akt硫酸化,其与GSK-3β间的相互作用便得以恢复,GSK-3β磷酸化随之恢复;随着GSK-3β磷酸化的恢复,GSK-3β失活,tau磷酸化得到改善。Akt在炎症条件下被硫酸化,这在所有的神经退行性疾病中都存在,包括AD、帕金森氏症、创伤性脑损伤和多发性硬化症[44-45]。Mir等[46]发现H2S介导的硫酸化作用与神经系统疾病和脑损伤相关的记忆障碍有关。Ji等[47]研究发现H2S可通过诱导PI3K/Akt途径预防小鼠神经构功能异常以及炎症和氧化损伤导致的认知障碍。Sen等[48]在AD患者的死后大脑中检测到硫酸化Akt,且进一步研究发现Akt的硫酸化主要导致AD的突触功能障碍。然而,Shao等[49]研究发现H2S通过介导PI3K/Akt途径抑制海马神经元凋亡并保护神经元细胞。因此,Akt的硫酸化在AD的具体作用机制还需要进一步研究。

4 Akt的其他修饰与AD

Akt还存在其他的翻译后修饰,包括泛素化、糖基化、甲基化、氧化等。Wei等[50]发现Akt的泛素化是其磷酸化激活的重要步骤,而去磷酸化可通过泛素-蛋白酶体途径增加其泛素化水平,进而加速其自身降解。蛋白质泛素化在清除Aβ沉积[51]、降低tau磷酸化水平[52]方面都起到关键作用,但目前关于Akt泛素化对AD的影响还没有明确报道。Wang等[53]认为抑制Akt糖基化水平将导致Akt磷酸化水平减少、活性降低,Akt/mTOR信号通路受阻,自噬作用增强。而自噬可改善AD小鼠模型的认知能力和病理学改变[54]。此外,Akt的甲基化可促进其激活[55],Akt的氧化在其质膜的募集和激活中发挥重要作用[56],但两者在AD发病机制中的作用鲜有报道。因此,Akt不同的翻译后修饰都可能从不同角度导致Akt激活或失活,进而影响下游靶蛋白,从而在AD的发生发展中发挥作用,其具体作用机制尚有待进一步研究。

5 总结与展望

许多研究揭示了Akt在调节细胞生长、能量利用、线粒体功能、自噬、氧化应激、突触可塑性及认知功能等方面发挥重要作用,Akt翻译后的不同修饰在调整其激活、失活、细胞定位等方面起不同作用,并通过影响Akt通路上下游因子发挥调节作用。但被不同翻译后修饰的Akt如何与其上游及下游因子发挥作用的潜在机制尚待进一步研究。靶向Akt的不同翻译后修饰为AD的发病机制及可能的治疗策略提供了独特的新思路。同时,Akt的不同翻译后修饰的检测也可以为其他相关的神经系统退行性疾病的发病机制研究提供新的见解。