mTOR信号通路在糖尿病肾病发病机制中的研究进展

王珍, 杨洛, 廖敏, 郝亚荣

武汉大学人民医院老年病科，武汉 430060

糖尿病是全球导致死亡的主要疾病之一，是重大公共卫生问题。世界卫生组织统计大约有4.22亿人患糖尿病，而且患有糖尿病的人数呈逐年上升趋势。研究表明，1/5的糖尿病患者可能有肾病并发症[1]。糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN)已经成为糖尿病最常见的并发症。由于DN的高发病率以及与晚期肾病、心血管疾病和过早死亡等风险相关，其已成为全球性的健康问题[2-3]。当前的糖尿病患者的管理重点是严格控制血糖、降压和降脂，然而这些干预不能在很大程度上降低DN患者的比例[4-5]。鉴于DN治疗方案的局限性，研究人员一直在努力阐明肾损害的信号通路，从而开发新的药物。DN是一种多因素的疾病，其特征是复杂的相互作用的血流动力学和代谢因子，包括高血糖水平、晚期糖基化终产物和肾素-血管紧张素-醛固酮系统的激活[6]。因此，DN的发病机制涉及多种信号通路。在正常血糖水平下，自噬是肾上皮细胞(包括足细胞、近端肾小管、系膜和内皮细胞)的重要保护机制，但是在高血糖状态下，自噬的活性下调，可导致DN的发生和进展；慢性的全身性炎症和炎症反应，如循环细胞因子的增加，也已被认为是DN发展的主要因素[7]；DN还与氧化应激增加以及碳水化合物、脂类和蛋白质代谢的改变有关。

雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是雷帕霉素的靶蛋白，是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白酶，是磷脂酰肌醇3激酶相关激酶蛋白家族的成员。mTOR主要参与磷酸肌醇3-激酶(phosphoinositide-3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B，Akt)/mTOR信号通路，在延迟细胞凋亡以及促进细胞分裂、细胞存活和血管生成中发挥了主导作用[8]。mTOR包含2种不同的蛋白复合物，分别为雷帕霉素靶蛋白复合物1(mechanistic target of rapamycin complex 1，mTORC1)和mTORC2，它们可以通过其不同的底物来区分。mTORC1基本的核心物质包括mTOR、G蛋白β亚基、mTOR的雷帕霉素敏感接头蛋白和分子量为40 kDa的含脯氨酸Akt底物。mTORC1的主要作用为促进蛋白质合成和细胞体积的增加；其还可以感知并响应细胞内外营养水平的波动，主要是生长因子、细胞能量、氧水平、氨基酸等；活化的mTORC1可导致2个下游靶点核糖体S6激酶和真核翻译起始因子4E结合蛋白磷酸化，这2个靶点刺激核糖体合成和蛋白质翻译，从而诱导细胞的生长和增殖，以增加细胞质量[9]。mTORC2基本的核心物质包括mTOR、哺乳动物应激激活的蛋白激酶反应蛋白、G蛋白β亚基和Rictor蛋白，其主要作用是控制细胞存活和构建细胞骨架[10]。

近年来，多项研究致力于探索mTOR在DN发病机制中的作用，结果表明，在DN的动物模型和患者中，mTOR在多条信号通路中位于核心位置，参与了肾脏多种病理过程，如自噬、炎症、氧化应激等[11-12]。因此，本文就mTOR介导的自噬、炎症及氧化应激信号通路在DN发病机制中的相关研究进展做一综述，以期为DN治疗及预防提供理论参考。

1 自噬

自噬是一种高度保守的分解代谢过程，是一种细胞自我保护机制。在缺氧等条件下，自噬被激活，其主要通过溶酶体和双膜自噬体的整合识别错误折叠的蛋白质、受损细胞器、有害的胞内物质并将这些物质降解为可利用的产物，通过再循环为细胞提供能量用于修复和再生，以维持肾小球和肾小管的稳态。在高糖条件下，自噬水平降低，细胞内的细胞器和大分子积累且无法清除，从而导致肾脏足细胞、肾小球、肾小管损伤，最终可出现DN的发生和发展[13-14]。可见DN与自噬活性的减低明显相关。自噬的作用机制受多种因子调控，其中主要的负调控因子是mTOR[15]。因此，通过抑制mTOR激活来调节自噬的活性可能是DN的重要治疗靶点[16]。

1.1 mTOR介导自噬上游信号通路

在肾脏足细胞自噬过程中，信号传递、自噬运动和囊泡融合都涉及PI3K/Akt途径。PI3K是真核生物中调节自噬的重要信号分子，Akt是PI3K/Akt信号通路的核心[17]。研究表明，DN模型组会出现肾小球数量、形态改变，肾脏微管相关蛋白1轻链(microtubuler associated protein 1 light chain，LC)和Bcl-2相互作用蛋白(Bcl-2 interacting coiled-coil protein 1，Beclin-1)表达显著降低，二者的含量与自噬呈正相关，是评估自噬活性水平的最佳标志[18]，而PI3K、Akt和mTOR表达显著升高。这表明DN小鼠通过PI3K/Akt/mTOR通路的激活，抑制了肾脏自噬保护机制，导致肾脏病理改变[19]。

1.2 mTOR介导自噬下游信号通路

自噬途径主要由自噬相关基因(autophagy-relatedgene, Atg)蛋白控制，Atg蛋白可参与组成ULK1(UNC-51-like kinase 1)复合物和液泡分选蛋白34(vacuolar protein sorting 34, Vps34)复合物。ULK1是mTORC1信号传导至自噬细胞的关键介质。当上游信号通路传导活化后，mTOR被激活，ULK1中的mTORC1依赖性的磷酸化位点发生去磷酸化。ULK1可抑制分解代谢过程，从而导致自噬受到抑制。自噬诱导所需的另一种自噬复合物是Vps34复合物。活化的mTORC1使Vps34复合物磷酸化，进而抑制自噬体的合成并抑制自噬[17]。

1.3 其他信号分子影响mTOR活性介导自噬

近年来，多项研究表明各种信号分子可通过影响mTOR活性介导自噬。维生素D通过下调mTOR基因表达、阻断mTOR通路可降低链脲菌素诱导的糖尿病肾小球平滑肌肌动蛋白α的表达、系膜基质积累和肾脏肥大，增强自噬作用[20]。KCa3.1钾通道通过激活PI3K/Akt/mTOR信号通路介导DN患者的自噬活性降低[18]。高血糖诱导的硫氧还蛋白互作蛋白通过激活mTOR信号通路参与糖尿病肾病小管自噬和线粒体自噬的异常调节(图1)[21]。此外，青钱柳富含的三萜酸可显著增加AMPK的磷酸化，并降低其下游效应物mTOR的磷酸化，从而增加自噬活性，以延缓DN的发展[22]。

图1 mTOR介导的自噬信号通路

2 炎症

炎症是机体对有害条件作出反应时激活的一种机制，以维持组织的稳态和完整性。炎症反应的慢性激活会引发许多副作用。己知高血糖、炎症和肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活是糖尿病相关肾损害的始动因素，并且大量证据表明炎症在糖尿病并发症的发生和发展中起着关键作用[23]。在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)患者中，促炎细胞因子如白细胞介素-1β(interleukin-1β, IL-1β)、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子α和C-反应蛋白(C-reactive protein, CRP)的水平升高，提示炎症与T2DM有密切关系[23-25]。DN介导的肾损伤中的炎症反应，可以通过抗炎治疗，以预防和延缓肾脏损害的进展[25-27]。因此，在过去的几年中，炎症反应的调节已成为降低DN发病率的一种可能的治疗方法。高血糖是一种糖尿病及其并发症主要的上游机制，而炎症被认为是糖尿病并发症进展的下行驱动力[28]。多种炎症因子可以通过mTOR介导的信号通路介导肾脏炎症反应，使肾脏结构发生破坏。

IL-1是一种常见的炎性因子。研究表明IL-1可显著影响肾脏功能，IL-1与DN发生和发展关系密切，而且IL-1含量增高会促进DN的发生和发展。研究表明，IL-1可直接结合PI3K的调节性p85亚单位[29]；在动物实验模型中加入IL-1后，PI3K/Akt/mTOR途径可迅速激活[30-32]。总之，IL-1可以激活PI3K/Akt/mTOR信号通路，导致肾脏发生炎症反应。

CRP是一种急性期蛋白，在炎症和组织损伤时迅速合成和释放。在T2DM患者中，CRP水平升高与微量白蛋白尿和肾功能不全密切相关，提示CRP水平很有可能用来衡量DN炎症的严重程度[33]。CRP可以激活人肾小管上皮细胞mTOR的信号机制，从芯片分析可以清楚地检测到果蝇母性DPP同源蛋白3(sekclsky mothers against dpp3，Smad3)与mTOR的非翻译区(untranslated regions, UTR)区域的物理互作，CRP在很大程度上增强了这种结合位点。而定量流式细胞术、免疫荧光和Western blot分析的结果进一步证明了Smad3和mTOR信号之间的功能联系，即用特定抑制剂阻断Smad3信号能够抑制CRP诱导的mTOR信号，揭示了CRP与Smad3及mTOR信号有相互作用关系[34]。在高糖条件下，小鼠喂养时添加CRP或高糖能够激活mTOR，CRP和高糖的联合应用并没有增加mTOR信号；然而，添加中和抗体CD32b可减弱高糖和CRP诱导的mTOR信号，这意味着高糖通过CRP-CD32b机制诱导mTOR信号[34]。总之，CRP可通CD32b/Smad3/mTOR促进肾脏炎症信号传导机制，证明mTOR信号通路是CRP促进2型糖尿病肾病的一个中心机制。

3 氧化应激

氧化应激是DN发病的一个主要的病理生理学事件。在正常的生理条件下，氧化与抗氧化系统处于动态平衡状态，使生物体免受活性氧的毒性。然而，在不同的病理生理条件下(如缺血再灌注、慢性肾功能衰竭和DN等)，肾小球细胞的氧化应激成为肾脏损害的主要原因[35]。高血糖是DN的主要发病因素。高血糖抑制肾实质细胞对于组织葡萄糖的摄取，导致机体有氧氧化水平降低，抑制线粒体氧化呼吸链，使代谢产物积累，包括H2O2等物质，即增加了活性氧的产生[36-37]。因此，高血糖是DN的主要致病因素之一，并且自氧化、非酶化蛋白糖基化和增加多元醇途径都与血糖升高有关。这些机制引发氧化应激，并可能影响许多细胞代谢活动。研究表明抑制mTOR可以改善高糖诱导的肾脏细胞的氧化应激状态[38]。

3.1 mTOR介导氧化应激的信号通路

高糖诱导的活性氧(reactive oxygen species，ROS)过度表达是糖尿病并发症的统一机制。并且，高血糖状态下ROS的过度生成在糖尿病并发症的发病机制中起着核心作用，线粒体源性ROS是引起细胞死亡和肾功能不全的主要细胞内活性氧来源[39-41]。而ROS可调节Akt/mTOR信号传导。相关实验发现，雷帕霉素可抑制mTOR，降低高糖暴露肾小球系膜细胞的ROS生成，提示mTOR参与高血糖状态下ROS的生成[42]。在另一实验中，结果同样证实了mTOR介导了DN的氧化应激。mTOR的抑制可以显著降低体内外还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶的活性。NADPH氧化酶4是NADPH氧化酶复合物的成员，可以产生ROS并在介导线粒体功能障碍和细胞凋亡中发挥重要作用。mTOR抑制可降低NADPH氧化酶水平[43]。这些结果表明mTOR通过激活NADPH氧化酶增加ROS的产生。另一方面，在高糖条件下，超氧化物歧化酶活性明显降低。相反，在糖尿病条件下，mTOR通路的阻断导致谷胱甘肽水平和超氧化物歧化酶活性升高，这表明mTOR抑制剂增强了清除有害氧化的能力[44]。因此，mTOR抑制剂可通过上调抗氧化酶和下调NADPH氧化酶活性来保护肾脏免受氧化应激的影响。

3.2 其他药物影响mTOR介导氧化应激

多种mTOR抑制剂同样可通过上调抗氧化酶和下调NADPH氧化酶活性来保护肾脏免受氧化应激的影响。抗菌肽-BF(BF-30)有抗微生物和抗炎作用[44]。实验结果显示，BF-30可以增加人肾小管上皮细胞单磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase, AMPK)的磷酸化，抑制mTOR的磷酸化，并促进LC3的降解，提示其能有效拮抗氢过氧化物诱导的凋亡，抑制肾组织氧化应激，减少肾脏纤维化，增加自噬和减少肾细胞凋亡相关蛋白，减少细胞损伤，保护肾细胞[45]。三七素也具有同样的作用。研究表明，在肾小管内皮细胞中三七素实验组的活性氧减少，胞内抗氧化酶增加，同时mTOR的活性降低，提示三七素可以通过抑制mTOR的活性，改善氧化应激，从而保护糖尿病大鼠的肾组织[46]。岩白菜素能抑制葡萄糖诱导的肾小球细胞外基质的产生，通过mTOR/转录重复包含蛋白1/核转录相关因子2途径下调系膜细胞的氧化应激，因此岩白菜素可能成为预防和治疗DN的候选药物[47]。

4 展望

DN是慢性肾脏病的主要病因之一，也是糖尿病患者死亡的主要原因，但对糖尿病引起的肾损伤的潜在机制知之甚少。DN患者现有的治疗方法包括控制血糖、胆固醇和高血压等，可并不能明显减低DN患者比例以及延缓DN的进展。因此，亟需阐明糖尿病肾损害的信号通路，以开发新的药物。激活mTOR可以抑制自噬、促进炎症、促进氧化应激，导致DN的发生和发展。了解了mTOR信号通路在DN发病过程中的作用，对未来DN治疗策略具有重要意义。这为临床治疗DN提供了一种新思路。

然而，目前关于mTOR信号通路在DN发病机制中的研究进展多是关于mTOR介导自噬的信号通路，关于炎症及氧化应激的研究很少。且mTOR信号通路的研究尚未完全透彻，尤其关于mTORC2的研究较少。因此，还应该多关注mTOR介导DN炎症及氧化应激的信号通路及mTORC2介导DN的信号通路。随着更多研究中mTOR信号通路在DN中机制的进一步阐明，DN的预防及治疗必将更进一步。