PI3K/AKt信号通路与神经损伤修复的研究进展

李想 李安特 孙秋霞 毕佳璇 于润泽 周泽宇 付秀美 (承德医学院，河北 承德 067000)

磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(PKB，又称AKt)信号通路作为抗细胞凋亡、促细胞存活的信号通路广泛存在于各种类型的细胞中，参与细胞的生长、增殖和分化，是细胞内重要的信号通路。近年来研究显示〔1～6〕，在神经系统中，PI3K/AKt信号通路受多种神经营养因子的调节，参与了神经细胞的增殖、分化、突触可塑性等生理过程，并对损伤后的神经发挥促进其再生修复的重要作用。因此，PI3K/AKt信号通路在神经系统损伤修复中的作用和影响颇受关注。本文分别从PI3K/AKt信号通路的结构与组成、PI3K/AKt信号通路的激活、PI3K/AKt信号通路调节神经细胞的生理过程、PI3K/AKt信号通路与神经系统疾病的关系及总结与展望五方面进行展开论述，希望可以为神经系统疾病的基础实验研究及其临床治疗方面提供新的思路。

1 PI3K/AKt信号通路主要分子的结构与组成

1.1PI3K PI3K为胞内磷脂酰肌醇激酶，根据脂质底物的特异性和同源性的不同，PI3K可分为三类：Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，目前以Ⅰ型的研究最为广泛〔7〕。Ⅰ型PI3K又分为ⅠA与ⅠB两种亚型，其中ⅠA型是由调节亚基p85与催化亚基p110组成的异源二聚体〔8〕。调节亚基p85又包含了SH2和SH3两个重要结构域，催化亚基p110则具有磷脂酰肌醇激酶和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的双重活性〔9〕。当神经营养因子或胞外生长因子与跨膜的酪氨酸激酶受体(RTKs)结合后，RTKs则会发生自身磷酸化，从而募集PI3K至RTKs磷酸化部位。上述调节亚基p85与催化亚基p110可帮助PI3K进行活化，活化后的PI3K可催化磷脂酰肌醇2磷酸(PIP2)，使其转为磷脂酰肌醇3磷酸(PIP3)，PIP3可继续与下游靶点分子结合，从而发挥生物学作用〔10～12〕。

1.2AKt AKt是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是PIP3重要的靶点分子，在葡萄糖代谢与细胞的生长存活中发挥重要作用〔13〕。AKt可分为AKt1、AKt2和AKt3 三种亚型，其结构相似，并且在许多组织中都有表达。其中AKt1是最重要的亚型，在心、脑、肺等组织中的表达量最高〔14，15〕。AKt是PI3K/AKt信号通路下游一个重要的靶激酶，可被多种蛋白或者酶类激活，诸如受体酪氨酸激酶、整合素、B细胞和T细胞受体、G 蛋白偶联受体、细胞因子受体等。PI3K活化后的产物与AKt的PH结构域结合，使其移位、并发生构象改变，同时Ser473 和Thr308的位点发生磷酸化，从而活化AKt。另外，磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶(PDK)在AKt的激活过程中起了重要作用，其具有磷酸化Ser473位点的能力，从而形成PDK-1/PDK-2复合体，使AKt活化。

2 PI3K/AKt信号通路的激活

PI3K/AKt信号通路是通过PI3K的激活来启动的。PI3K的激活有两种方式，一种是与RTKs等受体相互作用，如生长因子或神经营养因子等与其相应受体结构域结合使受体磷酸化，募集PI3K至受体磷酸化部位，从而激活PI3K。另一种是通过Ras与催化亚基p110直接结合，从而使PI3K活化。活化后的PI3K将PIP2转化为PIP3，PIP3与AKt的PH结构域结合并使Akt转移至细胞膜上，从而催化AKt磷酸化。如上所述PDK也参与了AKt的活化，在两者的共同作用下，AKt的Ser473和Thr308两个位点发生磷酸化，使AKt激活。需要注意的是直接使AKt磷酸化的并不是PI3K活化后所产生的PIP3，而是PDK-1。当细胞在胞外信号的刺激下，PI3K首先被激活，随之活化的PI3K产生PIP3。PIP3可以使AKt由细胞质转位到细胞膜，从而获得催化活性，进而使其自身的Thr450和Ser124发生磷酸化；同时和PDK-1一起锚定在细胞膜上，在PDK-1的催化下使Ser473和Thr308磷酸化，从而活化AKt，引起级联反应。活化的AKt(又称p-AKt)可继续调控下游多种靶点分子，如B细胞淋巴瘤(Bcl)-x1/Bcl-2相关死亡启动子(Bad)、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、糖原合成酶激酶(GSK)-3β因子，核因子(NF)-κB及半胱氨酸蛋白酶(caspase)-9等来发挥生物学效应，如调节细胞存活、蛋白质合成、身体器官生长发育及促进血管生成等〔9，11〕。

3 PI3K/AKt信号通路调节神经细胞的生理过程

PI3K/AKt信号通路活化后可以促进/抑制神经细胞内多种蛋白质的磷酸化，发挥调控神经细胞存活、增殖、分化、自噬及调控神经细胞突触可塑性等作用。

3.1细胞自噬 自噬是存在于真核细胞内的一种自稳机制，是一种溶酶体依赖性降解系统。自噬在实现细胞免疫调节及维持细胞内代谢平衡的过程中起到了一定的积极作用。PI3K/AKt信号通路是机体调控细胞自噬过程的主要信号通路，其磷酸化后可上调下游信号分子mTOR的表达，进而抑制细胞自噬〔16〕。Gao等〔17〕的研究显示在面神经损伤的模型中，趋化因子(CXCL)12预处理可降低PI3K、AKt和mTOR的磷酸化水平及增加自噬标志物LC3Ⅱ/Ⅰ的表达，因此CXCL12诱导的施万细胞迁移作用分别通过3-甲基腺嘌呤(MA)和胰岛素样生长因子(IGF)-1预处理抑制自噬和激活PI3K通路而明显减弱。总的说来，激活后的PI3K/AKt信号通路可抑制细胞自噬的进程，是细胞自噬调控的主要节点之一〔18,19〕。

3.2神经细胞的增殖分化 在神经系统，PI3K/AKt信号通路激活后，可缩短神经前体细胞的细胞间期，使之迅速进入细胞分裂期，因而可使神经细胞的增殖和分化进程加快，这将促进神经细胞增殖分化，对神经的再生修复有极大的促进作用〔20〕。有研究表明DIXDCI可能通过靶向周期蛋白(Cyclin)D1和p21，部分通过激活PI3K/AKt信号通路参与施万细胞的增殖〔21〕。Wang等〔22〕实验结果揭示IGF-1与其受体(IGF-1Rs)相结合后可使PI3K/AKt和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/细胞外调节蛋白激酶(ERK)信号通路激活，促进视网膜母细胞在体外增殖和分化，这对视网膜退行性疾病的细胞治疗可能是至关重要的。

3.3突触可塑性 研究表明神经细胞的突触可塑性增加表现为长时程增强(LTP)，突触可塑性减弱则表现为长时程抑制(LTD)〔23〕。在这一过程中，N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体的激活是重要的一环，活化后的NMDA可促进α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体进入突触后膜。Parkinson等〔24〕实验结果显示PI3K能与AMPA受体结合，并引导其在突触后膜上的分布。NMDA受体激活导致钙离子内流和钙调蛋白的激活，同时也能激活PI3K，二者相互促进。此外，AKt还可将磷脂酰肌醇固定于突触后膜，并招募AMPA受体的对接蛋白，有利于AMPA受体在突触后膜的固定，从而为其发挥生物学作用提供了保证〔25，26〕。故PI3K/AKt信号通路在突触可塑性方面发挥了一定作用。

4 PI3K/AKt信号通路与神经系统疾病的关系

4.1PI3K/AKt信号通路与运动神经元病的关系 运动神经元病除了导致运动功能障碍，也对视觉、呼吸、语言、认知等功能存在影响，同时也会影响寿命。据以往的研究来看运动神经元的发病原因有以下几种：谷氨酸诱导的兴奋毒性、炎症反应、氧化应激、线粒体膜改变、呼吸链酶受损和蛋白质降解机制受损等〔27〕。Lunn等〔28〕发现使用G93A-超氧化物歧化酶-1对大鼠进行转基因操作，建立大鼠肌萎缩性侧索硬化症体外模型，研究结果显示模型组大鼠的细胞在大量G93A-超氧化物歧化酶-1的作用下会使轴索发生变性并激活caspase-3，从而引发细胞凋亡。若在运动神经元培养基中加入血管内皮生长因子(VEGF)，可以在一定程度上减轻G93A-超氧化物歧化酶-1的毒性作用；同时研究还发现VEGF抑制细胞凋亡的神经保护作用在PI3K/AKt信号通路的作用下可以得到显著加强。

4.2PI3K/AKt信号通路在常见神经退行性疾病中的作用 常见的神经退行性疾病包括帕金森症(PD)，亨廷顿病(HD)，肌萎缩侧索硬化(ALS)，阿尔茨海默病(AD)，多发性硬化(MS)等。PI3K/AKt信号转导通路的激活可以减少缺血缺氧性脑损伤，发挥保护脑组织的作用，并在缺血缺氧所致的脑瘫的病理生理过程中发挥重要的调节作用〔29，30〕。在MS患者中，PI3K/AKT/mTOR信号通路在髓鞘的发育和再髓鞘形成过程中可调控少突胶质前体细胞的分化，进而促进髓鞘形成〔31〕。证明该信号通路在促进损伤神经细胞修复中具有极其重要的意义。在PD模型中，PI3K/AKt信号通路则受到抑制，体内Sonic hedgehog(SHH)信号通路对PI3K/AKt信号通路具有一定的调控作用；而PI3K/AKt信号通路在SHH信号通路的激活可改善小鼠的运动协调能力、保护多巴胺能神经元、抑制小胶质细胞的激活及炎症因子的表达等方面同样发挥着重要的作用〔32〕。

4.3PI3K/AKt信号通路在周围神经损伤(PNI)中的作用 PNI作为临床上常见的损伤性、致残性疾病，其患者多表现为神经性疼痛、肌肉萎缩、甚至瘫痪。现已知的致病因素大多数为机械损伤和意外伤害等。如超出神经拉伸限度的拉伸力导致的神经撕裂、利器所致的刀割伤及交通事故导致的神经压挫伤和/或断离损伤等。神经受损如离断、碾压挫伤及变构，常导致神经本身及其支配的靶组织或者靶器官发生多种功能障碍包括感觉、运动、营养等方面。与中枢神经系统不同的是，周围神经系统在一定程度上具备自我再生修复的能力。当神经受损程度低于神经自我修复限度的临界值，并且在施万细胞的基底膜完整时，损伤神经就可以实现再生修复〔33〕。PI3K/AKt信号通路作为细胞内重要的信号转导通路，参与了神经细胞的生长、分化和成熟等过程，并在其中发挥了积极的作用。神经干细胞(NSCs)是一类具有分化潜能和自我更新能力的母细胞，可以通过不对等的分裂方式产生神经元、星型胶质细胞、少突胶质细胞等神经组织的多种细胞。研究显示PI3K/AKt信号通路在NSCs向神经元的诱导分化中起到了积极的促进作用。L-正丁基苯酞可通过上调CyclinD1来促进NSCs的增殖、迁移和神经分化，PI3K/AKt信号通路可能是这一过程中的一个重要的靶点。Sang等〔34〕在坐骨神经损伤模型研究中，发现姜黄素可刺激NGF的释放，增加的NGF可进一步激活TrkA和PI3K/Akt细胞存活信号通路，发挥对损伤神经元的保护作用。

综上，PI3K/AKt信号通路广泛存在于各种细胞中，通过PI3K和/或AKt的激活，进而调控其下游的多种信号分子来发挥作用。在神经系统中，该通路激活后可上调/下调神经细胞内多种蛋白磷酸化水平，从而参与调控神经细胞的存活、自噬、发生及神经细胞的增殖、分化和突触可塑性等。因此，在运动神经元疾病、神经退行性疾病及周围神经损伤后的再生修复过程中，PI3K/AKt信号通路发挥了十分重要的作用。而且，近年来研究发现该信号通路和很多其他信号通路存在着关联，比如MAPK/ERK、NF-κB和β-连环蛋白等〔35，36〕。因此，通过对该信号通路中分子及与其相互作用的通路分子进行研究，可为神经系统疾病的机制研究及相应药物开发提供新的思路。