mTOR信号通路调控非酒精性脂肪性肝病的研究进展

张玉秀,姚睿原,孙传凯,吴璟玥,包丽丽

(内蒙古医科大学 基础医学院,内蒙古 呼和浩特010100)

非酒精性脂肪性肝病(Non-Alcoholic Fatty Liver Disease,NAFLD)是以肝脏脂质沉积过多为主要特征并伴有不同程度的炎症和损伤的一种临床病理综合征。NAFLD与酒精摄入无关,通常与肥胖、糖尿病、高血压和高血脂等代谢综合征相关。目前为止,我国大陆地区患病率约为29.81%高于全球的平均水平(25%),NAFLD已经超越乙型病毒性肝炎和酒精性肝病,成为中国最常见的慢性肝病。NAFLD在早期通常没有明显的症状,但如果不加以控制和治疗,可能会进一步发展为非酒精性脂肪性肝炎和肝硬化甚至肝癌。mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,与不同的蛋白质结合形成mTORC1和mTORC2两种复合物。mTOR信号通路在脂质代谢调控以及NAFLD的发生和发展中扮演着重要的角色,具体的调控机制值得深入研究。

1 NAFLD概述

NAFLD的发病机制非常复杂,NAFLD起源于肝脏中甘油三酯(Triacylglycerol,TAG)的过度积累,主要是由于脂质获取和脂质处理之间的失衡所致[1]。研究表明,多个因素共同参与了这个过程。首先,脂质获取方面,脂质合成增加、饮食中过多的脂质和碳水化合物等因素都可能导致肝脂的过度沉积。其次,脂质处理的失衡也是导致NAFLD的因素之一[2]。在NAFLD中,脂肪酸氧化异常,导致肝脏对脂质的正常处理受到影响,从而引发了脂质的累积最终导致肝脂肪变性。如果不及时干预,能诱发肝脏氧化应激反应,产生大量的活性氧(ROS),进而引起脂质过氧化反应。氧化产物可能对肝细胞产生损伤,并激活炎症反应,进一步加剧肝脏损伤。此外,肝星状细胞的激活也是NAFLD发展的重要环节。肝星状细胞会释放细胞因子,进一步促进炎症反应和纤维化过程,甚至是肝细胞癌等肝脏的终末期疾病[3]。

2 mTOR复合物结构及分子特征

mTOR是一种丝/苏氨酸蛋白激酶,它被广泛地表达于各种细胞类型中。mTOR能够感应和调节细胞内外的多种信号和刺激,从而对细胞的功能和代谢进行调控。mTOR通过两个主要的复合物,即mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)来实现其功能[4]。mTORC1主要由mTOR、raptor(Regulatory associated protein of mTOR)和 mLST8(mammalian lethal with SEC13 protein 8)3个亚基组成。其中,mTOR是该复合物的核心蛋白,具有催化活性。raptor和mLST8是辅助蛋白,参与调节mTORC1的相关功能和底物的选择。mTORC2也主要由mTOR和mLST8组成,但与mTORC1不同的是,mTORC2的另一个关键亚基是rictor(rapamycin-insensitive companion of mTOR)。rictor在mTORC2中起到结构支持和底物识别的作用[5-6]。

3 mTOR信号通路在脂质合成中的作用

3.1 mTORC1通过SREBP调节肝脂代谢

肝脏是全身代谢的重要器官,尤其是在脂质代谢中起关键作用。固醇调节原件结合蛋白1c(Sterol Regulatory Element-Binding Protein1c,SREP1c)是脂质代谢的重要转录因子存在于内质网膜上的脂质环境中[7]。在胰岛素刺激下,mTORC1被活化时,激活S6K1,正向调控 SREBP1c的加工过程,促进n-SREBP1c的形成和入核。此外,mTORC1还可以直接磷酸化Lipin1(SREBP-1c活性的负调节因子),阻止Lipin1易位进入细胞核,这样做可以促使SREBP1c转录因子的活性增加,进而促进脂质的合成过程[8]。在细胞核中,mTORC1的活化能够促进SREBP-1c进入细胞核并增加其转录活性,SREBP-1c可以结合到脂肪酸从头合成(De Novo Lipogenesis,DNL)脂质合成相关基因的启动子区域,增强编码脂肪酸合成相关酶乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)、硬脂酸辅酶A去饱和酶(stearoyl-CoA desaturase,SCD)基因的转录活性,最终促进脂质的合成和积累[9]。

3.2 mTOR通过Foxo1和Lipin1调节肝脏IR

胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)是NAFLD进展的主要因素之一。肝脏中的IR严重影响能量平衡和新陈代谢,导致肝脏脂质过度积累,这是脂肪肝发生的主要原因[10]。胰岛素介导的肝糖代谢通过直接调节磷脂酰肌醇依赖性激酶-1(PDK1)和mTORC2的活化来减少肝糖异生。PDK1可以直接磷酸化和激活Akt,Akt的活化可以抑制磷酸糖异构酶活性,抑制糖原的分解,减少血糖的释放。此外,Akt的活化还可以抑制磷酸酶4(PP4)的活性,从而减少糖异生相关基因的表达,降低糖异生的程度。另外,Akt的磷酸化也触发Foxo1蛋白的磷酸化,在磷酸化状态下,Foxo1无法进入细胞核,从而阻止了其对糖代谢相关基因的转录活性[11]。这进一步抑制了肝脏中糖原合成酶的产生,从而降低了肝脏糖原的合成[12]。mTORC1活化也会抑制Foxo1的转录活性,可以减少肝脏中糖异生相关基因的表达,从而减少血糖产生,有助于胰岛素信号的正常传导。RAJAN等[13]通过全系统实验和Foxo1相关胰岛素信号传输的模型分析:需要许多胰岛β细胞来确保NAFLD患者的正常血糖,这导致这些患者的空腹胰岛素浓度高。

研究表明,当mTORC2的活性增强时,会促进Lipin1的表达。mTORC2可以通过多种途径增加Lipin1的表达,其中一个重要的途径是通过某些转录因子,如CREB(cAMP响应元件结合蛋白),来增加Lipin1基因的转录活性,增强mTORC2还可以直接调节特定的磷酸化酶和脱磷酸酶,从而影响Lipin1蛋白的翻译后修饰,例如磷酸化或去磷酸化,从而调控Lipin1的稳定性和功能[14]。而A-CREB(active CREB)会降低Lipin1的表达[15],这意味着mTORC2和CREB复合物在调节肝细胞中Lipin1表达上起着核心作用,进而影响NAFLD中的脂质积累。此外,研究还发现,在健康人中,当Lipin1的表达增加时,蛋白激酶Cε(Protein Kinase Cε,PKCε)介导细胞内二酰基甘油的积累,从而抑制胰岛素信号通路、减少肝葡萄糖产生,并进一步抑制IR,这个过程在一定程度上阻碍了NAFLD的发展[16]。这些研究结果表明,Lipin1在mTORC2和CREB调控下对脂质代谢、胰岛素信号通路和NAFLD的调节具有重要作用。然而,对于Lipin1和脂质代谢之间的关联及其调控机制还需要进行进一步的研究。

3.3 mTOR通过调节氧化应激调控脂质代谢

当向肝脏输送游离脂肪酸(FFAs)增加时,会导致线粒体氧化应激(oxidative stress,OS)的增加。随着细胞内ROS水平也升高的同时,进而激活JNK信号通路[17-18]。JNK信号通路的激活进一步导致p53蛋白的激活,从而调节多种细胞进程,包括细胞凋亡、增殖和代谢调节。在这个过程中,PIG3作为p53的诱导基因,被认为参与了氧化应激状态下的细胞应答。研究表明,沉默PIG3的表达会增加PTEN的表达[19]。PTEN是一个重要的调节因子,可以反转PIP3,将其转化为PIP2,从而抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路的正常激活。在氧化应激下,PI3K/Akt/PTEN通路的异常激活可能导致肝细胞凋亡。肝脏特异性PTEN缺失会导致PI3K/Akt信号通路的持续活化[20],进而影响肝细胞内脂肪代谢平衡,增加脂肪堆积、炎症反应和氧化应激的程度,从而进一步促进NAFLD的发展。此外,PTEN在NAFLD和非酒精性脂肪肝性肝炎的发展过程中通过PI3K/Akt通路发挥作用。同时,mTOR的激活可能影响NF-κB的表达,并抑制PTEN基因的转录[21]

3.4 mTOR信号通路在肝炎中的调控作用

炎症应激反应是NAFLD发展中的一个重要因素,但并不是独立的危险因素。炎症反应通过激活信号通路来招募黏附因子、细胞因子和趋化因子,其中包括TNF-α、IL-1β、IL-1、IL-12、IL-18和IL-6等炎症因子对肝脏造成攻击[22-23]。炎症可以通过破坏脂质稳态来加剧非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展。一项研究使用载脂蛋白E(ApoE)基因敲除小鼠或刺激人肝细胞瘤细胞系HepG1来诱导慢性炎症,并观察其对脂质积累的影响[24]。研究结果表明,炎症增加了HepG2细胞和ApoE KO小鼠肝脏中的脂质积累。进一步的分析表明,炎症增加了mTOR以及其下游的蛋白(p70 S6激酶、4E-BP1等)的磷酸化。然而,有关NAFLD中炎症和mTOR的具体机制尚不清楚[25]。

另一项研究针对人肝细胞瘤HepG6细胞,通过刺激TNF-α和IL-2来诱导炎症应激。研究发现[26],在注射酪蛋白的小鼠中,炎症应激增强了mTOR及其下游翻译调节因子(p70 S6激酶、eIF4E和4E-BP1)的磷酸化。然而,雷帕霉素即使在炎症应激下,也能降低mTOR信号通路中相关成分的磷酸化,并减少CD36的翻译效率和蛋白质水平,从而减少炎症应激引起的肝脂积累[27-28]。

3.5 mTOR调控肝纤维化和肝癌

mTOR 信号通路的激活可以促进肝星状细胞的活化和纤维基质的积累。研究表明,mTORC1 的激活可以通过下调纤维抑制蛋白 1(Fibroblastic Inhibitory Protein 1,FGF1) 来促进肝星状细胞的活化和肝纤维化的进展[29]。肝癌是肝脏最常见的原发性肿瘤,mTOR 信号通路的异常激活与肝癌的发生和发展密切相关。mTOR 的过度激活可以促进肿瘤细胞的增殖、侵袭和血管新生。一些研究表明,mTORC1 的激活与肝癌中多种信号通路的异常交叉作用有关,包括 PI3K/AKT 信号通路和 Wnt/β-catenin 信号通路等[30]。

4 小结及展望

NAFLD的发展与脂肪酸合成过程中的过量脂肪酸的产生密切相关,mTORC1信号通路通过调节SREBP1c的活性,mTORC 1对脂肪酸从头合成过程中的几个关键酶的表达和活性具有调控作用。此外,mTOR信号通路还通过调控与IR相关的多个重要靶点,包括Lipn1、FOXO1和PKCε影响胰岛素的产生,有助于减轻胰岛素抵抗,调节胰岛素信号通路的正常功能,从而阻断NAFLD的进展。

当肝脏暴露与游离脂肪酸浓度过高时,会引发一系列的细胞信号传导通路的异常激活和调节,包括JNK信号通路、P53蛋白的激活、PTEN的调节以及PI3K/AKT/mTOR信号通路的异常激活等,这些因素相互作用并共同参与了NAFLD的发展过程。

这些信号通路之间相互关联和相互作用,共同调控着脂质代谢、细胞应激和炎症反应等过程。通过研究这些信号通路之间的交互作用,我们可以更深入地了解NAFLD的病理机制,并有望找到新的治疗策略。进一步的研究有助于揭示这些信号通路在NAFLD中的具体调控机制,并为开发新的治疗方法和药物提供理论基础。