中华急诊医学杂志  2015, Vol. 24 Issue (1): 108-111
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付乐, 黄亮. mTOR信号通路在缺血性脑损伤中的作用及机制[J]. 中华急诊医学杂志, 2015, 24(1): 108-111.
mTOR信号通路在缺血性脑损伤中的作用及机制
付乐, 黄亮     
330006，南昌 南昌大学第一附属医院急诊科
收稿日期：2014-07-11
通信作者：黄亮， Email: HuangLiang6312@sina.com

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是细胞内重要的信号分子，在各种刺激因素下激活后，通过mTORC1和mTORC2两种复合物介导下游，广泛调节生理活动，如细胞生长、新陈代谢、蛋白质合成与细胞存活等。近年来，mTOR信号通路在中枢神经系统中的作用引起极大关注[1]。目前已发现mTOR信号通路具有多种功能，包括阻止神经细胞凋亡、抑制自噬性细胞死亡、促进神经细胞再生及促进血管再生等，提示其具有防止缺血神经细胞死亡与促进组织修复的功能。在缺氧缺血性脑损伤过程中，伴随着能量消耗、氧化应激、细胞因子和细胞程序性死亡等多种病理生理过程[2]，研究显示，mTOR信号通路与这些病理生理过程存在紧密联系。

1 mTOR信号通路

mTOR是一种进化上高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶(the phosphatidylinositol kinase-related kinase,PIKK)家族成员之一。mTOR的初级结构由几个保守的结构域构成，包括FRB区、FAT域和串联的重复HEAT单位[3]。生理状态下，mTOR与多种蛋白结合形成两种结构和功能不尽相同的大分子复合物：mTORC1(mTOR,raptor和MLST8)和mTORC2(mTOR,rictor和MLST8)，二者活性主要通过其羧基末端特异性底物磷酸化调节，主要活化位点分别位于丝氨酸2448位点及丝氨酸2481位点[4]。在氧化应激、低能量状态(AMP/ATP比值增加)、营养物质(如葡萄糖、氨基酸)缺乏和生长因子释放等因素刺激下，mTOR信号通路被激活。

mTOR上游有几种重要的信号分子，如磷脂酰肌醇3-羟基激酶(PI3K)、蛋白激酶B(Akt)、丝氨酸/苏氨酸激酶肝激酶B1(LKB1)、AMP活化的蛋白激酶(AMPK)等。目前已知脑组织中存在多条mTOR信号通路，其中最重要的是PI3K-Akt-mTOR信号通路[5]和LKB1-AMPK-mTOR信号通路[6]。在生长因子刺激下，PI3K活化，进而通过磷脂酰肌醇依赖性激酶1、2(PDK1、PDK2)磷酸化Akt，导致mTORC1上游结节性硬化复合物TSC1-TSC2解聚，激活mTORC1；当机体处于低能量状态时，细胞内AMP水平上升，LKB1激活，在LKB1和AMP刺激下，AMPK活化，继而磷酸化并激活TSC1-TSC2，抑制mTORC1[7]。

mTORC1下游效应因子主要是核糖体40S小亚基S6蛋白激酶(P70S6K)和翻译启始因子4E结合蛋白1(4EBP1)，二者共同调节翻译起始速度、蛋白质合成与细胞生长，其中S6K能够促进延长因子-1a、poly(A)结合蛋白等蛋白质的转录与翻译，4EBP1则可增加低氧诱导因子-1(HIF-1)、血管内皮细胞生长因子(VEGF)、细胞周期蛋白D1等蛋白的表达[8]。

mTORC2能在能量消耗、生长因子等因素刺激下激活，通过磷酸化包括PKC、Akt和SGK1在内的AGC激酶家族，发挥调节肌动蛋白、细胞骨架和细胞存活等作用[9]。

2 mTOR信号通路与缺氧缺血性脑损伤

脑对缺氧缺血极其敏感，一旦缺氧缺血时间较长即可引起严重的不可逆性损伤，而这些损伤与mTOR信号通路息息相关[10]。细胞氧气、葡萄糖剥夺(oxygen and glucose deprivation,OGD)是常见的体外复制组织缺氧缺血模型的方法，Pastor等[11]在OGD造成星形细胞损伤条件下检测了S6K1表达，发现其表达量明显下降，用mTOR特异性抑制剂雷帕霉素进一步减少S6K1表达导致星形细胞损伤加重，而用腺病毒感染使S6K1表达增加可减少星形细胞损伤；在体内实验，对敲除S6K基因小鼠，永久性大脑中动脉闭塞(permanent middle cerebral artery occlusion,pMCAO)后小鼠脑组织梗死体积将增大，提示激活mTOR-S6K1通路对缺血造成的星形细胞损伤具有保护作用。通过缺血预处理[12]与缺血后处理[13]也能发现，缺血-再灌注损伤后脑组织中mTOR表达量增高有利于减少脑组织梗死体积，改善行为学不足，如用雷帕霉素降低mTOR表达则能解除其保护效应。近年来使用硫辛酸(alpha-lipoic acid)[14]和钩藤碱(rhynchophylline)[15]起到了保护缺氧缺血后脑组织的作用，而二者的保护机制与通过激活Akt/mTOR信号通路密切相关。由此可见，mTOR信号通路在缺血性脑损伤中起重要作用，增强mTOR活性能够保护缺氧缺血后损伤的脑组织。

3 mTOR信号通路在缺氧缺血性脑损伤中的作用机制 3.1 mTOR信号通路与细胞凋亡

细胞凋亡是由Caspases(天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶)家族为主体的蛋白水解过程，是导致各种组织细胞死亡的关键路径。细胞凋亡过程包含两个部分：染色体DNA降解和细胞膜对称性破坏。神经细胞凋亡、丢失是缺血性脑损伤重要的病理机制[16]。众多实验表明，在脑组织缺血性梗死灶中能够检测出神经细胞凋亡，且抑制细胞凋亡可降低缺血脑组织神经细胞损伤，减少脑梗死体积。凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor,AIF)是诱导缺血神经细胞凋亡的主要因子，Culmsee等[17]发现，将培养的神经细胞暴露于OGD环境或使小鼠MCAO后，AIF从胞质转移至细胞核内，并与已裂解的DNA碎片混合，细胞发生凋亡的形态学改变，而抑制AIF表达可减少神经细胞死亡。所以，细胞凋亡被认为是缺血性脑损伤神经细胞死亡、丢失的主要因素。

mTOR活性在神经细胞凋亡过程中起重要作用，活性下降将诱导神经细胞凋亡。例如，氧化应激可导致缺血后神经细胞凋亡，其机制可能是活化的AMPK抑制mTOR与其下游P70S6K和4EBP1磷酸化[18]。Akt与mTOR激活能够抑制神经细胞凋亡，保护神经细胞，抑制Akt或mTOR将增加神经细胞凋亡，如果同时抑制Akt和mTOR，将导致更为严重的坏死性细胞凋亡[19]。红细胞生成素是新型的神经保护剂，研究表明，红细胞生成素能够通过激活PI3K-Akt-mTOR-P70S6K信号通路抑制凋亡蛋白Caspase 1和Caspase 3生成，减少Aβ诱导的小胶质细胞凋亡，而用雷帕霉素抑制mTOR后红细胞生成素的保护作用降低，说明红细胞生成素抑制细胞凋亡的作用与mTOR信号通路有关[20]。以上研究表明，mTOR具有抗细胞凋亡作用。

mTOR的抗细胞凋亡作用与mOTR下游信号分子P70S6K和4EBP1磷酸化有关。其机制可能是P70S6K可以促进抗凋亡蛋白BCL-2/BCL-X的表达，并诱导促凋亡蛋白BAD失活[21]。

3.2 mTOR信号通路与自噬

自噬与细胞凋亡不同，细胞凋亡细胞器得以保留，细胞骨架破坏；而自噬细胞器和细胞质成分早期即被破坏，细胞骨架完整。自噬可分为大自噬、小自噬和分子伴侣介导的自噬三类，通常说的自噬是大自噬。在营养物质缺乏等情况下，大自噬过程启动，在此过程中，受损的细胞器与细胞质蛋白质成分被单层或双层膜包裹形成自噬小体，再转运到溶酶体形成自噬溶酶体降解，降解后成分可以循环再利用，其过程对细胞意义重大。

然而，自噬也会导致缺血后的神经细胞死亡。LC3是自噬相关蛋白，包含LC3-Ⅰ和LC3-Ⅱ。LC3-Ⅰ在细胞内，而LC3-Ⅱ位于自噬泡膜上因此其表达量与自噬小体的数量呈正相关。研究表明，大鼠局灶性脑缺血后，脑组织缺血半暗带LC3-Ⅱ表达量升高，用电镜也能观察到神经细胞内大量自噬溶酶体形成[22]。Rami等[23]发现，大鼠脑组织缺血半暗带LC3与Beclin1表达升高，自噬激活。在OGD诱导星形细胞缺氧缺血损伤和pMCAO致大鼠局部脑缺血后均可发现，缺氧缺血后自噬激活，并导致星形细胞损伤，而用自噬抑制剂3-MA降低自噬相关蛋白表达则可减轻神经细胞损伤[24]。海马对缺氧缺血极为敏感，轻微缺氧缺血就能造成海马损伤，但抑制自噬将减少脑缺血后海马CA1区神经细胞死亡[25]。

mTOR信号通路在缺氧缺血后自噬性神经细胞死亡过程中起关键作用，激活mTOR负向调节自噬。Choi等[26]发现，氧化应激能抑制mTOR并诱导神经细胞自噬性死亡，用雷帕霉素进一步抑制mTOR，自噬增强，神经细胞损伤加重。另一项研究表明，胰岛素样生长因1(IGF-1)降低门冬氨酸诱导的海马细胞自噬性死亡需要激活PI3K-Akt-mTOR信号通路，说明mTOR信号通路可抑制自噬性细胞损伤，对细胞存活起着重要作用[27]。然而，自噬也能调节mTOR活性，Yu等[28]发现，诱导大鼠肾小球细胞自噬能够抑制mTOR活性，如进一步延长大鼠饥饿时间，待自噬溶酶体降解后，将导致mTOR再次激活，其过程对调节溶酶体产生与消耗平衡意义重大。

mTOR参与调节自噬的机制与自噬相关基因(autophagic related gene,Atg)有关，在哺乳动物细胞内，mTOR主要通过调节ULK-Atg13-FIP200复合物活性调节自噬。最近研究发现，mTOR还可能通过调节死亡相关蛋白1(DAP1)负向调节自噬[29]。

3.3 mTOR信号通路与神经细胞再生

神经细胞再生主要靠神经干细胞分化、增殖完成。神经干细胞是中枢神经系统中处于较原始状态未分化的细胞，在病理状态下，能够不断进行有丝分裂进行自我复制以补充丢失的神经元，在成人，以侧脑室的室管膜下层(subventricular zone,SVZ)和海马齿状回颗粒下层(subgranular zone,SGZ)区的神经干细胞增殖能力最强。脑缺血后，在受损区和未受损区的神经细胞均可再生：一方面刺激缺血半暗带区神经干细胞分化、增殖，另一方面促使新生的神经细胞从SVZ区向对侧受损的纹状体区迁移[30]。

激活mTOR信号通路具有促进神经干细胞分化，促使神经细胞修复的功能。表皮生长因子(EGF)和纤维组织母细胞生长因子(FGF2)是神经细胞再生重要的营养因子，而EGF与FGF2调节神经干细胞分化与PI3K-mTOR信号通路有关，如果抑制PI3K或mTOR，将导致神经干细胞分化能力与星形细胞复制能力下降，EGF、FGF2生成减少[31]。mTOR信号通路能够有效控制神经元存活，抑制mOTR活性导致海马区神经干细胞和齿状回区星形细胞与小胶质细胞减少[32]。Magri和Galli[33]认为，mTOR是调节神经干细胞分化与自我更新平衡的枢纽，在中枢神经系统生理与病理状态下均发挥了重要作用。研究表明，mTOR在严重的脑损伤和脊髓损伤中发挥了重要作用，通过调节mTOR信号通路有助于神经系统修复、提高生存率[34]。mTOR信号通路在缺血后神经细胞再生中的作用具有广阔的研究前景。

3.4 mTOR信号通路与血管再生

血管再生是内皮细胞(endothelial cell,EC)增生和迁移形成新分支，再扩展延伸形成新的毛细血管网的过程。局灶性缺血性脑损伤后，与对侧正常大脑半球相比，脑损伤侧有大量的新生微血管生成，新生血管可能有助于脑组织修复，提高患者存活率。Greenberg[35]认为，血管再生有助于增加缺血半暗带脑血流量，减少脑梗死灶区域，促进新生血管生成是治疗缺血性脑损伤新方法。

激活mTOR能够有效促进血管再生。首先，mTOR可以控制内皮干细胞存活，后者可分化为EC细胞，有助于血管再生；其次，mTOR激活有助于EC增殖；再者，mTOR激活促进功能性VEGF生成，而VEGF是血管再生重要的营养因子，能够有效促进缺氧缺血后脑组织血管再生[36]。

mTOR信号通路在中枢神经系统疾病中所扮演的角色越来越受到关注，尤其是缺血性脑损伤。随着分子生物学研究技术水平的发展，对mTOR信号通路信号网络的研究也越来越深入，其在缺血性脑损伤中的作用也更趋清晰。在此基础上，如果对mTOR信号通路各个环节实行干预，调节mTOR下游信号分子相关基因的表达，通过各种机制，最终起到防止缺血神经细胞死亡与促进组织修复的作用，对临床各种缺血性脑损伤的治疗提供新方法具有非常重要的指导意义。

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